溫度對大麻連續(xù)流生物脫膠效果的影響

李 華，馬顏雪，李毓陵，陳小光，王釔琦，張湧

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；3.東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620；4.東華大學 國家環(huán)境保護紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海201620；5.甘肅漢麻科技有限責任公司，甘肅 天水 741000)

溫度是微生物生長繁殖的重要環(huán)境因素，微生物的一系列生化反應(yīng)離不開適宜的溫度條件。連續(xù)流生物脫膠[1－3]實驗為微生物提供了厭氧生存條件，溫度不僅影響厭氧環(huán)境下的物化反應(yīng)進程，還對厭氧微生物的增殖速率和代謝活動有控制作用[4]，繼而對大麻原麻脫膠效果產(chǎn)生不同程度的影響。厭氧菌群作為發(fā)揮生物脫膠作用的載體核心，通過菌產(chǎn)酶、酶脫膠、膠養(yǎng)菌的運行機制完成脫膠反應(yīng)。厭氧菌群受溫度影響較大，溫度過高，微生物易失活，溫度過低，微生物的活性被抑制，生長代謝速率減緩。常用的厭氧消化溫度是35℃~38℃，為中溫范圍，溫度過低，厭氧消化率下降[5]。適宜的溫度環(huán)境有助于發(fā)揮厭氧微生物的活性，從而提高脫膠效率。為尋找連續(xù)流生物脫膠反應(yīng)合理的溫度條件，本文將在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，將脫膠溫度分別設(shè)置為33℃、36℃、39℃三個因子水平，重點討論在此溫度條件下大麻連續(xù)流生物脫膠效果。

1 實驗

1.1 連續(xù)流生物脫膠實驗

本文采用甘肅天水地區(qū)所產(chǎn)清水大麻原麻，原料經(jīng)手工剝制而成，長度整齊度較好，但批次間容易產(chǎn)生質(zhì)量差異。為遵循實驗變量的單一控制原則，實驗將分別進行不同批次下的對比分析。

連續(xù)流生物脫膠實驗包括前處理工序[6]、連續(xù)流生物脫膠處理工序[7]、后處理工序三個部分。

前處理工序指煮麻工藝，稱取約400g的大麻原麻以1∶15的浴比煮沸1h，以去除部分膠質(zhì)并消殺雜菌，有助于開展下一步的生物脫膠處理。

連續(xù)流生物脫膠處理是將煮沸并涼至室溫后的大麻原麻放于連續(xù)流生物脫膠裝置中，設(shè)定除溫度以外一致的工藝運行參數(shù)，調(diào)控溫度系統(tǒng)分別穩(wěn)定在33℃、36℃、39℃，經(jīng)相同的運行周期后得到大麻脫膠麻。連續(xù)流生物脫膠實驗裝置及工藝運行參數(shù)參照文獻[7]。

后處理工序指在實驗室條件下對經(jīng)連續(xù)流生物脫膠處理后的大麻(稱為脫膠麻)進行清洗、甩水并晾干的操作，之后得到實驗樣品即脫膠麻樣。本文所測試對象均為脫膠麻樣。

1.2 大麻脫膠效果的評價指標及測試方法

1.2.1 失重率

大麻原麻經(jīng)連續(xù)流生物脫膠處理后，膠質(zhì)得到不同程度的去除，麻的質(zhì)量隨之降低，降低程度以失重率衡量。由于檢測試樣干重測定過程所需的時間太長，故將脫膠前的含水的煮練原麻經(jīng)過脫水機甩干后的重量記為G0，脫膠后的經(jīng)同一脫水機甩干后的脫膠麻的重量記為G1，得到失重率的計算公式為:

主要儀器有T100－100型脫水機、YP20001天平等。

1.2.2 化學成分

化學成分含量可衡量大麻的特性。大麻的主要化學成分含量測試參照GB 5889－86?苧麻化學成分定量分析方法?。原麻的含膠率指標是由各膠質(zhì)成分相加后得到相關(guān)數(shù)值。

主要儀器:Y801A型恒溫烘箱、電加熱套、JT202N型天平、玻璃砂芯濾器、津騰GM－0.5B隔膜真空泵等。

1.2.3 細度及拉伸指標

脫膠麻樣的纖維細度指標可評價纖維的分離程度，大麻纖維細度測試參照GB/T 18147.4－2000?大麻試驗方法?。

強伸性能可衡量經(jīng)脫膠后的麻纖維所呈現(xiàn)的力學狀態(tài)，以判斷其是否滿足后續(xù)的紡紗處理工序要求，大麻纖維的強伸性能測試參照GB/T 18147.5－2000?大麻試驗方法?。

主要儀器有YG231－30MM纖維切斷器，JN－B－10－10MG型精密扭力天平，LLY－06E型電子纖維強力儀等。

1.2.4 脫膠液COD、氨氮濃度

COD即化學需氧量，也稱化學耗氧量，是指在一定條件下，水體中還原性物質(zhì)被強氧化劑氧化時所消耗的氧化劑的量，以mg/L計[8－9]。此處用該值來衡量脫膠液中有機物的相對濃度，從而判斷大麻原麻的膠質(zhì)去除情況?；瘜W需氧量(COD濃度)的測定采用微波消解法。

氨氮(以NH3－N計)一般是指以游離氮(NH3)或銨鹽(NH4＋)形式存在于水體中的氮，是衡量水質(zhì)污染的重要標準之一[10－12]。在厭氧環(huán)境下氧氣濃度極低，氨氮作為水中主要的耗氧物質(zhì)，其含量變化可間接判斷水中微生物的吸附分解作用。此處以氨氮濃度和氨氮去除率分析不同溫度條件下的大麻脫膠效果。

氨氮濃度測定參照HJ 535－2009?水質(zhì)氨氮的測定 納氏試劑分光光度法?。

式中，C0是進水氨氮濃度，C1是出水氨氮濃度。

2 結(jié)果與分析

由表1可知，批次2大麻原麻的膠質(zhì)含量占到總化學成分比重的近一半，高出批次1大麻原麻出約50%。批次2大麻原麻的各主要膠質(zhì)成分普遍比批次1的高，主要原因在于大麻原麻品種、種植環(huán)境以及剝制手藝的不同。批次1是緩坡籽麻，批次2是高山籽麻，同樣的前處理工藝對膠質(zhì)含量影響顯著，這給連續(xù)流生物脫膠處理帶來了潛在的數(shù)據(jù)差異問題。

表1 原麻的化學成分組成

2.1 失重率

考慮到脫膠試驗過程的連貫性和穩(wěn)定性，即試驗裝置升溫后不宜再降溫，且同一溫度下?lián)Q入不同批次原麻后系統(tǒng)會波動等問題，本文對批次1原麻做的是33℃提高到36℃的對比試驗；批次2原麻做的是36℃提高到39℃的對比試驗，結(jié)果見表2。由表2可知，在其它條件不變的前提下，對于批次1原麻，溫度由33℃提高到36℃時，失重率平均值從13.06%至16.86%，增加了約29%。對于批次2，溫度由36℃提高到39℃時，失重率平均值增加了約15%。

表2 原麻在33℃、36℃、39℃下的失重率

借助差異顯著性分析對上述結(jié)果作驗證可得，批次1的失重率在33℃、36℃的溫度條件下是存在差異的且極顯著；批次2的失重率在36℃、39℃的溫度條件下存在差異且極顯著，說明提高脫膠溫度對增加失重率都有積極影響。即實驗范圍內(nèi)，隨著脫膠溫度的提高，清水大麻原麻的失重率會有不同水平的增加。

2.2 細度及拉伸指標

由表3可知，脫膠溫度從33℃到36℃時，批次1脫膠麻樣的纖維線密度有所降低。纖維線密度減小，說明脫膠后大麻纖維束分散程度加大。伸長率降低約11%，說明升溫后纖維束間的膠質(zhì)得到脫落，工藝纖維中的纖維束數(shù)量減少，導致了伸長率的降低。強力、強度較接近，說明提高溫度有利于去除纖維束間的膠質(zhì)，但對纖維束的強力指標影響不大，也說明厭氧生物脫膠的作用程度溫和，設(shè)定條件下，不會對纖維束造成明顯的強力損傷。

表3 脫膠麻在33℃、36℃、39℃下的細度及強伸指標

脫膠溫度從36℃到39℃時，批次2的線密度降低約7%，分散程度得到一定改善。而纖維強力和強度值雖有所提高，但從平均水平上看總體差距并不大，說明脫膠麻樣的纖維束內(nèi)部的抱合作用力并未受到升溫的明顯影響。而批次2的各項指標均低于與批次1，說明同一地域不同產(chǎn)區(qū)的原麻，纖維性能也會有相當大的差異。

2.3 脫膠液COD、氨氮濃度變化

由圖1可知，批次1在33℃、36℃下的COD、氨氮濃度變化。實驗期間脫膠罐的出水(即反應(yīng)器進水)COD濃度普遍大于脫膠罐的進水(即反應(yīng)器出水)COD濃度，說明膠質(zhì)分解有效，固態(tài)膠質(zhì)成分先在脫膠罐被厭氧菌群降解為可溶低分子物質(zhì)后溶入脫膠液，然后隨脫膠液進入反應(yīng)器被進一步分解為氣態(tài)小分子并排放。當然脫膠罐中也有大量可溶低分子物質(zhì)被分解成氣態(tài)小分子并排放。33℃下的COD進出差距明顯高于36℃下的COD進出差距，但總水平要低一些，說明在33℃的脫膠溫度下脫膠過程并不穩(wěn)定，膠質(zhì)分解狀態(tài)表現(xiàn)出一定的波動性，該溫度條件下還未有效促進膠質(zhì)分解。36℃時COD進出的總體水平要大于33℃時COD進出的總體水平，33℃時COD總進濃度在228mg/L~485mg/L之間，總出濃度在277mg/L~573mg/L之間，36℃時COD總進濃度在427mg/L~722mg/L之間，總出濃度在432mg/L~676mg/L之間，說明提高溫度促進了原麻的膠質(zhì)脫除，膠質(zhì)降解為低分子有機物使得COD濃度增加。36℃下的COD進出濃度變化趨于一致，表現(xiàn)為先升高后降低，說明脫膠周期一開始時膠質(zhì)降解作用有限，到中后期分解水平不斷提高，末期有機物得到有效降解使得COD濃度出現(xiàn)下降。

圖1 批次1在33℃、36℃下的COD、氨氮濃度變化

此階段內(nèi)氨氮濃度的總進普遍大于總出，說明膠質(zhì)分解過程中產(chǎn)生的氨氮物質(zhì)在脫膠液中已得到一定的消化分解，導致出水濃度降低。33℃下氨氮總進濃度在7.42mg/L~14.21mg/L之間，總出濃度在6.41mg/L~13.71mg/L之間，36℃下氨氮總進濃度在6.75mg/L~11.21mg/L之間，總出濃度在5.83mg/L~10.96mg/L之間，說明隨著溫度的升高，脫膠液中的氨氮物質(zhì)被厭氧菌進一步分解，氨氮濃度進一步降低。由此可得，對于批次1，36℃的脫膠溫度比33℃更有利于原麻的膠質(zhì)分解，降低水中有機物的相對濃度。

由圖2可知，批次2在36℃、39℃下的COD、氨氮濃度變化。實驗期間脫膠液的出水COD濃度普遍大于進水COD濃度。36℃時COD進出的總體水平與39℃時COD進出的總體水平差距并不大，36℃時COD總進濃度在336mg/L~520mg/L之間，總出濃度在418mg/L~608mg/L之間，39℃時COD總進濃度在389mg/L~587mg/L之間，總出濃度在449mg/L~627mg/L之間，說明提高脫膠溫度對脫膠液內(nèi)的有機物降解還不夠充分，膠質(zhì)脫除水平有待進一步提高，原因主要在于批次2自身的原料特性，膠質(zhì)含量太高，對脫膠溫度條件提出了更高要求。后期可以通過延長39℃下的溫度作用時間、提高脫膠溫度、或者改變其他工藝參數(shù)的方法加以解決。

圖2 批次2在36℃、39℃下的COD、氨氮濃度變化

此階段內(nèi)氨氮總進、總出濃度差異較小，總出濃度略低于總進濃度。36℃下氨氮總進濃度在8mg/L~13.71mg/L之間，總出濃度在7.63mg/L~12.13mg/L之間，39℃下氨氮總進濃度在6.92mg/L~9.67mg/L之間，總出濃度在7mg/L~8.67mg/L之間，說明提高脫膠溫度并未有效降低脫膠液中出水的氨氮濃度，這一點同COD濃度的結(jié)論分析是相似的。

氨氮去除率可衡量生物脫膠罐中氨氮物質(zhì)的降低程度，進而判斷微生物的分解活性。由圖3可得，對于批次1，脫膠溫度在33℃時氨氮去除率走向相對平緩，36℃時波動較大，運行周期中段36℃下的氨氮去除率高于33℃，說明提高溫度雖有助于氨氮去除，但微生物的吸收效果還不夠穩(wěn)態(tài)。對于批次2，脫膠溫度在39℃時氨氮去除率普遍大于36℃時氨氮去除率，盡管脫膠溫度的提高并未有效降低脫膠液出水的氨氮濃度，但微生物的吸收活性相對而言得到提高，使得升溫時氨氮去除率增加。

圖3 各溫度因子水平下的氨氮去除率變化

與批次1在33℃、36℃時氨氮去除率的總體變化范圍相比，批次2在36℃、39℃時氨氮去除率的總體變化范圍相對偏低，說明批次2的膠質(zhì)含量太高對脫膠液中的氨氮去除效果不利。

3 結(jié)論

本文討論了溫度對大麻連續(xù)流生物脫膠效果的影響，研究對象選用兩個批次的清水大麻原麻，在改變溫度因子水平的條件下討論了脫膠麻相關(guān)指標和脫膠液COD、氨氮濃度變化情況，相關(guān)結(jié)論如下:

(1)提高溫度對提高清水大麻原麻的失重率有積極影響。即隨著溫度的提高，清水大麻原麻的失重率會有不同水平的增加。

(2)提高溫度有利于去除纖維膠質(zhì)，纖維的細度有所降低，強伸指標差異較小，即對纖維的強伸性能無明顯損傷。

(3)提高溫度促進了清水大麻原麻的膠質(zhì)脫除，膠質(zhì)降解為小分子有機物進入脫膠液中使得COD出水濃度增加，氨氮出水濃度減小，氨氮去除率升高。

(4)過大的清水大麻原麻含膠率批次差異，對連續(xù)流生物脫膠效果有顯著的影響。