张斌锋 张炜 吴畏 李小军
(重庆市渝西水务有限公司永川分公司,重庆 永川 402160)
酿酒废水是白酒工业生产过程中产生的主要副产物[1],具有呈酸性、有机物浓度高、颜色深、悬浮颗粒物多等特点,并富含酒精、淀粉、蛋白质、氨基酸、甲醇、甲醛和糖类等有机物[2-3]。作为白酒产业的副产物,酿酒废水产量巨大。有研究表明,每生产1 t 白酒会产生约48 t 的废水[4]。目前,酿酒废水的处理方法主要采用生物法[5],如厌氧降解、好氧降解、厌氧—好氧降解、膜处理法等[6-7],这些处理方式都存在运营成本较高的问题。因此,亟须更加有效且低成本的处理方式。
与此同时,为提高污水氮磷脱除的效率,在生活污水处理过程中常常需要补充碳源,如甲醇、乙酸、乙酸钠、淀粉、蛋白质、葡萄糖等。为此,本研究对酿酒废水进行厌氧消化处理,拟将酿酒废水中的大分子有机物细分子化,并将其作为“碳源”应用于污水处理,提高酿酒废水资源化利用效率。将酿酒废水作为外加碳源用于污水处理,既处理了酿酒废水,又可以降低污水处理厂购置碳源的成本,协同推进污水处理厂稳定运行,助力碳达峰碳中和,实现经济与环境双赢。
酸度是影响废水生化处理过程中的重要因素之一,也是影响微生物酶活性及酶促反应速率的最重要因素之一[8]。为此,本研究分析了酸度对酿酒废水厌氧消化过程中氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛含量的影响,旨在通过调节溶液酸度提高厌氧消化酶活性,进而提高厌氧消化处理效果。
2.1 供试材料
酿酒废水取自永川区某酿酒厂。经测定,该酿酒废水pH 为4.04。
2.2 实验设计
将5 L 酿酒废水加入厌氧消化处理罐中,调节溶液初始pH 至设计值,再加入50.0 g 消化菌剂,混匀后盖好盖子,将消化处理罐放入加热装置中,打开加热装置,将温度上升至35 ℃[9]后进行厌氧消化处理5 d[10],研究初始溶液pH 对酿酒废水中的氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛含量的影响。溶液初始pH设置为6,7,8,9,10,分别记为处理A,B,C,D,E;
消化菌剂取自生活污水处理厂的厌氧消化池[8]。
2.3 样品分析与测定方法
氨基酸含量采用茚三酮显色法进行测定;
还原糖含量采用斐林氏溶液法进行测定;
蛋白质含量采用紫外分光光度法进行测定;
甲醛含量采用乙酰丙酮法进行测定。
2.4 数据分析
采用SPSS 软件对实验数据进行统计分析,并利用LSD 法进行差异显著性分析,显著性检验水平均设置为0.05。
3.1 pH 对厌氧消化液中氨基酸含量的影响
溶液初始pH 对厌氧消化液中氨基酸含量的影响如图1 所示。由图1 可知,溶液初始pH 对酿酒废水厌氧消化液中氨基酸含量影响较大。随着溶液初始pH 增加,厌氧消化液中氨基酸含量先增加后降低,在溶液初始pH 为9(处理D)时达到最大值,此后逐渐降低。与处理A 相比,处理D 溶液中氨基酸含量高0.78 倍,与对照相比差异显著(p<0.05)。由此表明,适当增加溶液初始pH,可提高厌氧消化液中的氨基酸的含量,但进一步增加会抑制有机物向氨基酸转化。
图1 pH 对厌氧消化液中氨基酸含量的影响
3.2 pH 对厌氧消化液中还原糖含量的影响
溶液初始pH 对厌氧消化液中还原糖含量的影响如图2 所示。由图2 可知,厌氧消化液中的还原糖含量随溶液初始pH 增加而先增加后降低。在溶液初始pH 为9(处理D)时,厌氧消化液中还原糖含量达到最大值,此后随着溶液初始pH 增加而略有降低。与处理A 相比,处理D 溶液中还原糖含量高0.24 倍。由此表明,适当增加溶液初始pH,可提高厌氧消化液中的还原糖含量,但进一步增加会抑制酿酒废水中的有机物向还原糖转化。
图2 pH 对厌氧消化液中还原糖含量的影响
3.3 pH 对厌氧消化液中蛋白质含量的影响
溶液初始pH 对厌氧消化液中蛋白质含量的影响如图3 所示。由图3 可知,在弱酸环境下(溶液初始pH 为5~6),酿酒废水厌氧消化液中蛋白质含量较低;
当溶液呈中性至弱碱性时,随着溶液初始pH增加,酿酒废水厌氧消化液中蛋白质含量显著增加。尤其是处理E 中蛋白质含量比处理A 高2.38 倍,与对照相比差异显著(P<0.05)。这说明适量增加溶液的初始pH,有利于酿酒废水中的有机物向蛋白质转化。
图3 pH 对厌氧消化液中蛋白质含量的影响
3.4 pH 对厌氧消化液中甲醛含量的影响
溶液初始pH 对厌氧消化液中甲醛含量的影响如图4 所示。由图4 可知,酿酒废水厌氧消化液中的甲醛含量随着消化液初始pH 增加而增加。在溶液初始pH 为10 时达到最大值。与处理A 相比,处理E 溶液中甲醛含量高0.72 倍,与对照相比差异显著(P<0.05)。这说明适量增加溶液初始pH,有利于酿酒废水中的有机物向甲醛转化。
图4 pH 对厌氧消化液中甲醛含量的影响
厌氧消化是一个有多种微生物参与的复杂的生物化学过程[10],消化条件的改变极易影响到厌氧系统的正常运转,尤其是溶液酸碱性的变化极易影响废水消化反应的进程。适宜的酸碱性是保障厌氧消化顺利进行的关键指标[11-12]。李美群等[13]研究表明,红薯废醪在中温条件下厌氧消化,厌氧消化体系的pH 显著下降,同时体系的产气受到明显抑制。Zhou 等[14-15]研究发现,厌氧发酵液pH 不同,会导致厌氧消化过程中产生的气体组成不同。杨乐等[11]研究也表明,pH 对玉米废醪厌氧消化效果影响较大,在pH 为5.5,6.5,7.5,8.5 条件下,玉米废醪厌氧消化系统累计产气量均存在较大差异;
pH 为5.5 组玉米废醪发酵液中丁酸降解不充分,而pH 为8.5 组玉米废醪发酵液中丙酸占比偏高且发酵周期较短,产气效果不好。
吴至成等[16]研究表明,溶液初始酸碱性对剩余污泥厌氧水解酸化的影响较大。碱性环境有助于提高剩余污泥厌氧水解酸化速率,可促进污泥中有机物(蛋白质和多糖)的溶出。污泥厌氧发酵的最佳pH为10 时,污泥厌氧发酵系统能源物质短链挥发性脂肪酸(SCFA)的最大积累量达到286.4 mg/g。闫锋等[10]研究也发现,溶液pH 与厌氧消化中的产酸菌和产甲烷菌活性、消化液中的有机物质转化密切相关,不同的消化微生物有其适宜的酸碱性,只有在最适宜的pH 时才能发挥其最大的活性,进而直接影响着厌氧消化过程及其消化反应的产物。
本实验结果显示,在弱酸或中性环境下(pH 为6~7),酿酒废水厌氧消化液中的氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛含量低于碱处理(pH 为8~10),尤其是处理D(溶液初始pH 为9)中氨基酸与还原糖含量分别比处理A(pH 为6)高0.78 倍和0.24 倍,处理E(溶液初始pH 为10)中蛋白质与甲醛含量分别比处理A(pH 为6)高2.38 倍和0.72 倍,与对照相比均差异显著(P<0.05)。但随着酿酒废水厌氧酸化液初始pH 进一步增加,处理E 中氨基酸和还原糖含量略有降低。这说明,碱性环境(溶液初始pH 为9~10)有利于酿酒废水中的厌氧消化微生物的生长,利于酿酒废水的厌氧消化处理,利于酿酒废水中的大分子碳向氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛等转化,但过度增加酿酒废水厌氧消化液初始pH,则会抑制酿酒废水中的有机物向氨基酸和还原糖转化,这与苑宏英等[17]的研究结果相似。苑宏英等[17]研究发现,剩余污泥厌氧消化产酸的最佳pH 为10,此时厌氧消化微生物活性最强。陈广银等[18]也研究发现,pH 与猪粪水酸化贮存保氮效果密切相关,适宜的pH 可提高酸化细菌的活性,可以增加猪粪水中的总磷和水溶性磷浓度。
实验结果显示,适当增加溶液初始pH,可促进酿酒消化液中的有机质向氨基酸、还原糖、蛋白质和甲醛转化,提高酿酒废水“碳氧化”利用效率。与处理A(溶液初始pH 为6)相比,处理D(溶液初始pH 为9)中氨基酸与还原糖含量分别高0.78 倍和0.24 倍,处理E(溶液初始pH 为10)中蛋白质与甲醛含量分别高2.38 倍和0.72 倍,与对照相比差异显著(P<0.05);
但过度增加酿酒废水厌氧消化液初始pH,则会抑制酿酒废水中有机物向氨基酸和还原糖转化。