薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水的研究

刘娅,董瑞,颜海燕,李江

(石河子大学食品学院,石河子832003)

薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水的研究

刘娅,董瑞,颜海燕,李江

(石河子大学食品学院,石河子832003)

啤酒废水中含有大量的有机物,若不加治理直接外排,将导致地表水和地下水的污染。本文以自制的薄皮核桃壳活性炭为吸附剂,对啤酒厂发酵罐CIP清洗的废水进行吸附处理,以啤酒工业废水COD和DO的去除率为考核指标,通过单因素和正交试验,得到降低COD的最佳处理工艺参数为:活性炭与p H=8的啤酒工业废水以1∶20的料液比混合,室温下吸附20min,COD的去除率可达77.5%;降低DO的最佳处理工艺参数为:活性炭与p H=8的啤酒工业废水以1∶10的料液比混合,室温下吸附20min,DO的去除率可达90.0%。

薄皮核桃壳活性炭;啤酒工业;废水处理;COD;DO

啤酒是酿酒业中废水和污染物排放大户,啤酒废水占全国工业废水排放总量的1.3%,所排化学需氧量(COD)占全国工业废水中COD排放总量的0.5%。

啤酒废水含有较高浓度的有机物,如糖类、醇类、维生素、氨基酸、酒糟等,若未经处理直接排入自然水体,会导致水质发黑变臭,严重污染环境。因此,在水资源供应日趋紧张的今天,如何有效处理啤酒废水,已成为环境保护的一项重要研究内容之一。

活性炭是一种优良的吸附剂,其发达的细孔结构和特殊的表面特性使它在水处理技术中得以广泛应用。近年来,以废弃的杏核、花生壳、椰壳、槟榔渣等物质原料制备活性炭成为企业、学者研究的热点,但以新疆薄皮核桃壳为原料生产的活性炭进行应用性研究却未见报道。

本文以新疆薄皮核桃壳制备的活性炭为吸附剂,对啤酒厂发酵罐定位清洗(CIP)产生的工业废水进行吸附净化处理,以期为核桃壳活性炭在啤酒废水处理方面的应用提供有益探索。

1 材料与方法

1.1 试验原料

薄皮核桃壳:新疆和田农十四师224团提供;薄皮核桃壳活性炭:ZnCl2活化法自制,60～80目;活性炭:河南省巩义市,60～80目;啤酒工业废水:发酵罐CIP清洗废水直接取样,啤酒厂提供。

1.2 药品与试剂

ZnCl2、H3PO4、I2、Na2S2O3、HgSO4、CuSO4·5H2O、KI、MnSO4、NaOH、KIO3、K2Cr2O7、亚甲蓝、邻苯二甲酸氢钾、可溶性淀粉等,均为分析纯。

1.3 主要仪器设备

KQ5200B超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;FPC99粉碎机,深圳市威斯比生物科技有限公司;PB-20p H计,北京赛多利斯仪器设备公司;UV759紫外可见分光光度计,上海第二仪器厂;85-2恒温磁力搅拌器,江苏医疗仪器厂。

1.4 试验方法

1.4.1 新疆薄皮核桃壳活性炭制备工艺

主要过程为:核桃壳→干燥、粉碎→53%氯化锌浸渍→微波中高火活化,辐射19min→水洗过滤→干燥→活性炭成品。

1.4.2 薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水工艺

将制备的薄皮核桃壳活性炭投入一定量啤酒工业废水中,并用超声波进行辅助处理,滤纸过滤,测定处理前后废水中的COD和DO变化。

1.4.3 啤酒工业废水中COD的测定

重铬酸钾法测定。COD去除效果以COD%,即COD去除百分率表示。

1.4.4 啤酒工业废水中溶氧(DO)的测定

碘量法测定。DO去除效果以DO去除的百分率表示,即DO%。

1.5 试验方案

1.5.1 薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水的单因素试验

将一定量的活性炭加入到啤酒工业废水中,在超声波的作用下,分别考察温度、p H、吸附处理时间、料液比对废水中COD和DO去除效果的影响。

1.5.2 薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水的正交试验

在单因素实验基础上,对影响COD和DO去除效果的四个因素:料液比、p H、温度、吸附处理时间进行L9(34)正交试验,确定活性炭处理啤酒工业废水的最佳条件。

1.5.3 活性炭处理啤酒工业废水的比较

分别选用市售活性炭和自制活性炭,在上述最佳处理条件下比较处理啤酒工业废水的效果。

2 结果与分析

2.1 啤酒工业废水中的COD和DO

化学需氧量(COD)是水环境监测中最重要的有机污染综合指标之一,它可用以判断水体中有机物的相对含量。按照前述测定方法对啤酒企业发酵罐CIP清洗废水进行检测,所采集的啤酒工业废水COD为941 mg/L。

溶解氧(DO)的含量是评价水体、水质和水体自净能力的重要指标,也是水产养殖业、自来水厂、污水处理厂和水质监测部门必不可少的测定项目。DO的变化在一定程度上反映水体受污染的程度。检测结果表明,啤酒企业发酵罐CIP清洗废水的DO为144.0 mg/L。

2.2 单因素试验

2.2.1 吸附温度对啤酒工业废水处理效果的影响

活性炭与啤酒工业废水的料液比1:30,p H=8的条件下超声波处理20 min,分别考察吸附温度20℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃对啤酒工业废水处理效果的影响,试验结果见图1。

图1 温度对废水处理效果的影响Fig.1 Effect of temperature on wastewater treatment

由图1可知,温度在20～30℃时,随着温度的升高,COD%和DO%均呈上升趋势,30℃～60℃时,COD%和DO%有所下降,其中COD%减少的更为明显。这是因为温度会影响活性炭的吸附性能,温度升高,解吸速度大于吸附速度,因此30℃为活性炭处理啤酒废水的适宜温度。

2.2.2 吸附处理时间对啤酒工业废水处理效果的影响

用薄皮核桃壳活性炭处理啤酒废水,在料液比1∶30,p H=8,温度30℃的条件下,考察活性炭吸附处理时间对啤酒工业废水处理效果的影响,试验结果如图2所示。由图2可知,吸附时间从10 min升至30 min时,COD%和DO%的变化幅度较大,随着吸附过程的进行,活性炭吸附达到平衡,因此在30 min以后,变化基本趋于平稳。

图2 吸附时间对废水处理效果的影响Fig.2 Effect of adsorption time on wastewater treatment

2.2.3 pH对啤酒工业废水处理效果的影响

在料液比1∶30,温度30℃,吸附处理时间30 min的条件下,控制p H在5～12范围内变化,研究p H对活性炭处理啤酒工业废水效果的影响,其试验结果如图3所示。由图3可知,从啤酒废水中去除有机物和降低COD和DO的最适p H为8,这可能是由于p H会改变活性炭表面化学基团的特性从而导致活性炭吸附性能的变化。

图3 pH对废水处理效果的影响Fig.3 Effect of pH on wastewater treatment

2.2.4 料液比对啤酒工业废水处理效果的影响

活性炭处理时间30 min,温度30℃,p H=8的条件下考察料液比对活性炭处理啤酒工业废水效果的影响,试验结果见表1。由表1可知,在活性炭量一定的条件下,随着啤酒废水量的加大,活性炭达到其吸附饱和点以后,不再进行吸附,则 COD%和DO%均呈现出下降趋势。因此,料液比以1∶10为宜。

表1 料液比对处理啤酒废水处理效果的影响Tab.1 Effect of ratio between material and liquid on brewery waste water treatment

2.3 正交试验

根据活性炭处理啤酒废水的单因素试验,选择温度、料液比、吸附处理时间、p H进行L9(34)正交试验,每组3个平行,以优化啤酒废水的活性炭处理条件。正交试验因素水平表见表2,正交试验方案和试验结果见表3。

表2 L9(34)正交试验因素水平Tab.2 orthogonal experiment table of L9(34)

表3 正交试验结果Tab.3 Results of orthogonal experiment

1)COD%方差分析结果见表4,COD%各因素、水平间差异显著性检验见以上尿素,见表5。

由方差分析可知,活性炭处理啤酒废水达到COD%最大值的最优组合为A1B1C2D2,即温度20℃,吸附处理时间20 min,料液比1∶20,p H=8。对得出的最优组合进行验证试验,COD%可达77.5%。

表4 COD%方差分析Tab.4 Variance analysis of COD%

表5 COD%各因素、水平间差异显著性检验Tab.5 Significance test of Various factors and levels on COD%

2)DO%方差分析结果见表6,DO%各因素、水平间差异显著性检验,见表7。

DO%的方差分析可知,活性炭处理啤酒废水达到DO%最大值的最优组合为 A1B1C1D2,即温度20℃,吸附处理时间 20min,料液比 1∶10,p H=8。对得出的最优组合进行验证,DO%可达90.0%。

表6 DO%方差分析表Tab.6 Variance analysis of DO%

表7 DO%各因素、水平间差异显著性检验Tab.7 Significance test of various factors and levels on DO%

2.4 活性炭处理啤酒工业废水的比较

结果见表8,在温度20℃,吸附处理时间20 min,料液比1∶10,p H=8的条件下,比较市售活性炭与薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水的效果。

表8 市售活性炭和薄皮核桃壳活性炭处理啤酒工业废水的比较Tab.8 comparison of treatment on brewery waste water between marker activated carbon and thin walnut shell activated carbon

由表8可知,市售活性炭在降低啤酒工业废水CDO和DO上稍优于自制的薄皮核桃壳活性炭,但二者并无显著性差异,说明自制薄皮核桃壳活性炭可用于啤酒工业废水的处理。

3 结论

1)薄皮核桃壳活性炭可有效降低啤酒工业发酵罐CIP清洗中废水的COD和DO,且与市售活性炭处理效果无显著性差异,从而为其在食品工业废水中的进一步应用提供了有益参考。

2)对于降低啤酒工业废水中COD而言,薄皮核桃壳活性炭处理的最佳工艺条件为:温度20℃,活性炭吸附处理时间20 min,料液比1∶20,p H=8,此时,COD%达到77.5%;对于降低废水中DO而言,活性炭处理的最佳工艺条件:温度20℃,活性炭吸附处理时间20 min,料液比1:10,p H=8,此时,DO%达到90.0%。

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Application of Activated Carbon Produced from Thin Walnut Shells in the Brewery Wastewater Treatment

LIU Ya,DONG Rui,YAN Haiyan,LI Jiang
(Food College,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

Brewery wastewater contains large amounts of organic waste,if they were not recovered and discharged directly,it would result in surface water and groundwater pollution.In this article,we adopted the activated carbon of thin walnut shell made by ourselves to purify the brewery wastewater come from the fermenter cleaned by CIP,and combined with the index of the removal percentage of COD and DO to determine the optimum treatment condition through the single factor and orthogonal tests.It was that the removal percentage of COD reached 77.5%by optimal processing,the ratio of activated carbon to brewery wastewater(p H=8)was 1∶20,time for adsorption was 20min at 20℃.While to the removal percentage of DO,it reached 90.0%by optimal processing,the ratio of activated carbon to brewery wastewater(p H=8)was 1:10,time for adsorption was 20min at 20℃.

activated carbon of thin walnut shell;beer industry;Wastewater treatment;COD;DO

TQ085 < class="emphasis_bold">文献标识码:A

A

2010-06-20

新疆兵团工业科技计划项目(2007GX13)

刘娅(1974-),女,副教授,从事农产品贮藏与加工研究。