黄姜皂素废水处理技术研究进展

Posted 2023-01-12 水处理

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黄姜生产皂素的过程中排放出大量高浓度有机废水，污染了周围水体和土壤，尤其给南水北调中线水源带来了严重的威胁。皂素废水的有效处理关系到南水北调中线工程正常运行和黄姜产业的健康发展。本文分析了皂素废水的污染现状及特点，综述了近年皂素废水的处理技术及资源化综合利用，进一步分析了不同的皂素废水处理技术的优劣及实际可操作性，期望在未来皂素废水处理研究中能给相关工作者提供一定价值的参考。
黄姜是合成甾体激素类药物和甾体避孕类药的重要的医药化工原料。我国的鄂西北、陕南、豫西南地区的地理和气候条件很适合人工种植黄姜，随着市场需求的不断增加，我国随之加大了黄姜的种植力度，但是在黄姜生产皂素的过程中排放出酸度高、色度大、盐分高、组成复杂的高浓度有机废水，给周边地区环境带来了巨大的压力，这种压力阻碍了黄姜产业的健康发展并威胁到了南水北调中线工程的正常运行，找出高效而经济的皂素废水处理方法就显得至关重要了。
1.处理技术
1.1 化学法
根据皂素废水的特点，在废水的预处理和深度处理阶段经常使用化学方法。化学方法主要包括：氧化法、中和法、吸附法和电化学法。其主要优点是易于实现自动化、管理方便，对酸度、色度及有机物处理效果好，应用广泛。
1.1.1 氧化法
Fenton 试剂是Fe2 +和H2O2 的结合，2 者反应生成具有高反应活性的羟自由基.OH，该自由基可与大多数有机物作用，使其降解以至矿化。李琛采用Fenton 试剂对皂素废水预处理，研究结果表明：COD = 73600mg / L 的原水，每升废水Fe2 +和H2O2 分别投加3.125g 和225g，pH 值为4 左右，反应时间为1h 的条件下，COD 去除率达到89.40%。Fenton 试剂法相对较为经济，操作工艺简单易掌握，处理时间相对较短，废水中的污染物的处理较为彻底，不产生二次污染。
超临界水氧化法(SCWO)是在温度、压力高于水的临界温度(374.2e)、临界压力(22MPa)条件下(Model，l1982)，利用超临界水的特有性质，使氧化剂和有机物在超临界水介质中发生快速氧化反应来降解有机物。超临界水氧化法的特点是反应速度快、氧化完全彻底，此项技术在皂素废水处理的研究中得到了国内外研究人员的大力支持和研究。但是此项技术在应用中需要的反应条件相对苛刻，管理难度大，所需要的成本费用高，只有少数国家应用此项技术，我国当前对于此项技术停留在研究阶段。不过该方法氧化完全彻底，作为皂素废水处理的主要工艺，值得继续研究。
臭氧(O3)氧化性强，其氧化性仅次于氟和羟基自由基，对除臭、脱色、杀菌、去除有机物都有明显的效果。王西峰等人采用混凝沉淀- 臭氧氧化工艺对皂素废水进行深度处理。结果表明：废水pH 值为11，臭氧投加量为1500mg/L，反应时间为20min 左右，此时出水COD 和色度均达到国家排放标准。臭氧氧化法经常与其他的处理方法联合深度处理皂素废水，可以提高COD 去除率，但由于臭氧的发生成本高，利用率较低，所以在皂素废水的处理中甚少使用。
化学氧化法可使用的氧化剂有多种，其中次氯酸钠(NaClO)是其常用的氧化剂。该方法其特点是COD 去除率较高，但脱色率低，不过此项技术在应用过程中所需要发生的成本费用低，工艺步骤简单，脱色率低的问题可以通过在处理过程中使用吸附剂的办法加以解决，小型的黄姜皂素生产企业为了节约废水处理成本可以考虑使用此项技术。
1.1.2 中和法
皂素废水生化处理要求其pH 值调节到适合微生物生存的条件，国家对于污水排放的规定是废(污)水的pH值为6 ～ 9 后再排入到接纳水体，为了满足以上需求，中和法就得到了应用。中和法通常使用生石灰，生石灰可调节皂素废水pH 值，生石灰还可起到混凝剂的作用去除一部分COD 与色度。中和法具有简单经济易行的优点，但是也存在堵塞管道的问题，无形中增加了处理成本、降低了废水处理的效率。
在皂素废水的处理中，皂素生产企业可以考虑将酸度高的皂素废水和碱度高的其他废水进行混合，采取这样中和处理方法的优点在于减少了废水处理过程中资源浪费，但是在实际操作过程中酸碱污水量无法掌握，需要额外增加中和药剂，在实际操作中还是不便利。
1.1.3 化学吸附法
刘智峰等人利用粉煤灰对皂素废水进行处理，实验结果表明：投加量为10g/L，pH值为7，反应温度为20℃时，皂素废水的最大COD 去除率可达56.35%。粉煤灰在皂素废水处理中同时兼有物理吸附和化学吸附两种作用。粉煤灰是电厂排出的主要固体废物，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，它具有良好的吸附性能，价廉易得，成本低，作为皂素废水预处理方法值得推广。
1.1.4 电化学法
电化学法是采用内电解法、微电解-絮凝工艺及单电极与组合电极预处理皂素废水。张志军等采用强化微电解—絮凝工艺预处理皂素废水，使COD 去除量达到57%，色度去除效果为77.5%。研究表明，电化学法处理皂素废水COD 去除率较Fenton 法差。这是因为电解产生的活性物质的氧化能力远不及羟基自由基。
1.2 生物法
生物处理方法是利用微生物的新陈代谢的作用对皂素废水进行处理，与化学方法相比，生物处理方法所具有的特点是成本低、效率高，是处理废水的常用方法。但生物法处理皂素废水后其有机物浓度以及色度都不达标，需要结合其他方法做进一步的处理。
林宏伟等人提出AB 法工艺处理皂素废水，A 段在微氧状态下运行(DO=0.1 ～ 0.5mg/L)，B 段在好氧状态下(DO=2.0 ～ 3.0，mg/L)，结果表明：AB 工艺出水总平均透光率达到90.5%，AB 工艺处理皂素废水是可行的。
李莉等人利用驯化的光合细菌—活性污泥联合处理皂素生产废水，实验结果表明：对于COD 为25000 ～ 30000mg/L的皂素生产废水，pH值为6.5～7.5，温度为20～30℃，投加5%的接种量(V光合细菌：V活性污泥=1：1)，添加适量的N、P物质(m(COD)：m(N)：m(P)=200：5：1)，间歇曝气4d 的条件下，皂素生产废水的COD 去除率可达97.5%。特异的优势菌群与活性污泥法组合处理皂素废水，大大提高了处理COD 处理率，又存在优势菌群易流失、固液分离难等问题。
王瑾等人种植当地植物水淹麦，采用水平潜流型人工湿地深度处理皂素废水，试验研究表明：人工湿地处理其COD 平均去除率为47.79%，氨氮平均去除率为75.64%，总磷平均去除率为88.82%，氮磷去除效果好。但人工湿地占地面积大，容易滋生蚊蝇，受季节影响大，不过该处理方法对于偏远山区黄姜加工企业比较实用。
2 .资源化综合利用
通过物化法和生物法处理皂素废水之后再排放，皂素废水中所含有的一部分有用的物质无法得到合理的应用，这不利于资源的循环利用，也会造成黄姜产业发展和自然环境保护的失调。要解决上述问题，必须创新黄姜加工新技术，达到清洁生产、减少污染以及资源综合再利用的目的。
张彩香等人采用化学活化剂(ZnCl2)两段法用皂素纤维渣生产活性炭并用于皂素废水处理，发现其脱色性能及去除有机物效果优于商业活性炭，且能适应较低的pH环境，实现了以废治废的目的。钱卫国等人利用黄姜皂素废水加氨水中和处理，酵母发酵生成酒精，馏出酒精，浓缩物添加无机肥料，配制成复合肥，进行蔬菜培养肥效好。该工艺达到降低COD 和节约资源的目的，具有良好的经济效益和环境效益。黄进等提出了以中和作为主要脱盐方法从黄姜水解滤液中提取高纯度葡萄糖的工艺，葡萄糖纯度达90% ～ 96%，很多程度上防止了水解滤液直接排放对环境造成的污染。
3.结语
在处理皂素废水时，要考虑皂素废水色度大、酸度高，有机物含量高、盐度高等特点，凭借单一的处理方法很难达到排放标准，因此要选择多种方法相结合的方案进行综合处理。比如采用中和法+化学氧化法+生物法；好氧+厌氧+混凝沉淀的组合工艺等。开发皂素加工新工艺，最大可能地回收可利用资源。无论什么样的皂素废水处理方法都无法彻底解决问题，想从根本上解决问题还是需要改进黄姜生产皂素的工艺，例如提取皂素的工艺中引进活性酶技术。