娃娃菜尾菜脱水与鲜汁预处理工艺研究*

2021-05-11王璐汪建旭何潇尹燕杨道兰牛慧婷

中国农机化学报 2021年4期

王璐，汪建旭，何潇，尹燕，杨道兰，牛慧婷

(1. 兰州市农业科技研究推广中心，兰州市，730010； 2. 兰州现代职业学院，兰州市，730300)

通讯作者：汪建旭，男，1972年生，甘肃武威人，高级农艺师；研究方向为农业废弃物资源化利用。E-mail: wjx3729806l@163.com

0 引言

娃娃菜(Brassicarapapekinensis)是一种袖珍型小株白菜，属十字花科芸薹属白菜亚种[1]，为半耐寒性蔬菜[2]。近年来随着市场对娃娃菜需求增加及农业产业结构调整优化，娃娃菜种植面积逐年增加，娃娃菜流通的商业化发展与净菜加工产生了大量废弃物(尾菜)[3-4]。娃娃菜尾菜产生时间集中，含水量高达95%，具有易腐烂变质的特点[5-6]。尤其是夏天，大量娃娃菜尾菜随意倾倒与堆积为病害微生物和蚊蝇的繁殖与传播提供了有利条件，导致严重的农业面源污染和资源浪费[6]。因此，娃娃菜尾菜无害化处理和资源化循环利用对其产业健康发展和环境保护具有重要意义。

目前，我国娃娃菜尾菜处理方面仍未有可大面积推广的、经济适用的处理技术。现有的处理方法是一部分当做垃圾处理，对环境造成污染；一部分进行饲料化、肥料化和能源化处理[7-13]。但因娃娃菜尾菜易腐烂、硝酸盐含量高，一般不适于饲料生产推广；在肥料化处理过程中，容易造成空气污染、增加作物病虫害；在能源化处理过程中，虽然可以同时得到甲烷和沼肥，但处理周期长、处理量有限，配套设备要求较高，因此实用性较差，且存在安全生产隐患[14]。

本研究针对娃娃菜尾菜含水率高，易腐烂，富含营养元素等特点，提出对娃娃菜尾菜进行多级破碎耦合厌氧发酵处理，以增加减容率、降低含水率，便于后续资源化利用。此外，对处理过程中产生的大量压滤鲜汁进行净化预处理，降低污染浓度，为排入污水处理厂提供有利条件。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

实验材料：娃娃菜尾菜取自榆中金星菜库，其基本成分见表1。

化学试剂：硫酸铝(AR)；氯化铁(AR)；PAC：市售工业用固体产品，使用时溶解为9.0 g/L投加；PDMDAAC(39%～41%)(投加量以PDMDAAC计)；PAM：阳离子型，分子量1 200万，使用时溶解为1.5 g/L(投加量以PAM计)投加。

厌氧发酵菌剂其组成包括芽孢杆菌32%、植物乳杆菌32%、丁酸梭菌28%、酿酒酵母8%。

实验仪器：六联电动搅拌器；酸度计；分光光度计。

表1 娃娃菜尾菜基本性状(养分以干基计)Tab. 1 Basic characters of Brassica

1.2 实验方法

1.2.1 压滤脱水实验

将娃娃菜尾菜进行简单破碎预处理后传入工业螺杆压滤机中，收集娃娃菜尾菜鲜渣，测定其养分含量及含水率。改变娃娃菜尾菜压滤处理流程，研究不同条件下娃娃菜尾菜鲜渣养分及含水率变化，压滤过程中收集娃娃菜尾菜鲜汁保存待用。在厌氧发酵处理环节，发酵菌剂添加量为1%，发酵时间24 h，发酵温度20 ℃。

1.2.2 混凝实验

娃娃菜尾菜鲜汁基本情况见表2。在250 mL烧杯中分别加入200 mL尾菜压滤废水，根据实验要求调整pH值，然后置于混凝实验装置上，快速搅拌30 s(200 r/min)后，投加混凝剂，快速搅拌1 min(200 r/min)(选用助凝剂做复配实验，投加混凝剂快速搅拌30 s，后投加助凝剂快速搅拌1 min)，慢搅15 min(40 r/min)后静置30 min，取上清液测定总磷(TP)、总氮(TN)和COD含量。改变实验条件，研究不同条件下娃娃菜尾菜鲜汁中总磷(TP)、总氮(TN)和COD的去除效果。

表2 娃娃菜尾菜鲜汁基本情况Tab. 2 Basic ingredients of fresh juice of Brassica rapapekinensis waste

1.2.3 分析方法

含水率用快速水分仪测定；COD采用重铬酸钾法；TP采用钼锑抗分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(GB 11894—89)。调节pH值均用NaOH溶液(10 mol/L)和HCL溶液(1 mol/L)[15]。

2 结果与讨论

2.1 压滤脱水实验

2.1.1 两种处理方式下减容效果比较

为考察不同处理方式下娃娃菜尾菜固液分离的减容效果，以娃娃菜尾菜为试验材料，设置2个处理组，处理1(一次粉碎+一次压滤+二次压滤)和处理2(一次粉碎+一次压滤+厌氧发酵24 h+二次压滤)中各环节娃娃菜尾菜减容效果，每批次试验量为30 t。

图1 两种处理方式下娃娃菜尾菜固液分离减容效果比较Fig. 1 Comparison of reducing volume effects of solid liquid separation in different crushing methods

从图1分析来看，娃娃菜尾菜固液分离的减容效果差异明显，一次粉碎后其减容率仅为18.42%，经过螺杆压滤机第一次固液分离后，其减容率为83.66%；而在二次压滤中可以看出，经厌氧发酵处理的减容率最高，达到了93.67%。因此，采用处理2(一次粉碎+一次压滤+厌氧发酵24 h+二次压滤)可以更好的实现减容效果。

2.1.2 两种处理方式对固液分离效果的影响

为考察娃娃菜尾菜厌氧发酵前后固液分离效果的差异，以娃娃菜尾菜为供试原料，研究不同处理方式下的脱水效果及养分分布规律。

表3 两种方式对固液分离效果的影响Tab. 3 Comparison of solid-liquid separation effect under different treatments

2.2 混凝实验

2.2.1 pH对混凝效果的影响

由于化学混凝是通过金属离子以及盐类水解产生羟基络合物去除水中的污染物，而pH是影响盐类水解的重要因素，直接影响混凝效果。此外，混凝预处理后，需进行生物处理，故鲜汁pH不宜过高或过低(过高会增大用药量，过低会有腐蚀性)[15]。取250 mL的娃娃菜尾菜压滤鲜汁，采用HCl和NaOH溶液调节pH后，加入不同混凝剂，混凝时间为30 min，研究不同pH值下混凝剂去除COD、TN、TP的效果。

由图2可知，选用常规铝盐和铁盐絮凝剂时，pH对COD去除效果呈现先升高后下降的趋势，当pH为5时，FeCl3对COD去除效果最好(去除率29.2%)；随着pH值升高，3种絮凝剂对TP去除效果整体呈增大趋势，当pH为9时，三种混凝剂的TP去除率分别为29.4%、85.51%、64.6%；当pH为7时，3种混凝剂对TN去除率均达到最大值，其中FeCl3达到了55.1%，其次Al2(SO4)321.8%，高分子无机絮凝剂(PAC)最低，仅为18.5%。这可能由于pH为中性时，Al2(SO4)3和FeCl3水解形成氢氧化物沉淀，有助于激发其正电荷聚合与网捕的中和吸附作用[17]；而PAC水解形成胶体，在搅拌作用下快速聚集成大颗粒，使双电层结构更有效的压缩，此外还有助于发挥吸附架桥的功能，从而有效提高混凝沉淀效果[18]。综合考虑TP、TN和COD去除率，以便于后续处理，确定选用3种混凝剂的最佳pH均为原水pH值(6.0～7.0)。

(a) pH对Al2(SO4)3混凝效果的影响 (b) pH对FeCl3混凝效果的影响 (c) pH对PAC混凝效果的影响图2 不同pH值下不同混凝剂的处理效果Fig. 2 Influences of pH on coagulation performances of different coagulants

2.2.2 最佳投加量的确定

混凝剂溶于水后，通过影响水中胶体的脱稳作用，从而直接决定絮凝体的数量，因此混凝剂的投加量是影响混凝效果的关键因素之一[19]。预处理娃娃菜尾菜压滤鲜汁时，在2.2.1部分选择的最佳pH条件下，确定不同混凝剂的最佳投加量。

1) 混凝剂对混凝效果的影响。由图3可以看出，各混凝剂在适当投加量下均可取得一定处理效果，随着各混凝剂投加量递增，TP、TN和COD去除率整体呈先上升后稳定(或下降)的趋势，这可能是由于混凝剂投加量增加时，鲜汁中正电荷逐渐增多，与其原本存在的负电荷胶体产生电中和作用，从而形成絮体并沉降。

(a) Al2(SO4)3的混凝效果

(b) FeCl3的混凝效果

此外，混凝剂水解产物增多有助于卷扫网捕与吸附架桥作用，促使有机微粒团聚，加大沉降概率，有助于降低鲜汁中TP、TN和COD。投加量持续增加，鲜汁中胶体颗粒表面吸附了过多的凝聚离子，形成再稳现象，导致处理效果趋于稳定或变差，这与马艳、亓秋波研究结果一致[20-21]。从投加量上相比，PAC的投加量最小(0.3 g/L，TP去除率58.7%，TN去除率11.7%，COD去除率13.1%)。此外，FeCl3为0.6 g/L时，混凝效果最好， TP、TN、COD去除率分别为80.7%，52.4%，14.6%，但在混凝反应中造成水体颜色发黑。因此，考虑后续实际生产应用，最终选择混凝剂PAC进行后续复配实验研究。

2) 助凝剂对混凝效果的影响。通过实验观察到，随着PAC增加，混凝后絮体呈松散状，沉降性降低，静置30 min，烧杯底部可见较厚泥渣层，这与申丽芬、李志伟处理垃圾渗滤液时实验现象一致[22-23]。为了增强混凝预处理效果，本研究拟选择常见助凝剂PDMDAAC与PAM进行比较，确定最适助凝剂及其投加量。

PDMDAAC作助凝剂。从图4可知，处理娃娃菜尾菜压滤鲜汁中，PDMDAAC作助凝剂与单独使用PAC相比，当PDMAAC为5 mg/L，PAC为0.45g/L时，TP、TN、COD去除率最高，分别为79.4%，20.6%，14.8%。当PDMDAAC作为助凝剂时，虽对TP和TN去除效果的增强较显著，但对鲜汁中COD去除效果的增强不显著(当PDMAAC为0 mg/L，PAC为0.45 g/L时，COD去除率为13.2%)。

(a) PDMDAAC做助凝剂对TP去除率的影响

(b) PDMDAAC做助凝剂对TN去除率的影响

PAM作助凝剂。由图5可以看出，PAM整体增强PAC对鲜汁的处理效果，当PAM 10mg/L，PAC 0.355 g/L时，助凝效果最好，TP、TN、COD去除率最高，分别为73.1%、27.4%、22.6%。这可能是由于PAM主要通过高分子的吸附架桥作用[24]，将PAC作用形成的混凝体与溶液中的悬浮物进一步联结形成较大且较为紧实的絮凝体。此外，悬浮物的性质，粘度和动电位等性质会影响絮凝效果，所以PAM投加量过大时，会影响悬浮物表面的动电位，削弱了吸附架桥的作用，从而不利于鲜汁的混凝预处理，这与亓秋波研究结果一致[15]。

(a) PAM做助凝剂对TP去除率的影响

(b) PAM做助凝剂对TN去除率的影响

2.3 就地处理工艺和最佳投加量下的处理成本及效果

2.3.1 就地处理工艺

根据实验研究结果，为娃娃菜尾菜处置提出了一种就地处置、操作简单、TN、TP和COD去除效率高的预处理方法，其工艺流程与相关参数如图6所示。将粉碎的娃娃菜尾菜通过传送带进入螺杆压滤机，在螺杆挤压和厌氧发酵耦合作用下，进行压滤脱水。收集的娃娃菜尾菜压滤鲜汁中加入混凝剂，充分混合后排入沉淀装置中进行混凝沉淀，静置一段时间后得到上层液体和下层沉淀物，上层清液的COD、TN、TP质量为原水中的77.4%、72.6%、26.9%，为下一步生化处理降低了难度；最终脱水后的娃娃菜尾菜残渣，可作为后续资源化利用环节的原料。

图6 娃娃菜尾菜处置利用工艺流程图Fig. 6 Process flow chart of Brassica rapapekinensis disposal

2.3.2 最佳投加量下的处理成本及效果

由于娃娃菜尾菜压滤鲜汁在混凝预处理后，需进行厌氧+好氧生物深度处理，因此，混凝预处理后的出水pH最好控制在6.5～8.0之间[25]，以防止在后续厌氧生物处理中出现过酸现象，从而影响后续深度处理系统。对娃娃菜尾菜压滤鲜汁混凝预处理后的出水进行pH检测发现，铝盐和铁盐做混凝剂时，其pH值均有所下降；而PAC与传统的铁盐和铝盐相比，对原水pH值影响较小，这与Gregory J研究结果一致[26]，故可保持原水pH值6.5～7.5之间，以进行后续生物处理。综合2.2部分实验结果，得出最佳投加量下各混凝剂与助凝剂处理效果及成本(见表4)，FeCl3进行混凝时，TP、TN去除率最高(分别为80.7%，52.4%)，但其添加量最高(0.600 g/L)，相应处理成本也最高(0.72元/t)。因此，综合考虑，最适选用PAC为混凝剂，PAM为助凝剂，其对应的最佳投加量分别为0.355 g/L、10 mg/L，处理成本为0.47元/t。