（环境工程专业论文）电化学法改善烟草薄片废水可生化性的研究.pdf

电化学法改善烟草薄片废水可生化性的研究 摘要 l i i lli i l l l l111i llillli l liiii y 2 0 7 0 4 7 2 烟草薄片是以烟末、烟梗、碎烟片和次级烟叶等为原料制成的再生产品， 是卷烟生产的重要原料之一。造纸法生产1 吨烟草薄片将排放6 0 8 0 吨废水， 废水呈深棕色且含有大量细小悬浮物。目前，烟草薄片废水处理以生物法为 主，但废水中的烟碱( 尼古丁) 、二烯烟碱等特征污染物具有生物毒性，且悬 浮物也严重影响了微生物的转化利用，导致系统处理效果差，存在出水色度 高、抗水质波动能力弱等问题。开展高效、低成本的预处理技术研究以提高 烟草薄片废水的可生化对生物法处理烟草薄片废水至关重要。 本文根据烟草薄片废水的水质特征，在化学絮凝法处理烟草薄片废水的 基础上，采用电絮凝、电化学氧化以及电絮凝电化学氧化耦合处理烟草薄片 废水，考察了上述四种方法处理烟草薄片废水的影响因素，确定了各自的最 佳处理条件，比较了不同处理方法对废水可生化性改善的程度以及处理成本。 通过气质联用( g c m s ) 分析烟草薄片废水处理前后废水中有机污染物的变 化情况，探讨了不同处理技术对烟草薄片废水中污染物的去除机理。研究取 得了以下成果： ( 1 ) 以聚合氯化铝( p a c ) 和硫酸铝为絮凝剂，聚丙烯酰胺( p a m ) 为 助凝剂，通过化学絮凝法处理烟草薄片废水。研究结果表明，聚合氯化铝更 适合作为烟草薄片废水处理用絮凝剂。当初始p h 为5 ，p a c 和p a m 用量分 别为1 5 0 0m g l 和2 0m g l 时，烟草薄片废水中总化学需氧量( c o d t ) 、溶解 性化学需氧量( c o d s ) 、浊度和悬浮物( s s ) 的去除率分别达6 4 1 、6 6 、 浙江工商大学硕士学位论文 9 6 5 和8 4 0 ，处理后出水为棕黄色，透光率为7 4 8 ，色度从3 0 0 倍降至 5 0 倍。可见，化学絮凝通过电荷中和去除废水中的纤维素、半纤维素等悬浮 物以提高废水的可生化性，b o d j c o d 从0 0 6 7 提高到o 3 1 2 ，但难以去除废 水中的溶解性有机污染物。吨水药剂费用为7 1 9 元，产生的污泥量为0 3 2 2m 3 。 ( 2 ) 电絮凝处理烟草薄片废水的研究结果表明，铝阳极电极消耗小于铁 阳极且出水透光率更好，不锈钢网阴极比铝板阴极更有利于浊度和色度去除。 以铝为阳极，不锈钢网为阴极，不改变废水的p h ，控制电流密度为4 0m c m 2 ， 添加n a c i 用量为2 5g t , ，电解反应6m i n 后，c o d t 、c o d 。、s s 、浊度去除 率和透光率分别达到6 6 1 、2 5 7 、9 7 5 、9 8 1 和8 5 5 ，出水澄清，颜 色为黄色，色度从3 0 0 倍降至2 5 倍。可见，电絮凝不仅可以通过絮凝去除废 水中的悬浮物，还可通过絮体吸附去除部分溶解性有机物，茄酮、尼古丁和 二烯烟碱的去除率分别为4 7 5 、4 0 5 和2 1 4 ，b o d s c o d 从0 0 7 5 提高 到0 4 2 6 ，但难以去除烟草薄片废水中的有机酸。处理成本以电极消耗和电能 消耗为主，吨水处理成本为4 3 5 元，产生的污泥量为0 2 0 1m 3 。 ( 3 ) 以二氧化铅( 1 3 p b 0 2 ) 和钌铱钛为阳极，不锈钢网为阴极，采用电 化学氧化处理烟草薄片废水。以i b - p b 0 2 为阳极，电流密度为5 0m a e m 2 ，体 系p h 为5 ，电解时问为3 0m i n ，n a c l 用量为1 5g l ，c o d t 和c o d 。去除率 分别为5 5 5 和1 5 5 ，出水浑浊但无色，s s 、浊度去除率和透光率分别为 6 9 3 ，7 5 2 和7 1 7 。以钌铱钛为阳极，电流密度为5 0m a e m 2 ，n a c l 用 量为1 5g l ，电解时间为3 0m i n ，不调节体系p h ，c o d 。和c o d 。去除率分别 为5 1 2 和9 8 ，出水为淡棕色，较为浑浊，s s 、浊度去除率和透光率分别 为7 5 3 、8 1 2 和5 4 o 。在电化学氧化过程中，尽管浊度和s s 的去除率不 i i 浙江工商大学硕士学位论文 如化学絮凝和电絮凝，但尼古丁、二烯烟碱和可替宁等在羟基自由基( o h ) 作用下生成吡啶环和吡咯环，并进一步破环生成小分子有机酸。因此，废水 的色度和毒性随之下降，b o d 5 c o d 值由o 0 6 提高到0 4 9 6 ( p p b 0 2 阳极) 和0 4 6 7 ( 钌铱钛) 。钌铱钛阳极氧化能力相对较弱，出水中仍有尼古丁残留。 电化学氧化以电能消耗为主，1 3 - p b 0 2 和钌铱钛阳极的吨水运行成本分别为 1 4 4 7 元和1 4 4 5 元，产生的浮渣量分别为0 0 7 8m 3 和0 0 8 9m 3 。 ( 4 ) 以铝为阳极，不锈钢网为阴极，不改变烟草薄片废水的p h ，控制 电流密度为4 0m a c m 2 ，添加n a c i 用量为2 5g l ，烟草薄片废水先经电絮凝 处理6m i n ，静置3 0m i n ，出水采用电化学氧化法进一步氧化。研究结果表明， 以1 3 - p b 0 2 为阳极，电流密度控制为2 0m a c m 2 ，p h 为5 ，反应3 0m i n 后，废 水c o d 去除率可达8 3 9 ，b o d s c o d 由0 0 6 1 提高到0 8 5 2 。以钌铱钛为阳 极时，不调节废水的p h ，控制电流密度为3 0m a e m 2 ，反应3 0m i n 后，废水 c o d 去除率可达8 2 8 ，b o d 5 c o d 由0 0 6 1 提高到o 8 0 4 。可见，电絮凝 电化学氧化耦合处理烟草薄片废水可同时去除悬浮物和溶解性有机物，非常 有效地改善了废水的可生化性。通过电絮凝预处理可减少悬浮物对后续电化 学氧化的传质阻力，从而降低氧化的电能消耗，吨水处理成本分别降至6 9 6 元( p p b 0 2 为氧化阳极) 和9 3 4 元( 钌铱钛为氧化阳极) 。 关键词：烟草薄片废水；电絮凝；电化学氧化；可生化性；烟碱 i i i 浙江工商大学硕士学位论文 s t u d yo nt 脏i 啤r o v e 住n to fb i o d e g r a d a b i l i t y o f p a p e r m a k i n gt o b a c c os h e e tw a s t e w a t e r b y e l e c t r o c h e m i c a lt e c h n i q u e s a b s t r a c t r e c o n s t i t u t e dt o b a c c os h e e t ( r t s ) i sm a d ev i ar e c o m p o s i n ga n dp r o c e s s i n g b yu s i n gt o b a c c os t e m s ，l e a fs c r a p s ，t o b a c c od u s ta n ds o m ep a r t so fl o w g r a d e t o b a c c ol e a f r t si sw i d e l yu s e da so n eo fa ni m p o r t a n tm a t e r i a lo fc i g a r e t t e sa n d c i g a r sp r o d u c t i o n i tw a se s t i m a t e dt h a ta b o u t6 0t o8 0t o n so f w a s t e w a t e rw i l lb e g e n e r a t e dd u r i n gp a p e r m a k i n gp r o c e s sw h e n o n et o no fr e c o n s t i t u t e dt o b a c c os h e e t i s p r o d u c e d p a p e r m a k i n g t o b a c c os h e e tw a s t e w a t e rw a sc h a r a c t e r i z e db y r e c a l c i t r a n tc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) ，h i g hc o n t e n to ff i n es u s p e n d e ds o l i d s ( ss ) ，i n t e n s i v ec o l o ra n dl o wb i o d e g r a d a b i l i t y c u r r e n t l y , t h e m a i nt r e a t m e n t m e t h o do ft h i sw a s t e w a t e ri sb i o l o g i c a lm e t h o d ，b u tn i c o t i n e ，s o l a n o n ea n d s u s p e n d e ds o l i d se x i s t e di nt o b a c c os h e e tw a s t e w a t e ra r eb i o r e f r a c t o r ya n dc a n i n h i b i tt h eb a c t e r i a la c t i v i t yo fp o l l u t a n td e g r a d a t i o n ，r e s u l t i n g i nt h ep o o r p e r f o r m a n c eo ft r e a t m e n t ，s i g n i f i c a n tc o l o rr e s i d u ei nt h ed i s c h a r g e de f f l u e n ta n d l o w e ra d j u s t a b i l i t yo ft h ew a t e rq u a n t i t y f o rt h i sr e a s o n ，e x p l o r i n gas i m p l ea n d c o s t e f f e c t i v ep r e t r e a t m e n tp r o c e s st oi m p r o v et h eb i o d e g r a d i b i l t yo f w a s t e w a t e ri s c r u c i a lf o rc o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n t i v 浙江工商大学硕士学位论文 c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a p e r - m a k i n gt o b a c c os h e e tw a s t e w a t e r , c h e m i c a l c o a g u l a t i o n ，e l e c t r o c o a g u l a t i o n ，e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o n ，a n d e l e c t r o c o a g u l a t i o n c o m b i n e dw i t he l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o nw e r e a p p l i e dt o t r e a t m e n tt h ep a p e r m a k i n gt o b a c c os h e e tw a s t e w a t e r t h eo p e r m i n gp a r a m e t e r s a f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fw a s t e w a t e rw e r ei n v e s t i g a t e da n do p t i m i z e d t h e t r e a t m e n te f f i c i e n c ya n di m p r o v e m e n to fb i o d e g r a d a t i b i l t yu n d e rt h eo p t i m i z e d c o n d i t i o n sw e r e c o m p a r e d ，a c c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s r e s u l t so f g a s c h r o m a t o g r a p h y - m a s ss p e c t r o m e t r y ( g c - m s ) ，t h e r e m o v a lm e c h a n i s m so f p o l l u t a n t sw e r ea l s op r o p o s e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sm a y b eo b t a i n e d ： 1 t r e a t m e n to ft o b a c c os h e e tw a s t e w a t e rb yc h e m i c a lc o a g u l a t i o nw a s i n v e s t i g a t e d ，p o l y a l u m i n i u mc h l o r i d e ( p a c ) a n da l u m i n u ms u l f a t e ( a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ) w e r eu s e da sc o a g u l a n t sa n dp o l y a c r y l a m i d e ( p a m ) w a su s e da sc o a g u l a n ta i d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp a cw a sm o r es u i t a b l ef o rt r e a t i n gt h i sw a s t e w a t e rt h a n a 1 2 ( 8 0 4 ) 3 6 4 1 o fc o d t ，6 6 o fc o d 。，9 6 5 o ft u r b i d i t ya n d8 4 o o f s u s p e n d e ds o l i d s ( ss ) c o u l db er e m o v e du n d e rt h ef o l l o w i n go p t i m u mc o n d i t i o n s ： 15 0 0m e , a , o f p a c ，2 0m g lo fp a ma n di n i t i a lp h5 t h ee f f l u e n tw a s y e l l o w , t h e t r a n s m i t t a n c ev a l u ea n dc o l o ro fw a s7 4 8 a n d5 0t i m e s ，r e s p e c t i v e l y t h u s ， c o a g u l a t i o nc o u l de f f e c t i v e l yr e m o v et h el a r g ea m o u n to fr e f r a c t o r ys u s p e n d e d s o l i d sb yn e u t r a l i z a t i o na n di m c r e a s e dt h eb o d s c o dr a t i of r o m0 0 6 7t o0 312 ， h o w e v e r , s o m ed i s s o l v e do r g a n i cc o m p o u n d sa r ed i f f i c u l tt or e m o v et h r o u g h c o a g u l a t i o np r o c e s s t h ec o s ti s 7 19r m bf o r p e rt o nw a s t e w a t e ra n dt h e c o r r e s p o n d i n gs l u g ew a s0 3 2 2m 3 v 2 e l e c t r o c o a g u l a t i o nw a sa p p l i e dt ot r e a tt h ep a p e r m a k i n gt o b a c c os h e e t w a s t e w a t e r , t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l u m i n u mi sm o r ea p p r o p r i a t ef o ra n o d e t h a n i r o ni nt e r m so ft r a n s i m i t t a n c ev a l u eo fe f f l u e n ta n ds t a i n l e s ss t e e ln e ti sm o r e e f f e c t i v ef o rt u r b i d i t ya n ds sr e m o v a lt h a na l u m i n u ma sc a t h o d e 6 6 1 o fc o d t ， 2 5 7 o fc o d s ，9 7 5 o fs s ，9 8 1 o ft u r b i d i t y c o u l db er e m o v e db y e l e c t r o c o a g u l a t i o nu s i n ga l u m i n u ma n o d ea n ds t a i n l e s ss t e e ln e tc a t h o d e u n d e r4 0 m a c m 2o fc u r r e n td e n s i t y , 2 5g lo fn a c l ，6m i no fr e a c t i o na n dw i t h o u t a d j u s t i n gt h ep ho fw a s t e w a t e r t h ee f f l u e n tw a st r a n s p a r e n t ，t h et r a n s m i t t a n c e v a l u ea n dc o l o ro fw a s8 5 5 a n d 2 5 t i m e s ，r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e ， e l e c t r o c o a g u l a t i o nc a nr e m o v en o to n l ys st h r o u g hp r e c i p i t a t i o nb u ta l s op a r to f d i s s o l v e do r g a n i cp o l l u t a n t st h r o u g ha d s o r p t i o no ff l o c s ，t h eb o d f l c o d r a t i oo f w a s t e w a t e ri n c r e a s e df r o m0 0 7 5t o0 4 2 6 ，4 0 5 o fn i c o t i n e ，2 1 4 o f p - n i c o t y d n ea n d 4 7 5 o fs o l a n o n ec o u l db er e m o v e d ，w h e r e a st h eo r g a n i ca c i d s s u c ha so l e i ca c i da n dp a l m i t i ca c i dc o u l dn o tb eo b v i o u s l ye l i m i n a t e d t h ec o s t i n c l u d i n gt h ec o n s u m p t i o no fa n o d ea n de n e r g y i s4 3 5r m bf o rp e rt o n w a s t e w a t e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gs l u g ew a s0 2 01m 3 3 e l e c t r o c h e m i c a lo fp a p e r m a k i n gt o b a c c os h e e tw a s t e w a t e rw a sc a r r i e do u t u s i n g1 3 - p b 0 2a n dt i r u 0 2 一i r 0 2a sa n o d e sa n ds t a i n l e s ss t e e ln e ta sc a t h o d e i nt h e c a s eo f1 3 - p b 0 2a n o d e ，5 5 5 o fc o d t ，1 5 5 o fc o d s ，7 5 2 o ft u r b i d i t ya n d 6 9 3 o fs sc o u l db er e m o v e du n d e rt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：5 0m a c m 2 o f c u r r e n td e n s i t y , 1 5g lo f n a c l ，i n i t i a lp h5a n d3 0r a i no fr e a c t i o n t h ee f f u l e n ti s n oc o l o ra i l dt h et r a n s m i t t a n c ev a l u ew a s71 7 w h i l et i r u 0 2 一i r 0 2i su s e da s v i 浙江工商大学硕士学位论文 a n o d e ，5 1 2 o f c o d t ，9 8 o f c o d s ，8 1 2 o f t u r b i d i t ya n d7 5 3 o f s sc o u l d b er e m o v e dw i t h o u ta d j u s t i n gt h ep ho fw a s t e w a t e r , 5 0m m c m 2o fc u r r e n td e n s i t y , 1 5 g lo fn a c ia n d3 0m i no fr e a c t i o n t h ee f f l u e n ti sl i g h tb r o w na n dt h e t r a n s m i t t a n c ev a l u ew a s5 4 o a l t h o u g he l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o ni s l e s s e f f e c t i v ef o rt h er e m o v a lo ft u r b i d i t ya n ds s ，b u t1 3 - n i c o t y d n e ，s o l a n o n ea n do t h e r r e c a l c i t r a n t c o m p o n e n t sc a nb e c o n v e r t e di n t os m a l lm o l e c u l eo r g a n i ca c i d s i n d u c e db yt h eh y d r o x y lr a d i c a le l e c t r o g e n e r a t e d a sar e s u l t ，t h ec o l o ra n dt h e t o x i c i t yo fw a s t e w a t e rr e d u c e d ，t h eb o d s c o d r a t i oo fw a s t e w a t e ri n c r e a s e df r o m 0 0 6t o0 4 9 6 ( 1 b - p b 0 2a sa n o d e ) a n d0 4 6 7 ( t i r u 0 2 一i r 0 2a sa n o d e ) n i c o t i n ei s c a nb ed e t e c t e di nt h ee f f l u e n to ft i r u 0 2 一i r 0 2t r e a t e d ，t h i sm a yb ed u et ot h e l o w e ro x i d a t i o na b i l i t y t h ec o s tm a i n l yi n c l u d e dt h ec o n s u m p t i o ne n e r g yp e rt o n w a s t e w a t e ri s1 4 4 7r m ba n d1 4 4 5r m b ，t h ec o r r e s p o n d i n gf l o a t e ds l u d g ew e r e 0 0 7 8m 3a n d0 0 8 9m 3 ，r e s p e c t i v e l y 4 t h ep a p e r m a k i n gt o b a c c os h e e tw a s t e w a t e rw a sf i r s t l ys u b je c t e dt o e l c e t r o c o a g u l a t i o np r o c e s su s i n ga l u m i n u ma n o d ea n ds t a i n l e s ss t e e ln e tc a t h o d e u n d e r4 0m a c m 2o f c u r r e n td e n s i t y , 2 5g lo f n a c l ，6r a i no f r e a c t i o na n dw i t h o u t a d j u s t i n gt h ep ho f w a s t e w a t e r t h e nt h ee f f l u e n tw a sw i t h d r a w na n dt r e a t e db y e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o n i nt h ec a s eo f 3 - p b 0 2a n o d e ，t h ef i n a lc o dr e m o v a l r e a c h e d8 3 9 a n dt h eb o d s c o dr a t i oi n c r e a s e df r o m0 0 6 1t oo 8 5 2u n d e r2 0 m a c m 2 ，p h5a n d30m i no f r e a c t i o n w h e nt i r u 0 2 一i r 0 2i su s e da sa n o d e ，t h e f i n a lc o dr e m o v a lw a s8 2 8 a n dt h eb o d 5 c o dr a t i oi n c r e a s e df r o m0 0 61t o o 8 0 4 t h e r e f o r e ，s sa n dr e c a l c i t r a n tc o m p o n e n t sc o u l db ee f f e c t i v e l yr e m o v e db y v i i 浙江工商大学硕士学位论文 e l e c t r o c o a g u l a t i o nc o m b i n e dw i t he l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o np r o c e s s ，r e s u l t i n gi n t h es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e m e n to fb i o d e g r a d a b i l i t yo fw a s t e w a t e r a d d i t i o n a l l y , t h e r e m o v a lo fs sd u r i n ge l c t r o c o a g u l a t i o nw a sb e n e f i c a lt or e d u c et h er e s i s t a n c eo f m a s st l a n s f e ro fe l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o na n dr e d u c et h ec o n s u m p t i o no fe n e r g y t h ec o s tf o rp e rw a s t e w a t e rw a s6 9 6r m b ( p - p b 0 2a sa n o d e ) a n d9 3 4r m b ( t i r u 0 2 一i r 0 2a sa n o d e ) k e y w o r d s ：t o b a c c os h e e tw a s t e w a t e r ；e l e c t r o c o a g u l a t i o n ；e l e c t r o c h e m i c a l o x i d a t i o n ；b i o d e g r a d a b i l i t y ；n i c o t i n e v i i i 浙江工商大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 烟草薄片废水及其处理工艺 1 1 1 烟草薄片 烟草薄片又名再造烟叶，是以烟末、烟梗、碎烟片和次级烟叶等为原料制成的再生产 品【l 】，切丝后与天然烟丝混合，成为卷烟生产的重要原料之一。目前，烟草薄片已在国内 外卷烟配方中普遍使用，世界上销量最大的几个卷烟品牌中，烟草薄片的平均掺配比例均 已超过2 0 ，如“5 5 5 和“万宝路”卷烟中烟草薄片的使用比例分别达到了2 5 和3 5 左右。向卷烟中添加烟草薄片可最大限度地节省烟叶原料，充分利用烟叶收获过程中产生 的次级烟叶( 约5 ) 和在烟叶复烤及卷烟生产过程中产生的烟梗、碎叶和碎末( 约占原 烟料总量的1 3 ) 【2 】，从而降低成产成本，提高卷烟生产过程中的经济效益。据估计，卷烟 生产中每使用1 万吨造纸法烟草薄片，就相当于节省了7 万亩烟叶的种植土地。此外，添 加烟草薄片可降低烟气中焦油、苯并【a 】芘、烟碱( 俗名：尼古丁) 以及多环芳烃( p a h ) 等有害物质的含量【3 5 】，减少吸烟给人体带来的健康危害。烟草薄片生产过程中可按人们的 意愿或要求调整和改善卷烟的物理性能和香气成分，提高卷烟的内在品质【6 j 。烟草薄片技 术能增加卷烟生产的社会效益、经济效益与环境效益，因此，烟草薄片的生产越来越受到 重视。根据加工工艺的不同，烟草薄片的制造方法有辊压法、稠浆法、造纸法、浸透法和 喷层法，其中，前三种方法应用较为普遍。 辊压法是将烟草废弃物( 烟末、烟梗、碎烟叶等) 、纤维素和粘合剂以干态混合后， 加入少量水用压辊压制成薄片并烘干，整个工艺采用物理方法。因此，辊压法具有操作简 单，投资费用较低等优点 7 1 ，但生产出来的烟草薄片具有产品密度大、填充值低、机械加 工性能较差、燃烧性能不理想等缺陷，且难以对其内在品质进行有效的“改造 1 6 j 。 稠浆法是先将烟草废弃物( 烟末、烟梗、碎烟叶等) 干燥并磨成粉末，然后将粉末和 其它添加剂( 如粘合剂、助燃剂以及保湿剂等) 溶解形成稠浆，再把稠浆涂在不锈钢带上 形成一层膜，干燥后制得烟草薄片 7 1 。稠浆法的不足之处是投资较大，且制得的烟草薄片 耐破度、伸长率和填充值三个指标明显低于造纸法制得的薄片【6 j 。 造纸法烟草薄片生产技术始于2 0 世纪5 0 年代，并于2 0 世纪8 0 年代在美国、西欧和 日本等发达国家进行了大范围的推广应用。美国的雷诺公司是国际上最早使用造纸法生产 烟草薄片的卷烟企业，法国摩迪国际公司是目前国际上造纸法烟草薄片产量最大的企业， 1 浙江工商大学硕士学位论文 生产能力达到4 9 万吨年。我国造纸法烟草薄片的工业化研究与开发，始于2 0 世纪9 0 年 代后期。国家烟草专卖局先确定了广东金叶薄片技术有限公司、杭州利群环保纸业有限公 司和云南昆船瑞升科技有限公司三家试验研发基地。目前，杭州利群、广东金叶和昆船瑞 升的生产能力分别为l 万吨年、8 0 0 0 吨年和5 0 0 0 吨年。随后，我国又建成了湖北新业、 湖南祁东和山东瑞博斯三条中试线以及上海太仓、河南许昌和福建金闽三条推广线。 造纸法烟草薄片的生产过程主要包括萃取浓缩、制浆抄造、涂布干燥三部分。根据烟 草薄片配方要求，将清洗后的烟梗、烟碎、烟末等在水中浸泡萃取，使其中可溶性物质和 纤维素类物质分离，萃取后的烟末、烟梗等不溶性物质经打浆处理后，将浆料送到造纸机 上抄造成薄片，再将浓缩后的可溶性物质加料调制，并涂布于薄片上，经一系列的烘干制 成烟草薄片 9 1 。造纸法烟草薄片生产工艺流程如图1 1 所示。 ( 3 ) 打浆废水( 4 ) 抄造废水 烟草薄片 图1 - i 造纸法烟草薄片生产工艺流程( 图中虚线为废水产生位置) f i g 1 - 1t e c h n o l o g yo fp a p e r m a k i n gt o b a c c os h e e tp r o d u c t i o n ( d a s h e dl i n e ：w a s t e w a t e rg e n e r a t e d ) 由图卜1 可知，烟草薄片中有效成分的萃取浓缩和加料调制工序，可以对有害物质进 行针对性的去除和对烟叶化学成分进行合理地调配与控制，从而达到降低卷烟焦油等有害 物质含量并最大限度地改善卷烟内在品质的作用。此外，采用打浆抄造制得的烟草薄片基 本保持烟叶中原纤维形态，耐机械加工性能好，物理强度高【2 ，引。 造纸法是目前研究最广泛的烟草薄片生产技术，也是我国大力推广的烟草薄片生产技 术【l o 】。2 0 1 1 年国家烟草专卖局关于实施烟草科技重大专项的若干意见中就明确指出： 造纸法再造烟叶是中式卷烟原料的重要组成部分，发展造纸法再造烟叶是提升中式卷烟品 牌核心竞争力的有效途径。 1 1 2 烟草薄片废水来源及水质特征 造纸法烟草薄片生产过程中清洗、萃取浓缩、打浆和抄造工序均会产生废水( 图1 - 1 ) ， 2 浙江工商大学硕士学位论文 具体包括以下几部分【n l ： ( 1 ) 原料洗涤过程中产生的少量清洗废水； ( 2 ) 未完全利用的烟草废弃物萃取液； ( 3 ) 浆料在洗涤、筛选以及打浆中所排出的废水，这部分废水水量较大，含有较多 的木质素、纤维素、半纤维素以及有机酸等有机物； ( 4 ) 在纸的抄造过程中产生的废水，这部分废水水量也较大，主要含有细小纤维和 抄纸时添加的胶料和化学品等。 因生产工艺本身的特点，打浆和抄造工序废水经常合在一起，统称为浓白水，其水量 是未完全利用的萃取液的1 5 2 0 倍，因此，造纸法烟草薄片生产废水总体上体现浓白水的 特征。 目前，国内造纸法生产1 吨烟草薄片将排放6 0 8 0 吨废水，且废水水质随烟叶种类不 同和生产过程波动较大。在萃取工序，烟草废弃物中的有效成分如尼古丁、氨基酸、酚类、 醇类、酯类、有机酸类和挥发油类不能被完全萃取，其多次萃取率一般在9 0 左右【1 2 1 。因 此，后续打浆过程中，残留的这些化学成分会溶解于水而成为废水中的溶解性有机污染物， 溶解出的有机酸类、酯类、醇类以及纤维素、半纤维素水解产生的多糖酸是造成废水化学 需氧量( c o d ) 高的原因。此外，溶解出的尼古丁、酚类、木质素类和茄酮类化合物分子 结构中含有各种不饱和共轭双键，如羰基、乙烯基等发色基团，还含有共用电子对的各种 助色基团，如羟基、胺基、醚键和羧基等【1 3 1 ，导致废水色度很高。抄造过程中流失的细纤 维使废水中含有大量悬浮物( s s ) 。 综上可知，烟草薄片废水既有造纸废水的共性( 含有大量纤维，有机污染严重) ，同 时又有烟草废水色度高、废水中含有具有微生物毒性物质的特点，会产生比较严重的需氧 型、感官性和致毒性污染危害。若不能对该类废水进行有效地处理并做到达标排放，不仅 会对环境造成严重的影响，而且将成为制约造纸法烟草薄片生产技术在全国推广与普及的 重要因素【1 4 1 。 1 1 3 烟草薄片废水处理工艺 目前国内造纸法烟草薄片废水处理的相关研究报道较少，生物法是该类废水处理的主 流技术，工程上通常采用生物物理化学联合工艺，比如“气浮上流式厌氧污泥床( u a s b ) 间歇式循环延时曝气活性污泥法( i c e a s ) 混凝脱色 【1 5 1 、“混凝u a s b 两级序批式活 性污泥法( s b r ) 混凝过滤 【阍、“u a s b 混凝s b r 混凝接触氧化 l i t ! 。然而在实际运 3 浙江工商大学硕士学位论文 行中，这样的多级联合工艺常常出现各工艺衔接要求高、运行成本高等问题。此外，废水 中的尼古丁等特征污染物对于绝大多数微生物具有生物毒性，木质素、半纤维素等悬浮物 也严重影响了微生物的转化利用，从而导致生物系统处理效果不佳，抗水质波动能力弱， 出水色度偏高等问题1 1 3 ，1 9 1 。 针对烟草薄片废水中具有生物毒性的尼古丁( c l o h l 4 n 2 ) ，近年来的研究主要集中在强 化尼古丁降解的菌种分离、培养与驯化方面。如通过外加硝酸盐诱导驯化厌氧颗粒污泥中 反硝化菌的代谢活动，以反硝化反应强化厌氧过程中尼古丁的降解【2 0 , 2 1 】。有的研究是将高 效尼古丁降解菌在活性污泥系统中进行定植强化，从而提高生物系统降解尼古丁的效果 2 2 - 2 4 。但上述研究均需对微生物进行培养驯化，目前仅停留在实验室研究阶段。 f e n t o n 法处理烟草薄片实际废水的结果表明，在酸性条件下，f e n t o n 过程可发挥絮凝 和氧化的双重作用，从而有效去除烟草薄片废水中s s ，并降低c o d ，是一种有效的预处 理方法【2 5 j 。但是f e n t o n 氧化的最佳p h 值范围是3 5 ，要求设备耐腐蚀，且过氧化氢( h 2 0 2 ) 的运输及贮存存在一定的安全隐患，若能在温和条件下原位产生絮凝剂和氧化剂，则可克 服上述不足和安全隐患，电絮凝和电化学氧化是比较理想的选择。 1 2 电化学技术 与其它水处理技术相比，电化学技术无需外加试剂，具有多功能性、高度的灵活性、 易于自动化、无二次污染等优点，因而受到国内外研究者的广泛关注。电化学处理技术主 要包括微电解、电化学氧化与还原、电絮凝、电气浮和电渗析等，本节主要讨论电絮凝技 术和电化学氧化技术。 1 2 1 电絮凝技术 1 2 1 1 电絮凝概述 电絮凝( 又称电凝聚) 是指在外电压的作用下，利用可溶性阳极( 牺牲阳极) 产生大 量阳离子，对废水中的部分有机物、胶体悬浮颗粒进行絮凝沉淀，从而将污染物去除的水 质净化技术。 在电絮凝过程中，可溶性阳极( 通常材质为铁或铝) 发生电化学反应生成金属阳离子 进入废水中，经过水解、聚合作用生成多核羟基络合物及氢氧化物，作为絮凝剂对水中悬 浮物及有机物进行凝聚处理。这些络合物具有链式结构，因而同时还可起到网捕、架桥作 用。电絮凝过程中生成的络合离子及氢氧化物的吸附能力高于一般药剂水解法得到的氢氧 4 浙江工商大学硕士学位论文 化物，能够更有效地吸附废水中的悬浮物以及可溶性有机物1 2 6 】。凝聚和吸附是电絮凝处理 废水的主要作用1 2 7 。2 8 】，此外，电絮凝过程还兼具有气浮和氧化还原的作用。电解过程中会 产生气体，特别是水电解在阴极附近产生大量h 2 ，这些气体的微小气泡可以附着电凝聚过 程中产生的凝聚絮团以及水中的悬浮物等颗粒上升到水面，从而达到分离的目的。而阳极 产生的新生态 0 1 、c 1 2 和h o c l 具有很强的氧化能力，可以氧化水中的有机或无机化合物。 阴极上产生的新生态【h 】具有较强的还原能力，可以与废水中氧化性的有机物起还原反应， 从而也可达到降