麦草Bio-CMP制浆机理及废水高效处理技术的研究

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目前,国内造纸企业的生产原料以进口纤维原料为主,其原生纸浆和废纸的年进口量居世界首位。然而,2017年废纸进口政策的限制使我国废纸进口数量大幅减少,造纸原料短缺,大量生产工业产品包装的企业将面临严重威胁。我国是草浆大国,拥有丰富的麦草资源。充分并高效利用麦草秸秆资源,发展无(少)污染的麦草生物化机浆生产工艺,对推动制浆造纸产业的可持续发展意义重大。本文对白腐菌株Trametes sp.48424进行液体培养后得到种子液,麦草经单螺杆挤压后灭菌。再将麦草与白腐菌种子液和营养液混合后进行生化培养。利用紫外(UV)法对生长过程中白腐菌产漆酶的酶活进行了测定,探讨了麦草在生物预处理前后化学成分的变化。利用扫描电镜(SEM)观察白腐菌预处理前后的麦草形态的变化。采用纤维素酶法提取了白腐菌预处理前后麦草的酶解木素(CEL),并利用13C-NMR、FT-IR等对麦草CEL进行了结构表征。研究发现:白腐菌Trametes sp.48424在振动培养时会自絮凝成小而致密的菌丝球,而当附着于麦草静止培养时,白腐菌Trametes sp.48424则呈丝状体附着于麦草的表面。白腐菌Trametes sp.48424预处理麦草后,其综纤维素、Klason木素、酸溶木素、苯-醇抽出物、灰分含量都有不同程度的降低。由SEM观察图可知,经白腐菌处理后的麦草表面凹凸不平,出现了一些小孔、凹坑以及脱皮现象,说明白腐菌对麦草细胞壁上的一些组分发生了降解作用。根据麦草CEL的FT-IR谱图分析,发现经过白腐菌预处理后的酶解效果优于未预处理的酶解。麦草CEL的13C-NMR光谱图分析结果表明,白腐菌预处理麦草时木素脱除过程中形成了醌类结构,木素降解过程中木素结构侧链部分发生断裂,木素的β-1、β-5结构部分开裂使木素大分子变为小分子,木素以小分子形式溶出。利用白腐菌Trametes sp.48424预处理前后的麦草,分别制备了麦草RMP、CMP、Bio-RMP、Bio-CMP浆料。对不同制浆工艺条件下麦草浆的纤维形态的变化及成纸物理性能进行了分析与评价。根据纤维形态的分析,发现与麦草RMP、CMP相比,经过白腐菌处理后的麦草纤维长度较大,宽度较小,细小纤维含量较少,扭结程度较大。随着用碱量的增加,纤维的质均长度逐渐变大,宽度变小,细小纤维含量降低,扭结程度增大。对不同浆料的成纸性能进行了检测,结果表明经过白腐菌处理后的Bio-RMP、Bio-CMP浆料的成纸紧度、耐破度、抗张强度和环压强度都有明显的提升。随着用碱量的增加,麦草浆的其各项成纸强度逐渐增强;在用碱量相同的情况下,经白腐菌处理后的浆样的成纸强度要高于未经白腐菌处理的。在纸张强度近乎相同时,白腐菌预处理的麦草浆可使NaOH用量减少2%(相对于绝干麦草),节约生产成本,减轻废水负荷。对不同制浆方式产生废液的水质进行了检测与分析,发现与麦草RMP产生的废液相比,经过白腐菌处理后的麦草Bio-RMP的废液CODCr值有所降低。随着用碱量的增加,麦草制浆废液的CODCr值逐渐升高,木素含量增加。对比了几种絮凝体系对制浆废液CODCr去除效果,发现采用Al2(SO43+Ca(OH)2的絮凝效果最佳。当Al2(SO43用量为1000mg/L,Ca(OH)2用量为1250mg/L,搅拌时间25min,常温25℃,pH范围78时,絮凝效果最佳,CODCr去除率达到41%。采用S-1菌和L-1菌分别对絮凝后Bio-CMP制浆废水进行曝气生物处理,S-1菌和L-1菌的最高去除率分别为74.6%、64.5%,S-1菌对于废液的CODCr去除效果要明显优于L-1菌;当曝气时间为第7天的时候,CODCr去除率最高;经过S-1菌曝气处理后的出水CODCr约为200mg/L,可以考虑制浆废水的循环回用。
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