苎麻纤维厌氧生物脱胶系统工艺性能研究

刘 芳， 马颜雪， 陈小光,4， 刘书惠， 张益榛， 任志鹏， 李康琪， 童艺翾， 任泺彤， 李毓陵

(1. 东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；3. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 4. 东华大学 国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心， 上海 201620)

苎麻是荨麻科苎麻属作物，其茎皮纤维细长、强韧、光泽度好、拉力强、耐水湿、富有弹力和绝缘性，是纺织行业的重要原料，也可用作制备纤维素的原料[1]。苎麻是我国特有的麻纤维，其种植面积和产量均位居世界前列，大部分的苎麻制品销往其他国家和地区，对我国出口创汇贡献巨大[2-4]。苎麻在进行纺织前的关键步骤是脱胶，该工序处理效果的好坏将决定苎麻纺织产品的质量。早在4 000多年前古人就已采用沤麻法对苎麻进行脱胶(至今仍有延用)，但传统沤麻法脱胶效率低、卫生条件差，已不适合企业大规模生产[5]。20世纪30年代化学脱胶法开始崭露头角，逐步取代了传统沤麻，但化学脱胶过程需要耗费大量强酸、强碱，不仅对苎麻纤维的损伤大，而且产生二次污染，是阻碍麻纺企业绿色发展的瓶颈之一[6]。鉴于此，国内外许多研究者着力于研发苎麻生物脱胶技术，有人成功地研发了酶脱胶法[7]，也有人获得了高效脱胶菌[8]，但是需要持续投加酶制剂或高效脱胶菌，导致这些技术成本较高，难于大规模推广应用。

本文基于具有自主知识产权的螺旋对称流厌氧反应器[9]，开发了一种高效苎麻纤维厌氧生物脱胶系统[10]。在苎麻原麻化学成分分析的基础上，探究了苎麻纤维厌氧生物脱胶系统工艺特征，剖析了苎麻纤维厌氧生物脱胶后的物理特征，以期为苎麻纤维厌氧生物脱胶系统的工程化提供参考。

1 试验部分

1.1 试验装置

图1示出苎麻纤维厌氧生物脱胶系统工艺流程。可见，以现已工程化的“螺旋对称流厌氧反应器(SSSAB)”[11]作为厌氧反应器子系统；SSSAB与生物脱胶罐通过外循环泵连接，构成外循环子系统；生物脱胶罐连接自循环泵实现自身循环，构成内循环子系统；补液槽连接进水泵，构成液位平衡子系统。以上4个子系统通过有机整合，构成苎麻纤维厌氧生物脱胶系统[10]。SSSAB有效容积为6 L(厌氧颗粒污泥接种量约为40%)，温度约为37 ℃；生物脱胶罐水浴保温约37 ℃，罐内放入苎麻原麻，自循环系统和外循环系统速度分别为100 mL/min和33 mL/min。

1—螺旋对称流厌氧反应器(SSSAB)；2—自循环泵；3—苎麻；4—生物脱胶罐；5—外循环泵；6—进水泵；7—补液槽；Ⅰ—厌氧反应器子系统；Ⅱ—外循环子系统；Ⅲ—内循环子系统；Ⅳ液位平衡子系统。图1 苎麻纤维厌氧生物脱胶系统工艺流程Fig.1 Process flow of anaerobic biological degumming system for ramie fiber

1.2 试验材料

苎麻原麻：鲜麻，由湖南华升洞庭麻业有限公司提供。将刮剥后的鲜麻晒干后，先经冷水预浸15 min，再沸水煮练60 min[12]，经浸泡和高温处理后灭菌备用。颗粒污泥：取自某豆制品污水处理工程现场的螺旋对称流厌氧反应器。营养剂：微量元素Ⅰ、Ⅱ溶液(投加比例为1 mL/L)[13]。

1.3 指标测定

化学需氧量(COD)使用微波消解仪采用微波消解法测定；pH值使用PXSJ-216型pH计采用玻璃电极法直接测定；氨氮质量浓度(以NH3-N计)利用PGENERAL型紫外可见分光光度计并参照HJ 535—2009《水质氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》测定；强伸性能使用YG003 A型电子单纤强力仪并参照GB/T 5886—1986《苎麻单纤维断裂强度试验方法》测试；纤维线密度利用纤维切断器并参照GB/T 5884—1986《苎麻纤维支数试验方法》测试；苎麻化学成分分析参照GB/T 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》。

红外吸收光谱测定：将苎麻原麻与不同浴比下的苎麻纤维剪碎，制成0.4～0.5 mm的薄片，采用Spectrum Two傅里叶变换红外光谱仪进行红外光谱测试，分析原麻及精干麻官能团的吸收强度变化，间接反映脱胶效果。

脱胶率(胶质去除率)测定：参照GB/T 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》分别测试苎麻原麻的含胶率和脱胶后苎麻的残胶率。则脱胶率的计算公式为

式中：G为脱胶率，%；G0为苎麻原麻的含胶率，%；G1为苎麻的残胶率，%。

质量损失率测定：苎麻质量损失率的计算公式[14]为

式中：w为苎麻质量损失率，%；m0为苎麻原麻的质量，g；m1为脱胶后苎麻纤维的质量，g。

1.4 外观形态评价方法

对脱胶后苎麻的外观形态评价采用4人评分法，对脱胶后纤维外观形态进行独立打分，评分细则见表1。

表1 苎麻脱胶后纤维外观形态评价评分细则Tab.1 Detailed rules for evaluation and grading of appearance and morphology of ramie after degumming

2 结果与讨论

2.1 苎麻原麻化学成分特征

苎麻纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶、水溶物、灰分、脂蜡质等组成，各物质的含量不同，麻纤维的服用性能也有所不同。表2示出苎麻原麻成分分析结果，可见纤维素质量分数居首位，占70.03%，胶质(除纤维素之外的其他成分统称为胶质)占29.97%。胶质中含量由大到小依次为半纤维素、果胶、水溶物、灰分、木质素和脂蜡质，相应地占总质量分数依次为13.16%、4.72%、4.68%、3.94%、2.37%和1.10%。其中，半纤维素是胶质的主要成分(占胶质的43.91%)，它会影响苎麻纤维的可纺性能和成品的服用性能[15]；木质素虽然只占胶质的7.91%，且能提高纤维强力，但会使脱胶后的精干麻出现硬条和并丝，使纤维光泽、柔软度和弹性下降，从而影响精干麻品质。因此，苎麻脱胶过程中应重点去除半纤维素和木质素。

表2 苎麻原麻化学成分分析Tab.2 Chemical composition analysis of raw ramie %

2.2 厌氧生物脱胶系统工艺运行特征

2.2.1 启动运行阶段

启动是脱胶系统运行过程的重要组成部分。图2示出苎麻纤维脱胶系统启动运行过程中的pH值、COD和氨氮质量浓度变化曲线，浴比(苎麻原麻质量(g)与脱胶液体体积(mL)之比)由1∶100逐渐增加至1∶10，脱胶过程pH值、COD和氨氮质量浓度变化趋势大致相同。以浴比1∶100为例，0～16 h期间，pH值逐渐下降，至pH值=6.27时又逐渐回升至7.5左右；相应地，0～16 h期间，COD逐渐升高，至COD为176 mg/L时又逐渐下降至77 mg/L(16～24 h)，随后稳定在115 mg/L左右(24～72 h)，可能是在0～16 h期间果胶、水溶物等有机物先被降解使COD升高，微生物在降解有机物时进行代谢繁殖产生酸性物质，导致pH值降低；之后酸性物质被微生物进一步利用，产生CO2等小分子物质，COD下降、pH值升高；但0～72 h期间，氨氮质量浓度基本呈现下降趋势，可能为厌氧微生物新陈代谢提供必要的氮素所致。浴比为1∶100～1∶10时，整个脱胶过程中，COD都在可控的范围(77～306 mg/L)，pH值都能维持在6.27～7.60之间，系统没有出现酸化现象，说明上述启动过程可在水力停留时间(HRT)为72 h内实现快速启动。

图2 苎麻纤维脱胶系统启动运行过程中的pH值、COD和氨氮质量浓度变化曲线Fig.2 Variation curves of pH, COD and ammonia nitrogen concentration during the start-up of ramie fiber degumming system

2.2.2 稳定运行阶段

采用HRT不变，改变浴比，探究苎麻纤维脱胶系统稳定运行过程中的pH值、COD和氨氮质量浓度变化曲线，见图3。可见：连续脱胶24 d，随着浴比的增加，其pH值稳定在7.0左右，无酸化迹象；脱胶罐内COD始终处于低位：在144～365 mg/L之间上下浮动(即使浴比增加至1∶6，COD仍小于365 mg/L)，表明该系统可有效降解苎麻脱胶后的有机物；整个工艺运行过程中的氨氮质量浓度也处于较低值，小于3.5 mg/L，为系统的稳定运行创造了良好的低氨氮运行条件。

图3 苎麻纤维脱胶系统稳定运行过程中的pH值、COD和氨氮质量浓度变化曲线Fig.3 Variation curves of pH, COD and ammonia nitrogen concentration during operation of ramie fiber degumming system

2.3 苎麻纤维厌氧生物脱胶后的物理特征

2.3.1 外观形态特征

采用4人评分法对脱胶后苎麻纤维的外观形态(包括色泽，柔软度，夹生、硬块硬条，斑疵，碎麻)进行评价，评分结果见表3。可以看出：浴比为1∶13时，纤维外观评定总分最高，为31.69分左右，纤维较黄略有光泽，手感较柔软，斑疵、碎麻都较少；其次是浴比为1∶8的评分为31.58分左右，浴比为1∶10的评分为28.02分左右，浴比为1∶6时的外观评定总分最低，仅为25.66分左右，纤维呈黄褐色、手感较硬。可见，浴比为1∶8时，具有较好的外观形态和反应系统容积负荷(浴比太高容易使纤维夹生、硬块硬条较多以及手感越硬；浴比太低导致反应器低容积负荷)。

2.3.2 物理力学性能特征

为了更好地反映苎麻纤维脱胶效果，对脱胶后的苎麻纤维进行物理力学性能分析，结果见表4。纤维线密度和强度是评判苎麻纤维质量的重要指标，纤维线密度越小，强度越大，可纺性能越好[16]。由表4可见：浴比与纤维线密度和强度(单纤维)呈现良好的相关性，即随着浴比增大(由1∶13增至1∶6)，线密度逐渐增大(由5.50 dtex增至7.60 dtex)，但均能满足GB/T 20793—2015《苎麻精干麻》中分等规定的三等品水平(≤8.33 dtex)；强度逐渐降低(由9.79 cN/dtex降至5.87 cN/dtex)，可见单纤维素强度仍大于《苎麻精干麻》中外观品质的技术要求束纤维强度一级水平(≥4.50 cN/dtex)。质量损失率和脱胶率是评价脱胶效果的重要指标，由表4可见，各浴比下的苎麻脱胶质量损失率为25.30%～31.70%，这与苎麻胶质含量25%～35%范围相接近，同时也与前文提及的不同浴比时的脱胶罐内COD值较低相符，并且各浴比下的苎麻脱胶率在60.39%～65.87%之间，表明不同浴比时的苎麻纤维厌氧生物脱胶效果均较好。

表3 不同浴比苎麻脱胶后纤维外观形态评定结果Tab.3 Evaluation results of fiber appearance and morphology after degumming of ramie by different water bath ratio

表4 不同浴比苎麻脱胶后纤维的物理力学性能Tab.4 Physical and mechanical properties of ramie after degumming by different water bath ratio

2.3.3 各组分残留特征

注：1—原麻；2—浴比1∶6；3—浴比1∶10；4—浴比1∶13；5—浴比1∶8。图4 不同浴比苎麻脱胶后纤维红外光谱分析Fig.4 Infrared spectrum analysis of ramie after degumming by different water bath ratio

由图4可见，不同浴比下苎麻纤维在波数为3 419、2 920、1 641 和1 069 cm-1处吸光度均比苎麻原麻低，说明果胶、半纤维素、木质素的含量与原麻相比均有所降低，尤其是在3 419、2 920 和1 641 cm-1处，浴比为1∶8时吸光度均最低，说明胶质残留量最少，其苎麻厌氧生物脱胶效果明显优于其他浴比(1∶13、1∶10和1∶6)。

3 结 论

1)苎麻脱胶过程中应重点去除胶质中的半纤维素和木质素。胶质占苎麻纤维的29.97%，其中半纤维素和木质素分别占胶质的43.91%和7.91%，前者影响苎麻纤维可纺性能和成品服用性能，后者使纤维光泽、柔软度和弹性下降。

2)苎麻纤维厌氧生物脱胶系统可实现高效稳定运行。该系统在水力停留时间为72 h内实现快速启动；浴比为1∶13～1∶6，系统稳定运行时pH值为7.0左右，COD和氨氮质量浓度均处于低位(前者为144～365 mg/L，后者小于3.5 mg/L)。

3)苎麻纤维厌氧生物脱胶系统的最佳浴比为1∶8。该浴比下具有较好的苎麻纤维脱胶后外观形态和良好的力学性能，评定总分可高达31.58分左右；波数在3 419、2 920、1 641 cm-1处吸光度均最低，表明胶质残留量最少；线密度和强度可满足GB/T 20793—2015《苎麻精干麻》不同等级要求。