微生物絮凝劑XM09與PAC復(fù)配處理生活污水

王 蘭，唐 靜，劉云潔

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071)

絮凝劑，特別是人工合成的化學(xué)絮凝劑，已廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的固液分離過程，如給水處理、廢水處理、食品加工與發(fā)酵過程等 ．目前，用于廢水處理相分離的絮凝劑分無機(jī)、有機(jī)和生物 3類．聚合氯化鋁(polyaluminum chloride．PAC)等無機(jī)絮凝劑一般用量大且易產(chǎn)生二次污染；聚丙烯酰胺等人工合成有機(jī)絮凝劑的單體往往是“三致”物質(zhì)且具有不可生物降解性；而微生物絮凝劑是由微生物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，有良好的絮凝沉淀性能，安全、無毒、可生物降解，具有廣闊的應(yīng)用前景．近年來，對微生物絮凝劑有大量的研究，并已取得了一些初步成果，為其在城市生活污水中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)．但微生物絮凝劑產(chǎn)量低、成本高等問題嚴(yán)重制約著其廣泛應(yīng)用．因此，有研究者重點(diǎn)研究了微生物絮凝劑與其他絮凝劑的配合使用，一方面能夠顯著提升微生物絮凝劑的絮凝能力，擴(kuò)展絮凝對象的范圍，提高絮凝條件的適應(yīng)性，改善絮體沉降狀態(tài)；另一方面通過減少微生物絮凝劑的投加量降低其使用成本，同時降低傳統(tǒng)絮凝劑中有害物質(zhì)所造成的二次污染風(fēng)險[1-2]．

國內(nèi)關(guān)于微生物絮凝劑與化學(xué)絮凝劑復(fù)配使用處理廢水的報道比較少，而與處理生活污水常用的化學(xué)絮凝劑進(jìn)行復(fù)配處理后對水中殘留鋁影響的研究則更少．筆者以微生物絮凝劑XM09為主體，復(fù)配使用少量的 PAC，進(jìn)行生活污水的絮凝預(yù)處理過程，并獲得最佳的復(fù)配比例．同時還考察了不同 XM09投加量對水中殘留鋁的影響，以評價復(fù)配絮凝劑的使用安全性．

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種來源及培養(yǎng)基

試驗(yàn)菌種來源于天津市某污水處理廠活性污泥，經(jīng)篩選、純化，得到高效穩(wěn)定的絮凝劑產(chǎn)生菌 M09，經(jīng)鑒定為醬油曲霉(Aspergillus sojae)．

培養(yǎng)基：NaNO33,g，KCl,0.5,g，K2HPO4,1,g，F(xiàn)eSO4,0.01,g，MgSO4·7H2O,0.5,g，蔗糖 20,g，水1,000,mL，pH值為,6．121,℃高壓蒸汽滅菌20,min．

1.1.2 生活污水

天津市紀(jì)莊子污水處理廠的一沉池水，廢水中懸浮顆粒物較多，呈淡黃色，較渾濁，OD550為 0.2～0.3，pH 為 7.0．

1.2 方法

1.2.1 微生物絮凝劑的制備

用無菌水洗下 M09菌斜面上的孢子，制成 107個/mL的孢子懸液，按 1%的接種量接入滅過菌的第1.1.1節(jié)中的培養(yǎng)基中，在 28,℃、150,r/min條件下振蕩培養(yǎng) 60,h．所得發(fā)酵液即為本實(shí)驗(yàn)所采用的微生物絮凝劑XM09．

1.2.2 XM09成分分析

取1,L發(fā)酵液進(jìn)行過濾去菌體，得到上清液，然后加入其3倍體積的無水乙醇在4,℃條件下沉淀12,h，5,000,r/min離心 40,min獲得沉淀，用蒸餾水重新溶解，重復(fù)上述操作，最后收集沉淀，再用無水乙醇反復(fù)洗滌沉淀物，在 40,℃下低溫干燥，最終得到微生物絮凝劑固體產(chǎn)品．

利用糖和蛋白質(zhì)顯色反應(yīng)[3]來判斷上述所提純產(chǎn)品的主要成分．采用紅外光譜掃描，判定成分里所含有的官能團(tuán)．通過成膜實(shí)驗(yàn)[4]判定絮凝劑分子的分子構(gòu)型．

1.2.3 XM09(或PAC)處理生活污水

取生活污水 60,mL，置 100,mL燒杯中，加入不同量的 XM09(或 PAC)，然后在 JJ-4型四聯(lián)電動攪拌器上進(jìn)行攪拌混勻，快速攪拌(400,r/min)1,min，慢速攪拌(50,r/min)5,min，靜置 5,min后取上清液在550,nm 波長下測定吸光度值．以蒸餾水代替 XM09(或PAC)做空白對照，用樣品分別做3次平行試驗(yàn)．

絮凝活性用絮凝率F來表征，其計(jì)算方法為

式中：A為對照上清液的吸光度；B為樣品上清液的吸光度．

1.2.4 XM09與PAC復(fù)配處理生活污水

根據(jù)試驗(yàn)所得 XM09和 PAC各自的最佳添加量，進(jìn)行正交試驗(yàn)，以確定最佳的復(fù)配比例，并獲得最優(yōu)的絮凝效果．

運(yùn)用鉻天青S分光光度法[5]，測定處理后水中總鋁的含量．通過分別考察不同絮凝條件、XM09的投加量對水中殘留鋁的影響，以評價復(fù)配絮凝劑的使用安全性．

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物絮凝劑XM09的成分分析

經(jīng)第 1.2節(jié)的方法進(jìn)行微生物絮凝劑的制備和提純，可從1,L發(fā)酵液中分離純化得到0.35,g絮凝劑，XM09質(zhì)量濃度為0.35,g/L．

對提純產(chǎn)物進(jìn)行糖和蛋白質(zhì)的顯色反應(yīng)，結(jié)果表明微生物絮凝劑 XM09的主要成分為多糖，不含有蛋白質(zhì)．

為了進(jìn)一步驗(yàn)證顯色反應(yīng)的結(jié)果，進(jìn)行了紅外光譜掃描，結(jié)果見圖1．從圖1中可以看出：特征吸收峰為 3,388,cm-1、1,670,cm-1、1,331,cm-1、1,078,cm-1、877,cm-1和 553,cm-1，這表明分子中具有多糖的特征基團(tuán)．其中3,388,cm-1為一寬吸收峰，是多糖—OH伸展振動的結(jié)果；1,670,cm-1處的吸收峰是由多糖的羧基C＝O伸縮振動所致；1,331,cm-1處的小吸收峰是醇中—OH伸縮振動及 C—H面內(nèi)彎曲振動的結(jié)果；1,078,cm-1又為一較寬吸收峰，為多糖環(huán)中醚C—O的特征吸收峰，同時也證明了—CH3O的存在[6]；877,cm-1處的吸收峰證明了C—H的面外搖擺振動，同時也證明了β-糖苷鍵的存在；553,cm-1證明了C＝O扭曲振動的存在[6]．Gong等[7]也提到 1,000～1,200,cm-1處的吸收峰是所有已知糖類的特征峰．因此從以上所有的峰顯示，該物質(zhì)主要成分應(yīng)該是多糖，且富含羥基和羧基．文獻(xiàn)[8-9]表明，羥基和羧基官能團(tuán)在微生物絮凝劑的絮凝過程中起著關(guān)鍵的作用．

圖1 微生物絮凝劑XM09的紅外光譜Fig.1 Infrared spectrum of microbial flocculant XM09

成膜實(shí)驗(yàn)表明，微生物絮凝劑風(fēng)干后會形成一層韌性很強(qiáng)的薄膜，這從一定程度上說明 XM09分子構(gòu)型是線性的．一般認(rèn)為，與非線性分子相比，線性分子在溶液中的伸展有效長度更長，在溶液中同膠體顆粒能夠更充分接觸，以便捕集膠粒，更好地起到架橋的作用，因此絮凝性更高[10]．

2.2 XM09對生活污水的處理效果

2.2.1 單獨(dú)使用XM09處理生活污水

XM09對生活污水的絮凝效果見圖2．從圖2可知，XM09的投加量在2～30,mg/L范圍內(nèi)時，絮凝率是隨著投加量的增加而不斷提高的，而當(dāng)投加量超過30,mg/L時，絮凝率則增加緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定，此時的絮凝率為 87.74%．這是因?yàn)楫?dāng)微生物絮凝劑的投加量過少時，不能形成有效的絮體，或絮體顆粒粒徑過小，無法克服浮力作用而下降，從而無法起到卷掃作用，故往往上清液較為渾濁，絮凝率較低；當(dāng)絮凝劑過多時，絮凝劑與膠體顆粒達(dá)到結(jié)合的飽和狀態(tài)，故絮凝率趨于穩(wěn)定．

圖2 XM09對生活污水的絮凝效果Fig.2 Effect of XM09 on domestic wastewater

2.2.2 單獨(dú)使用PAC處理生活污水

PAC對生活污水的絮凝效果見圖3．從圖3可以看出，在較小的 PAC投加量范圍內(nèi)，絮凝率隨著PAC加量的增加逐漸上升，當(dāng)投加量為 133,mg/L時，絮凝率可達(dá)到 89.96%；繼續(xù)增加投加量，絮凝率趨于穩(wěn)定，而在整個過程中體系 pH沒有明顯變化，所以可以排除絮凝率的變化是由于pH變化造成的．

圖3 PAC對生活污水的絮凝效果Fig.3 Effect of PAC on domestic wastewater

2.2.3 XM09與PAC復(fù)配處理生活污水

根據(jù)2種化學(xué)絮凝劑的單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行2因素4水平的正交試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1．

從表1中可以看出，復(fù)配正交試驗(yàn)中，PAC的投加量對生活污水處理效果的影響最大，這2個因素的主次關(guān)系為：PAC＞XM09．在 PAC的投加量為50,mg/L、XM09的投加量為 15,mg/L時，其絮凝率可達(dá)到最大值91.57%．

2.2.4 不同復(fù)配處理體系上清液中的殘留鋁

通過鋁的標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作，發(fā)現(xiàn)鋁含量在 0～10,μg/25,mL范圍內(nèi)與 OD640值呈良好的線性關(guān)系，回歸方程為 y＝0.044,64,x－0.018 9，R2＝0.973 62．

在5種不同的絮凝條件(處理1：生活污水原樣；處理 2∶30,mg/L XM09；處理3∶133,mg/L PAC；處理4∶15,mg/L XM09＋50,mg/L PAC；處理 5∶30,mg/L XM09＋133,mg/L PAC)下對上清液中的總鋁濃度進(jìn)行了測定，具體結(jié)果見圖 4．從圖4可以看出，處理1含有較高量的鋁，其質(zhì)量濃度為0.234,9,mg/L．處理1與處理2比較發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)加入30,mg/L XM09時，處理2中的殘留鋁大幅度降低；處理3與處理5比較發(fā)現(xiàn)，在加入相同量的PAC條件下，處理 5中投加 XM09后，絮凝率變化不大，但殘留鋁有很大程度的降低．在4種不同絮凝條件下處理的上清液中，處理3的水樣中殘留有最高的鋁含量，而在處理4下殘留鋁的量是最少的．上述情況的原因可能在于：PAC本身含有鋁，會在絮凝過程中引入新的鋁離子到水體中，而XM09則不但不會引入新的鋁離子，反而由于其絮凝作用能夠大幅度減少水中鋁離子存在，一方面XM09中含有羥基和羧基等極性基團(tuán)，能夠與鋁離子形成共價鍵或配位鍵而結(jié)合在一起，另一方面絮凝劑分子的羥基很容易與顆粒物形成氫鍵，其線性分子結(jié)構(gòu)具有吸附架橋的功能，能夠?qū)㈩w粒物通過網(wǎng)捕的方式聚集成大顆粒物，從而殘留的鋁也隨之被沉降下來．在XM09與PAC復(fù)配的絮凝過程中，上清液中鋁濃度由PAC單獨(dú)絮凝的0.289,3,mg/L降至復(fù)配絮凝后的0.073,39,mg/L，降幅達(dá)到74.6%．而在處理4中的殘留鋁濃度更低至0.003,5,mg/L．從上述結(jié)果可以推測，XM09對于生活污水中存在的鋁有一定的去除作用．黃兢[1]就指出微生物絮凝劑對水體中的殘留鋁有很好的去除作用．

表1 XM09與PAC復(fù)配的正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Orthogonal experimental results of combining XM09 and PAC

為了驗(yàn)證上面所得的推論(XM09具有去除水中殘留鋁的作用)，進(jìn)一步探討了在固定 PAC的量為50,mg/L的條件下，投加不同量的XM09對上清液中殘留鋁的影響，結(jié)果見圖5．從圖5中可以看出，單獨(dú)使用PAC的水樣中殘留鋁含量最高，而投加了 XM09后，產(chǎn)生了2種現(xiàn)象．當(dāng)XM09的投加量在 6～23,mg/L范圍內(nèi)時，絮凝率有小幅度的提升，殘留鋁卻是大幅度的降低，鋁濃度由單獨(dú)投加PAC時的0.184,5,mg/L降低至 0.000,8,mg/L；但當(dāng) XM09的投加量超過 30,mg/L時，雖然絮凝率的變化不大，鋁濃度卻有很大程度的回升，特別是投加量為30,mg/L時，其殘留鋁濃度竟高達(dá)0.172,8,mg/L．這個現(xiàn)象說明，當(dāng)加入 XM09少量時，可能在絮凝作用下，上清液中的鋁隨水中顆粒物的絮凝沉降而得到去除．而XM09加入過量時，XM09的大量存在可能會影響絮凝劑與生活污水中鋁離子或顆粒物的結(jié)合方式，同時也會影響PAC在水中的存在形式，從而使得水中的鋁濃度也發(fā)生了變化．至于在絮凝劑處理生活污水中是否存在一些復(fù)雜的作用機(jī)理，還需進(jìn)一步深入探討．

圖4 不同絮凝條件下的殘留鋁濃度Fig.4 Concentrations of residual aluminum under different flocculating conditions

總之，XM09的絮凝作用在減少廢水中的殘留鋁方面扮演著重要的角色．由于 PAC與生活污水是此次絮凝體系中唯一的鋁源，而在單獨(dú)投加 PAC和XM09與PAC復(fù)配的 2種絮凝過程中，PAC的投加濃度與生活污水濃度都保持恒定，不同之處是添加了XM09．由此可知，在少量加入 XM09的情況下，XM09與PAC的聯(lián)合使用對于水中的殘留鋁有非常好的去除效果．圖4和圖5表明，在XM09,12,mg/L、PAC,50,mg/L的復(fù)配組合下，殘留鋁是最少的，為0.8,μg/L，且此條件下的絮凝率也在90%左右，因此選擇此條件為最佳的絮凝復(fù)配條件．

圖5 XM09的投加量對殘留鋁的影響Fig.5 Effect of XM09 dosage on residual aluminum

3 結(jié) 論

(1) 由微生物絮凝劑產(chǎn)生菌 M09產(chǎn)生的微生物絮凝劑 XM09，其成分主要為富含羥基和羧基的多糖，分子構(gòu)型為線性．

(2) 單獨(dú)利用微生物絮凝劑XM09或PAC對生活污水進(jìn)行處理，均能取得很好的絮凝效果．但微生物絮凝劑具有無毒無害、無二次污染等特點(diǎn)，使其優(yōu)于傳統(tǒng)絮凝劑，更具有實(shí)際應(yīng)用價值．

(3) 采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了微生物絮凝劑XM09與 PAC的復(fù)配比例的優(yōu)化，得出最佳的復(fù)配比例為 XM09,15,mg/L、PAC,50,mg/L．結(jié)果還發(fā)現(xiàn) 2種絮凝劑復(fù)配后既可以大大減少傳統(tǒng)絮凝劑的投加量，又可以提高絮凝沉降速度和絮凝效果．

(4) 考慮到復(fù)配絮凝劑的使用安全性，還對各處理上清液中的殘留鋁濃度進(jìn)行了測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)XM09的加入對于殘留鋁有一定的去除作用．當(dāng) PAC的投加量為50,mg/L時，加入 12,mg/L的 XM09，上清液中的鋁濃度可低至0.8,μg/L，比單獨(dú)使用PAC時降低了99.57%，且此時的絮凝率可達(dá)90%左右．

［1］ 黃 兢. 微生物絮凝劑 MBFGA1與聚合氯化鋁復(fù)配技術(shù)研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2009.Huang Jing. Studies on the Technology of Composite Flocculant between MBFGA1 and Polyaluminum Chloride[D]. Changsha：School of Environmental Science and Engineering，Hunan University，2009(in Chinese).

［2］ Yang Zhaohui，Huang Jing，Zeng Guangming，et al.Optimization of flocculation conditions for Kaolin suspension using the composite flocculant of MBFGA1 and PAC by response surface methodology[J]. Bioresource Technology，2009，100(18)：4233-4239.

［3］ 湛雪輝. 微生物絮凝劑 MBFXH的制備及其性能研究[D]. 長沙：中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，2004.Zhan Xuehui. The Research of the Preparation and Characterization of Micromicrobial flocculant MBFXH [D].Changsha：School of Resource Processing and Biological Engineering，Zhongnan University，2004(in Chinese).

［4］ 阮 敏，楊朝暉，曾光明，等. 多粘類芽孢桿菌 GA1所產(chǎn)絮凝劑的絮凝性能研究及機(jī)理探討[J]. 環(huán)境科學(xué)，2007，28(10)：2336-2341.Ruan Min，Yang Zhaohui，Zeng Guangming，et al.Flocculating capability and mechanism of microbial flocculant produced by Paenibacillus polymyxa GA1[J]. Environmental Science，2007，28(10)：2336-2341(in Chinese).

［5］ 中華人民共和國衛(wèi)生部. GB/T 5750. 6—2006 生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法金屬指標(biāo)[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.Ministry of Health，People’s Republic of China. GB/T 5750. 6—2006 Standard Examination Methods for Drinking Water：Metal Parameters[S]. Beijing：Standards Press of China，2006(in Chinese).

［6］ Li Zhong，Chen Ruowei，Lei Hengyi，et al. Characterization and flocculating properties of a novel microbial flocculant produced by Bacillus circulans[J]. World J Microbiol Biotechnol，2009，25(5)：745-752.

［7］ Gong Wenxin，Wang Shuguang，Sun Xuefei，et al.Microbial flocculant production by culture of Serratia ficaria and its application in wastewater treatment[J]. Bioresource Technology，2008，99(11)：4688-4674.

［8］ Lian Bin，Chen Ye，Zhao Jin，et al. Microbial flocculation by Bacillus mucilaginosus：Applications and mechanisms[J]. Bioresource Technology，2008，99(11)：4825-4831.

［9］ Zhang Zhiqiang，Xia Siqing，Zhao Jianfu，et al. Characterization and flocculation mechanism of high efficiency microbial flocculant TJ-F1 from Proteus mirabilis[J]. Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2010，75(1)：247-251.

［10］ 鄧述波，余 剛，蔣展鵬，等. 微生物絮凝劑 MBFA9的絮凝機(jī)理研究[J]. 水處理技術(shù)，2001，27 (1)：22-25.Deng Shubo，Yu Gang，Jiang Zhanpeng，et al. Study of flocculating mechanism of microbial flocculant MBFA9[J]. Technology of Water Treatment，2001，27(1)：22-25(in Chinese).