電助淀粉絮凝蛋白質(zhì)及在制革廢水處理中的應(yīng)用

譚瓊，單志華，戴睿，陳慧＊，龍忠珍

（1.四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實驗室，四川 成都 610065；3.江蘇鴻豐資源循環(huán)利用研究院，江蘇 徐州 221200）

引言

制革、釀造、食品加工的廢水成分復(fù)雜，氨氮含量高，處理難度大[1-2]。其中，制革廢水中氨氮主要源于原料皮中蛋白質(zhì)、氨基多糖成分的溶出、分解，以及少量來自各工序中未吸收的含氮化工原料分解[3-4]。去除制革廢水中蛋白質(zhì)，不但可以減小臭味，還能有效減少氨氮含量，降低制革廢水中COD和濁度，對含蛋白廢水的處理具有現(xiàn)實意義[5-6]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)報道中尚無專一處理制革廢水中蛋白質(zhì)的方法，但對COD及氨氮的處理方法中，有許多方法涉及對蛋白質(zhì)的處理，如絮凝法[7]、電化學(xué)法[8]及生物處理法等[9]。其中常見的有絮凝法和電化學(xué)氧化法，絮凝法作為一種經(jīng)濟(jì)實用的方法，備受青睞，但由于純天然有機(jī)高分子絮凝劑存在一定的缺陷，如不易被生物降解、穩(wěn)定性不好以及用量大[10-11]。淀粉廣泛存在于植物中，來源豐富[12]、廉價易得、無毒無害，通過改性制備絮凝劑具有良好的應(yīng)用前景[13-14]。電化學(xué)氧化法操作簡單、綠色環(huán)保、無二次污染，是一種具有良好發(fā)展前景的水處理技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于各個行業(yè)[15-16]。將氯化鈉作為支持電解質(zhì)，利用電解過程中產(chǎn)生的氧化性成分，將水中的有機(jī)污染物氧化成無毒或低毒的小分子化合物實現(xiàn)廢水處理[17-18]。由于廢水水質(zhì)成分太過復(fù)雜，單一的電化學(xué)氧化法很難將有機(jī)物徹底分解，有的甚至使氨基化合物分解出氨氮。通過電化學(xué)法氧化淀粉，將淀粉多糖的聚集態(tài)高效分散或溶解，增加分子中活性基團(tuán)羰基和羧基，增強(qiáng)反應(yīng)活性，去除廢水中蛋白質(zhì)，避免蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生氨氮，是一個值得探索的課題。

本文以工業(yè)明膠模擬蛋白質(zhì)，探究電化學(xué)氧化法作用下活性淀粉的凝聚沉積性對廢水中蛋白質(zhì)沉降去除，分析其影響因素，同時對處理條件進(jìn)行優(yōu)化。在最優(yōu)參數(shù)條件下，進(jìn)行制革廢水中蛋白質(zhì)的絮凝測試，對電助淀粉絮凝蛋白質(zhì)的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 材料與儀器

硫酸銅、可溶性淀粉、氯化鈉、明膠、雙縮脲試劑、PBS緩沖液（pH=7.4）、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、碘化鉀、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等，均為分析純。

LW3J直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、電流表（500 mA）、UV-2000紫外光光柵分光光度計、石墨電極、101-2-S恒溫干燥箱、pHS-3C型精密pH計、TDL-40B臺式離心機(jī)等。

1.2 電助淀粉絮凝裝置與方法

1.2.1 電助淀粉絮凝裝置

本實驗采用明膠溶液模擬配置蛋白質(zhì)廢水，氯化鈉溶液為電解質(zhì)，陽極和陰極均為石墨電極板；從明膠溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電解時間來考察電絮凝作用對蛋白質(zhì)的去除效果；采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計實驗，并測定溶液中剩余蛋白質(zhì)含量，含量最低者為最優(yōu)處理參數(shù)。

實驗采用電解槽極板間距為50 mm，電流密度為5 mA/cm2，電解液初始pH值為中性，電解液溫度為室溫，其中陰陽極均采用石墨板電極，通過磁力攪拌器攪拌電解液進(jìn)行電解反應(yīng)，電解實驗裝置如圖1。

圖1 石墨極板的電解裝置Fig.1 The electrolyzer using graphite electrode

1.2.2 電助淀粉絮凝方法

根據(jù)二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計參數(shù)表[19]，以明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x1)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x2)、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x3)和電解時間(x4)四個影響因素設(shè)計實驗方案，擬定總共進(jìn)行n=31次試驗，其中，7次零水平試驗次數(shù)，由因素個數(shù)查知r=2，用量值及編碼如表1所示。

表1 四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的因素水平編碼Tab.1 Factor level coding of quaternion quadratic general rotary combination design

根據(jù)上述因素水平編碼表，設(shè)計得到二次通用旋轉(zhuǎn)組合的實驗方案。

1.2.3 絮凝結(jié)果表征

該研究采用雙縮脲法[20]對有機(jī)氮蛋白質(zhì)進(jìn)行測定。用體積為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL的標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液，以蛋白質(zhì)含量為橫坐標(biāo)，光吸收值為縱坐標(biāo)，繪制工作曲線。

得到工作曲線（1）為：

其中：X——蛋白質(zhì)含量（mg/mL）；

Y——為吸光度。

1.3 蛋白質(zhì)溶液的絮凝實驗

參照明膠模擬絮凝優(yōu)化組合參數(shù)對制革廢水進(jìn)行絮凝實驗。在2000 r/min轉(zhuǎn)速下，離心10 min，取上層清液稀釋適當(dāng)倍數(shù)，將其中一部分放進(jìn)電解槽中，在最有參數(shù)條件下進(jìn)行電助淀粉絮凝作用。處理完成后，取最后處理廢液作為待測試樣。用雙縮脲法（Biuret法）分別測定制革廢水中蛋白質(zhì)含量和電助淀粉絮凝作用后制革廢水蛋白質(zhì)含量。

1.4 能耗計算

電化學(xué)處理廢水最重要一點即是能耗問題，為了評估該方法的電能耗，我們采用以下公式（2）計算：

其中：W——能耗，單位kW·h；

U——極板間電壓，單位V；

I——電流密度，單位A/m2；

t——電解時間，單位min。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)實驗得到二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計實驗結(jié)果，如表2所示。

表2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計實驗結(jié)果Tab.2 Results of quadratic general rotary unitized designed experiments

應(yīng)用SPSS統(tǒng)計軟件，根據(jù)下列二次多項式回歸模型方程，對二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。方程：

得到蛋白質(zhì)去除率（y）回歸方程。剔除P＜0.05的項目后，回歸方程可簡化如下：

利用該模型獲得最優(yōu)參數(shù)為明膠含量2.5%、淀粉含量3%、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、電解時間20 min。在該條件下，用數(shù)學(xué)模型所預(yù)測的蛋白質(zhì)去除率為66.6%。

2.2 單因素效應(yīng)分析

根據(jù)上述回歸方程，選取其中一個因素（x），改變其水平取值，將其余因素均設(shè)于零水平，經(jīng)過計算繪制出單因素x-y的曲線圖，分析單個試驗因素對蛋白質(zhì)去除率的影響效應(yīng)。上述回歸方程由四個因素共同擬合得出，當(dāng)對其中一個因素進(jìn)行分析時，由于其余因素均為于零水平，所以縱坐標(biāo)蛋白質(zhì)去除率呈現(xiàn)負(fù)數(shù)，但該數(shù)值不影響變量對蛋白質(zhì)去除率的變化趨勢。

由圖2單因素效應(yīng)曲線圖(a)可知，隨著明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)（x1）增加，蛋白質(zhì)去除率（y）先緩慢增加，隨后顯著提高。說明了蛋白質(zhì)濃度越低，越難以去除。這是由于低濃度蛋白質(zhì)體系下，蛋白質(zhì)分子難以與淀粉活化的絮凝場進(jìn)行相互作用。由圖2(b)可知，隨著淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（x2）增加，蛋白質(zhì)去除率（y）不斷增加，但當(dāng)增加到一定程度的時候，蛋白質(zhì)去除率趨于穩(wěn)定。該數(shù)據(jù)說明淀粉分子與蛋白質(zhì)發(fā)生了結(jié)合，當(dāng)?shù)矸圪|(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，增加了淀粉分子與蛋白質(zhì)結(jié)合的強(qiáng)度，但當(dāng)?shù)矸圪|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定量后，其體系中蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生飽和，繼續(xù)增加淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，多余的淀粉已無法與蛋白質(zhì)結(jié)合，因此表現(xiàn)出平衡曲線。

由圖2(c)可見，隨著氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x3)的增加，蛋白質(zhì)去除率顯著增加，其中起作用的是氯離子，氯離子在體系中為活化觸媒，在電場作用下，氯離子轉(zhuǎn)化為次氯酸根離子，次氯酸具有較強(qiáng)的氧化性，可以將淀粉進(jìn)行氧化增加淀粉的活性。因此在一定濃度范圍增加氯離子濃度可以增加活化淀粉的活化度，從而提高蛋白質(zhì)去除率。由圖2(d)可知，當(dāng)電解時間(x4)在5～20 min范圍之內(nèi)時，蛋白質(zhì)去除率隨著時間增加而不斷提高。20 min后，隨著時間增加，蛋白質(zhì)去除率不斷的降低。這是由于在電解初期，隨著電解時間的增加，與蛋白質(zhì)結(jié)合的活化淀粉數(shù)量相應(yīng)增多，使得絮凝蛋白質(zhì)的效果增強(qiáng)，蛋白質(zhì)去除率增加。后期由于電解過度使氯離子無法順利的轉(zhuǎn)化為次氯酸根離子，或淀粉結(jié)構(gòu)被破壞無法繼續(xù)進(jìn)行絮凝作用，蛋白質(zhì)濃度去除率反而降低。

圖2 單因素效應(yīng)曲線圖（x1(a)、x2(b)、x3(c)、x4(d)）Fig.2 Single factor effect curve（x1(a)、x2(b)、x3(c)、x4(d))

2.3 雙因素效應(yīng)分析

為了進(jìn)一步分析明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x1)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x2)、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x3)和電解時間(x4)對蛋白質(zhì)去除率的交互影響，通過改變其中兩個試驗因素的水平取值，取其余兩個試驗因素為零水平，將其代入回歸方程，用SPSS軟件計算后繪制得到兩個因素間交互效應(yīng)曲面圖，如圖3所示。

圖3（a）為淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相互作用關(guān)系曲線，由圖可知，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間相互影響不大，但當(dāng)?shù)矸圪|(zhì)量分?jǐn)?shù)與明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例增加時，蛋白質(zhì)去除率顯著增加，相比之下，可以發(fā)現(xiàn)淀粉質(zhì)量比明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蛋白質(zhì)去除率的影響更大。

圖3（b）為明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相互作用關(guān)系曲線，由圖可以知，在氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例增加時，蛋白質(zhì)去除率顯著增加。兩個因素相比，明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蛋白質(zhì)去除率的影響更大，這是由于使蛋白質(zhì)產(chǎn)生絮凝作用的不是氯離子本身，而是電解后由氯離子形成的次氯酸根離子氧化淀粉形成的活化淀粉，活化淀粉與蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生絮凝作用，從而實現(xiàn)蛋白質(zhì)的去除。

圖3（c）為明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電解時間相互作用關(guān)系曲線，由圖可知，在電解時間一定的情況下，明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，蛋白質(zhì)去除率也越高。最初的時候蛋白質(zhì)去除率隨時間增加而不斷提高，20 min后，隨著時間增加，蛋白質(zhì)去除率不斷降低。這是由于在電解初期，隨著活化淀粉數(shù)量的增加，淀粉不斷的絮凝蛋白質(zhì)，從而降低蛋白質(zhì)的含量，然后后期由于電解過度，氯離子無法順利的轉(zhuǎn)化為次氯酸根離子，蛋白質(zhì)去除率降低。

圖3（d）淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相互作用關(guān)系曲線，由圖可知，氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，在適當(dāng)?shù)穆然c質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及較高的淀粉含量下，蛋白質(zhì)的去除率較高，這可能是由電化學(xué)淀粉活化機(jī)理所致，由于氯化鈉中氯離子并不是直接使蛋白質(zhì)絮凝的物質(zhì)，其中氯離子需要在電解后產(chǎn)生次氯酸根離子后，氧化活化淀粉，使活化淀粉與蛋白質(zhì)結(jié)合絮凝產(chǎn)生降解效果，因此需要在一個合適的氯離子濃度下，產(chǎn)生足夠但是不過量的次氯酸根，再進(jìn)一步與淀粉氧化，形成含有大量活化基團(tuán)的淀粉，當(dāng)氯離子濃度較低時，無法產(chǎn)生足夠的次氯酸根離子活化淀粉，因此蛋白質(zhì)的去除率較低，反之在氯離子濃度過高時，生成了過多次氯酸根離子，其可能過度氧化淀粉，破壞了淀粉的絮凝基團(tuán)從而失去了去除能力。

圖3（e）和（f）分別為淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電解時間和氯化鈉濃度與電解時間相互作用關(guān)系曲線，由圖可知，在不同的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯化鈉濃度的情況下，時間對蛋白質(zhì)的去除率沒有影響，電解體系本身的構(gòu)成影響大于電解的時間影響，說明優(yōu)化實驗條件對于蛋白質(zhì)的降解非常重要。

圖3 雙因素交互效應(yīng)曲面圖（x1x2(a)、x1x3(b)、x1x4(c）、x2x3(d)、x2x4(e)、x3x4(f)）Fig.3 Two-factor interaction effect surface plot（x1x2(a)、x1x3(b)、x1x4(c）、x2x3(d)、x2x4(e)、x3x4(f)）

由上述分析可知，在最佳條件下，明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、電解時間20 min，電助淀粉絮凝法對蛋白質(zhì)的去除率為66.6%。本實驗電助淀粉絮凝法對低濃度蛋白質(zhì)的去除，與牛雅倩[21]等人研究的單一絮凝法對高濃度蛋白質(zhì)的去除相比，去除率相當(dāng)，均超過60%。說明將電化學(xué)氧化法和絮凝法結(jié)合處理廢水中低濃度蛋白質(zhì)是切實可行的，不僅能有效降低氨氮值，對蛋白質(zhì)的去除也具良好的效果。

2.4 蛋白質(zhì)絮凝結(jié)果分析

實驗測得制革廢水蛋白質(zhì)含量為0.879 mg/mL，在上述實驗條件下，經(jīng)過電助淀粉絮凝作用后，蛋白質(zhì)的含量為0.383 mg/mL，蛋白質(zhì)的去除率為56.4%。與模擬實驗相比去除率有所降低，是因為制革廢水成分更為復(fù)雜，處理難度增加。但電助淀粉絮凝法能夠有效降低制革廢水中蛋白質(zhì)含量，說明該方法可以運(yùn)用于實際制革廢水體系中。

根據(jù)能耗計算公式，本實驗條件下，電解20 min，制革廢水中蛋白質(zhì)含量從0.879 mg/mL降低到0.383 mg/mL，所 用 能 耗 為3.67×10-4kW·h。由圖4絮凝時間及能耗與蛋白質(zhì)去除率的關(guān)系圖，可以看出該方法的能耗與時間關(guān)系成線性增加，制革廢水中蛋白質(zhì)濃度與時間成S型曲線降低。這是由于初始階段淀粉處于電化學(xué)活化過程，基本沒有絮凝效果，在電化學(xué)活化過程完成之后，活化淀粉與蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生了絮凝作用，廢水中蛋白質(zhì)含量隨之迅速降低，從而達(dá)到降低廢水中蛋白質(zhì)的目的。因此在實際體系中應(yīng)根據(jù)實際需要的蛋白質(zhì)去除率設(shè)計電化學(xué)處理時間，此外由于需要一段初始的淀粉活化時間，可采用改變電解條件，來加速淀粉活化過程，之后再進(jìn)行普通電解條件的廢水處理，該部分研究可在未來的研究中繼續(xù)探索。

圖4 絮凝時間及能耗與蛋白質(zhì)去除率的關(guān)系圖Fig.4 Time dependent energy cost of water treatment and protein content in water

3 結(jié)論

本文首次探究了電助淀粉絮凝法對制革廢水中蛋白質(zhì)的絮凝作用，通過電化學(xué)預(yù)處理淀粉得到活性淀粉，讓其與廢水中蛋白質(zhì)進(jìn)行相互作用從而達(dá)到絮凝沉淀蛋白質(zhì)的作用，實現(xiàn)降低廢水中蛋白質(zhì)濃度的目的。獲得最優(yōu)處理參數(shù)為明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、電解時間20 min。在該條件下，用數(shù)學(xué)模型所預(yù)測的蛋白質(zhì)去除率為66.6%。制革廢水中蛋白質(zhì)的去除率為56.4%，能耗僅為3.67×10-4kW·h。能耗與時間關(guān)系成線性增加，制革廢水中蛋白質(zhì)濃度成S型曲線降低。通過本實驗研究可知，電化學(xué)氧化法和絮凝法的結(jié)合能夠為制革廢水中低濃度蛋白質(zhì)的去除提供理論指導(dǎo)。為了擴(kuò)大該方法的應(yīng)用，還需進(jìn)一步探究淀粉在預(yù)處理過程中的化學(xué)變化機(jī)理以及對蛋白質(zhì)的絮凝機(jī)理。