李立欣， 馬 放， 劉彥軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090; 2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

復(fù)合型生物絮凝劑處理低溫低濁水

李立欣1，2， 馬 放1， 劉彥軍2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱 150090; 2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

針對處理低溫低濁水時殘余鋁過高及濁度難去除的問題，采用復(fù)合型生物絮凝劑(CBF)處理低溫低濁水源水，通過L16(45)正交實驗研究了復(fù)合型絮凝劑投加量、pH、助凝劑Ca2+投加量、沉降時間和混凝水力條件5個因素對絮凝效果的影響。結(jié)果表明，濁度及鋁去除率的影響因素均為:pH＞水力條件＞沉降時間＞助凝劑Ca2+投加量＞絮凝劑投加量。濁度去除率和鋁去除率最佳的絮凝條件:絮凝劑投加量為10 mg/L;助凝劑Ca2+投加量為1.5 mg/L;pH為8.0;水力條件為攪拌速度160 r/min，攪拌時間為40 s;沉降時間為30 min。此時濁度去除率達到88.34%，殘余Al去除率為92.43%。研究為應(yīng)用CBF處理低溫低濁水提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

復(fù)合型生物絮凝劑;低溫低濁水;正交實驗

0 引言

低溫低濁水是給水處理工程中難處理的水質(zhì)之一［1］，由于低溫低濁水中帶負電的膠體微粒數(shù)量很少，膠體微粒的動力穩(wěn)定性和凝聚穩(wěn)定性較強，采用自然沉淀和過濾都很難達到凈化要求［2］，而且過低溫度導(dǎo)致混凝水解不徹底，混凝及沉淀效果差。磁力分離技術(shù)、膜過濾和氣浮技術(shù)等工藝雖然有效，但由于一次投資及處理飲用水成本高，且操作復(fù)雜，難于推廣和應(yīng)用。目前，混凝技術(shù)仍是處理低濁水的主要技術(shù)方法，鋁鹽作為傳統(tǒng)的常規(guī)絮凝劑被廣泛應(yīng)用［2－3］。

通常，隨混凝藥劑進入原水中的鋁在處理過程中沒有被完全去除，作為殘余鋁留在了水中。有研究表明32.5%的城市飲用水中鋁質(zhì)量濃度存在超標(biāo)現(xiàn)象［4－5］。越來越多的研究表明，鋁在人體內(nèi)的蓄積會導(dǎo)致記憶力下降、震顫和抽搐等癥狀的出現(xiàn)，此外鋁也被認為與Alzheimer’S病(AD)、帕金森氏癡呆綜合癥等疾病有關(guān)［6－9］。因此水源水中鋁的殘留問題引起了廣泛的重視。

近年來，由微生物產(chǎn)生的生物絮凝劑作為一種新型水處理劑受到了廣泛研究。生物絮凝劑有效成分為多糖、醣蛋白、蛋白質(zhì)、DNA和纖維素等，絮凝效果好，可生物降解并對人和環(huán)境無毒無害。復(fù)合型生物絮凝劑(CBF)是一種高效、無毒、無二次污染的綠色凈水劑，由兩株從土壤中篩選分離出的高效絮凝劑產(chǎn)生菌F2和F6混合發(fā)酵生產(chǎn)，F(xiàn)2和F6經(jīng)鑒定分別為放射根瘤菌(Rhizobium ra dioba cter)和球形芽孢桿菌(Bacillus sphaeicus)，其主要成分為多聚糖［10］。筆者利用正交實驗法研究了CBF對低溫低濁水源水濁度及鋁的去除效果，并確定各因素影響絮凝效果的強弱順序。

1 材料與方法

1.1 材料

(1)實驗用水。實驗用水取自松花江哈爾濱段，由于地處北方寒冷地區(qū)，冬季冰凍期長達5個月。原水為典型的低溫低濁水，水質(zhì)參數(shù)為:ˉt為1.4℃，ˉφ為16.32 NTU，pH為6.5，ρ(Al)為0.499 3 mg/L。

(2)復(fù)合型微生物絮凝劑。采用由城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室提供的高效復(fù)合型絮凝劑產(chǎn)生菌 F2+F6。發(fā)酵條件為:搖床140 r/min，30℃，發(fā)酵24 h。發(fā)酵培養(yǎng)基為:葡萄糖10 g/mL，K2HPO45 g/L，MgSO4·7H2O 0.2g/L，尿素0.5 g/L，KH2PO42 g/L，NaCl 0.1 g/L，酵母膏0.5 g/L，pH為7.5。擴大培養(yǎng)所用的菌液為之前按所需發(fā)酵液量10%制備的種子培養(yǎng)液。制備成品為液體菌液。

(3)其他材料。助凝劑氯化鈣CaCl2100 mg/L，氫氧化鈉2 mol/L，HCl 2 mol/L。

1.2 儀器

實驗主要儀器為:ZR4－6型混凝實驗攪拌儀，2100A型濁度儀，320 pH MeterpH計，ALC－210.4電子天平，5300DV等離子體原子發(fā)射光譜儀。

1.3 方法

綜合已有研究［11－12］及前期單因素實驗研究，選擇絮凝劑投加量A、助凝劑Ca2+投加量B、pH C、水力條件D和沉降時間E為影響因素，進行L16(45)正交實驗，以考察各因素對濁度φ及鋁去除率η的影響。其中，水力條件參數(shù)見表1。

表1 混凝水力條件Table 1 Hydraulic conditions for coagulation

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗

通過前期單因素實驗，確定了5個因素的4個水平范圍(表2)。根據(jù)正交實驗方案，按絮凝沉降實驗方法得到不同條件下的結(jié)果，見表3。

表2 L16(45)正交實驗因素水平Table 2 Design form of orthogonal test L16(45)

表3 L16(45)正交實驗及結(jié)果Table 3 L16(45)orthogonal tests and results

2.2 各因素顯著性分析

2.2.1 濁度去除率

對表3數(shù)據(jù)進行整理分析，計算Ki和R，得到濁度去除率ηφ直觀分析結(jié)果(表4)。極差分析不能給出誤差的估計量，不能進行誤差分析，無法估計各因子各水平之間的差異是實驗誤差造成的還是水平間實質(zhì)性變化導(dǎo)致的。因此，仍需進一步作方差分析，濁度去除率的方差分析結(jié)果見表5。

由表4可知，各因素對濁度去除率的影響作用依次為:C＞D＞E＞B＞A。由表5可知，各因素對濁度去除率影響比較大，其中，C因素最為顯著，即溶液pH對濁度去除率的影響最大。

表4 濁度去除率直觀分析Table 4 Visual analysis of removal rate of turbidity

表5 濁度去除率方差分析Table 5 Variance analysis of removal rate of turbidity

2.2.2 金屬鋁去除率

由表3數(shù)據(jù)整理分析，金屬鋁去除率直觀分析和方差分析結(jié)果見表6和7。從表6和7可以看出，各個因素對鋁的去除率均有影響，各因素的影響顯著性依次為:C＞D＞E＞B＞A，即溶液pH對Al去除率的影響最顯著。

表6 鋁去除率直觀分析Table 6 Visual analysis of removal rate of aluminum

表7 鋁去除率方差分析Table 7 Variance analysis of removal rate of aluminum

2.3 各因素最佳水平選擇

水源水中金屬鋁及濁度是飲用水廠兩個重要的水質(zhì)參數(shù)，因此要綜合考察兩個指標(biāo)的最佳絮凝條件是否一致。由表4和6可知，低溫條件下濁度和鋁的最佳絮凝條件分別為 A3B3C3D1E4和A4B3C3D1E3。C、D和B選擇的水平相同，E和A的水平不同。先考察E因素，E對兩個指標(biāo)的影響作用排在第三位，對濁度去除率的最佳條件為E4，但E3與E4的均值差別不大，實際應(yīng)用中停留時間一般為20～30 min，因此綜合來看，E3與E4對濁度去除率影響區(qū)別不大，兩指標(biāo)去除率最佳絮凝條件選擇E因素的3水平;A因素各水平對兩指標(biāo)去除率影響差別都不大，從鋁的去除率影響上看，A3與A4差別不大，從節(jié)約成本方面考慮選擇A因素的3水平。所以濁度及金屬鋁的去除率理論上最佳絮凝條件是A3B3C3D1E3。

由表3可見，16組實驗中對濁度及鋁的去除率最高的分別是A4B2C3D1E4和A2B3C4D1E2。為考察理論與實際的去除率是否一致，又做了3組驗證實驗，材料、方法及培養(yǎng)條件同上。結(jié)果第1組A4B2C3D1E4的ηφ為84.84%，ηAl為86.53%;第2組A2B3C4D1E2的ηφ為81.24%，ηAl為90.01%;第3組A3B3C3D1E3的ηφ為88.34%、ηAl為92.43%，去除效果最好。以上實驗結(jié)果具有很好的再現(xiàn)性。所以低溫條件下濁度和鋁的去除率的最佳絮凝條件為:絮凝劑投加量10 mg/L;助凝劑 Ca2+投加量1.5 mg/L;pH 8.0;水力條件為Ⅰ，即攪拌速度160 r/min，攪拌時間40 s;沉降時間30 min。此時，濁度為1.903 NTU，接近GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的濁度限值，殘余Al的質(zhì)量濃度為0.037 8 mg/L，遠低于GB 5749—2006中鋁質(zhì)量濃度在0.2 mg/L以下的要求。

2.4 討論

由上述結(jié)果可知，pH對生物絮凝劑去除濁度及鋁的效果影響最大，中性偏堿有利于對濁度及鋁的去除，該結(jié)果與周?。?3］研究結(jié)果相近，究其原因，可以通過復(fù)合型生物絮凝的結(jié)構(gòu)特點及顆粒帶電特性進行解釋。

CBF是多糖大分子，含有較多羥基與羧基等官能團，有較好的水溶性和較多的活性吸附位點，其分子鏈中帶有負電荷羧基，而水中的顆粒同樣帶負電荷，隨著pH的升高，顆粒和絮凝劑分子間的斥力增加，絮凝劑分子的其余部分在斥力的作用下，很難再被吸附到顆粒表面。所以顆粒不能被絮凝劑CBF覆蓋，有足夠的空位供進一步吸附;沒有被吸附的分子鏈可能成為自由端，或一個疏松的鏈環(huán)，有利于其他顆粒的吸附，發(fā)生架橋作用［14］。同時，pH升高有利于絮凝劑與顆粒物之間進行電性中和，增強絮凝效果。

3 結(jié)論

文中報道了復(fù)合型生物絮凝劑絮凝條件對低溫低濁水源水濁度及金屬鋁去除率的影響。利用混凝技術(shù)處理，經(jīng)過正交實驗確定了最佳絮凝條件: A3B3C3D1E3，即絮凝劑投加量為10 mg/L，助凝劑Ca2+投加量為1.5 mg/L，pH為8.0，水力條件為I (攪拌速度160 r/min，攪拌時間40 s)，沉降時間為30 min。在該條件下，濁度去除率為88.34%;殘余Al去除率為92.43%，且處理后殘留鋁質(zhì)量濃度遠低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。該結(jié)果可以為飲用水廠后續(xù)處理工藝減輕處理負荷及處理成本。

［1］李瀟瀟，張躍軍，趙曉蕾，等.強化混凝處理低溫低濁北渡水研究［J］.工業(yè)水處理，2007，27(7):42－44，73.

［2］王 靜.低溫低濁水處理技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.低溫建筑技術(shù)，2003(4):49－50.

［3］AMIRTHARAJAH A，MILLS K M.Rapid-mix design for mechanism of alum coagulation［J］.Journal of American Water Works Association，1982，74(4):210－216.

［4］崔福義，胡明成，張 燕，等.我國部分城市飲用水中鋁含量調(diào)查［J］.中國給水排水，2002，18(1):5－8.

［5］王文東，楊宏偉，祝萬鵬，等.北方某市給水管網(wǎng)系統(tǒng)中的鋁含量及形態(tài)分布狀況調(diào)查［J］.環(huán)境科學(xué)，2007，28(11): 2557－2561.

［6］TRIPATHI S，MAHDI A A，NAWAB A，et al.Influence of age on aluminum induced lipid peroxidation and neurolipofuscin in frontal cortex of rat brain:a behavioral，biochemical and ultrastructural study［J］.Brain Research，2009，1253:107－116.

［7］NAYAK P.Aluminum:impacts and disease［J］.Environmental Research，2002，89(2):101－115.

［8］BERTHON G.Aluminum speciation in relation to aluminium bioavailablility，metabolism and toxieity［J］.Coordination Chemistry Reviews，2002，228(2):319－341.

［9］BECARIA A，LAHIRI D K，BONDY S C，et al.Aluminum and copper in drinking water enhance inflammatory or oxidative events specifically in the brain［J］.Journal of Neuroimmunology，2006，176(1/2):16－23.

［10］WANG LILI，MA FANG，QU YUANYUAN，et al.Characterization of a compound bioflocculant produced by mixed culture ofRhizobium radiobacterF2 andBacillus sphaeicusF6［J］.World Journal of Microbiology and Biotechnology，2011，27(11): 2559－2565.

［11］鄭麗娜.復(fù)合型生物絮凝劑絮凝特性及絮體分形特征研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［12］孟 路，楊基先，馬 放，等.復(fù)合型生物絮凝劑去除低濁水源水中鋁的研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，33(4):543－547.

［13］周 健，羅 勇，龍騰銳，等.胞外聚合物、Ca2+及pH值對生物絮凝作用的影響［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2004，24(4):437－441.

［14］張金鳳.復(fù)合型生物絮凝劑的成分分析及絮凝機理研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

［15］崔俊華，王培寧，李 凱，等.基于在線混凝－超濾組合工藝的微污染地表水處理［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，28(1):52－63.

Treatment of low temperature and low turbidity water by compound bioflocculant

LI Lixin1，2， MA Fang1， LIU Yanjun2
(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource＆Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China; 2.College of Resources＆Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

In view of higher concentration of residual Al and difficulty to remove turbidity when dealing raw water with low temperature and low turbidity，compound bioflocculant(CBF)was used to treat the low temperature and low turbidity raw water by orthogonal experiments.The effects of CBF dosage，coagulation aid(CaCl2)dosage，pH，hydraulic conditions of coagulation and sedimentation time were studied on the removal rate of turbidity and aluminum by L16(45)orthogonal design.The results showed that the order of the factors affecting the removal rate of turbidity and aluminum from strong to weak was pH，hydraulic conditions of coagulation，sedimentation time，coagulation aid(CaCl2)dosage and CBF dosage.The optimum conditions for flocculation were that CBF dosage 10 mg/L，coagulation aid(CaCl2) dosage 1.5 mg/L，pH 8.0，hydraulic conditions of coagulation:the stir speed 160 r/min，the stir time 40 s，sedimentation time 30 min by the analysis and verification experiments，when the removal rate of turbidity and aluminum was 88.34%and 92.43%respectively.The results provide basic data and technical support for treating low temperature and low turbidity water by CBF.

compound bioflocculant;low temperature and low turbidity water;orthogonal experiment

X522;TU991.2

A

1671－0118(2012)02－0107－04

2012－02－24

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2009AA062906);國家自然科學(xué)基金委員會創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項目(51121062);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12513088)

李立欣(1980－)，男，黑龍江省鶴崗人，講師，博士研究生，研究方向:環(huán)境生物技術(shù)，E-mail:lilixin1980@163.com。

(編輯王 冬)