李雅梅，謝海燕，王純利

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境資源學(xué)院，烏魯木齊 830052）

微生物絮凝劑在棉漿廢水處理中的應(yīng)用

李雅梅，謝海燕，王純利

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境資源學(xué)院，烏魯木齊 830052）

為了微生物絮凝劑在棉漿廢水中的絮凝率最大化，將絮凝菌株篩選并發(fā)酵后對(duì)絮凝體系中的各影響條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，從新疆達(dá)坂城鹽湖采集的5個(gè)土壤樣品中篩選到一株高活性絮凝劑產(chǎn)生菌XN-2，經(jīng)初步鑒定為類芽孢桿菌，通過測(cè)定其對(duì)高嶺土懸濁液的絮凝率為90%。最佳絮凝條件為：pH9.0（原水pH值）、廢水溫度20℃、在文章所述實(shí)驗(yàn)條件下，絮凝劑投加量為4mL、2%CaCl23.5mL。

微生物絮凝劑；棉漿廢水；培養(yǎng)條件；廢水處理

引言

棉漿廢水又稱棉漿粕黑液廢水，是較為典型的紡織類廢水，成分復(fù)雜，屬于一種難處理的高濃度有機(jī)廢水[1-3]。因棉漿粕生產(chǎn)過程反應(yīng)較多，造成了棉漿黑液如下特點(diǎn)：色度高、臭味重、堿度高、有機(jī)雜質(zhì)多[4-5]。絮凝法是棉漿廢水處理過程中的常用方法，絮凝劑的性質(zhì)直接影響了絮凝效果[6-7]。是微生物在生長(zhǎng)發(fā)酵過程中產(chǎn)生的具有絮凝能力的高分子有機(jī)物，主要由粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素等組成[8-10]。除具有高效的絮凝特性外， 無二次污染，可以應(yīng)用于飲用水、食品等領(lǐng)域[11-12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者篩選的幾十種產(chǎn)絮凝劑微生物中，最具有代表性的是Kurane利用紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）研制的微生物絮凝劑NOC-1，對(duì)粉煤灰水、紙漿廢水、泥漿水等均有很好的絮凝和脫色效果，也是目前唯一工業(yè)化應(yīng)用的微生物絮凝劑[9-14]。

本研究從新疆達(dá)坂城鹽湖采集了5份土壤樣品進(jìn)行篩選，將獲得的1株產(chǎn)高活性絮凝劑的芽孢桿菌XN-2，通過單因素分析法將絮凝影響條件進(jìn)行優(yōu)化，以期提高微生物絮凝劑的絮凝率，同時(shí)與PAC的絮凝效果做比對(duì)，為微生物絮凝劑工業(yè)化的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。研究篩選一株絮凝活性較高的菌株，并優(yōu)化了棉漿廢水的pH、廢水溫度、絮凝劑投加量、助凝劑投加量等絮凝條件，再與PAC的絮凝效果比對(duì)，最終提高了微生物絮凝劑在棉漿廢水中的絮凝率。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2012年7月，在新疆達(dá)坂城鹽湖附近，分別在鹽湖底泥、湖水、岸邊淤泥及周邊林帶采集了5個(gè)樣品，裝入無菌50mL聚丙烯錐形離心管中，在溫度4℃的黑暗條件下保存。達(dá)坂城鹽湖地理坐標(biāo)為88°03′54″-88°12′15″E，43°21′02″-43°25′27″N，位于烏魯木齊區(qū)東南45km，面積35平方公里，海拔1071米。

1.2 培養(yǎng)基

分離培養(yǎng)基：蛋白胨10g，酵母浸粉5g，NaCl5g，瓊脂20g，蒸餾水1000mL，pH7.0左右。37℃培養(yǎng)24h。

發(fā)酵培養(yǎng)基：葡萄糖20g，K2HPO45g，KH2PO42g，NaCl 0.1g，MgSO4·7H2O 0.2g，(NH4)2SO40.1g，尿素0.5g，酵母膏 0.5g，蒸餾水1000mL，pH 7.5～8.5。

1.3 菌種篩選

1.3.1 菌種篩選方法

根據(jù)梯度稀釋法[13]稱取10g樣品于90mL無菌水中，選取10-2、10-3、10-4和10-5稀釋液分別涂布于分離培養(yǎng)基平板，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。待長(zhǎng)出菌落后挑取單菌落再次接種，重復(fù)幾次直至無雜菌。將純化出的菌株接種到盛有50mL發(fā)酵培養(yǎng)基的250mL錐形瓶中，在30℃、150r/min搖床上培養(yǎng)24～72h。將發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行提純，得到沉淀物為絮凝劑。

1.3.2 絮凝活性評(píng)價(jià)

于100mL燒杯中加入0.4%的高嶺土懸濁液，加入3mL1% CaCl2，再加入2mL絮凝劑，調(diào)節(jié)pH至7，在180r/min的轉(zhuǎn)速下快攪1min，70r/min轉(zhuǎn)速慢攪5min。靜置3min，與不加絮凝劑的樣品做對(duì)照，在721型分光光度計(jì)550nm處測(cè)定上層清液吸光度，用絮凝率Y表示絮凝活性[14]，計(jì)算公式如下：

A、B分別為對(duì)照樣和樣品上清液的吸光度。

1.4 生長(zhǎng)曲線測(cè)定

將菌株接種到盛有50mL優(yōu)化后發(fā)酵液體培養(yǎng)基的250mL錐形瓶，30℃、150r/min震蕩培養(yǎng)，每2h取樣一次，用分光光度計(jì)測(cè)定660nm處的OD值。

1.5 微生物絮凝劑的粗提純流程

將XN-2發(fā)酵培養(yǎng)后，置于溫度4℃、轉(zhuǎn)速12,000r/min的離心機(jī)內(nèi)離心20min，再將上清液通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至原體積的1/3。將收集到的上清液中加入3倍體積4℃預(yù)冷的無水乙醇，將上述醇提液體用4℃、轉(zhuǎn)速8000r/min、離心機(jī)離心20min，用無水乙醇洗滌沉淀，并將沉淀收集備用。將反復(fù)醇提所得沉淀溶于少量蒸餾水中，經(jīng)冷凍干燥后獲得絮凝劑的粗品，稱重并低溫封閉保藏 。

1.6 處理棉漿廢水及絮凝條件優(yōu)化研究

1.6.1 樣品水質(zhì)（見下表）

棉漿廢水水質(zhì)表

1.6.2 水質(zhì)測(cè)定方法

（1）COD的測(cè)定

在100mL燒杯中加入70mL棉漿廢水，加入3mL1% CaCl2，調(diào)節(jié)pH值，投加適量微生物絮凝劑，在六聯(lián)攪拌儀上進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。180r/min的轉(zhuǎn)速下快攪1min，70r/min轉(zhuǎn)速慢攪5min。靜置3min，與不加空白樣品做對(duì)照，分別測(cè)定廢水COD去除率。

（2）絮凝率的測(cè)定

在100mL燒杯中加入70ml棉漿廢水，加入3mL1% CaCl2，調(diào)節(jié)pH值，投加適量微生物絮凝劑，在六聯(lián)攪拌儀上進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。在180r/min的轉(zhuǎn)速下快攪1min，70r/min轉(zhuǎn)速慢攪5min。靜置3min，與不加空白樣品做對(duì)照，分別測(cè)定絮凝前后的絮凝率。

1.6.3 絮凝條件優(yōu)化

用單因素分析法分別將水樣pH值、金屬離子助凝劑、水溫、微生物絮凝劑投加量分別調(diào)節(jié)至不同水平，用上述絮凝活性測(cè)定方法測(cè)定絮凝率、COD去除率，同時(shí)以不同投加量的PAC做比對(duì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌株篩選及鑒定

本研究從鹽湖土壤中分離到26株細(xì)菌，經(jīng)過篩選共得到2株絮凝率在80%以上的菌株，再經(jīng)反復(fù)篩選得到1株菌株（XN-2）對(duì)高嶺土絮凝率在89%以上，選定該菌株為研究對(duì)象。通過使用高嶺土的絮凝測(cè)定XN-2絮凝菌株發(fā)酵產(chǎn)物及純化產(chǎn)物絮凝效率，結(jié)果表明：其在4%的高嶺土懸浮液中，XN-2發(fā)酵產(chǎn)物添加量為1mL，其絮凝率可達(dá)到85%～90%。

2.2 生長(zhǎng)曲線測(cè)定結(jié)果（見圖1）

圖1 XN-2絮凝菌株生長(zhǎng)曲線

圖1表述了絮凝劑生產(chǎn)和菌株XN-2生長(zhǎng)之間的關(guān)系。0～4h為適應(yīng)期，菌體自身生長(zhǎng)緩慢、代謝慢，菌

體分泌胞外物質(zhì)能力低，相應(yīng)的絮凝率低；4h后進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期間，菌體自身代謝活力旺盛，絮凝活性也大幅度增加，XN-2產(chǎn)生絮凝劑的速度和其細(xì)胞的生長(zhǎng)速度平行，隨著菌體量快速增長(zhǎng)，其產(chǎn)生絮凝劑速度快速增加；12h后細(xì)胞生長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定期，絮凝劑的產(chǎn)生速率也逐漸平穩(wěn)；菌株生長(zhǎng)量在20h時(shí)達(dá)到最大值，胞外分泌物量開始累積，故絮凝劑產(chǎn)生量仍緩慢提高；25h后進(jìn)入衰亡期，細(xì)胞的生長(zhǎng)速度開始下降，此時(shí)微生物絮凝劑的絮凝活性開始降低，28h時(shí)絮凝劑的絮凝活性下降幅度變大，由此推斷菌體進(jìn)入衰亡期后外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降低，菌體細(xì)胞會(huì)將累積的胞外分泌物進(jìn)行代謝降解，故絮凝活性降低，30h時(shí)絮凝率僅有65.7%。為了獲得高絮凝活性的微生物絮凝劑，此后的研究取28h作為培養(yǎng)時(shí)間。

2.3 廢水處理?xiàng)l件優(yōu)化結(jié)果

2.3.1 pH值對(duì)棉漿廢水絮凝效果的影響（見圖2）

圖2 pH值對(duì)絮凝效果的影響

由圖2可見，當(dāng)水樣pH環(huán)境為酸性時(shí)，絮凝率最高為13%，COD去除率最高僅為8%，隨著絮凝體系pH值升高絮凝率隨之升高，COD去除率也在升高。當(dāng)pH大于7后絮凝率及COD去除率的增加幅度開始減緩、趨于穩(wěn)定，pH為11時(shí)，絮凝率為53%，COD去除率為42%，此時(shí)通過提高pH的方式改變懸浮顆粒表面的電荷性質(zhì)、數(shù)量、帶電狀態(tài)以及中和電荷能力對(duì)絮凝效果的影響并不會(huì)大，而且會(huì)增加水處理成本。由上述試驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè)該絮凝劑在堿性條件下對(duì)棉漿廢水的絮凝效果較好，且原水pH為9，則可以不用調(diào)節(jié)pH直接進(jìn)行絮凝處理。

2.3.2 不同陽離子助凝劑對(duì)絮凝效果的影響（見圖3）

由圖3可見，Na+離子溶液對(duì)絮凝作用的貢獻(xiàn)相較其他陽離子貢獻(xiàn)最小，其他陽離子都有明顯的助凝效果，二價(jià)及三價(jià)離子的絮凝效果比一價(jià)離子的效果好。隨著投加量的變化，各陽離子助凝效果都會(huì)發(fā)生變化。而Na+離子溶液隨著投加濃度的增大，絮凝率反而有輕微的下降；二價(jià)陽離子Ca2+離子溶液的助凝效果隨著投加量的增加而增加至7ml時(shí)絮凝效果開始迅速降低，F(xiàn)e3+、Al3+等高電荷離子溶液的助凝效果隨著投加量的增加先大幅度升高，然后趨于平穩(wěn)繼續(xù)緩慢地增加。由于Al3+有二次污染問題，而Fe3+離子溶液本身顏色對(duì)水質(zhì)色度有貢獻(xiàn)，且會(huì)形成有色沉淀很難除去，故兩種離子助凝劑均不考慮，因此Ca2+離子溶液作為該微生物絮凝劑的助凝劑，最佳的投加量為3.5mL。

圖3 不同陽離子助凝劑對(duì)絮凝效果的影響

2.3.3 不同溫度對(duì)絮凝效果的影響（見圖4）

圖4 廢水溫度對(duì)絮凝效果的影響

由圖4可見，在廢水溫度從-10℃變化到40℃的過程中，絮凝劑的絮凝率從43.2%升高至63.2%，其中廢水溫度從-10℃變化到20℃時(shí)，絮凝率從43.2%升至53.3%，說明絮凝劑在零下的水溫中的絮凝效果沒有在室溫條件下的絮凝率高，同時(shí)廢水溫度由室溫20℃再增加時(shí)，絮凝率的增幅雖有增加但沒有之前大；而廢水溫度從-10℃變化到40℃的過程中，絮凝劑的COD去除率從31.5%升高至48.6%，其中廢水溫度從-10℃變化到20℃時(shí)，COD去除率從31.5%升至49.3%，廢水溫度由室溫20℃升高至40℃時(shí)，絮凝劑的COD去除率從49.3%下降至48.6%，由此可得知，廢水溫度在室溫條件下COD的去除率最高，隨著室溫的再升高，COD的去除率下降。

2.3.4 不同絮凝劑不同投加量對(duì)絮凝效果的影響（見圖5）

圖5 絮凝劑投加量對(duì)絮凝效果的影響

由圖5可見，原水的絮凝率隨著1#絮凝劑投加量的增加先升高后降低，在1#絮凝劑投加量為4mL時(shí)，絮凝率最高為59.8%，當(dāng)投加量超過4mL時(shí)，絮凝率則開始下降，說明投加量存在一個(gè)最佳范圍，較高的濃度會(huì)出現(xiàn)再穩(wěn)現(xiàn)象。而原水的COD去除率隨著1#絮凝劑投加量的增加，從41%增至44%，增幅不高，在投加量增加至4mL時(shí)COD去除率就升高至43.3%，所以4mL為1#絮凝劑的最佳投加量。同比之下，2#絮凝劑對(duì)原水的絮凝率和COD去除率相較1#絮凝劑要高。隨著2#絮凝劑的投加量增加原水絮凝率和COD去除率先升高，升高至一定水平后趨于穩(wěn)定，略微有下降的趨勢(shì)，也存在再穩(wěn)現(xiàn)象。由此在棉漿廢水的處理中，微生物絮凝劑的最佳投加量為4mL，PAC的最佳投加量為8mL。

3 討論

絮凝體系的pH值影響懸浮顆粒的電荷密度、帶電數(shù)量，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)pH越高絮凝效果越好，為節(jié)省成本起見棉漿廢水處理中pH為9時(shí)絮凝效果較好。同時(shí)絮凝體系的溫度也是影響絮凝作用的因素之一，隨著溫度的升高，棉漿廢水COD的去除率也在提升，且絮凝率的提升幅度較之更大，但總的來說溫度對(duì)絮凝效果的影響在討論的四個(gè)因素中最小，所以為節(jié)省處理成本溫度可不做調(diào)節(jié)，同時(shí)這也說明微生物絮凝劑的穩(wěn)定性非常好，為促進(jìn)XN-2絮凝劑的廣泛應(yīng)用而打下基礎(chǔ)。助凝劑的種類及個(gè)別助凝劑的投加量對(duì)棉漿廢水的絮凝效果影響較大，就實(shí)驗(yàn)來看多電荷陽離子助凝劑的助凝效果最好，如Al3+、Fe3+、Ca2+等溶液，因Al3+、Fe3+存在二次污染不予考慮，Ca2+溶液隨著投加量增加助凝效果有所下降，綜合廢水處理效果，Ca2+溶液投加量為3.5mL時(shí)處理效果最好。對(duì)于絮凝劑投加量和廢水處理效果的試驗(yàn)，PAC對(duì)棉漿廢水的絮凝效果和COD去除率都好于微生物絮凝劑，但是就用量來說微生物絮凝劑的投加量比PAC少一半，明顯優(yōu)于PAC。

4 結(jié)論

（1）從新疆達(dá)坂城鹽湖采集的5個(gè)不同的土壤樣品中篩選分離得到1株菌XN-2，經(jīng)測(cè)定其在高嶺土懸濁液中絮凝率達(dá)到90%。

（2）將XN-2發(fā)酵培養(yǎng)后，提純其產(chǎn)物對(duì)棉漿廢水進(jìn)行文中所述絮凝試驗(yàn)，調(diào)節(jié)影響條件確定最佳絮凝條件為：絮凝劑4mL，測(cè)得對(duì)棉漿廢水的絮凝率為65%，COD去除率為54%。

（3）針對(duì)文中所述棉漿廢水的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，與微生物絮凝劑做效果比對(duì)，兩者分別在pH9.0、廢水溫度20℃、2%CaCl23.5mL的條件下對(duì)棉漿廢水進(jìn)行絮凝處理，PAC的絮凝率最高為80.2%，COD去除率最高為70.8%，此時(shí)PAC投加量為8mL；XN-2絮凝劑的絮凝率最高為59.8%，COD去除率最高為43.3%，此時(shí)XN-2絮凝劑投加量為4mL。綜合處理效果、水質(zhì)環(huán)保等各方面來看，微生物絮凝劑都有很大的優(yōu)勢(shì)及廣闊的應(yīng)用前景。

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Application of Microbial Flocculating Agent in Cotton Plasm Wastewater Treatment

LI Ya-mei,XIE Hai-yan,WANG Chun-li
(College of Grass Industry and Environmental Resources,Xinjiang Agricultural University,Urumqi Xinjiang 830052,China)

In order for the maximum of flocculating rate from microbial flocculating agent in cotton plasm wastewater,the optimization of all influence conditions of flocculating system is made after selection of flocculating bacterial strain and ferment.The result shows that XN-2 bacterium generated from one high actived flocculating agent is chosen from 5 soil samples collected in Xinjiang Daban Saline.It identifies as spore bacilli.Based on the determination,the flocculating rate is 90%,the best flocculating condition is : pH9.0 (original water pH value),wastewater temperature 20℃,the addition quantity of flocculating agent 4mL、2%CaCl23.5m.

microbial flocculating agent; cotton plasm wastewater; cultivating condition; wastewater treatment

X703

A

1006-5377（2015）06-0028-05

土壤學(xué)自治區(qū)重點(diǎn)學(xué)科資助，新疆草地資源與生態(tài)實(shí)驗(yàn)室資助。