李立欣， 邢 潔， 馬 放， 戰(zhàn) 友， 朱亞威

(1.黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院， 哈爾濱 150022；

?

復(fù)合型生物絮凝劑對水源水濁度和色度的去除效能

李立欣1,2， 邢 潔3， 馬 放2， 戰(zhàn) 友1， 朱亞威1

(1.黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院， 哈爾濱 150022；

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150090；

3.黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院， 哈爾濱 150056)

為探討影響復(fù)合型生物絮凝劑CBF處理水源水效能的因素，通過燒杯實(shí)驗(yàn)，考察了CBF投加量、助凝劑CaCl2投加量、pH和溫度對水源水濁度、色度的去除效率。結(jié)果表明：CBF適合處理pH為中性及弱堿性的水源水，溫度對去除效果影響不大，適當(dāng)投入助凝劑有助于提高絮凝效率。在最佳條件下，CBF對水源水濁度及色度的去除率分別達(dá)到93.05%和78.57%。綜合去除效果及成本因素，CBF投加量為8.0 mg/L、助凝劑CaCl2為1.0 mL/L、pH為7.0～8.0、溫度為4～20 ℃時，濁度及色度去除效果最佳。

復(fù)合型生物絮凝劑； 水源水； 效能； 濁度； 色度

0 引 言

絮凝技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水處理、生物下游工業(yè)及食品和發(fā)酵等領(lǐng)域。高效無毒絮凝劑的開發(fā)及應(yīng)用是目前環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。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廣泛關(guān)注[1-2]。生物絮凝劑有效成分為多糖、糖蛋白和蛋白質(zhì)，并含有少量DNA 和纖維素等活性物質(zhì)。其特點(diǎn)為絮凝效率高，對人和環(huán)境無毒無害，還可以生物降解[3]。復(fù)合型生物絮凝劑CBF是兩株從土壤中篩選分離的高效絮凝劑產(chǎn)生菌F2和F6，經(jīng)兩段式混合發(fā)酵制成的高效生物絮凝劑，率先由哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬放報道[4]。筆者基于地表水源水的實(shí)際處理要求，通過燒杯實(shí)驗(yàn)探討各因素對CBF處理水源水效能影響，以期對實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

(1)實(shí)驗(yàn)用水。實(shí)驗(yàn)用水取自松花江哈爾濱段，原水水質(zhì)參數(shù)：t14.4～19.4 ℃、濁度φ 35.0～55.2 NTU、pH 6.8～7.3、色度140～180。

(2)復(fù)合型微生物絮凝劑。CBF由課題組篩選得到的兩株高效產(chǎn)絮菌F2和F6混合發(fā)酵產(chǎn)生。其發(fā)酵條件：發(fā)酵溫度30 ℃，搖床轉(zhuǎn)數(shù)140 r/min，混合發(fā)酵時間24 h。發(fā)酵培養(yǎng)基成分：磷酸二氫鉀2 g/L，氯化鈉0.1 g/L，磷酸氫二鉀 5g/L，七水硫酸鎂0.2 g/L，葡萄糖10.0 g/L，酵母膏0.5 g/L，尿素0. 5 g/L，pH 7.5[5-6]。使用前按所需發(fā)酵液量10%制備的種子培養(yǎng)液作為擴(kuò)大培養(yǎng)的菌液，發(fā)酵產(chǎn)物滅菌制備成無菌CBF發(fā)酵液。CBF有效成分即干粉為白色棉絮狀固體，產(chǎn)量約為2.0 g/L；主要活性成分產(chǎn)自細(xì)菌F2和F6的胞外初級代謝產(chǎn)物，主要組成為多聚糖[7]。以下實(shí)驗(yàn)涉及到CBF投加質(zhì)量時，用有效成分質(zhì)量mg表示。

(3)其他材料。助凝劑氯化鈣wCaCl2=10%，氫氧化鈉2 mol/L，HCl 2 mol/L，聚合氯化鋁PACwAl2O3= 30%。

1.2 儀器

實(shí)驗(yàn)主要儀器為ZR4-6型混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀,SGZ-2P微機(jī)濁度儀,DELTA320A pH計(jì),ALC-210.4電子天平,HI 93727色度儀。

1.3 方法

通過燒杯實(shí)驗(yàn)測定絮凝劑的絮凝效果。將原水轉(zhuǎn)移至1 000 mL的燒杯中，先投加CBF，再投加助凝劑CaCl2，調(diào)節(jié)pH。其水力條件為：200 r/min快速攪拌30 s，60 r/min慢速攪拌2 min，最后靜置20 min，并抽取上清液測定濁度以及相關(guān)指標(biāo)[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 CBF投加量的影響

向1 L原水中加入1.0 mL CaCl2，并設(shè)置CBF投加量0～36 mg/L實(shí)驗(yàn)處理組和PAC對照組，調(diào)節(jié)pH至7.5，按照燒杯實(shí)驗(yàn)方法分別測定濁度、色度。CBF投加量對濁度和色度去除效能的影響見圖1和2。

圖1 投加量對濁度去除效能的影響

圖2 投加量對色度去除效能的影響

如圖1所示，原水濁度隨PAC投加量a的增加而下降，在4～28 mg/L時剩余濁度φ均高于相同投加量CBF處理組對應(yīng)濁度。CBF投加0～36 mg/L時，濁度去除率隨著藥量的增加而增加，但投加量在8 mg/L以上時，濁度去除率增加趨勢不明顯，當(dāng)投加量達(dá)到28 mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大值93.30%，此時，濁度為3.00 NTU。繼續(xù)加大投加量導(dǎo)致去除率開始緩慢下降，在投加量達(dá)到36 mg/L時，濁度去除率為87.93%。李淑更[9]認(rèn)為這一結(jié)果與無機(jī)或有機(jī)絮凝劑的絮凝結(jié)果相類似，說明微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理在一定程度上與其他絮凝劑存在關(guān)聯(lián)性。

如圖2所示，原水色度隨PAC投加量的增加而下降，在4～20 mg/L投加量內(nèi)，均高于CBF處理組對應(yīng)色度，當(dāng)大于20 mg/L時，PAC處理組的剩余色度小于CBF處理組的色度，說明傳統(tǒng)絮凝劑在高投加量下對色度的去除效果好于CBF。從CBF處理組來看，色度去除率隨CBF投加量的增加先增加而后降低，當(dāng)CBF投加8、12 mg/L時，色度去除率同時達(dá)到最大，為73.33%，此時色度為40，繼續(xù)投加色度去除率迅速降低，可能是由于CBF發(fā)酵液本身為淡黃色，過多投加引入外源色度，色度去除率隨之下降。

從以上結(jié)果分析，在4～20 mg/L投加范圍內(nèi)，CBF處理組在濁度及色度的去除能力方面均好于PAC處理組，進(jìn)一步證明了CBF絮凝劑在水源水處理方面的高效性，這一結(jié)果與孟路等的結(jié)果相一致[8]。從CBF處理組可以看出，去除率隨著CBF投加量的逐漸增大呈先增大后減小的現(xiàn)象。這是由于當(dāng)生物絮凝劑的投加量較低時，會過早的造成吸附飽和，降低其對污染物的去除率；而過量的生物絮凝劑會破壞整個體系的帶電性，極易造成返混現(xiàn)象，去除效果變差；當(dāng)投入適當(dāng)?shù)男跄齽r，才能充分發(fā)揮其絮凝作用機(jī)制，達(dá)到良好的去除效果[10]。綜合考慮去除效果及處理成本等因素，確定最佳CBF投加量為8 mg/L。

2.2 CaCl2投加量的影響

向1 L原水中投加CBF 8 mg，并設(shè)置CaCl2投加量b為0、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mL/L實(shí)驗(yàn)組，調(diào)節(jié)pH至7.5，燒杯實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測定濁度、色度。CaCl2投加量對濁度和色度去除效能的影響見圖3和4。

圖3 CaCl2投加量對濁度去除效能的影響

Fig. 3 Effect of CaCl2dosage on turbidity removal efficiency

圖4 CaCl2投加量對色度去除效能的影響

如圖3所示，CaCl2投加量b為0時，絮凝效果較差，濁度幾乎沒有變化，表明沒有助凝劑輔助，CBF去除顆粒物質(zhì)能力較差；投加量為0.5 mL/L時，絮凝效果開始好轉(zhuǎn)；隨著投加量的增加，去除率也隨之提高，在投加量為1.5 mL/L時，濁度去除率最高為92.63%；而后隨投加量增大，濁度去除率開始降低，投加量2.0 mL/L時，濁度去除率下降較快，這是由于微生物絮凝劑去除污染物主要是利用大分子間的吸附架橋作用，但投入過多的助凝劑，引入的正電荷過多，與帶負(fù)電的微生物絮凝劑的吸附位點(diǎn)結(jié)合，阻礙了微生物絮凝劑與膠體顆粒的結(jié)合[11]。

如圖4所示，色度與濁度變化趨勢基本相同，隨助凝劑投加量的增大，色度去除率開始上升。投加量1.0 mL/L時色度去除率為73.33%，1.5 mL/L時色度最大去除率為76.67%。綜合分析可知：只有在投加一定量的Ca2+情況下，絮凝劑才能表現(xiàn)出較好的絮凝效果?？梢哉f，該絮凝劑受金屬離子濃度的影響較大，金屬離子對于絮凝劑來說是不可缺少的助凝性物質(zhì)[9]。綜合考慮去除效果及成本等因素，確定CaCl2實(shí)際最佳投加量為1.0 mL/L。

2.3 pH的影響

向1 L原水中加入CBF 8.0 mg，1.0 mL CaCl2，調(diào)節(jié)pH至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，按燒杯實(shí)驗(yàn)方法測定濁度、色度。pH對濁度和色度去除效能的影響見圖5和6。

圖5 pH對濁度去除效能的影響

圖6 pH對色度去除效能的影響

如圖5所示，在pH為6.0時，濁度去除率比較低，為14.74%，隨著pH的增大去除率也逐漸增大，pH為7.0時，濁度去除率為92.00%，此時變化趨勢趨于穩(wěn)定，pH為7.5時濁度去除率最大，去除率為93.05%，此時濁度為3.3 NTU。pH繼續(xù)增大，去除率略有下降，但仍為92.00%左右，說明微生物絮凝劑CBF在中性或弱堿性條件下對濁度的去除率最為有效。這是由于pH的變化會改變CBF和水中顆粒物質(zhì)表面電荷的數(shù)量和性質(zhì)，過高或過低的pH會削弱其中和作用，進(jìn)而阻礙物質(zhì)間的凝聚反應(yīng)[11]。

色度去除率隨著pH的升高先快速上升，在pH 7.5時達(dá)到最大，最大值為78.57%，此時色度為30，隨后色度去除率下降，見圖6。綜合濁度、色度去除率分析得出， CBF最佳去除效能的pH范圍為7～8。

2.4 溫度的影響

向1 L原水投加CBF 8 mg和CaCl21.0 mL，調(diào)節(jié)pH為7.5，設(shè)置原水溫度為4、10、20、30 ℃實(shí)驗(yàn)處理組，按照燒杯實(shí)驗(yàn)方法測定濁度、色度。原水溫度對濁度和色度去除效能的影響見圖7和8。

圖7 溫度對濁度去除效能的影響

如圖7所示，溫度為4、10和20 ℃時濁度去除率變化不大，均在90.00%以上；在20 ℃時，濁度去除率最大，為91.99%；溫度繼續(xù)升高至30 ℃，去除率降低為75.54%。證明CBF在低溫時對江水濁度有很高的去除率，而在較高溫度時，可能由于高溫使水的熱運(yùn)動及膠體粒子間的無規(guī)則運(yùn)動加快，以及形成不規(guī)則水流剪切力等原因造成部分絮體運(yùn)動加快，很難形成大塊絮體，較難沉降。

圖8 溫度對色度去除效能的影響

從圖8可以看出，色度去除率變化趨勢與濁度去除率基本相同，在20 ℃時色度去除率達(dá)到最大，為75.00%，色度為45，4～20 ℃時去除率都保持在70.00%以上。結(jié)果表明，微生物絮凝劑CBF的去除效能基本不受溫度的影響，這一特點(diǎn)有助于其在低溫實(shí)際廢水處理工程中的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

為尋找CBF處理水源水的最佳絮凝條件，通過實(shí)驗(yàn)室燒杯實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CBF適合處理pH為中性及弱堿性地表水，適當(dāng)投入助凝劑能夠提高絮凝效果，溫度對CBF的去除效果影響不大。綜合去除效果及成本因素，CBF對水源水中濁度和色度的最佳去除條件為：CBF投加量 8 mg/L，助凝劑CaCl21.0 mL/L，pH 7～8，溫度 4～20 ℃。

致謝：

該研究獲得黑龍江科技大學(xué)青年才俊培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(Q20120201)的支持。

[1] 田連生, 陳秀清. 生物絮凝劑產(chǎn)生菌的人工選育及污水處理試驗(yàn)[J]. 工業(yè)水處理, 2016, 36(3): 47-50.

[2] 王金娜. 產(chǎn)絮菌Agrobacterium tumefaciens F2利用混合碳源半連續(xù)發(fā)酵制備生物絮凝劑[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2014： 2-5.[3] 李立欣, 馬 放, 劉彥軍. 復(fù)合型生物絮凝劑處理低溫低濁水[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報, 2012, 22(2): 107-110.

[4] WANG LILI, MA FANG, QU YUANYUAN, et al. Characterization of a compound bioflocculant produced by mixed culture of Rhizobium radiobacter F2 and Bacillus sphaeicus F6[J]. World J Microbiol Biotechnol, 2011, 27(11): 2559-2565.

[5] 馬 放, 馮 旻, 李淑更, 等. 復(fù)合型微生物絮凝劑的絮凝作用[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報, 2004, 14(3): 140-144.

[6] 王金娜, 楊基先, 王繼華, 等. 混合碳源制備生物絮凝劑的絮凝效能及產(chǎn)量預(yù)測模型[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2014, 34(7): 1654-1660.

[7] 金 超. 大慶市中飲水廠復(fù)合生物絮凝劑中試研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009: 6-54.

[8] 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.

[9] 李淑更. 復(fù)合型微生物絮凝劑的開發(fā)及絮凝效果研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2003: 33-47.

[10] 吳 丹. 高效生物絮凝劑產(chǎn)生菌的特性及發(fā)酵過程的優(yōu)化[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012: 1-2.

[11] 邢 杰. 蛋白型微生物絮凝劑對卡馬西平的去除效能和機(jī)制解析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014: 19-90.

[12] 李思敏， 王 俊， 宋曉娟. 不同混凝劑除磷效果的研究[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版, 2010, 27(1)： 51-54.

(編校 王 冬)

Removal efficiency of turbidity and chroma in water source by compound bioflocculant

LiLixin1,2，XingJie3,MaFang2,ZhanYou1,ZhuYawei1

(1.School of Environmental & Chemical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2. State Key Laboratory of Urban Water Resource & Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;3. Heilongjiang Provincial Research Institute of Environmental Sciences, Harbin 150056, China)

This paper seeks to explore the factors governing the efficiency with which compound bioflocculant treats the turbidity and chroma in source water. The exploration looks at the effects of CBF dosage， coagulation aid CaCl2dosage， and pH and temperature on the removal efficiency of turbidity and chroma using jar test. The results demonstrate that CBF works better for the treatment of water source with neutral and weak alkaline pH, a treatment in which temperature has little effect on the removal efficiency, and features an improved flocculation efficiency if there is an appropriate addition of the coagulant aid. Given the optimum removal conditions, CBF boasts the maximum removal rate of 93.05% and 78.57% respectively for turbidity and chroma. The comprehensive consideration of the removal efficiency and cost factors points to the optimal turbidity and chroma removal efficiency in the presence of CBF dosage 8.0 mg/L, coagulant aid CaCl21.0 mL/L, pH value 7.0～8.0, and temperature range 4～20 ℃.

compound bioflocculant; drinking source water; efficiency； turbidity; chroma

2016-06-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408200;51478140;51678222)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015RQQXJ015)；城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主課題(2015DX06)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12513088)

李立欣(1980-)，男，黑龍江省鶴崗人，副教授，博士，研究方向：微生物水處理技術(shù)、礦山環(huán)境治理，E-mail：lilixin1980@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.011

TU991.2

2095-7262(2016)05-0524-04

A