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褐藻胶生产废水絮凝处理

发布时间:2015-6-6 9:10:13  manbetx客户端2.0下载

随着对海洋资源的开发越来越广泛,我国沿海城市出现了许多利用海带生产褐藻胶的工厂。在生产褐藻胶的过程中会产生大量的脱钙废水,其中含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-等无机盐,主要的大分子污染物为褐藻胶、海带淀粉、褐藻多糖、蛋白质等有机物,水质混浊,COD在2000~3000mg/L,随着放置时间的延长废水会发臭。目前,褐藻胶生产废水多未经处理直接排放于环境中,严重地污染了水体和周边土壤。

目前对于褐藻胶生产废水的处理方法常见的为絮凝法,选用的絮凝剂主要包括以铝盐、铁盐及其共聚物为基础的无机絮凝剂和以聚丙烯酰胺为代表的合成有机高分子絮凝剂。投加无机絮凝剂会对人体产生危害,如长期饮用含铝盐的水会引起阿尔茨海默病;而且大量含有铝盐的污泥也会产生二次污染。有机高分子絮凝剂特别是聚丙烯酰胺衍生物在自然环境中不易降解,且单体丙烯酰胺具有强烈的神经毒性和致癌致突变作用。因此,找到可降解、安全、无二次污染的传统絮凝剂替代物是目前絮凝剂研究与开发的热点。生物絮凝剂因具有易于降解和对环境无害的特点显示出替代传统絮凝剂的潜力。

本研究首先分离筛选出一株絮凝剂高产菌株B-12,然后对B-12所产复合型生物絮凝剂BF-12的活性及组成成分进行了研究,考察了BF-12在不同条件下对褐藻胶生产废水的絮凝效果,并由此得出该絮凝剂对褐藻胶生产废水的最佳处理条件。该研究为褐藻胶生产废水的无害化处理提供了新思路。

1材料和方法

1.1材料

1.1.1实验用水

实验所用褐藻胶生产废水取自山东寻山水产集团。其水质为:CODCr2600mg/L,BOD51200mg/L,SS350mg/L,NH3-N65mg/L,pH7.0~7.5。

1.1.2产絮凝剂菌株的来源与筛选用培养基

产絮凝剂菌株的来源:本实验中产絮凝剂菌株是从西安市第五污水处理厂提供的活性污泥中分离筛选得到,并于实验室保存。

筛选用无机盐培养基的成分:葡萄糖40g,(NH4)2SO41g,K2HPO40.5g,NaCl0.05g,FeCl30.01g,MgSO4?7H2O0.5g,CaCl20.5g,酵母提取物0.1g,蛋白胨0.1g。于121℃下高温灭菌30min后备用。

1.1.3高岭土悬浊液

称取1g高岭土放入1L水中,充分搅匀并静置120min后吸取上清液,该上清液即为所需的高岭土悬浊液。

1.2实验方法

1.2.1产絮凝剂菌株的筛选与初步鉴定

按1.1.2中的配方制备筛选用无机盐液体培养基和无机盐固体培养基,初始pH调整为7.0。将100mL无机盐液体培养基装于250mL锥形瓶中,然后将采集到的活性污泥样品制备成悬浊液并接入此液体培养基中。将锥形瓶放入摇床中以180r/min的转速,于30℃下培养3d。将富集得到的菌液转接入固体培养基中,于30℃下培养3d。对固体培养基中长出的菌株进行絮凝活性测定,挑选出絮凝活性最高的菌株。通过菌体形态和生理生化反应对筛选出的菌株作初步的鉴定。

1.2.2复合生物絮凝剂的纯化

为得到纯化的絮凝剂首先将培养菌用的发酵液用同体积的蒸馏水稀释,然后于6000r/min下离心15min除去菌体;向上清液中加入4倍体积的0℃乙醇沉淀,然后于3000r/min下离心15min,收集沉淀并将其再次溶于蒸馏水中。重复3次。然后用去离子水透析12h以上,冻干,即获得纯化的复合生物絮凝剂。

1.2.3褐藻胶生产废水絮凝处理方法

于250mL烧杯中加入褐藻胶生产废水100mL,然后加入一定量的BF-12和质量分数为1%的CaCl2,混匀后调节絮凝体系初始pH,在强力电动搅拌器上快速搅拌(250r/min)30s,慢速搅拌(70r/min)5min,静置15min,期间测定絮凝沉淀速率和光密度的变化。根据絮凝沉淀速率和光密度的变化来衡量絮凝剂BF-12对褐藻胶生产废水的絮凝性能。

1.3分析及测定方法

1.3.1絮凝剂活性的评估

本实验用絮凝率来评估菌株所产絮凝剂的活性大小,并最终筛选出絮凝活性最大的菌株。具体方法是以高岭土作为悬浮物来测定絮凝剂的活性〔3〕。在烧杯中加入1mL质量分数为1%的CaCl2溶液和100mL高岭土悬浊液,磁力搅拌3min(250r/min);后加入0.1mL的菌液;调整高岭土悬浊液的pH到7.0,于300r/min下搅拌30s,再于100r/min下搅拌1min,最后在室温下静置5min,至絮凝物形成。取上清液用VIS-7220N分光光度计在550nm处测定吸光度,计算絮凝率。

1.3.2复合生物絮凝剂的性质分析与成分检测

总糖含量用苯酚-硫酸法测定〔4〕;己糖含量用蒽酮法测定〔4〕;氨基己糖含量用Elson-Morgan反应测定〔4〕;蛋白质含量用Bradford和Lowry法测定〔5〕。用721N紫外分光光度计扫描BF-12中的蛋白质含量;用Nicolet380FT-IR型红外光谱仪扫描分析BF-12中的特征基团。

2结果和讨论

2.1高产絮凝剂菌的筛选和鉴定

经平板分离纯化后共得到152株菌株,从中筛选出16株絮凝率达到85%以上的菌株。其中编号B-12的菌株产生的絮凝物质的絮凝率最高,达到94%,选其作为絮凝剂的高产菌株。菌株B-12个体形态为革兰氏阴性短杆菌,极生鞭毛,不产芽孢,有荚膜;经LB琼脂培养基培养,菌落为圆形,边缘不完整、不透明,表面光滑,根据菌株的生理生化实验的鉴定结果(见表1),依照伯杰细菌鉴定手册,确定该菌归属于假单胞菌属(Pseudomonassp.),命名为B-12。

2.2复合生物絮凝剂的组成分析

将菌株B-12产生的絮凝剂命名为BF-12,此复合型生物絮凝剂的化学成分分析结果见表2。由表2可知,生物絮凝剂粗提物的灰分为26%,这表明无机盐并没有用透析完全除去。

对BF-12进行红外光谱分析,结果见图1。

由图1可知,在3450cm-1处显示出羟基的存在,1655~1550cm-1处显示出氨基的存在。光谱的整体特征峰与几丁质和壳聚糖的红外谱相类似。进一步用TLC分析此絮凝剂的水解液得到Rf为0.628,也与几丁质和壳聚糖的Rf(分别为0.635、0.633)相近似,故可初步推断BF-12为几丁质和壳聚糖结构类似物。由于几丁质和壳聚糖均属于氨基己糖类化合物,故将BF-12归属为氨基己糖类化合物。

2.3絮凝剂BF-12对褐藻胶生产废水的絮凝性能

2.3.1不同絮凝剂投加量下絮凝剂的絮凝性能

45℃条件下,BF-12投加量对絮凝效果的影响如图2所示。

由图2可知,当絮凝剂投加质量浓度为150mg/L时,絮凝效果最佳,此时沉淀速率为4×10-4m/s,光密度为0.20。随着絮凝剂投加量的继续增加,沉淀速率反而减小,光密度逐渐升高。因为BF-12的主要成分为高分子多糖,胶体、悬浮物颗粒与高分子化合物的极性基团或带电荷集团结合,可形成体积庞大的胶体沉淀物。同时大分子物质的极性基团很多,在短时间内与多个颗粒结合,因此形成凝聚体速度快,絮凝作用明显。但絮凝剂投加量过大,絮凝剂本身的极性基团或带电荷集团会被保护起来无法与胶体、悬浮物颗粒结合,反而使絮凝性能下降。

2.3.2不同温度下絮凝剂的絮凝性能

在BF-12投加质量浓度为150mg/L的条件下,考察了温度对絮凝效果的影响,结果如图3所示。

由图3可知,温度对BF-12的絮凝效果影响显著,45℃时出现最大沉淀速率,为3×10-4m/s,此时光密度为0.06。随着温度的继续升高,沉淀速率下降迅速,光密度上升。主要原因是褐藻胶生产废水的黏稠度、絮凝体系的状态和复合型生物絮凝剂的活性都受到温度的影响,相对较低的温度可使分子间内部作用力增强,有利于絮凝体的形成;而较高的温度会导致所形成的絮凝体不稳定且形成的沉淀易于膨胀。同时,复合型生物絮凝剂在高温下容易失活。

2.3.3不同助凝剂对絮凝剂絮凝性能的影响

分别配制质量分数为1%的CaCl2、MgSO4、FeCl2、AlCl3、FeCl3和ZnSO4溶液,各取1mL加入到10mL的絮凝体系。在温度为45℃,BF-12投加质量浓度为150mg/L的条件下,考察了助凝剂对絮凝效果的影响,结果见表3。

由表3可知,Ca2+的助凝效果最佳,在加入Ca2+条件下,沉淀速率达2.98×10-4m/s,光密度为0.06,远优于其他助凝剂。说明Ca2+的存在可以显著促进絮凝过程,形成凝聚物速率更快,结构致密不易膨胀。

通过不同Ca2+投加量对絮凝性能的影响实验,最终得出Ca2+的最佳投加浓度为0.04mol/L。

2.3.4不同pH条件下絮凝剂的絮凝性能

在温度为45℃,BF-12投加质量浓度为150mg/L,CaCl2投加浓度为0.04mol/L的条件下,考察了pH对絮凝效果的影响。结果表明,pH对褐藻胶生产废水处理效果的影响较大,沉淀速率随着pH的升高而增大,当pH为8时,絮凝效果最佳;继续增大pH,沉淀速率反而减小。这表明该絮凝剂适宜在弱碱性条件下对褐藻胶生产废水进行处理。pH直接影响絮凝剂和废水中胶体颗粒表面电荷带电状态和电中和能力〔7〕,在碱性条件下絮凝剂分子和废水中的胶体粒子均带负电荷,此时BF-12的絮凝主要是通过桥联作用。同时BF-12因分子内静电斥力可使其分子链充分伸展,暴露了更多吸附点位,从而有利于絮凝剂与颗粒之间的桥联作用,促进颗粒沉淀。因此利用该絮凝剂处理褐藻胶生产废水可在pH为8的条件下进行。具体参见http://www.rockailles.com更多相关技术文档。

2.4优化实验结果

在BF-12投加质量浓度为150mg/L,温度为45℃,助凝剂CaCl2投加浓度为0.04mol/L,pH为8的条件下,对褐藻胶生产废水进行絮凝处理,结果如表4所示。

3结论

从活性污泥中分离出一株絮凝剂高产菌B-12,并鉴定其归属于假单胞菌属。此菌产生的复合型生物絮凝剂BF-12是氨基己糖化合物,不含蛋白质,是一种多糖类的天然高分子絮凝剂。研究发现,在BF-12投加质量浓度为150mg/L,温度为45℃,助凝剂CaCl2投加浓度为0.04mol/L,pH为8的条件下,其对褐藻胶生产废水的处理效果较好,CODCr、BOD5、SS、NH3-N的去除率分别达到94.96%、96.10%、82.28%、81.53%。

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