复合型生物絮凝剂处理低温低浊水

李立欣， 马 放， 刘彦军

(1.哈尔滨工业大学 城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090; 2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

复合型生物絮凝剂处理低温低浊水

李立欣1，2， 马 放1， 刘彦军2

(1.哈尔滨工业大学 城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090; 2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

针对处理低温低浊水时残余铝过高及浊度难去除的问题，采用复合型生物絮凝剂(CBF)处理低温低浊水源水，通过L16(45)正交实验研究了复合型絮凝剂投加量、pH、助凝剂Ca2+投加量、沉降时间和混凝水力条件5个因素对絮凝效果的影响。结果表明，浊度及铝去除率的影响因素均为:pH＞水力条件＞沉降时间＞助凝剂Ca2+投加量＞絮凝剂投加量。浊度去除率和铝去除率最佳的絮凝条件:絮凝剂投加量为10 mg/L;助凝剂Ca2+投加量为1.5 mg/L;pH为8.0;水力条件为搅拌速度160 r/min，搅拌时间为40 s;沉降时间为30 min。此时浊度去除率达到88.34%，残余Al去除率为92.43%。研究为应用CBF处理低温低浊水提供了基础数据和技术支持。

复合型生物絮凝剂;低温低浊水;正交实验

0 引言

低温低浊水是给水处理工程中难处理的水质之一［1］，由于低温低浊水中带负电的胶体微粒数量很少，胶体微粒的动力稳定性和凝聚稳定性较强，采用自然沉淀和过滤都很难达到净化要求［2］，而且过低温度导致混凝水解不彻底，混凝及沉淀效果差。磁力分离技术、膜过滤和气浮技术等工艺虽然有效，但由于一次投资及处理饮用水成本高，且操作复杂，难于推广和应用。目前，混凝技术仍是处理低浊水的主要技术方法，铝盐作为传统的常规絮凝剂被广泛应用［2－3］。

通常，随混凝药剂进入原水中的铝在处理过程中没有被完全去除，作为残余铝留在了水中。有研究表明32.5%的城市饮用水中铝质量浓度存在超标现象［4－5］。越来越多的研究表明，铝在人体内的蓄积会导致记忆力下降、震颤和抽搐等症状的出现，此外铝也被认为与Alzheimer’S病(AD)、帕金森氏痴呆综合症等疾病有关［6－9］。因此水源水中铝的残留问题引起了广泛的重视。

近年来，由微生物产生的生物絮凝剂作为一种新型水处理剂受到了广泛研究。生物絮凝剂有效成分为多糖、醣蛋白、蛋白质、DNA和纤维素等，絮凝效果好，可生物降解并对人和环境无毒无害。复合型生物絮凝剂(CBF)是一种高效、无毒、无二次污染的绿色净水剂，由两株从土壤中筛选分离出的高效絮凝剂产生菌F2和F6混合发酵生产，F2和F6经鉴定分别为放射根瘤菌(Rhizobium ra dioba cter)和球形芽孢杆菌(Bacillus sphaeicus)，其主要成分为多聚糖［10］。笔者利用正交实验法研究了CBF对低温低浊水源水浊度及铝的去除效果，并确定各因素影响絮凝效果的强弱顺序。

1 材料与方法

1.1 材料

(1)实验用水。实验用水取自松花江哈尔滨段，由于地处北方寒冷地区，冬季冰冻期长达5个月。原水为典型的低温低浊水，水质参数为:¯t为1.4℃，¯φ为16.32 NTU，pH为6.5，ρ(Al)为0.499 3 mg/L。

(2)复合型微生物絮凝剂。采用由城市水资源与水环境国家重点实验室提供的高效复合型絮凝剂产生菌 F2+F6。发酵条件为:摇床140 r/min，30℃，发酵24 h。发酵培养基为: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为7.5。扩大培养所用的菌液为之前按所需发酵液量10%制备的种子培养液。制备成品为液体菌液。

(3)其他材料。助凝剂氯化钙CaCl2100 mg/L，氢氧化钠2 mol/L，HCl 2 mol/L。

1.2 仪器

实验主要仪器为:ZR4－6型混凝实验搅拌仪，2100A型浊度仪，320 pH MeterpH计，ALC－210.4电子天平，5300DV等离子体原子发射光谱仪。

1.3 方法

综合已有研究［11－12］及前期单因素实验研究，选择絮凝剂投加量A、助凝剂Ca2+投加量B、pH C、水力条件D和沉降时间E为影响因素，进行L16(45)正交实验，以考察各因素对浊度φ及铝去除率η的影响。其中，水力条件参数见表1。

表1 混凝水力条件Table 1 Hydraulic conditions for coagulation

2 结果与讨论

2.1 正交实验

通过前期单因素实验，确定了5个因素的4个水平范围(表2)。根据正交实验方案，按絮凝沉降实验方法得到不同条件下的结果，见表3。

表2 L16(45)正交实验因素水平Table 2 Design form of orthogonal test L16(45)

表3 L16(45)正交实验及结果Table 3 L16(45)orthogonal tests and results

2.2 各因素显著性分析

2.2.1 浊度去除率

对表3数据进行整理分析，计算Ki和R，得到浊度去除率ηφ直观分析结果(表4)。极差分析不能给出误差的估计量，不能进行误差分析，无法估计各因子各水平之间的差异是实验误差造成的还是水平间实质性变化导致的。因此，仍需进一步作方差分析，浊度去除率的方差分析结果见表5。

由表4可知，各因素对浊度去除率的影响作用依次为:C＞D＞E＞B＞A。由表5可知，各因素对浊度去除率影响比较大，其中，C因素最为显著，即溶液pH对浊度去除率的影响最大。

表4 浊度去除率直观分析Table 4 Visual analysis of removal rate of turbidity

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

2.2.2 金属铝去除率

由表3数据整理分析，金属铝去除率直观分析和方差分析结果见表6和7。从表6和7可以看出，各个因素对铝的去除率均有影响，各因素的影响显著性依次为:C＞D＞E＞B＞A，即溶液pH对Al去除率的影响最显著。

表6 铝去除率直观分析Table 6 Visual analysis of removal rate of aluminum

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

2.3 各因素最佳水平选择

水源水中金属铝及浊度是饮用水厂两个重要的水质参数，因此要综合考察两个指标的最佳絮凝条件是否一致。由表4和6可知，低温条件下浊度和铝的最佳絮凝条件分别为 A3B3C3D1E4和A4B3C3D1E3。C、D和B选择的水平相同，E和A的水平不同。先考察E因素，E对两个指标的影响作用排在第三位，对浊度去除率的最佳条件为E4，但E3与E4的均值差别不大，实际应用中停留时间一般为20～30 min，因此综合来看，E3与E4对浊度去除率影响区别不大，两指标去除率最佳絮凝条件选择E因素的3水平;A因素各水平对两指标去除率影响差别都不大，从铝的去除率影响上看，A3与A4差别不大，从节约成本方面考虑选择A因素的3水平。所以浊度及金属铝的去除率理论上最佳絮凝条件是A3B3C3D1E3。

由表3可见，16组实验中对浊度及铝的去除率最高的分别是A4B2C3D1E4和A2B3C4D1E2。为考察理论与实际的去除率是否一致，又做了3组验证实验，材料、方法及培养条件同上。结果第1组A4B2C3D1E4的ηφ为84.84%，ηAl为86.53%;第2组A2B3C4D1E2的ηφ为81.24%，ηAl为90.01%;第3组A3B3C3D1E3的ηφ为88.34%、ηAl为92.43%，去除效果最好。以上实验结果具有很好的再现性。所以低温条件下浊度和铝的去除率的最佳絮凝条件为:絮凝剂投加量10 mg/L;助凝剂 Ca2+投加量1.5 mg/L;pH 8.0;水力条件为Ⅰ，即搅拌速度160 r/min，搅拌时间40 s;沉降时间30 min。此时，浊度为1.903 NTU，接近GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》的浊度限值，残余Al的质量浓度为0.037 8 mg/L，远低于GB 5749—2006中铝质量浓度在0.2 mg/L以下的要求。

2.4 讨论

由上述结果可知，pH对生物絮凝剂去除浊度及铝的效果影响最大，中性偏碱有利于对浊度及铝的去除，该结果与周健［13］研究结果相近，究其原因，可以通过复合型生物絮凝的结构特点及颗粒带电特性进行解释。

CBF是多糖大分子，含有较多羟基与羧基等官能团，有较好的水溶性和较多的活性吸附位点，其分子链中带有负电荷羧基，而水中的颗粒同样带负电荷，随着pH的升高，颗粒和絮凝剂分子间的斥力增加，絮凝剂分子的其余部分在斥力的作用下，很难再被吸附到颗粒表面。所以颗粒不能被絮凝剂CBF覆盖，有足够的空位供进一步吸附;没有被吸附的分子链可能成为自由端，或一个疏松的链环，有利于其他颗粒的吸附，发生架桥作用［14］。同时，pH升高有利于絮凝剂与颗粒物之间进行电性中和，增强絮凝效果。

3 结论

文中报道了复合型生物絮凝剂絮凝条件对低温低浊水源水浊度及金属铝去除率的影响。利用混凝技术处理，经过正交实验确定了最佳絮凝条件: A3B3C3D1E3，即絮凝剂投加量为10 mg/L，助凝剂Ca2+投加量为1.5 mg/L，pH为8.0，水力条件为I (搅拌速度160 r/min，搅拌时间40 s)，沉降时间为30 min。在该条件下，浊度去除率为88.34%;残余Al去除率为92.43%，且处理后残留铝质量浓度远低于生活饮用水卫生标准的规定。该结果可以为饮用水厂后续处理工艺减轻处理负荷及处理成本。

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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

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009AA062906);国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金项目(51121062);黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12513088)

李立欣(1980－)，男，黑龙江省鹤岗人，讲师，博士研究生，研究方向:环境生物技术，E-mail:lilixin1980@163.com。

(编辑王 冬)