微生物絮凝剂在棉浆废水处理中的应用

李雅梅，谢海燕，王纯利

（新疆农业大学草业与环境资源学院，乌鲁木齐 830052）

微生物絮凝剂在棉浆废水处理中的应用

李雅梅，谢海燕，王纯利

（新疆农业大学草业与环境资源学院，乌鲁木齐 830052）

为了微生物絮凝剂在棉浆废水中的絮凝率最大化，将絮凝菌株筛选并发酵后对絮凝体系中的各影响条件进行优化。结果表明，从新疆达坂城盐湖采集的5个土壤样品中筛选到一株高活性絮凝剂产生菌XN-2，经初步鉴定为类芽孢杆菌，通过测定其对高岭土悬浊液的絮凝率为90%。最佳絮凝条件为：pH9.0（原水pH值）、废水温度20℃、在文章所述实验条件下，絮凝剂投加量为4mL、2%CaCl23.5mL。

微生物絮凝剂；棉浆废水；培养条件；废水处理

引言

棉浆废水又称棉浆粕黑液废水，是较为典型的纺织类废水，成分复杂，属于一种难处理的高浓度有机废水[1-3]。因棉浆粕生产过程反应较多，造成了棉浆黑液如下特点：色度高、臭味重、碱度高、有机杂质多[4-5]。絮凝法是棉浆废水处理过程中的常用方法，絮凝剂的性质直接影响了絮凝效果[6-7]。是微生物在生长发酵过程中产生的具有絮凝能力的高分子有机物，主要由粘多糖、蛋白质、纤维素等组成[8-10]。除具有高效的絮凝特性外， 无二次污染，可以应用于饮用水、食品等领域[11-12]。国内外学者筛选的几十种产絮凝剂微生物中，最具有代表性的是Kurane利用红平红球菌（Rhodococcus erythropolis）研制的微生物絮凝剂NOC-1，对粉煤灰水、纸浆废水、泥浆水等均有很好的絮凝和脱色效果，也是目前唯一工业化应用的微生物絮凝剂[9-14]。

本研究从新疆达坂城盐湖采集了5份土壤样品进行筛选，将获得的1株产高活性絮凝剂的芽孢杆菌XN-2，通过单因素分析法将絮凝影响条件进行优化，以期提高微生物絮凝剂的絮凝率，同时与PAC的絮凝效果做比对，为微生物絮凝剂工业化的生产奠定了基础。研究筛选一株絮凝活性较高的菌株，并优化了棉浆废水的pH、废水温度、絮凝剂投加量、助凝剂投加量等絮凝条件，再与PAC的絮凝效果比对，最终提高了微生物絮凝剂在棉浆废水中的絮凝率。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2012年7月，在新疆达坂城盐湖附近，分别在盐湖底泥、湖水、岸边淤泥及周边林带采集了5个样品，装入无菌50mL聚丙烯锥形离心管中，在温度4℃的黑暗条件下保存。达坂城盐湖地理坐标为88°03′54″-88°12′15″E，43°21′02″-43°25′27″N，位于乌鲁木齐区东南45km，面积35平方公里，海拔1071米。

1.2 培养基

分离培养基：蛋白胨10g，酵母浸粉5g，NaCl5g，琼脂20g，蒸馏水1000mL，pH7.0左右。37℃培养24h。

发酵培养基：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，蒸馏水1000mL，pH 7.5～8.5。

1.3 菌种筛选

1.3.1 菌种筛选方法

根据梯度稀释法[13]称取10g样品于90mL无菌水中，选取10-2、10-3、10-4和10-5稀释液分别涂布于分离培养基平板，每个处理3个重复。待长出菌落后挑取单菌落再次接种，重复几次直至无杂菌。将纯化出的菌株接种到盛有50mL发酵培养基的250mL锥形瓶中，在30℃、150r/min摇床上培养24～72h。将发酵产物进行提纯，得到沉淀物为絮凝剂。

1.3.2 絮凝活性评价

于100mL烧杯中加入0.4%的高岭土悬浊液，加入3mL1% CaCl2，再加入2mL絮凝剂，调节pH至7，在180r/min的转速下快搅1min，70r/min转速慢搅5min。静置3min，与不加絮凝剂的样品做对照，在721型分光光度计550nm处测定上层清液吸光度，用絮凝率Y表示絮凝活性[14]，计算公式如下：

A、B分别为对照样和样品上清液的吸光度。

1.4 生长曲线测定

将菌株接种到盛有50mL优化后发酵液体培养基的250mL锥形瓶，30℃、150r/min震荡培养，每2h取样一次，用分光光度计测定660nm处的OD值。

1.5 微生物絮凝剂的粗提纯流程

将XN-2发酵培养后，置于温度4℃、转速12,000r/min的离心机内离心20min，再将上清液通过旋转蒸发仪浓缩至原体积的1/3。将收集到的上清液中加入3倍体积4℃预冷的无水乙醇，将上述醇提液体用4℃、转速8000r/min、离心机离心20min，用无水乙醇洗涤沉淀，并将沉淀收集备用。将反复醇提所得沉淀溶于少量蒸馏水中，经冷冻干燥后获得絮凝剂的粗品，称重并低温封闭保藏 。

1.6 处理棉浆废水及絮凝条件优化研究

1.6.1 样品水质（见下表）

棉浆废水水质表

1.6.2 水质测定方法

（1）COD的测定

在100mL烧杯中加入70mL棉浆废水，加入3mL1% CaCl2，调节pH值，投加适量微生物絮凝剂，在六联搅拌仪上进行絮凝试验。180r/min的转速下快搅1min，70r/min转速慢搅5min。静置3min，与不加空白样品做对照，分别测定废水COD去除率。

（2）絮凝率的测定

在100mL烧杯中加入70ml棉浆废水，加入3mL1% CaCl2，调节pH值，投加适量微生物絮凝剂，在六联搅拌仪上进行絮凝试验。在180r/min的转速下快搅1min，70r/min转速慢搅5min。静置3min，与不加空白样品做对照，分别测定絮凝前后的絮凝率。

1.6.3 絮凝条件优化

用单因素分析法分别将水样pH值、金属离子助凝剂、水温、微生物絮凝剂投加量分别调节至不同水平，用上述絮凝活性测定方法测定絮凝率、COD去除率，同时以不同投加量的PAC做比对。

2 结果与分析

2.1 菌株筛选及鉴定

本研究从盐湖土壤中分离到26株细菌，经过筛选共得到2株絮凝率在80%以上的菌株，再经反复筛选得到1株菌株（XN-2）对高岭土絮凝率在89%以上，选定该菌株为研究对象。通过使用高岭土的絮凝测定XN-2絮凝菌株发酵产物及纯化产物絮凝效率，结果表明：其在4%的高岭土悬浮液中，XN-2发酵产物添加量为1mL，其絮凝率可达到85%～90%。

2.2 生长曲线测定结果（见图1）

图1 XN-2絮凝菌株生长曲线

图1表述了絮凝剂生产和菌株XN-2生长之间的关系。0～4h为适应期，菌体自身生长缓慢、代谢慢，菌

体分泌胞外物质能力低，相应的絮凝率低；4h后进入对数生长期，在对数生长期间，菌体自身代谢活力旺盛，絮凝活性也大幅度增加，XN-2产生絮凝剂的速度和其细胞的生长速度平行，随着菌体量快速增长，其产生絮凝剂速度快速增加；12h后细胞生长达到稳定期，絮凝剂的产生速率也逐渐平稳；菌株生长量在20h时达到最大值，胞外分泌物量开始累积，故絮凝剂产生量仍缓慢提高；25h后进入衰亡期，细胞的生长速度开始下降，此时微生物絮凝剂的絮凝活性开始降低，28h时絮凝剂的絮凝活性下降幅度变大，由此推断菌体进入衰亡期后外界营养物质降低，菌体细胞会将累积的胞外分泌物进行代谢降解，故絮凝活性降低，30h时絮凝率仅有65.7%。为了获得高絮凝活性的微生物絮凝剂，此后的研究取28h作为培养时间。

2.3 废水处理条件优化结果

2.3.1 pH值对棉浆废水絮凝效果的影响（见图2）

图2 pH值对絮凝效果的影响

由图2可见，当水样pH环境为酸性时，絮凝率最高为13%，COD去除率最高仅为8%，随着絮凝体系pH值升高絮凝率随之升高，COD去除率也在升高。当pH大于7后絮凝率及COD去除率的增加幅度开始减缓、趋于稳定，pH为11时，絮凝率为53%，COD去除率为42%，此时通过提高pH的方式改变悬浮颗粒表面的电荷性质、数量、带电状态以及中和电荷能力对絮凝效果的影响并不会大，而且会增加水处理成本。由上述试验结果可以推测该絮凝剂在碱性条件下对棉浆废水的絮凝效果较好，且原水pH为9，则可以不用调节pH直接进行絮凝处理。

2.3.2 不同阳离子助凝剂对絮凝效果的影响（见图3）

由图3可见，Na+离子溶液对絮凝作用的贡献相较其他阳离子贡献最小，其他阳离子都有明显的助凝效果，二价及三价离子的絮凝效果比一价离子的效果好。随着投加量的变化，各阳离子助凝效果都会发生变化。而Na+离子溶液随着投加浓度的增大，絮凝率反而有轻微的下降；二价阳离子Ca2+离子溶液的助凝效果随着投加量的增加而增加至7ml时絮凝效果开始迅速降低，Fe3+、Al3+等高电荷离子溶液的助凝效果随着投加量的增加先大幅度升高，然后趋于平稳继续缓慢地增加。由于Al3+有二次污染问题，而Fe3+离子溶液本身颜色对水质色度有贡献，且会形成有色沉淀很难除去，故两种离子助凝剂均不考虑，因此Ca2+离子溶液作为该微生物絮凝剂的助凝剂，最佳的投加量为3.5mL。

图3 不同阳离子助凝剂对絮凝效果的影响

2.3.3 不同温度对絮凝效果的影响（见图4）

图4 废水温度对絮凝效果的影响

由图4可见，在废水温度从-10℃变化到40℃的过程中，絮凝剂的絮凝率从43.2%升高至63.2%，其中废水温度从-10℃变化到20℃时，絮凝率从43.2%升至53.3%，说明絮凝剂在零下的水温中的絮凝效果没有在室温条件下的絮凝率高，同时废水温度由室温20℃再增加时，絮凝率的增幅虽有增加但没有之前大；而废水温度从-10℃变化到40℃的过程中，絮凝剂的COD去除率从31.5%升高至48.6%，其中废水温度从-10℃变化到20℃时，COD去除率从31.5%升至49.3%，废水温度由室温20℃升高至40℃时，絮凝剂的COD去除率从49.3%下降至48.6%，由此可得知，废水温度在室温条件下COD的去除率最高，随着室温的再升高，COD的去除率下降。

2.3.4 不同絮凝剂不同投加量对絮凝效果的影响（见图5）

图5 絮凝剂投加量对絮凝效果的影响

由图5可见，原水的絮凝率随着1#絮凝剂投加量的增加先升高后降低，在1#絮凝剂投加量为4mL时，絮凝率最高为59.8%，当投加量超过4mL时，絮凝率则开始下降，说明投加量存在一个最佳范围，较高的浓度会出现再稳现象。而原水的COD去除率随着1#絮凝剂投加量的增加，从41%增至44%，增幅不高，在投加量增加至4mL时COD去除率就升高至43.3%，所以4mL为1#絮凝剂的最佳投加量。同比之下，2#絮凝剂对原水的絮凝率和COD去除率相较1#絮凝剂要高。随着2#絮凝剂的投加量增加原水絮凝率和COD去除率先升高，升高至一定水平后趋于稳定，略微有下降的趋势，也存在再稳现象。由此在棉浆废水的处理中，微生物絮凝剂的最佳投加量为4mL，PAC的最佳投加量为8mL。

3 讨论

絮凝体系的pH值影响悬浮颗粒的电荷密度、带电数量，通过试验发现pH越高絮凝效果越好，为节省成本起见棉浆废水处理中pH为9时絮凝效果较好。同时絮凝体系的温度也是影响絮凝作用的因素之一，随着温度的升高，棉浆废水COD的去除率也在提升，且絮凝率的提升幅度较之更大，但总的来说温度对絮凝效果的影响在讨论的四个因素中最小，所以为节省处理成本温度可不做调节，同时这也说明微生物絮凝剂的稳定性非常好，为促进XN-2絮凝剂的广泛应用而打下基础。助凝剂的种类及个别助凝剂的投加量对棉浆废水的絮凝效果影响较大，就实验来看多电荷阳离子助凝剂的助凝效果最好，如Al3+、Fe3+、Ca2+等溶液，因Al3+、Fe3+存在二次污染不予考虑，Ca2+溶液随着投加量增加助凝效果有所下降，综合废水处理效果，Ca2+溶液投加量为3.5mL时处理效果最好。对于絮凝剂投加量和废水处理效果的试验，PAC对棉浆废水的絮凝效果和COD去除率都好于微生物絮凝剂，但是就用量来说微生物絮凝剂的投加量比PAC少一半，明显优于PAC。

4 结论

（1）从新疆达坂城盐湖采集的5个不同的土壤样品中筛选分离得到1株菌XN-2，经测定其在高岭土悬浊液中絮凝率达到90%。

（2）将XN-2发酵培养后，提纯其产物对棉浆废水进行文中所述絮凝试验，调节影响条件确定最佳絮凝条件为：絮凝剂4mL，测得对棉浆废水的絮凝率为65%，COD去除率为54%。

（3）针对文中所述棉浆废水的应用实验中，与微生物絮凝剂做效果比对，两者分别在pH9.0、废水温度20℃、2%CaCl23.5mL的条件下对棉浆废水进行絮凝处理，PAC的絮凝率最高为80.2%，COD去除率最高为70.8%，此时PAC投加量为8mL；XN-2絮凝剂的絮凝率最高为59.8%，COD去除率最高为43.3%，此时XN-2絮凝剂投加量为4mL。综合处理效果、水质环保等各方面来看，微生物絮凝剂都有很大的优势及广阔的应用前景。

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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

土壤学自治区重点学科资助，新疆草地资源与生态实验室资助。