复合型生物絮凝剂对水源水浊度和色度的去除效能

李立欣， 邢 洁， 马 放， 战 友， 朱亚威

(1.黑龙江科技大学 环境与化工学院， 哈尔滨 150022；



复合型生物絮凝剂对水源水浊度和色度的去除效能

李立欣1,2， 邢 洁3， 马 放2， 战 友1， 朱亚威1

(1.黑龙江科技大学 环境与化工学院， 哈尔滨 150022；

2.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；

3.黑龙江省环境科学研究院， 哈尔滨 150056)

为探讨影响复合型生物絮凝剂CBF处理水源水效能的因素，通过烧杯实验，考察了CBF投加量、助凝剂CaCl2投加量、pH和温度对水源水浊度、色度的去除效率。结果表明：CBF适合处理pH为中性及弱碱性的水源水，温度对去除效果影响不大，适当投入助凝剂有助于提高絮凝效率。在最佳条件下，CBF对水源水浊度及色度的去除率分别达到93.05%和78.57%。综合去除效果及成本因素，CBF投加量为8.0 mg/L、助凝剂CaCl2为1.0 mL/L、pH为7.0～8.0、温度为4～20 ℃时，浊度及色度去除效果最佳。

复合型生物絮凝剂； 水源水； 效能； 浊度； 色度

0 引 言

絮凝技术被广泛应用于水处理、生物下游工业及食品和发酵等领域。高效无毒絮凝剂的开发及应用是目前环境科学与工程领域的研究重点。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广泛关注[1-2]。生物絮凝剂有效成分为多糖、糖蛋白和蛋白质，并含有少量DNA 和纤维素等活性物质。其特点为絮凝效率高，对人和环境无毒无害，还可以生物降解[3]。复合型生物絮凝剂CBF是两株从土壤中筛选分离的高效絮凝剂产生菌F2和F6，经两段式混合发酵制成的高效生物絮凝剂，率先由哈尔滨工业大学马放报道[4]。笔者基于地表水源水的实际处理要求，通过烧杯实验探讨各因素对CBF处理水源水效能影响，以期对实际应用提供技术支持。

1 实 验

1.1 材料

(1)实验用水。实验用水取自松花江哈尔滨段，原水水质参数：t14.4～19.4 ℃、浊度φ 35.0～55.2 NTU、pH 6.8～7.3、色度140～180。

(2)复合型微生物絮凝剂。CBF由课题组筛选得到的两株高效产絮菌F2和F6混合发酵产生。其发酵条件：发酵温度30 ℃，摇床转数140 r/min，混合发酵时间24 h。发酵培养基成分：磷酸二氢钾2 g/L，氯化钠0.1 g/L，磷酸氢二钾 5g/L，七水硫酸镁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]。使用前按所需发酵液量10%制备的种子培养液作为扩大培养的菌液，发酵产物灭菌制备成无菌CBF发酵液。CBF有效成分即干粉为白色棉絮状固体，产量约为2.0 g/L；主要活性成分产自细菌F2和F6的胞外初级代谢产物，主要组成为多聚糖[7]。以下实验涉及到CBF投加质量时，用有效成分质量mg表示。

(3)其他材料。助凝剂氯化钙wCaCl2=10%，氢氧化钠2 mol/L，HCl 2 mol/L，聚合氯化铝PACwAl2O3= 30%。

1.2 仪器

实验主要仪器为ZR4-6型混凝实验搅拌仪,SGZ-2P微机浊度仪,DELTA320A pH计,ALC-210.4电子天平,HI 93727色度仪。

1.3 方法

通过烧杯实验测定絮凝剂的絮凝效果。将原水转移至1 000 mL的烧杯中，先投加CBF，再投加助凝剂CaCl2，调节pH。其水力条件为：200 r/min快速搅拌30 s，60 r/min慢速搅拌2 min，最后静置20 min，并抽取上清液测定浊度以及相关指标[8]。

2 结果与讨论

2.1 CBF投加量的影响

向1 L原水中加入1.0 mL CaCl2，并设置CBF投加量0～36 mg/L实验处理组和PAC对照组，调节pH至7.5，按照烧杯实验方法分别测定浊度、色度。CBF投加量对浊度和色度去除效能的影响见图1和2。

图1 投加量对浊度去除效能的影响

图2 投加量对色度去除效能的影响

如图1所示，原水浊度随PAC投加量a的增加而下降，在4～28 mg/L时剩余浊度φ均高于相同投加量CBF处理组对应浊度。CBF投加0～36 mg/L时，浊度去除率随着药量的增加而增加，但投加量在8 mg/L以上时，浊度去除率增加趋势不明显，当投加量达到28 mg/L时，浊度去除率达到最大值93.30%，此时，浊度为3.00 NTU。继续加大投加量导致去除率开始缓慢下降，在投加量达到36 mg/L时，浊度去除率为87.93%。李淑更[9]认为这一结果与无机或有机絮凝剂的絮凝结果相类似，说明微生物絮凝剂的絮凝机理在一定程度上与其他絮凝剂存在关联性。

如图2所示，原水色度随PAC投加量的增加而下降，在4～20 mg/L投加量内，均高于CBF处理组对应色度，当大于20 mg/L时，PAC处理组的剩余色度小于CBF处理组的色度，说明传统絮凝剂在高投加量下对色度的去除效果好于CBF。从CBF处理组来看，色度去除率随CBF投加量的增加先增加而后降低，当CBF投加8、12 mg/L时，色度去除率同时达到最大，为73.33%，此时色度为40，继续投加色度去除率迅速降低，可能是由于CBF发酵液本身为淡黄色，过多投加引入外源色度，色度去除率随之下降。

从以上结果分析，在4～20 mg/L投加范围内，CBF处理组在浊度及色度的去除能力方面均好于PAC处理组，进一步证明了CBF絮凝剂在水源水处理方面的高效性，这一结果与孟路等的结果相一致[8]。从CBF处理组可以看出，去除率随着CBF投加量的逐渐增大呈先增大后减小的现象。这是由于当生物絮凝剂的投加量较低时，会过早的造成吸附饱和，降低其对污染物的去除率；而过量的生物絮凝剂会破坏整个体系的带电性，极易造成返混现象，去除效果变差；当投入适当的絮凝剂时，才能充分发挥其絮凝作用机制，达到良好的去除效果[10]。综合考虑去除效果及处理成本等因素，确定最佳CBF投加量为8 mg/L。

2.2 CaCl2投加量的影响

向1 L原水中投加CBF 8 mg，并设置CaCl2投加量b为0、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mL/L实验组，调节pH至7.5，烧杯实验方法进行实验，测定浊度、色度。CaCl2投加量对浊度和色度去除效能的影响见图3和4。

图3 CaCl2投加量对浊度去除效能的影响

Fig. 3 Effect of CaCl2dosage on turbidity removal efficiency

图4 CaCl2投加量对色度去除效能的影响

如图3所示，CaCl2投加量b为0时，絮凝效果较差，浊度几乎没有变化，表明没有助凝剂辅助，CBF去除颗粒物质能力较差；投加量为0.5 mL/L时，絮凝效果开始好转；随着投加量的增加，去除率也随之提高，在投加量为1.5 mL/L时，浊度去除率最高为92.63%；而后随投加量增大，浊度去除率开始降低，投加量2.0 mL/L时，浊度去除率下降较快，这是由于微生物絮凝剂去除污染物主要是利用大分子间的吸附架桥作用，但投入过多的助凝剂，引入的正电荷过多，与带负电的微生物絮凝剂的吸附位点结合，阻碍了微生物絮凝剂与胶体颗粒的结合[11]。

如图4所示，色度与浊度变化趋势基本相同，随助凝剂投加量的增大，色度去除率开始上升。投加量1.0 mL/L时色度去除率为73.33%，1.5 mL/L时色度最大去除率为76.67%。综合分析可知：只有在投加一定量的Ca2+情况下，絮凝剂才能表现出较好的絮凝效果。可以说，该絮凝剂受金属离子浓度的影响较大，金属离子对于絮凝剂来说是不可缺少的助凝性物质[9]。综合考虑去除效果及成本等因素，确定CaCl2实际最佳投加量为1.0 mL/L。

2.3 pH的影响

向1 L原水中加入CBF 8.0 mg，1.0 mL CaCl2，调节pH至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，按烧杯实验方法测定浊度、色度。pH对浊度和色度去除效能的影响见图5和6。

图5 pH对浊度去除效能的影响

图6 pH对色度去除效能的影响

如图5所示，在pH为6.0时，浊度去除率比较低，为14.74%，随着pH的增大去除率也逐渐增大，pH为7.0时，浊度去除率为92.00%，此时变化趋势趋于稳定，pH为7.5时浊度去除率最大，去除率为93.05%，此时浊度为3.3 NTU。pH继续增大，去除率略有下降，但仍为92.00%左右，说明微生物絮凝剂CBF在中性或弱碱性条件下对浊度的去除率最为有效。这是由于pH的变化会改变CBF和水中颗粒物质表面电荷的数量和性质，过高或过低的pH会削弱其中和作用，进而阻碍物质间的凝聚反应[11]。

色度去除率随着pH的升高先快速上升，在pH 7.5时达到最大，最大值为78.57%，此时色度为30，随后色度去除率下降，见图6。综合浊度、色度去除率分析得出， CBF最佳去除效能的pH范围为7～8。

2.4 温度的影响

向1 L原水投加CBF 8 mg和CaCl21.0 mL，调节pH为7.5，设置原水温度为4、10、20、30 ℃实验处理组，按照烧杯实验方法测定浊度、色度。原水温度对浊度和色度去除效能的影响见图7和8。

图7 温度对浊度去除效能的影响

如图7所示，温度为4、10和20 ℃时浊度去除率变化不大，均在90.00%以上；在20 ℃时，浊度去除率最大，为91.99%；温度继续升高至30 ℃，去除率降低为75.54%。证明CBF在低温时对江水浊度有很高的去除率，而在较高温度时，可能由于高温使水的热运动及胶体粒子间的无规则运动加快，以及形成不规则水流剪切力等原因造成部分絮体运动加快，很难形成大块絮体，较难沉降。

图8 温度对色度去除效能的影响

从图8可以看出，色度去除率变化趋势与浊度去除率基本相同，在20 ℃时色度去除率达到最大，为75.00%，色度为45，4～20 ℃时去除率都保持在70.00%以上。结果表明，微生物絮凝剂CBF的去除效能基本不受温度的影响，这一特点有助于其在低温实际废水处理工程中的应用。

3 结束语

为寻找CBF处理水源水的最佳絮凝条件，通过实验室烧杯实验发现，CBF适合处理pH为中性及弱碱性地表水，适当投入助凝剂能够提高絮凝效果，温度对CBF的去除效果影响不大。综合去除效果及成本因素，CBF对水源水中浊度和色度的最佳去除条件为：CBF投加量 8 mg/L，助凝剂CaCl21.0 mL/L，pH 7～8，温度 4～20 ℃。

致谢：

该研究获得黑龙江科技大学青年才俊培养计划项目(Q20120201)的支持。

[1] 田连生, 陈秀清. 生物絮凝剂产生菌的人工选育及污水处理试验[J]. 工业水处理, 2016, 36(3): 47-50.

[2] 王金娜. 产絮菌Agrobacterium tumefaciens F2利用混合碳源半连续发酵制备生物絮凝剂[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2014： 2-5.[3] 李立欣, 马 放, 刘彦军. 复合型生物絮凝剂处理低温低浊水[J]. 黑龙江科技学院学报, 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] 马 放, 冯 旻, 李淑更, 等. 复合型微生物絮凝剂的絮凝作用[J]. 黑龙江科技学院学报, 2004, 14(3): 140-144.

[6] 王金娜, 杨基先, 王继华, 等. 混合碳源制备生物絮凝剂的絮凝效能及产量预测模型[J]. 环境科学学报, 2014, 34(7): 1654-1660.

[7] 金 超. 大庆市中饮水厂复合生物絮凝剂中试研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009: 6-54.

[8] 孟 路, 杨基先, 马 放, 等. 复合型生物絮凝剂去除低浊水源水中铝的研究[J]. 南京理工大学学报:自然科学版, 2009, 33(4): 543-547.

[9] 李淑更. 复合型微生物絮凝剂的开发及絮凝效果研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2003: 33-47.

[10] 吴 丹. 高效生物絮凝剂产生菌的特性及发酵过程的优化[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012: 1-2.

[11] 邢 杰. 蛋白型微生物絮凝剂对卡马西平的去除效能和机制解析[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学, 2014: 19-90.

[12] 李思敏， 王 俊， 宋晓娟. 不同混凝剂除磷效果的研究[J]. 河北工程大学学报： 自然科学版, 2010, 27(1)： 51-54.

(编校 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

国家自然科学基金项目(51408200;51478140;51678222)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2015RQQXJ015)；城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主课题(2015DX06)；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，副教授，博士，研究方向：微生物水处理技术、矿山环境治理，E-mail：lilixin1980@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.011

TU991.2

2095-7262(2016)05-0524-04

A