菲律宾蛤仔黏附污泥用于废水处理的生物絮凝剂特性研究

崔 霞，蒋锦绣，周海军，穆 军

（1.浙江海洋大学海洋科学与技术学院，浙江舟山 316022；2.大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连 116028）

目前，絮凝剂被广泛应用于给水和废水处理中，按其分子组成，可分为无机絮凝剂、合成有机高分子絮凝剂和天然高分子絮凝剂[1-2]。其中，无机絮凝剂主要有铁盐和铝盐两大体系；合成有机高分子絮凝剂，主要为聚丙烯酰胺及其衍生物[1-2]。虽然无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂因其高效的絮凝活性和较低的生产成本而得到广泛应用，但同时也对环境产生了二次污染，影响人类的健康问题，例如，丙烯酰胺单体就是一种强烈的致癌物，且在环境中是不能被生物降解[3-4]。与传统的合成絮凝剂相比，微生物絮凝剂以其无毒性和环境友好型的特点已越来越被重视，并且已经广泛用于各种行业，包括废水和饮用水处理，染料脱色，食品，乳化和采矿等[5-8]。但是，目前的微生物絮凝剂研究仍存在一些问题，如生产成本高，复杂的发酵与回收过程等[9]，因此寻找新的生物絮凝剂产生途径有重大的意义。

菲律宾蛤仔Ruditapes philippinarum黏附污泥已被报道是一种非常有前景的天然生物絮凝剂资源，具备絮凝、脱色、重金属去除等典型微生物絮凝剂活性，且能自然沉淀、适合淡水和海水处理[10-13]。菲律宾蛤仔黏附污泥是指将新鲜的菲律宾蛤仔暂养在干净的海水中进行吐泥后收集的沉积污泥，其对去离子水系统和海水系统的高岭土悬浊液的絮凝活性分别为86.7%和91.8%，对海洋微藻的絮凝率为74.1%[10]。同时，菲律宾蛤仔黏附污泥也显示了良好的脱色效果，其中，对亚甲基蓝、结晶紫、孔雀绿和甲基蓝等进行脱色，在最佳条件下的脱色效率均高于90%[12]。然而，菲律宾蛤仔黏附污泥目前还停留在实验室阶段的絮凝脱色活性研究，针对实际废水处理方面的一些性能还尚未进行探讨。

本文旨在探讨菲律宾蛤仔黏附污泥生物絮凝剂在水处理过程中所表现出的特性，包括对去除废水中的悬浮物，膨胀活性污泥的沉降性能改善，光合细菌挂膜和重金属去除等特性，这是首次关于菲律宾蛤仔黏附污泥生物絮凝剂在废水处理中的应用研究，同时，研究结果也为菲律宾蛤仔黏附污泥作为微生物絮凝剂的开发奠定了理论基础。

1 材料与方法

1.1 天然菲律宾蛤仔黏附污泥来源

本研究采用菲律宾蛤仔黏附污泥作为絮凝剂。新鲜的菲律宾蛤仔采集于浙江省舟山市普陀区朱家尖海水养殖场内，将蛤仔外壳表面的污泥用干净的海水清洗后立即带回实验室。取1 kg左右的菲律宾蛤仔置于装有2 L清洁海水的水箱中，在室温（约25℃）条件下吐泥24 h后，弃掉上层海水，收集容器底部的沉淀物得菲律宾蛤仔黏附污泥样品。

1.2 试验方法

1.2.1 活性污泥沉降性能的比较

（1）活性污泥驯化：取舟山市某污水处理厂的活性污泥放入SBR反应器内，按日处理量2.1 g BOD5/d进行驯化。驯化水按COD:N:P=100:5:1配制，COD为1 800 mg/L。SBR反应器运行23 h，静置、出水、进水共1 h。驯化5 d后，测其SVI值。

（2）膨胀活性污泥驯化：在驯化成熟的SBR反应器中逐渐加大有机负荷，使污泥出现膨胀。当进水COD增加到6 800 mg/L时，污泥出现膨胀，自然沉降不再下沉。

（3）在100mL膨胀的活性污泥中加入菲律宾蛤仔黏附污泥2 g，搅拌均匀，适量曝气，分别测其前后的上清液的SS值与SVI值，对比其絮凝特性指标的变化。其中，水质中悬浮物SS值的测定方法为，将单位体积的水样通过孔径为0.45 μm的滤膜过滤，截留在滤膜上固体物质于103～105℃烘干至恒重，所得恒重固体质量与过滤水样的体积比即为SS值。污泥体积指数（SVI）为曝气池混合液经30min静沉后,相应的1 g干污泥所占的容积（以mL计），计算公式为

1.2.2 光合细菌挂膜效果的比较

光合细菌菌种采自水库深水中。光合细菌反应器中温度为27～30℃，白天采用自然光，夜间采用白炽灯光照，且通过小型气泵进行光照曝气，取复合式填料进行挂膜，当出水COD值在一定周期内基本稳定时，表明挂膜成熟。在自然挂膜成熟后，用MPN计数法[14]对填料上的菌株进行计数。稳定2 d后，按1 g/L的量在光合细菌反应器中加入菲律宾蛤仔黏附污泥，并进行微曝气30min，挂膜4 h后，用上述同样的方法进行菌株计数。

1.2.3 重金属去除效果的比较

配制原液氯化铜溶液、氯化锌溶液和氯化镉溶液作为储备液，浓度均为300 mg/L；将铜、锌、镉的储备液分别稀释为高、中、低不同浓度梯度的使用液；每个浓度的溶液中取两份等体积的液体，其中一份用于菲律宾蛤仔黏附污泥试样处理，另一份作为对照组；取1 g的黏附污泥分别加到铜、锌、镉重金属的不同浓度的使用溶液中，在转速为100 r/min的摇床下放置30min，然后静置30min；在9 000 g的转速下离心10min。取处理前、后的液体液面下2 cm处液体，用原子吸收分光光度计测其吸光度，工作条件为单束光，乙炔和空气焰，铜、锌、镉空心阴极灯[15]。每种重金属测吸光度前均先测其标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 菲律宾蛤仔黏附污泥生物絮凝剂对污泥沉降性能的影响

由表1可见，用菲律宾蛤仔黏附污泥试样处理后的膨胀活性污泥上清液SS明显低于处理前，去除率为49.3%，说明该絮凝剂可以有效去除废水中悬浮颗粒物。通常，城市污水的污泥指数SVI值大部分控制在50～100，SVI指数过低，泥粒细小紧密，无机物过多，污泥缺乏活性和吸附能力；SVI指数过高，污泥膨胀或将要膨胀，不易沉淀，处理效果降低。由表1中的SVI值测定结果表明，该絮凝剂可消除活性污泥膨胀的趋势，使得膨胀污泥沉降性能得到了提高。由此可以说明菲律宾蛤仔黏附污泥可以作为絮凝剂去除废水中SS，并能改善膨胀的活性污泥的沉降性能。

MU，et al[10]在研究菲律宾蛤仔黏附污泥作为生物絮凝剂处理淡水系统中的高岭土悬浮物过程中发现，当黏附污泥的投加量为8.0 g/L时，其絮凝率可达86.7%，证明了菲律宾蛤仔黏附污泥与大多数由絮凝剂产生菌所产生的生物絮凝剂相似，都表现出了高效的絮凝活性。同时，在絮凝海洋微藻方面，菲律宾蛤仔黏附污泥以6 g/L的投加量表现出了74.1%的絮凝率，再次说明菲律宾蛤仔黏附污泥所具有的絮凝特性。因此，菲律宾蛤仔黏附污泥在处理膨胀活性污泥时，其自身所具有的良好絮凝作用使膨胀的活性污泥得以沉降，同时也可以有效的去除上清液中的悬浮颗粒物。

表1 处理前后污泥沉降性能变化Tab.1 Variation of sludge settling characteristic before and after treatment

2.2 菲律宾蛤仔黏附污泥生物絮凝剂对光合细菌挂膜效果的影响

由表2可知，光合细菌自然挂膜情况下，梯度10-3有两管呈阳性，梯度10-4有一管呈阳性，其它梯度均呈现阴性；加入菲律宾蛤仔黏附污泥挂膜后，梯度10-3有两管呈阳性，梯度10-4有一管呈阳性，梯度10-5有一管呈阳性，其它梯度均呈现阴性。由MPN检索表[14]可知，加入黏附污泥前后，挂在填料上的光合细菌数由1 500个上升到2 000个，促进挂膜率为33.3%。由此表明该黏附污泥对光合细菌的挂膜起到一定的促进作用。

有研究表明菲律宾蛤仔黏附污泥的絮凝成分可能与其中的微生物有关，目前已经从菲律宾蛤仔黏附污泥中分离出了17株絮凝活性菌，其中，Rothia sp.ZHT4-13和Arthrobacter sp.ZHT3-9已被鉴定为新型的生物絮凝剂产生菌[12-13]，这意味着在黏附污泥的絮凝成分很可能来自于絮凝活性微生物所分泌的细胞外生物聚合物。MU,et al[10]在对菲律宾蛤仔黏附污泥中的有效絮凝活性成分进行研究的过程中发现，黏附污泥的提取物是由97.8%多糖和2.2%蛋白质组成；将提取物进一步纯化后可知其功能成分是两种杂多糖RPMP-1和RPMP-2；分析它们的单糖成分发现，除葡萄糖含量不同外，都具有相同单糖组成。以上研究结果证明了菲律宾蛤仔黏附污泥中的絮凝活性菌所分泌的胞外多糖在黏附污泥有效絮凝成分中起到了关键性作用，因此，在光合细菌挂膜实验过程中，通过菲律宾蛤仔黏附污泥的加入，由于其中的絮凝活性菌所分泌的胞外多糖的存在，促使了反应器内光合细菌与填料之间的黏附力，促进了光合细菌挂膜的作用。

表2 投加菲律宾蛤仔黏附污泥前后挂膜菌株生长情况Tab.2 The growth situation of biofilm building strains before and after the conglutination mud addition

2.3 菲律宾蛤仔黏附污泥生物絮凝剂对重金属去除效果的影响

从图1、2、3可以看出，该菲律宾蛤仔黏附污泥对不同浓度的重金属离子Cd2+、Zn2+、Cu2+都有不同程度的吸附去除效果；其中当 Cd2+、Zn2+、Cu2+的浓度分别为 5.09 mg/L、14.09 mg/L、255.81 mg/L时，该菲律宾蛤仔黏附污泥对它的吸附量最大，去除率可达72%、67%、92%。由此表明菲律宾蛤仔黏附污泥可用于重金属的吸附去除，其中对重金属离子Cu2+的吸附效果最好。

GAO,et al[13]在对菲律宾蛤仔黏附污泥中分离出的新型的生物絮凝剂生产细菌Rothia sp.ZHT4-13研究过程中发现，其产生的生物絮凝剂MBF4-13在对重金属离子Cr2O72-和Ni2+的去除有很好的效果，由于菲律宾蛤仔黏附污泥是一种含有大量絮凝活性菌的生物资源体，当以黏附污泥作为生物絮凝剂吸附去除重金属离子时，其中的部分功能性絮凝活性菌会对重金属离子产生一定的吸附去除能力，从而展现出了菲律宾蛤仔黏附污泥对重金属离子的吸附去除效果。

图1 黏附污泥对不同浓度的Cd2+离子的去除率Fig.1 The removal efficiency of different concentrations of Cd2+by RPM

图2 黏附污泥对不同浓度的Zn2+离子的去除率Fig.2 The removal efficiency of different concentrations of Zn2+by RPM

图3 黏附污泥对不同浓度的Cu2+离子的去除率Fig.3 The removal efficiency of different concentrations of Cu2+by RPM

3 结论

采用天然菲律宾蛤仔黏附污泥作为生物絮凝剂，对水处理中常见的悬浮物去除，膨胀活性污泥性能改善，光合细菌挂膜以及重金属去除等进行探究后，结果表明，菲律宾蛤仔黏附污泥可以去除废水中的悬浮物SS，去除率可以达到49.3%，同时，能有效改善膨胀的活性污泥的沉降性能，SVI值由处理前的108mL/g控制到了处理后的70mL/g；将菲律宾蛤仔黏附污泥加入到光合细菌反应器中后发现，该黏附污泥对光合细菌的挂膜可以起到一定的促进作用，促进率为33.3%。菲律宾蛤仔黏附污泥还可用于重金属离子Cd2+、Zn2+、Cu2+的吸附去除，当 Cd2+、Zn2+、Cu2+的浓度分别为 5.09 mg/L、14.09 mg/L、255.81 mg/L 时，黏附污泥对这些重金属离子的吸附量最大，去除率分别可以达到72%、67%、92%。该研究表明菲律宾蛤仔黏附污泥作为生物絮凝剂在废水处理中具有优良的生物絮凝剂特性，因此，在其应用方面具有非常大的开发和利用价值。