微生物絮凝剂用于染料废水脱色及其动力学研究

Posted 2023-01-12 微生物

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从活性污泥中筛选出的一株微生物絮凝剂产生菌，在优化培养条件下所产微生物絮凝剂命名为M-127。将M-127用于染料废水脱色。实验结果表明，废水脱色的最佳条件是：100mL染料废水中加入0.2mLM-127和2.0mLCaCl2、体系pH值6.0，200r/min搅拌1min，60r/min搅拌3min，静置15min。M-127对染料废水的脱色率达到93.88%。同时，还研究了M-127在最佳条件下的脱色动力学，并得到了脱色动力学经验方程。
染料废水由于色度高、染色能力强，直接排放会对天然水体产生污染。微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝能力的高分子有机物，主要由蛋白质、黏多糖、纤维素和核糖等组成。微生物絮凝剂是由微生物产生的可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体颗粒等凝聚沉降的特殊高分子物质，具有高效、无毒、可生物降解等特点。作者利用微生物絮凝剂处理染料废水，分析影响微生物絮凝剂絮凝能力的因素，优化处理条件。同时，研究了M-127在最佳条件下的脱色动力学。
1 实验部分
1.1 菌种及污泥来源
微生物絮凝剂产生菌从郑州市五龙口污水处理厂活性污泥中分离获得；染料废水取自郑州市某化工厂。
1.2 M-127的制备
将微生物絮凝剂产生菌接入种子培养基中，30℃、150r/min摇床培养24h；按体积比10∶1的接种量转接入发酵培养基中，30℃、150r/min摇床培养48h。粘稠的发酵液于6000r/min离心30min，去菌体的上清液即为液态M-127。
2 结果与讨论
2.1 脱色率的测定
2.1.1 染料废水特征吸收峰的测定
取100mL染料废水，用定性滤纸过滤，滤液在波长800～190nm范围扫描特征吸收峰见图1。由图1可知，该废水的特征吸收峰出现在196nm处，吸光度值为0.737。

2.1.2 废水脱色率的测定
在150mL烧杯中加入100mL染料废水和一定体积的液态M-127，以200r/min搅拌1min，再以60r/min搅拌3min，静置15min，用吸管吸取上清液于722型分光光度计196nm处测定吸光度，以不加M-127的空白样品为对照。脱色率(DR)用式
(1)表示。

式中，A—对照体系的上层清液在196nm处的吸光度值；B—絮凝体系的上清液在196nm处的吸光度值。
2.2 M-127投加量对脱色效果的影响
在100mL染料废水中分别添加0.1、0.15、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0mL的液态M-127，通过对脱色率的测定，确定最佳的絮凝剂投加量。结果见图2。

当M-127投加量为0.2mL时，脱色效果最好，脱色率达到85.16%。微生物絮凝剂投加量较少时，无法形成有效的架桥作用，从而达不到较佳的絮凝沉淀效果；而絮凝剂投加量过多时，则会使悬浮物达到一种新的互相排斥的电荷平衡而无法沉淀。
2.3 CaCl2的投加量对脱色效果的影响
在100mL染料废水中加入0.2mLM-127，以10g/L的CaCl2为助凝剂，改变添加量为0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL，测定不同添加量时的脱色率，确定最佳的助凝剂投加量，见图3。

由图3可知，脱色体系中CaCl2加入量为0～2.0mL时，脱色率随着CaCl2的增加而增加；当CaCl2大于2.0mL时，脱色率则随着CaCl2的增加而降低，故其最佳投量为2.0mL。可见CaCl2用量低时加强了微生物絮凝剂中的高聚物与悬浮颗粒之间的相互作用，对架桥、网捕作用的形成起到了正效应，能有效提高微生物絮凝剂的脱色效果，当CaCl2用量较高时，过高的离子浓度使整个絮凝体系失稳，从而降低了脱色效果[7，8]。
2.4 体系pH值对脱色效果的影响
分别调节染料废水的pH值为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，在100mL废水中加入0.2mLM-127及2.0mLCaCl2，测定体系在不同pH值时的脱色率，确定最佳的实验pH值，结果见图4。

体系pH=5～10时，脱色率都可以达到85%以上，其中pH=6.0时，脱色率达到最大值94.12%。偏酸性条件下的絮凝效果好于偏碱性条件，这是因为溶液pH值的变化改变了生物絮凝剂的带电状态和中和电荷的能力。对此的解释是，该微生物絮凝剂为带电荷的生物大分子物质，但决定其脱色能力的主要是其分子量的大小，即吸附架桥作用。当微生物絮凝剂和带电荷的悬浮颗粒作用时，虽然同时存在吸附架桥和电中和作用，但吸附力占主导地位，悬浮颗粒在微生物絮凝剂长链作用下发生桥联，生成絮团。
2.5 搅拌时间对脱色效果的影响
调节染料废水的pH=6.0，在100mL废水中加入0.2mLM-127溶液及2.0mLCaCl2溶液，以200r/min搅拌1min，再分别以60r/min搅拌0、1、2、3、4、5、6min，静置15min后，测定脱色率，见图5。

由图5可知，随着慢速搅拌时间的延长，脱色率逐渐上升，慢速搅拌3～6min，脱色效果都比较好，并且趋于稳定。因此，搅拌时间选择为：快速搅拌1min，慢速搅拌3min，在此条件下，脱色率可达93.88%。若只快速搅拌，不经过慢速搅拌，形成的絮体细小，且不易沉降；如果快搅后接着慢搅，会形成较大的颗粒絮体，沉降速度也会加快。这说明慢速搅拌对小絮体互相缔合而成大絮体是必须的，絮凝体的形成需要一个过程，即先形成小絮体，再由小絮体互相缔合成大絮体。
2.6 脱色动力学
在100mL染料废水中，分别加入0.2mLM-127和2.0mLCaCl2溶液，以200r/min搅拌1min，再以60r/min搅拌3min，在不同静置时间下，取样在196nm处测定吸光度值，结果见图6。

由图6可知，在最初10min内出水OD值(At)随静置时间的增加变化较快，静置15min后OD值趋于稳定。由于OD值随时间的变化曲线类似于双曲线，因此可以用式
(2)对实验数据进行拟合。

式中：t—静置时间，min；A0—原水的浊度值，NTU；At—静置t时间后的浊度值，NTU；a、b—拟合参数。

式
(4)表明，用双曲线拟合染料废水脱色实验中OD值随时间的变化数据是可靠的。将a、b值(分别为1.3532和0.8501)代入式
(2)即可以得到最佳条件下的脱色动力学方程。

由式
(5)可知，脱色体系的OD值达到稳定时所需时间为15min，与图6的结论一致。
3 结论
(1)微生物絮凝剂M-127对染料废水有良好的处理效果，最优脱色条件为：100mL废水中加入0.2mLM-127和2.0mLCaCl2、体系pH=6.0，200r/min搅拌1min，60r/min搅拌3min，静置15min。在此条件下，M-127对染料废水的脱色率达到93.88%。
(2)M-127在最优絮凝条件下对染料废水的脱色的动力学方程为：At=A0[1-t/(0.8501t+1.3532)]，脱色体系的OD值达到稳定时所需时间为15min。