微生物絮凝劑在棉漿廢水處理中的應用

李雅梅，謝海燕，王純利

（新疆農業大學草業與環境資源學院，烏魯木齊 830052）

微生物絮凝劑在棉漿廢水處理中的應用

李雅梅，謝海燕，王純利

（新疆農業大學草業與環境資源學院，烏魯木齊 830052）

為了微生物絮凝劑在棉漿廢水中的絮凝率最大化，將絮凝菌株篩選并發酵后對絮凝體系中的各影響條件進行優化。結果表明，從新疆達坂城鹽湖采集的5個土壤樣品中篩選到一株高活性絮凝劑產生菌XN-2，經初步鑒定為類芽孢桿菌，通過測定其對高嶺土懸濁液的絮凝率為90%。最佳絮凝條件為：pH9.0（原水pH值）、廢水溫度20℃、在文章所述實驗條件下，絮凝劑投加量為4mL、2%CaCl23.5mL。

微生物絮凝劑；棉漿廢水；培養條件；廢水處理

引言

棉漿廢水又稱棉漿粕黑液廢水，是較為典型的紡織類廢水，成分復雜，屬于一種難處理的高濃度有機廢水[1-3]。因棉漿粕生產過程反應較多，造成了棉漿黑液如下特點：色度高、臭味重、堿度高、有機雜質多[4-5]。絮凝法是棉漿廢水處理過程中的常用方法，絮凝劑的性質直接影響了絮凝效果[6-7]。是微生物在生長發酵過程中產生的具有絮凝能力的高分子有機物，主要由粘多糖、蛋白質、纖維素等組成[8-10]。除具有高效的絮凝特性外， 無二次污染，可以應用于飲用水、食品等領域[11-12]。國內外學者篩選的幾十種產絮凝劑微生物中，最具有代表性的是Kurane利用紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）研制的微生物絮凝劑NOC-1，對粉煤灰水、紙漿廢水、泥漿水等均有很好的絮凝和脫色效果，也是目前唯一工業化應用的微生物絮凝劑[9-14]。

本研究從新疆達坂城鹽湖采集了5份土壤樣品進行篩選，將獲得的1株產高活性絮凝劑的芽孢桿菌XN-2，通過單因素分析法將絮凝影響條件進行優化，以期提高微生物絮凝劑的絮凝率，同時與PAC的絮凝效果做比對，為微生物絮凝劑工業化的生產奠定了基礎。研究篩選一株絮凝活性較高的菌株，并優化了棉漿廢水的pH、廢水溫度、絮凝劑投加量、助凝劑投加量等絮凝條件，再與PAC的絮凝效果比對，最終提高了微生物絮凝劑在棉漿廢水中的絮凝率。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2012年7月，在新疆達坂城鹽湖附近，分別在鹽湖底泥、湖水、岸邊淤泥及周邊林帶采集了5個樣品，裝入無菌50mL聚丙烯錐形離心管中，在溫度4℃的黑暗條件下保存。達坂城鹽湖地理坐標為88°03′54″-88°12′15″E，43°21′02″-43°25′27″N，位于烏魯木齊區東南45km，面積35平方公里，海拔1071米。

1.2 培養基

分離培養基：蛋白胨10g，酵母浸粉5g，NaCl5g，瓊脂20g，蒸餾水1000mL，pH7.0左右。37℃培養24h。

發酵培養基：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，蒸餾水1000mL，pH 7.5～8.5。

1.3 菌種篩選

1.3.1 菌種篩選方法

根據梯度稀釋法[13]稱取10g樣品于90mL無菌水中，選取10-2、10-3、10-4和10-5稀釋液分別涂布于分離培養基平板，每個處理3個重復。待長出菌落后挑取單菌落再次接種，重復幾次直至無雜菌。將純化出的菌株接種到盛有50mL發酵培養基的250mL錐形瓶中，在30℃、150r/min搖床上培養24～72h。將發酵產物進行提純，得到沉淀物為絮凝劑。

1.3.2 絮凝活性評價

于100mL燒杯中加入0.4%的高嶺土懸濁液，加入3mL1% CaCl2，再加入2mL絮凝劑，調節pH至7，在180r/min的轉速下快攪1min，70r/min轉速慢攪5min。靜置3min，與不加絮凝劑的樣品做對照，在721型分光光度計550nm處測定上層清液吸光度，用絮凝率Y表示絮凝活性[14]，計算公式如下：

A、B分別為對照樣和樣品上清液的吸光度。

1.4 生長曲線測定

將菌株接種到盛有50mL優化后發酵液體培養基的250mL錐形瓶，30℃、150r/min震蕩培養，每2h取樣一次，用分光光度計測定660nm處的OD值。

1.5 微生物絮凝劑的粗提純流程

將XN-2發酵培養后，置于溫度4℃、轉速12,000r/min的離心機內離心20min，再將上清液通過旋轉蒸發儀濃縮至原體積的1/3。將收集到的上清液中加入3倍體積4℃預冷的無水乙醇，將上述醇提液體用4℃、轉速8000r/min、離心機離心20min，用無水乙醇洗滌沉淀，并將沉淀收集備用。將反復醇提所得沉淀溶于少量蒸餾水中，經冷凍干燥后獲得絮凝劑的粗品，稱重并低溫封閉保藏 。

1.6 處理棉漿廢水及絮凝條件優化研究

1.6.1 樣品水質（見下表）

棉漿廢水水質表

1.6.2 水質測定方法

（1）COD的測定

在100mL燒杯中加入70mL棉漿廢水，加入3mL1% CaCl2，調節pH值，投加適量微生物絮凝劑，在六聯攪拌儀上進行絮凝試驗。180r/min的轉速下快攪1min，70r/min轉速慢攪5min。靜置3min，與不加空白樣品做對照，分別測定廢水COD去除率。

（2）絮凝率的測定

在100mL燒杯中加入70ml棉漿廢水，加入3mL1% CaCl2，調節pH值，投加適量微生物絮凝劑，在六聯攪拌儀上進行絮凝試驗。在180r/min的轉速下快攪1min，70r/min轉速慢攪5min。靜置3min，與不加空白樣品做對照，分別測定絮凝前后的絮凝率。

1.6.3 絮凝條件優化

用單因素分析法分別將水樣pH值、金屬離子助凝劑、水溫、微生物絮凝劑投加量分別調節至不同水平，用上述絮凝活性測定方法測定絮凝率、COD去除率，同時以不同投加量的PAC做比對。

2 結果與分析

2.1 菌株篩選及鑒定

本研究從鹽湖土壤中分離到26株細菌，經過篩選共得到2株絮凝率在80%以上的菌株，再經反復篩選得到1株菌株（XN-2）對高嶺土絮凝率在89%以上，選定該菌株為研究對象。通過使用高嶺土的絮凝測定XN-2絮凝菌株發酵產物及純化產物絮凝效率，結果表明：其在4%的高嶺土懸浮液中，XN-2發酵產物添加量為1mL，其絮凝率可達到85%～90%。

2.2 生長曲線測定結果（見圖1）

圖1 XN-2絮凝菌株生長曲線

圖1表述了絮凝劑生產和菌株XN-2生長之間的關系。0～4h為適應期，菌體自身生長緩慢、代謝慢，菌

體分泌胞外物質能力低，相應的絮凝率低；4h后進入對數生長期，在對數生長期間，菌體自身代謝活力旺盛，絮凝活性也大幅度增加，XN-2產生絮凝劑的速度和其細胞的生長速度平行，隨著菌體量快速增長，其產生絮凝劑速度快速增加；12h后細胞生長達到穩定期，絮凝劑的產生速率也逐漸平穩；菌株生長量在20h時達到最大值，胞外分泌物量開始累積，故絮凝劑產生量仍緩慢提高；25h后進入衰亡期，細胞的生長速度開始下降，此時微生物絮凝劑的絮凝活性開始降低，28h時絮凝劑的絮凝活性下降幅度變大，由此推斷菌體進入衰亡期后外界營養物質降低，菌體細胞會將累積的胞外分泌物進行代謝降解，故絮凝活性降低，30h時絮凝率僅有65.7%。為了獲得高絮凝活性的微生物絮凝劑，此后的研究取28h作為培養時間。

2.3 廢水處理條件優化結果

2.3.1 pH值對棉漿廢水絮凝效果的影響（見圖2）

圖2 pH值對絮凝效果的影響

由圖2可見，當水樣pH環境為酸性時，絮凝率最高為13%，COD去除率最高僅為8%，隨著絮凝體系pH值升高絮凝率隨之升高，COD去除率也在升高。當pH大于7后絮凝率及COD去除率的增加幅度開始減緩、趨于穩定，pH為11時，絮凝率為53%，COD去除率為42%，此時通過提高pH的方式改變懸浮顆粒表面的電荷性質、數量、帶電狀態以及中和電荷能力對絮凝效果的影響并不會大，而且會增加水處理成本。由上述試驗結果可以推測該絮凝劑在堿性條件下對棉漿廢水的絮凝效果較好，且原水pH為9，則可以不用調節pH直接進行絮凝處理。

2.3.2 不同陽離子助凝劑對絮凝效果的影響（見圖3）

由圖3可見，Na+離子溶液對絮凝作用的貢獻相較其他陽離子貢獻最小，其他陽離子都有明顯的助凝效果，二價及三價離子的絮凝效果比一價離子的效果好。隨著投加量的變化，各陽離子助凝效果都會發生變化。而Na+離子溶液隨著投加濃度的增大，絮凝率反而有輕微的下降；二價陽離子Ca2+離子溶液的助凝效果隨著投加量的增加而增加至7ml時絮凝效果開始迅速降低，Fe3+、Al3+等高電荷離子溶液的助凝效果隨著投加量的增加先大幅度升高，然后趨于平穩繼續緩慢地增加。由于Al3+有二次污染問題，而Fe3+離子溶液本身顏色對水質色度有貢獻，且會形成有色沉淀很難除去，故兩種離子助凝劑均不考慮，因此Ca2+離子溶液作為該微生物絮凝劑的助凝劑，最佳的投加量為3.5mL。

圖3 不同陽離子助凝劑對絮凝效果的影響

2.3.3 不同溫度對絮凝效果的影響（見圖4）

圖4 廢水溫度對絮凝效果的影響

由圖4可見，在廢水溫度從-10℃變化到40℃的過程中，絮凝劑的絮凝率從43.2%升高至63.2%，其中廢水溫度從-10℃變化到20℃時，絮凝率從43.2%升至53.3%，說明絮凝劑在零下的水溫中的絮凝效果沒有在室溫條件下的絮凝率高，同時廢水溫度由室溫20℃再增加時，絮凝率的增幅雖有增加但沒有之前大；而廢水溫度從-10℃變化到40℃的過程中，絮凝劑的COD去除率從31.5%升高至48.6%，其中廢水溫度從-10℃變化到20℃時，COD去除率從31.5%升至49.3%，廢水溫度由室溫20℃升高至40℃時，絮凝劑的COD去除率從49.3%下降至48.6%，由此可得知，廢水溫度在室溫條件下COD的去除率最高，隨著室溫的再升高，COD的去除率下降。

2.3.4 不同絮凝劑不同投加量對絮凝效果的影響（見圖5）

圖5 絮凝劑投加量對絮凝效果的影響

由圖5可見，原水的絮凝率隨著1#絮凝劑投加量的增加先升高后降低，在1#絮凝劑投加量為4mL時，絮凝率最高為59.8%，當投加量超過4mL時，絮凝率則開始下降，說明投加量存在一個最佳范圍，較高的濃度會出現再穩現象。而原水的COD去除率隨著1#絮凝劑投加量的增加，從41%增至44%，增幅不高，在投加量增加至4mL時COD去除率就升高至43.3%，所以4mL為1#絮凝劑的最佳投加量。同比之下，2#絮凝劑對原水的絮凝率和COD去除率相較1#絮凝劑要高。隨著2#絮凝劑的投加量增加原水絮凝率和COD去除率先升高，升高至一定水平后趨于穩定，略微有下降的趨勢，也存在再穩現象。由此在棉漿廢水的處理中，微生物絮凝劑的最佳投加量為4mL，PAC的最佳投加量為8mL。

3 討論

絮凝體系的pH值影響懸浮顆粒的電荷密度、帶電數量，通過試驗發現pH越高絮凝效果越好，為節省成本起見棉漿廢水處理中pH為9時絮凝效果較好。同時絮凝體系的溫度也是影響絮凝作用的因素之一，隨著溫度的升高，棉漿廢水COD的去除率也在提升，且絮凝率的提升幅度較之更大，但總的來說溫度對絮凝效果的影響在討論的四個因素中最小，所以為節省處理成本溫度可不做調節，同時這也說明微生物絮凝劑的穩定性非常好，為促進XN-2絮凝劑的廣泛應用而打下基礎。助凝劑的種類及個別助凝劑的投加量對棉漿廢水的絮凝效果影響較大，就實驗來看多電荷陽離子助凝劑的助凝效果最好，如Al3+、Fe3+、Ca2+等溶液，因Al3+、Fe3+存在二次污染不予考慮，Ca2+溶液隨著投加量增加助凝效果有所下降，綜合廢水處理效果，Ca2+溶液投加量為3.5mL時處理效果最好。對于絮凝劑投加量和廢水處理效果的試驗，PAC對棉漿廢水的絮凝效果和COD去除率都好于微生物絮凝劑，但是就用量來說微生物絮凝劑的投加量比PAC少一半，明顯優于PAC。

4 結論

（1）從新疆達坂城鹽湖采集的5個不同的土壤樣品中篩選分離得到1株菌XN-2，經測定其在高嶺土懸濁液中絮凝率達到90%。

（2）將XN-2發酵培養后，提純其產物對棉漿廢水進行文中所述絮凝試驗，調節影響條件確定最佳絮凝條件為：絮凝劑4mL，測得對棉漿廢水的絮凝率為65%，COD去除率為54%。

（3）針對文中所述棉漿廢水的應用實驗中，與微生物絮凝劑做效果比對，兩者分別在pH9.0、廢水溫度20℃、2%CaCl23.5mL的條件下對棉漿廢水進行絮凝處理，PAC的絮凝率最高為80.2%，COD去除率最高為70.8%，此時PAC投加量為8mL；XN-2絮凝劑的絮凝率最高為59.8%，COD去除率最高為43.3%，此時XN-2絮凝劑投加量為4mL。綜合處理效果、水質環保等各方面來看，微生物絮凝劑都有很大的優勢及廣闊的應用前景。

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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

土壤學自治區重點學科資助，新疆草地資源與生態實驗室資助。