微生物胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)是微生物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中向周圍分泌的生物高分子有機(jī)化合物。EPS可以分為緊密結(jié)合型EPS(T-EPS)和松散結(jié)合型EPS(L-EPS)。這種具有黏性的EPS經(jīng)過離心、醇沉、干燥等步驟后可以作為絮凝劑應(yīng)用到廢水處理中，因此，被用作微生物型絮凝劑。微生物絮凝劑表面不僅含有豐富的羥基、羧基、氨基等官能團(tuán)，而且其分子質(zhì)量較大，一般在3~50kDa 。它能夠通過吸附、中和、網(wǎng)捕、架橋等方式去除水體中的污染物，包括水中的鉛、銅、鎳等重金屬、染料等有機(jī)污染物以及藻類等懸浮污染物。此外，微生物絮凝劑也可以應(yīng)用在污泥的絮凝、沉降、脫水等方面。但是，微生物絮凝劑的產(chǎn)量較低的現(xiàn)狀導(dǎo)致了其生產(chǎn)成本較高，因而對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行優(yōu)化，以提高微生物絮凝劑的單位產(chǎn)量并降低生產(chǎn)成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，以提升EPS單位產(chǎn)量為目標(biāo)的制備工藝優(yōu)化研究目前鮮見報(bào)道，相關(guān)的研究都是集中在對(duì)加熱、超聲、調(diào)堿等單一的處理方式優(yōu)化上。
微生物絮凝劑相對(duì)化學(xué)絮凝劑的主要優(yōu)勢(shì)在于其使用過程中不存在二次污染。因此，對(duì)于某些不宜引入化學(xué)物質(zhì)行業(yè)的廢水處理，這種天然的絮凝劑存在較大的應(yīng)用潛力。養(yǎng)殖行業(yè)在我國分布廣泛，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖業(yè)(包括豬、牛、雞、鴨等的養(yǎng)殖)會(huì)產(chǎn)生大量的養(yǎng)殖廢水，此類廢水具有高懸浮性固體物質(zhì)(SS)，高化學(xué)需氧量(COD)、高氨氮等特性，若不及時(shí)清理和處理會(huì)產(chǎn)生硫醇、硫醚等惡臭氣體，嚴(yán)重影響周邊環(huán)境。煙草生產(chǎn)廢水與畜禽糞污類廢水的主要成分較為相似。畜禽養(yǎng)殖廢水是飼料被食用經(jīng)畜禽消化后排出的尿液、糞便以及水的混合物，而煙草生產(chǎn)廢水只是在生產(chǎn)香煙時(shí)進(jìn)行了浸泡處理，因此，煙草生產(chǎn)廢水中的污染物纖維長(zhǎng)度更長(zhǎng)、生化處理難度更大。針對(duì)這些含有木質(zhì)纖維類污染物的廢水，若采用傳統(tǒng)廢水處理工藝，雖可以處理并達(dá)標(biāo)排放，但存在處理成本較高、木質(zhì)纖維類資源浪費(fèi)等問題。針對(duì)煙草生產(chǎn)廢水，若采用固液分離的處理方式，固體、液體物質(zhì)可分別以不同的方式回用，如作為天然的有機(jī)肥與葉面肥再生利用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑，如聚丙烯酰胺可以快速、簡(jiǎn)便地使廢水中的物質(zhì)固液分離，但類似的化學(xué)物質(zhì)會(huì)殘留在水體中，分解成單體，對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生威脅，也不利于廢水中資源的回用。
在本研究中，利用響應(yīng)曲面法探索優(yōu)化芽孢桿菌生產(chǎn)微生物絮凝劑的最佳提取條件，以獲得最優(yōu)提取條件和最高的產(chǎn)量；然后利用微生物絮凝劑去除煙草生產(chǎn)廢水和畜禽養(yǎng)殖廢水中的污染物，并探討微生物絮凝劑對(duì)含有木質(zhì)纖維素類廢水的絮凝機(jī)理；最后綜合比較生物絮凝劑與化學(xué)絮凝劑的使用效率和成本，為畜禽養(yǎng)殖廢水和煙草生產(chǎn)廢水的處理與資源化利用提供參考。
1、材料與方法
1.1 微生物與培養(yǎng)基
實(shí)際使用的微生物：Bacillus sp.(芽孢桿菌)，其保藏編號(hào)為CICC23870。
種子培養(yǎng)基：葡萄糖10g·L-1，酵母膏1g·L-1，尿素1g·L-1，磷酸二氫鉀2g·L-1，氯化鈉50~150g·L-1，七水合硫酸鎂0.2g·L-1，SL-6質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。
發(fā)酵培養(yǎng)基：蔗糖20g·L-1，酵母膏2g·L-1，尿素1g·L-1，磷酸二氫鉀2g·L-1，磷酸氫二鉀2g·L-1，氯化鈉100g·L-1，七水合硫酸鎂0.2g·L-1，SL-61%。
取出保藏的菌種，接種至種子培養(yǎng)基，在37℃、150r·min-1的恒溫振蕩培養(yǎng)箱進(jìn)行活化和擴(kuò)增12~16h后，按照體積比1%~5%的接種率接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中。在37℃、150r·min-1條件下，在恒溫振蕩培養(yǎng)箱培養(yǎng)至微生物生長(zhǎng)末期，提取微生物絮凝劑。
1.2 實(shí)際廢水
煙草生產(chǎn)廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水分別來自南通市某卷煙廠和湖北省某養(yǎng)殖場(chǎng)。這2種廢水均屬于超高濃度COD廢水，并且含有大量的SS，廢水的主要指標(biāo)見表1。煙草生產(chǎn)廢水初始COD、SS以及氨氮質(zhì)量濃度分別為24800、19500、435.05mg·L-1。畜禽養(yǎng)殖廢水的初始COD、SS以及氨氮質(zhì)量濃度分別為7200、16200、1988.85mg·L-1。
1.3 實(shí)驗(yàn)藥品及設(shè)備
實(shí)驗(yàn)藥品包括六水合氯化鐵(FeCl3·6H2O)、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)、氯化鈉(NaCl)、卡爾科弗盧爾熒光增白劑(CalcofluorWhite-F)、考馬斯亮藍(lán)(C47H48N3NaO7S3)、聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、硫酸汞(Hg2SO4)、硫酸銀(Ag2SO4)、活死菌染料(LIVE/DEAD®BacLightBacterialViabilityKits)等均為分析純，濃硫酸(98%)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括生化培養(yǎng)箱(SHP-160，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、冷凍干燥機(jī)(FD-1A-50，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、磁力攪拌器(HJ-2，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)、紫外可見分光光度計(jì)(UV-2550ShimadzuJapan)、傅里葉變換紅外光譜儀(尼高力360Thermo)、納米粒度及ZETA電位儀ZetasizerNano-ZS90，英國馬爾文)等，其他指標(biāo)均采用國標(biāo)方式進(jìn)行檢測(cè)。
1.4 實(shí)驗(yàn)方法
使用微波消解法測(cè)定廢水中的COD：取稀釋一定倍數(shù)的廢水置于消解反應(yīng)釜中，加入掩蔽劑硫酸汞(Hg2SO4)、重鉻酸鉀溶液、H2SO4-Ag2SO4催化劑，旋緊密封蓋，放入微波反應(yīng)爐中，計(jì)算消解時(shí)間。
探究加熱溫度及超聲時(shí)間對(duì)MF產(chǎn)量的影響：使用F-031ST型超聲波清洗機(jī)，固定超聲頻率40kHz。使用機(jī)器自帶的溫度調(diào)節(jié)功能，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為30~80℃，并用溫度計(jì)測(cè)量，添加冰塊或沸水進(jìn)行微調(diào)，待腔體內(nèi)溫度均勻，放入培養(yǎng)液，開啟開關(guān)，超聲處理一定的時(shí)間。
1)微生物絮凝劑的提取方法。通過適宜的超聲、加熱以及堿處理后，得到處理后的微生物培養(yǎng)液，在4℃、8000r·min-1的條件下離心20min，得到上清液，倒進(jìn)2倍體積4℃的冰乙醇，冷藏醇沉24~48h。離心取析出的絮狀固體物質(zhì)，加入少量的超純水進(jìn)行溶解，裝入透析袋中密封，浸入超純水進(jìn)行透析，每8h更換1次超純水，透析24h后取出透析袋中純凈的EPS溶液，使用真空冷凍干燥機(jī)進(jìn)行冷凍干燥。
2)多糖染色。前期研究發(fā)現(xiàn)，Bacillus sp.菌株EPS的主要成分為多糖，因此，采用卡爾科弗盧爾熒光增白劑(CalcofluorWhite-F)對(duì)EPS進(jìn)行染色，以考察不同方法對(duì)EPS的去除效果。將微生物培養(yǎng)液、20g·L-1氫氧化鉀溶液、染料按照體積比1∶1∶1混合均勻，反應(yīng)3min后，均勻地涂抹在載玻片上，不覆蓋蓋玻片，等待2~3min，待復(fù)合液的流動(dòng)性降低，使用熒光顯微鏡在UNA濾波片下觀察。
3)活死菌染色。使用活死菌染料(LIVE/DEAD®BacLightBacterialViabilityKits)進(jìn)行染色，以分析不同EPS去除方法對(duì)細(xì)胞的破壞性。將微生物培養(yǎng)液、染料按照體積比200∶5，混合均勻，避光反應(yīng)3min后，均勻地涂抹在載玻片上，不覆蓋蓋玻片，等待2~3min，待復(fù)合液的流動(dòng)性降低，使用熒光顯微鏡在BWA濾波片下觀察為活菌(綠色)，在GWA濾波片下觀察為死菌(紅色)。
4)Zeta電位使用納米粒度及ZETA電位儀進(jìn)行測(cè)定。
5)使用絮凝劑處理實(shí)際廢水。在使用絮凝劑、助凝劑處理實(shí)際廢水時(shí)，需要將廢水進(jìn)行一定的預(yù)處理。使用2mol·L-1的HCl或NaOH溶液調(diào)整廢水的pH值。其中，煙草生產(chǎn)廢水直接調(diào)節(jié)pH為6~7；畜禽生產(chǎn)廢水則使用自來水按1∶1的比例稀釋1倍后，再調(diào)節(jié)pH為6~7。
預(yù)處理后，取50mL廢水加入100mL的燒杯中，加入相關(guān)試劑，使用200r·min-1快速攪拌5min，后使用70r·min-1慢速攪拌2min，最后沉淀5min，取適量上清液檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)，空白對(duì)照組加入等量的蒸餾水。使用的絮凝劑、助凝劑主要包括3mol·L-1的六水合三氯化鐵(如無特殊說明，下文中提及的Fe，均為此溶液)、2g·L-1的微生物絮凝劑(如無特殊說明，下文中提及的MF，均為此溶液)、20%的聚合氯化鋁溶液(如無特殊說明，下文中提及的PAC，均為此溶液)、5g·L-1的聚丙烯酰胺溶液(如無特殊說明，下文中提及的PAM，均為此溶液)。
1.5 去除率的測(cè)定
在實(shí)驗(yàn)中，廢水相關(guān)指標(biāo)的去除率計(jì)算方法見式(1)。
式中：η即為去除率；B為廢水指標(biāo)在未經(jīng)處理時(shí)初期的數(shù)值；A為經(jīng)過處理后該指標(biāo)的數(shù)值。
2、結(jié)果與討論
2.1 微生物絮凝劑提取方式的優(yōu)化
EPS的主要組成部分為T-EPS和L-EPS，其不同的性質(zhì)決定了二者在培養(yǎng)基中的分布規(guī)律有所不同。L-EPS主要散落在細(xì)菌的周圍環(huán)境中，與細(xì)菌的連接較為松散，且不同的pH對(duì)EPS在乙醇中溶解度的影響較大。因此，pH是影響L-EPS提取的主要條件之一。T-EPS則主要黏附在細(xì)胞壁周圍，與菌體具有較強(qiáng)的結(jié)合度，故簡(jiǎn)單的離心方式較難使其完全脫落，需要在離心之前通過加熱、超聲等方式破環(huán)T-EPS與細(xì)胞的連接。但是，長(zhǎng)時(shí)間的超聲會(huì)破壞細(xì)胞壁與細(xì)胞膜，造成細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)溶出，進(jìn)而污染所提取的微生物絮凝劑。
1)加熱溫度及超聲時(shí)間對(duì)MF產(chǎn)量的影響。溫度的升高可以破壞細(xì)胞與EPS的結(jié)合鍵。同時(shí)，高頻率的振動(dòng)可以使斷裂的結(jié)合鍵不易重新結(jié)合，即EPS可以穩(wěn)定地分散在溶液中，這樣可以方便后續(xù)的提取過程。NAVEED等將培養(yǎng)液在50℃的條件下加熱20min，獲得了EPS；DELIORMAN等為了研究EPS在抵抗外界壓力下的作用，在80℃下加熱5min，去除了鮑曼不動(dòng)桿菌胞外的緊密結(jié)合型EPS。結(jié)合前人在此方面的研究，使用響應(yīng)曲面法進(jìn)一步探究了溫度與超聲2個(gè)因素對(duì)絮凝劑產(chǎn)量的影響。借助Design-Expert分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)超聲時(shí)間較短、加熱溫度低時(shí)，會(huì)降低MF的提取效果，如超聲時(shí)間2min、加熱30℃，MF的產(chǎn)量?jī)H有0.3380g·L-1。當(dāng)延長(zhǎng)超聲時(shí)間、升高加熱溫度時(shí)，MF產(chǎn)量獲得了明顯的提升。例如：在超聲時(shí)間6min、加熱50℃，MF的產(chǎn)量達(dá)到了0.5520g·L-1，對(duì)比超聲時(shí)間2min、加熱30℃，產(chǎn)量約增加了50%。這說明，對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行超聲以及加熱處理可以有效地破壞EPS與細(xì)胞之間的結(jié)合鍵，進(jìn)而獲得更高的MF產(chǎn)量。
由圖1可以看出，橢圓的輪廓明顯，這表明2個(gè)因素之間的相互作用是顯著的。同時(shí)，加熱溫度所在的一側(cè)走勢(shì)更為陡峭，這說明加熱溫度的變化對(duì)微生物絮凝劑產(chǎn)量的影響較超聲時(shí)間變化的影響更為顯著；最佳的加熱溫度與超聲時(shí)間分別為50℃，6min。在此優(yōu)化條件下時(shí)，每升培養(yǎng)基可獲得微生物絮凝劑的最高產(chǎn)量為0.5520g，并且加熱溫度的變化相對(duì)超聲時(shí)間對(duì)微生物絮凝劑產(chǎn)量的影響更大。
超聲提取時(shí)間與提取溫度對(duì)絮凝劑產(chǎn)量(y)的方差分析見表2。根據(jù)表2所給出的數(shù)據(jù)，擬合二階多項(xiàng)式模型，給出模擬方程式(2)。
式中：y為絮凝劑產(chǎn)量；A為時(shí)間；B為溫度。
由SUN等的研究可知，當(dāng)p≤0.05時(shí)，該項(xiàng)因素對(duì)y影響顯著。由表2可以看出，模型自由度為12，F值為15.07，同時(shí)模型、B、A2、B2的p值分別為0.0013、0.0019、0.0185和0.0006，均小于0.05，說明模型、溫度、時(shí)間的二次方和溫度的二次方是顯著的。
2)調(diào)節(jié)超聲和熱處理后溶液pH對(duì)MF產(chǎn)量的影響。固定醇沉?xí)r乙醇與培養(yǎng)液的體積比為2∶1，再探究超聲和熱處理后，溶液pH對(duì)MF產(chǎn)量的影響。
由表3可以看出，隨著pH的上升，MF產(chǎn)量在不斷增加。這是由于，pH上升的實(shí)質(zhì)是溶液中羥基濃度的增加，使得EPS的溶解度下降并更加容易析出，其宏觀表象即為MF產(chǎn)量上升。在pH增至9后，上升的幅度變化不大。繼續(xù)調(diào)節(jié)pH至11以上，會(huì)造成大量微生物死亡，并污染部分微生物絮凝劑。這不僅增加了提取成本，而且會(huì)破壞MF的結(jié)構(gòu)形態(tài)，對(duì)MF絮凝效率的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，在制備微生物絮凝劑時(shí)，pH的調(diào)節(jié)范圍控制在9~11即可。
3)熒光染色對(duì)EPS去除程度的表征。胞外EPS的去除率在一定程度上可以反映MF的產(chǎn)量。當(dāng)附著在菌體表面的EPS脫離菌體進(jìn)入周圍溶液時(shí)，由于離心而隨菌體流失的EPS就會(huì)減少。已知MF的主要成分為多糖，同時(shí)，鈣氟白染料可以使多糖類物質(zhì)產(chǎn)生藍(lán)色的熒光。因此，使用熒光顯微鏡配合鈣氟白染料可以直接觀察處理前后菌外EPS的含量。
如圖2所示，對(duì)照組中，可以看到大片的藍(lán)色的熒光，這是由于未處理的芽孢桿菌周圍存在大量的EPS。這些EPS之間相互粘連，使得細(xì)菌更容易團(tuán)聚形成成片的菌塊，在宏觀上則表現(xiàn)為培養(yǎng)液的自絮凝現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)組中，僅有微弱的熒光，只能看到單個(gè)的菌。這是因?yàn)槿コ?/span>EPS后，細(xì)菌之間的黏附作用減弱，使得細(xì)胞之間的距離增大，更容易分散開來，減少了細(xì)菌成片出現(xiàn)的可能性。因此，超聲、加熱及pH調(diào)節(jié)能有效去除細(xì)菌表面的EPS。
4)處理前后菌的死亡情況。去除EPS后，細(xì)菌的損傷和死亡情況也是EPS提取優(yōu)化方面的重要考量之一。使用LIVE/DEAD染料對(duì)細(xì)菌進(jìn)行處理，染料中含有的DNAO(綠色核酸熒光染料)成分可以將所有細(xì)胞染成綠色，同時(shí)染料中的另一種成分EthD-Ⅲ(紅色核酸熒光染料)由于無法通過活細(xì)胞的細(xì)胞膜，所以僅能夠?qū)⑺兰?xì)胞染成紅色。樣品分為對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)的處理?xiàng)l件為調(diào)節(jié)pH=9，并在50℃下超聲6min。
圖3(a)、(b)與圖3(c)、(d)相比，圖3(b)圖中綠色光斑更多，圖3(c)圖中紅色光斑更多，但是圖3(d)圖中綠色光斑的密度仍然是可觀的。并且圖3(d)圖中的綠色光斑相較圖3(b)更加分散，這與探究pH對(duì)EPS提取量實(shí)驗(yàn)中所觀察得到的結(jié)論是吻合的，即處理方法對(duì)微生物的活性具有一定的影響，但影響程度在可以接受范圍之內(nèi)。
由圖4(a)可以看出，菌體完全被EPS所包裹，只能看出細(xì)菌的輪廓；而在圖4(b)中，微生物裸露在外，并且存在部分菌體碎裂的情況，這與圖2和圖3所顯示的現(xiàn)象是相同的。
由LIVE/DEAD染料染色結(jié)果可知，使用綜合處理方式并沒有大幅度增加細(xì)菌的死亡率。同時(shí)，菌體外多糖染色結(jié)果表明了所選用方式的有效性。綜上所述，超聲、加熱以及堿處理的綜合運(yùn)用可以溫和地脫出細(xì)菌表面的EPS，從而提升MF的產(chǎn)量。
2.2 廢水處理效果
本實(shí)驗(yàn)處理的2種廢水分別來自煙草制造廠和畜禽養(yǎng)殖廠。對(duì)于此2類廢水，一些傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑雖然可以達(dá)到去除廢水中污染物的目的，但是，這些不可生物降解的化學(xué)物質(zhì)會(huì)殘留在廢水中，引入新的污染物，損壞這類有機(jī)廢水的可回用性。MF作為一種新型環(huán)保絮凝劑，在廢水中污染物的去除方面能夠比肩傳統(tǒng)化學(xué)絮凝，并且由于其本身的無毒與環(huán)保性，還能夠保證廢水的回收利用。為了充分對(duì)比不同廢水處理方式之間的效果與差異，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。
1)廢水中COD的處理效果。由表4可以看出，針對(duì)2種廢水，單獨(dú)添加Fe的效果與Fe與MF的復(fù)合效果相當(dāng)。其原因是，Fe起到的僅是一個(gè)助凝劑的作用，Fe可以將廢水從膠體溶液穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环�(wěn)定態(tài)，從而使顆粒間相互聚集析出。但是，顆粒物之間無法繼續(xù)團(tuán)聚并形成大顆粒物，其宏觀表現(xiàn)為沉降速度較慢，并且會(huì)遺留部分小顆粒物繼續(xù)懸浮在水中，這與實(shí)驗(yàn)中觀察的現(xiàn)象是一致的。此時(shí)加入MF，通過MF的網(wǎng)捕和絡(luò)合作用，將水中析出的小顆粒物質(zhì)黏附結(jié)合，形成團(tuán)聚物，從而沉淀下來。這樣可以有效提升沉降效率，縮短沉降時(shí)間。將MF替換成常見的絮凝劑PAM，會(huì)使得三價(jià)鐵離子的助凝效果變差。這是因?yàn)椋?/span>MF中含有的羧基基團(tuán)可以與三價(jià)鐵離子發(fā)生反應(yīng)，通過螯合配位的形式，降低羧基基團(tuán)的電離度，使三者即三價(jià)鐵離子、MF以及水中的污染物黏附在一起并從水中分離，從而獲得更好的絮凝效果。
在煙草生產(chǎn)廢水的處理中，對(duì)比化學(xué)助凝劑與絮凝劑PAC與PAM，Fe與MF的組合超過了傳統(tǒng)方法的處理效果。對(duì)于畜禽養(yǎng)殖廢水，Fe與MF的組合則顯著超過了傳統(tǒng)絮凝方式，Fe與MF組合對(duì)COD的去除率高達(dá)87.78%，而PAC與PAM組合僅為11.11%。這可能是由于：PAC中的Al3+氧化性較弱，而Fe3+具有較強(qiáng)的氧化性，可以與畜禽養(yǎng)殖廢水中的還原性物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。其主要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：在投加Fe3+后，畜禽養(yǎng)殖廢水會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡和微小的顆粒物，析出大量的溶解性COD，而投加PAC則無明顯變化。在此之前也存在部分利用絮凝去除廢水中的相關(guān)研究。如：SHARGHI等使用明礬等物質(zhì)作為絮凝劑處理印染廢水，其COD去除率達(dá)到50%左右；白立軍利用殼聚糖衍生物作為生物絮凝劑處理丁烯醛廢水，其COD去除率可以達(dá)到58.37%。相比之下，利用MF與Fe的絮凝作用對(duì)COD的去除具有更好的效果。
2)SS的處理效果。對(duì)比2號(hào)和3號(hào)、7號(hào)和8號(hào)，添加MF后，廢水中SS的去除效果都比單獨(dú)添加Fe的效果要更好。這說明MF可以黏附更多的懸浮顆粒物，包括一些不產(chǎn)生COD的無機(jī)顆粒物。對(duì)比1號(hào)和5號(hào)，發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)的絮凝劑PAM與助凝劑PAC處理煙草生產(chǎn)廢水，對(duì)于廢水中的SS沒有去除效果，反而會(huì)使廢水中SS濃度有些許的升高，這可能是殘留在水體中的PAC與PAM造成的。對(duì)比9號(hào)和10號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)PAC與PAM的組合也可以去除畜禽養(yǎng)殖廢水中部分SS。這說明，相對(duì)于煙草生產(chǎn)廢水，PAC的破穩(wěn)作用在畜禽養(yǎng)殖廢水中體現(xiàn)得更明顯。而使用Fe破穩(wěn)后的SS含量低于PAC，這說明Fe的破穩(wěn)效果強(qiáng)于PAC。
3)氨氮的處理效果。調(diào)節(jié)廢水的pH可以在一定程度上去除水體中的氨氮含量。相比于傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑以及單獨(dú)使用氯化鐵溶液，MF與氯化鐵的復(fù)配使用在廢水的氨氮去除方面具有更好的效果。這是由于微生物絮凝劑上豐富的官能團(tuán)對(duì)氨氮具有一定的吸附作用導(dǎo)致的。
4)廢水中殘余鐵的含量。由上述實(shí)驗(yàn)可知，Fe與MF的復(fù)合使用對(duì)廢水中COD、氨氮以及SS都有良好的去除效果。三價(jià)鐵離子在自然界的水體中是一種常見的物質(zhì)，其少量的存在對(duì)人體以及動(dòng)植物沒有危害，但是過量的三價(jià)鐵離子會(huì)使水體呈現(xiàn)淡黃色，水體的觀感下降。因此，添加適量的MF以降低水中鐵離子的殘留是必要的。如表4所示，在添加MF后，廢水中三價(jià)鐵離子在水中的濃度均低于國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)0.3mg·L-1。并且，SHRESTHA等的研究證明，在污水處理廠處理系統(tǒng)中，投加適量鐵鹽可能是非常有益的。因此，保證處理后廢水中鐵鹽濃度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不僅不會(huì)損害周圍的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，而且會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一些有益的影響。
5)絮凝物的沉降�？紤]到實(shí)際廢水的處理與應(yīng)用，沉降時(shí)間是一個(gè)重要的參數(shù)，過長(zhǎng)的沉降時(shí)間不僅需要增加建設(shè)成本來加長(zhǎng)沉降池的長(zhǎng)度，而且會(huì)減慢廢水處理速度。在使用MF條件下，2種廢水的沉降曲線如圖5所示。
清液占比的含義為污泥沉降過程中上清液體積與總體積之比。如圖5所示，在前40min，2種廢水中沉淀物的沉降較快，隨后沉降速率逐漸放慢，最終清液占比在80%左右。在實(shí)際操作中，可以選取40min或1h作為節(jié)點(diǎn)，沉降下來的污泥采用其他方式進(jìn)行處理，例如板框壓濾等，進(jìn)一步降低污泥中的含水率。
綜上所述，2種廢水經(jīng)過MF與Fe的絮凝預(yù)處理后，COD、SS、氨氮都有明顯的下降，處理前后，煙草生產(chǎn)廢水COD下降了50%以上。相比煙草生產(chǎn)廢水，畜禽養(yǎng)殖廢水在COD去除方面獲得了更好的效果，其COD去除率可以達(dá)到87%。廢水中的另一種主要污染物——氨氮的去除率也達(dá)到了40%。同時(shí)MF與Fe綜合的絮凝方式能夠在40min內(nèi)使清液占比達(dá)到50%。在上述的絮凝預(yù)處理后，煙草生產(chǎn)廢水和畜禽養(yǎng)殖廢水均未達(dá)到綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18596-2001)。但COD的高去除效率有效降低了煙草生產(chǎn)廢水后續(xù)生化處理的負(fù)荷；另一方面，因微生物絮凝劑的無毒性對(duì)畜禽糞污的干濕分離后得到固體和液體不造成潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因此，其可用于后續(xù)固體有機(jī)肥和液體葉面肥的生產(chǎn)工序。綜上所述，高效的處理效果、較快的沉降速率以及無毒害性，為微生物絮凝劑在這些廢水預(yù)處理中的實(shí)際應(yīng)用提供了支撐。
2.3 成本分析
不同于使用傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑，使用微生物絮凝劑處理的廢水具有一定的再生利用性。絮凝后的上清液可以用作噴灑在植物表面的葉面肥，其沉淀物可以作為有機(jī)肥，其可利用性已經(jīng)在實(shí)際的工程項(xiàng)目中被證實(shí)。因此，在對(duì)比絮凝劑的成本時(shí)，需要考慮其再生的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研得知，乙醇的價(jià)格在5500元·t-1，使用DNJ-1000型設(shè)備回收乙醇，其回收率為95%，設(shè)備的功率為7.5kW，處理量為1t·h-1。提取每噸培養(yǎng)結(jié)束的培養(yǎng)液產(chǎn)生的待處理廢液量為3t。計(jì)算結(jié)果見表5。
在MF的生產(chǎn)中，微生物培養(yǎng)基以及提取MF所使用的試劑成本在總成本中占有較大的比重，根據(jù)培養(yǎng)基用料及各成分市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算的配置，每噸培養(yǎng)基所需要的成本為138.55元。根據(jù)乙醇及乙醇循環(huán)費(fèi)用計(jì)算可知，提取每噸培養(yǎng)基中的MF所使用的試劑成本為550元，循環(huán)使用試劑所產(chǎn)生的額外成本為15.11元。
由之前的實(shí)驗(yàn)可知，在優(yōu)化提取方式之后，每噸培養(yǎng)基可生產(chǎn)微生物絮凝劑約1.64kg。因此，微生物絮凝劑的單價(jià)p=(138.55+550+15.11)/1.64=429.06元·kg-1 。已知助凝劑六水合氯化鐵的價(jià)格為3.5元·kg-1，可根據(jù)廢水處理時(shí)助凝劑、絮凝劑的投加量來計(jì)算處理1t廢水所需要的成本與預(yù)期的收益。
綜上所述，每噸廢水的處理成本在45元左右，同時(shí)產(chǎn)生葉面肥、固體肥的經(jīng)濟(jì)效益在320元。因此，微生物絮凝劑可使廢水變廢為寶，每噸廢水中的有機(jī)質(zhì)可以獲得275元左右的利潤(rùn)，相較于傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
3、機(jī)理分析
3.1 污水等電點(diǎn)的測(cè)定
由圖6可以看出，當(dāng)煙草生產(chǎn)廢水和畜禽養(yǎng)殖廢水Zeta歸零時(shí)，廢水的pH均小于2，這說明2種廢水的等電點(diǎn)都在2以下。較低的等電點(diǎn)說明，2種廢水中的膠粒均帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷，顆粒之間會(huì)由于負(fù)電荷的存在而相互排斥。當(dāng)廢水中加入帶有正電荷的離子時(shí)，膠粒的負(fù)電荷被中和，根據(jù)dlvo理論，此時(shí)勢(shì)壘高度降低，膠粒相互靠近時(shí)更容易到達(dá)第一極小值，形成結(jié)構(gòu)緊密而又穩(wěn)定的絮體，絮凝效果會(huì)更好。
注：Fe為六水合氯化鐵溶液。
3.2 Fe添加量對(duì)Zeta電位的影響
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，廢水的等電點(diǎn)較低，因此，將反應(yīng)體系調(diào)節(jié)為酸性更利于廢水的破穩(wěn)。固定pH=6，可以看到，隨著三價(jià)鐵溶液的添加，廢水的Zeta電位的絕對(duì)值在逐漸降低。根據(jù)膠體雙電層理論，膠體Zeta電位的絕對(duì)值的大小，可以在一定程度上體現(xiàn)膠體的穩(wěn)定性。Zeta電位絕對(duì)值越大，說明膠體越穩(wěn)定；Zeta電位絕對(duì)值越小，說明膠體越不穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)到廢水體系中，當(dāng)溶液的Zeta電位絕對(duì)值越小，則越容易絮凝沉降。如圖6所示，當(dāng)加入過量的Fe時(shí)，廢水的Zeta電位絕對(duì)值會(huì)增大，體系重新回歸穩(wěn)態(tài)。這是因?yàn)椋核w中的污染物已經(jīng)全部析出，繼續(xù)添加Fe，就沒有足夠的物質(zhì)與其產(chǎn)生反應(yīng)，此時(shí)加入的Fe就會(huì)在水中殘留，而不會(huì)隨絮體沉淀。因此，使得廢水中的離子濃度達(dá)到膠體破穩(wěn)的臨界點(diǎn)時(shí)所需要的Fe量即為目標(biāo)添加量。
在廢水的預(yù)處理中，廢水pH均調(diào)節(jié)為6~7。由圖6可以看出，當(dāng)pH在6~7時(shí)，畜禽養(yǎng)殖廢水與煙草生產(chǎn)廢水Zeta電位值分別為-18~-7mV左右。這說明，此時(shí)畜禽養(yǎng)殖廢水的穩(wěn)定性高于煙草生產(chǎn)廢水，因此，PAC與PAM的組合絮凝方式在煙草生產(chǎn)廢水絮凝中的效果比畜禽糞污絮凝中的效果更好。
3.3 不同處理?xiàng)l件下廢水的Zeta電位
如圖7所示，助凝劑以及絮凝劑對(duì)煙草廢水的Zeta電位影響不大。這可能是因?yàn)闊煵輳U水中含有一些緩沖性的物質(zhì)導(dǎo)致的。畜禽廢水添加PAC與PAM前后Zeta電位并沒有太大的變化，這說明PAC對(duì)畜禽廢水并沒有良好的破穩(wěn)效果。同時(shí)，添加了Fe與MF的廢水的Zeta電位，相對(duì)于其他處理方式獲得廢水Zeta電位的絕對(duì)值最小。這說明，添加Fe與MF后，其廢水的穩(wěn)定狀態(tài)較易脫穩(wěn)，從而易使懸浮在水中的雜質(zhì)析出，達(dá)到更好的處理效果。
3.4 不同處理?xiàng)l件下絮體的大小變化
由圖8可以看出，原始水樣中的顆粒物細(xì)小且分散均勻，在加入助凝劑后，水中會(huì)析出一些絮體。這可能是因?yàn)椋褐齽┑募尤�，破環(huán)了原水中膠體的穩(wěn)態(tài)環(huán)境，使得水體中原本分散均勻一致的顆粒物聚集體形成絮體，進(jìn)而沉降下來。但是，僅僅添加助凝劑所得到的絮體尺寸較小，不利于沉降，并且在只使用助凝劑的情況下，上清液中會(huì)殘留較多的三價(jià)鐵離子，從而影響水體的顏色，造成感官上的不適。如圖8(d)所示，在加入微生物絮凝劑之后，絮體的體積增大，顏色加深。這是因?yàn)椋⑸镄跄齽┲兴械亩嗵情L(zhǎng)鏈會(huì)將原有的小顆粒態(tài)的絮凝黏附在一起，形成大塊的絮狀物，加速絮凝的速率。同時(shí)，微生物絮凝劑上含有較多的三價(jià)鐵離子的吸附位點(diǎn)，可以有效地減少上清液中鐵的含量。將圖8(e)與圖8(d)進(jìn)行對(duì)比，可以得出，傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑聚丙烯酰胺對(duì)顆粒物的聚集作用并不明顯。在宏觀上，對(duì)利用PAC與PAM絮凝的廢水進(jìn)行觀察，其在色度、氣味以及感官上均沒有明顯的改善。通過對(duì)比圖8(d)和圖8(f)可發(fā)現(xiàn)，PAC和PAM形成的絮體粒徑雖然大于Fe和MF形成的絮體粒徑，但PAC與PAM形成的絮體數(shù)量卻明顯少于Fe和MF形成的絮體。這一結(jié)果驗(yàn)證了PAC和PAM僅能捕捉廢水中現(xiàn)有的SS形成絮體，而不能像Fe與MF聯(lián)用時(shí)，會(huì)引起廢水中溶解性COD的析出，從而大幅度降低COD。
4、結(jié)論
1)相對(duì)于加熱與超聲，調(diào)節(jié)pH對(duì)微生物絮凝劑提取量的影響更大，并且隨著pH的升高，微生物絮凝劑的產(chǎn)量也在逐步增大。
2)微生物絮凝劑最佳的提取條件是：在50℃下超聲6min后，調(diào)節(jié)pH為9~11，之后離心取上清液并用2倍體積的冷乙醇醇析，最后透析并冷凍干燥。
3)微生物絮凝劑與助凝劑Fe結(jié)合可以有效去除煙草生產(chǎn)廢水和畜禽養(yǎng)殖廢水中的COD、SS、氨氮。對(duì)于畜禽養(yǎng)殖廢水，COD的去除率可以達(dá)到80%以上，并且可以使水體中殘留的三價(jià)鐵離子濃度低于國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
4)使用微生物絮凝劑不僅能夠分離廢水中的污染物質(zhì)，降低廢水COD，還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。
5)Fe與MF去除廢水中污染物的主要原理是：降低廢水Zeta電位的絕對(duì)值，使得顆粒物之間靜電斥力減小，更容易達(dá)到第一極小值，此時(shí)絮體可以保持較長(zhǎng)的時(shí)間而不容易二次溶解，便于從水中析出。（來源：南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇潤(rùn)環(huán)環(huán)境科技有限公司，安徽科技環(huán)保科潔有限公司，克雷伯氏環(huán)保科技(蘇州)有限公司）
