微生物混凝剂预处理废纸造纸废水实验研究

曾建忠 胡 萃 李爱平 林俊岳 应少明

(1.井冈山大学生命科学学院,江西吉安,343009;2.吉安市环境监测站,江西吉安,343009;3.井冈山大学化学化工学院,江西吉安,343009)

微生物混凝剂预处理废纸造纸废水实验研究

曾建忠1胡 萃1李爱平2林俊岳3应少明3

(1.井冈山大学生命科学学院,江西吉安,343009;2.吉安市环境监测站,江西吉安,343009;3.井冈山大学化学化工学院,江西吉安,343009)

废纸造纸系统高度封闭时无机盐的积累会引起造纸过程受阻和产品质量受损,在实验室制备了一种高效微生物混凝剂 (MBF-6),并将其用于废纸造纸废水的处理。结果表明,在较宽 pH值范围内,微生物混凝剂MBF-6对废水有很好的处理效果。在常温、pH值 7.0、MBF-6用量 25 mL/L的条件下,SS、CODCr的去除率分别为 95%、83%;温度对 SS去除率的影响不大,但对 CODCr去除率的影响较大且低温有利于提高 CODCr去除率;与传统混凝剂 Al2(SO4)3和 FeCl3相比,微生物混凝剂MBF-6具有混凝沉降速度快且效果好的特点。

微生物混凝剂;混凝;废纸造纸废水

国内外已对废纸造纸废水的处理进行了深入研究。目前,主要处理方法有物理方法、混凝沉淀法、生化法、化学处理法等。实践证明,用混凝沉淀法处理废纸造纸废水,其 SS去除率可达 85%～98%,色度去除率可达 90%以上,CODCr去除率可达 60%～80%[1]。由于处理后的水水质较好,可将其回用于洗浆和抄纸。

虽然采用混凝剂处理造纸废水具有占地少、设备简单、运行管理方便等特点,是废水处理行之有效的方法。但传统的低分子或高分子无机盐混凝剂 (如铝盐、铁盐及聚铝盐、聚铁盐等)在分子形态、聚合度及相应的混凝-凝聚效果方面还存在不足之处[2]。另外,残存的混凝剂其金属离子在废水回用时会干扰漂白,且无机物的积累会改变光反射,降低纸的不透明度和白度,将引起造纸过程受阻和产品质量受损,从而限制造纸工业节水及废水零排放的长期稳定运行[3]。这就促使了新型混凝剂的快速发展。

微生物混凝剂 (Bioflocculant或 M icrobial Flocculant)是利用生物技术,通过微生物发酵、分离提取而得到的具有生物分解性和安全性的新型、高效、廉价、无毒、无二次污染的水处理剂,可广泛应用于给水处理和污水处理领域[4-6]。多年来,国内外对微生物混凝剂的利用给予了充分的关注,但大多数微生物混凝剂须与无机盐助剂配合使用,因此,寻找一种无须无机盐作为助凝剂的微生物混凝剂对废纸造纸废水零排放的长期稳定运行显得尤为重要。本实验采用从氟苯尼考废水中分离得到的米曲霉的发酵液为混凝剂 (暂命名为 MBF-6),并将其用于废纸造纸综合废水的处理。探讨了微生物混凝剂MBF-6对废纸造纸综合废水的处理效果及与传统混凝剂的对比。

1 微生物混凝剂M BF-6的制备

1.1 培养基的组成

蔗糖 10.0 g/L,FeSO4·7H2O 0.01 g/L,KNO30.1 g/L,MgSO4·7H2O 0.1 g/L,K2HPO40.5 g/L,pH值 7.2～7.4。

1.2 培养条件

将具有混凝活性的菌株接种到装有75 mL培养基的 250 mL三角瓶中,在 30℃、180 r/min转速搅拌下培养 72 h后,定量测定发酵液的混凝活性,制备出微生物混凝剂MBF-6。

1.3 产品性能

微生物混凝剂MBF-6为无色透明的液体,有效成分浓度为 0.2%,pH值 6～7,经紫外、红外检测,发酵液主要成分是多糖,没有蛋白质和核酸,用黏度法测得其相对平均分子质量为 20万。在不添加无机盐类助混凝剂条件下,该混凝剂对高岭土的混凝效果按文献[7]的方法进行测定,pH值为 4～9,温度为4～60℃,混凝率为 99%,且有吸附脱色等功效。

2 微生物混凝剂M BF-6应用实验

2.1 废水水质

造纸综合废水水样取自吉安市某废纸造纸厂。该厂使用 70%的国废、30%的美废为原料造纸。废水水质指标为:pH值 6.5～7.2,SS 945 mg/L,CODCr1420 mg/L,色度 1200倍 (稀释倍数法)。

2.2 分析方法

CODCr、SS采用国家标准方法测定,混凝率的测定参照文献 [7]的方法,但不加入无机盐作为助凝剂。

2.3 混凝实验

2.3.1 水力条件实验

采用正交实验法,以混凝率为实验指标,选取混合搅拌转速 (A)、混合搅拌时间 (B)、反应阶段搅拌转速 (C)、反应搅拌时间 (D)4个因素,考察其对混凝率的影响,正交实验因素见表1。取 1000 mL,pH值为 7的废水,微生物混凝剂 MBF-6加入量为25 mL,沉淀 10 min,进行实验。

表1 正交实验因素

2.3.2 混凝剂用量、温度、pH值对混凝效果的影响

在几个 1000 mL烧杯中分别加入造纸废水 500 mL,再加入一定量的混凝剂,用搅拌机以 160 r/min的速度搅拌 3 min,使混凝剂充分分散在废水中,随后降低转速至 40 r/min,并搅拌 4 min,静止 10 min后取距液面 20 mm的上清液分析水质。低温实验(4℃)是将混凝剂和废水放入冰箱,再在低温恒温槽中进行实验,测定处理前后的 CODCr浓度。

3 结果与讨论

3.1 水力条件对混凝效果的影响

水力条件是影响混凝剂使用成本的因素之一,根据混凝理论,搅拌可促进微粒间的碰撞,有利于絮体的形成,而过度搅拌则使絮体破碎,不利于絮凝。在混凝剂添加过程中,一般先用较快速度进行搅拌,使混凝剂与微粒能充分接触。一旦混凝作用产生,搅拌速度就应该降低,避免破坏已形成的絮团。

正交实验结果见表2,从表2可见,各因素对混凝率影响大小的顺序为A>B>C>D。通过正交实验确定的混凝反应的最佳水力条件:以 160 r/min的转速搅拌 3.0 min,再以 40 r/min的转速搅拌 4.0 min。

3.2 pH值对混凝效果的影响

微生物混凝剂MBF-6在一定 pH值范围内表现出的良好混凝活性是由于在此 pH值范围内,胶体颗粒的表面电荷有所降低,使得颗粒之间的相互斥力减弱,从而有利于混凝剂与颗粒之间的桥联作用,促进架桥的形成和颗粒的沉淀[8]。另外,造纸废水的 pH值波动很大,因此选择微生物混凝剂MBF-6的适宜pH值范围非常必要。在常温及混凝剂用量 25 mL/L的条件下,用稀 H2SO4和 NaOH溶液调节废水的 pH值,考察 pH值对混凝效果的影响,实验结果见图1。

表2 正交实验结果

图1 pH值对混凝效果的影响

图1表明,在 pH值 5～8的范围内,微生物混凝剂MBF-6具有很好的混凝除污效果。所形成的絮体加入尿素后,絮体变得松散,因此微生物混凝剂MBF-6的混凝作用主要是氢键,由于微生物混凝剂MBF-6是一种多糖,其多羟基性使得分子具有较强的亲水性,易形成氢键,较大的分子质量使其分子在水中有较大的伸展度,因而较长的高分子链以吸附架桥为主要混凝方式。因此,微生物混凝剂MBF-6具有较好的混凝效果。最佳处理效果为:pH值 7.0时,SS的去除率为 95%,CODCr去除率为 83%。

3.3 混凝剂用量对混凝效果的影响

混凝剂的用量是影响使用成本的另一个重要因素。在常温及 pH值 7.0条件下,改变微生物混凝剂MBF-6的用量处理实验水样,其用量与 SS、CODCr去除率的关系见图2。由图2可知,随着微生物混凝剂MBF-6的加入,废水中 SS、CODCr的去除率先逐渐增大,当微生物混凝剂MBF-6用量为 25 mL/L时,混凝效果最好,用量继续增大时,混凝效果又变差。说明过高或过低混凝剂添加量对 SS、CODCr去除率均不利。在微生物混凝剂MBF-6添加量为 15～25 mL/L时,去除率保持较高的水平,但当微生物混凝剂MBF-6超过 25 mL/L时,去除率反而降低。这是因为附着于颗粒上的混凝剂的一部分伸展到整个溶液中,这些伸展的部分占据了相邻颗粒的空结合位点,从而形成分散颗粒的架桥而致凝聚产生。高浓度混凝剂会导致胶体的重新稳定,是因为颗粒表面饱和阻止了颗粒间最适的架桥效果,从而影响了去除率的发生[9]。

图2 微生物混凝剂MBF-6用量对混凝效果的影响

3.4 温度对混凝效果的影响

混凝处理温度与混凝效果的关系见图3。SS、CODCr去除率在 4℃时去除率最高,分别为 97%、94%;但随着温度的升高,SS的去除率变化不大,但 CODCr的去除率由 94%降至 76%左右。

图3 温度与 SS、CODCr去除率的关系

3.5 不同混凝剂混凝沉降性能比较

在最佳处理条件下,分别用微生物混凝剂MBF-6、Al2(SO4)3、FeCl3混凝剂处理实验水样,其中Al2(SO4)3在 pH值 7.0,140 r/min条件下投加,搅拌1 min,然后在 60 r/min条件下搅拌 20 min,搅拌停止后沉淀 30 min。FeCl3在 pH值 9.0,160 r/min的条件下投加,搅拌 1 min,然后在 80 r/min的条件下搅拌20 min,搅拌停止后沉淀 30 min。测定处理后废水 SS、CODCr去除率,其结果见表3。

表3 不同混凝剂处理造纸综合废水的结果 %

在实验中发现,加入微生物混凝剂MBF-6的水样所形成的絮体大而密实,沉降迅速 (如图4所示);而加入 Al2(SO4)3和 FeCl3混凝剂的水样所形成的絮体细小,沉降速度缓慢,这充分说明了微生物混凝剂MBF-6的混凝沉降性能最佳。

图4 微生物混凝剂MBF-6混凝沉降性能

4 结 论

4.1 实验室制备的微生物混凝剂MBF-6的使用范围较宽,在 pH值 5～8范围内均具有很好的混凝效果。常温下,微生物混凝剂MBF-6的最佳混凝条件为:pH值 7.0,用量 25 mg/L,先以 160 r/min的转速搅拌 3.0 min,再以 40 r/min的转速搅拌 4.0 min。静止沉降 10 min。在最佳混凝条件下,SS、CODCr的去除率分别为 95%、83%。

4.2 与传统混凝剂 Al2(SO4)3和 FeCl3相比,MBF-6混凝剂具有优良的混凝沉降性能,用其处理废纸造纸综合废水的效果优于传统混凝剂。

4.3 微生物混凝剂MBF-6在 pH值 5～8,温度为4℃时,SS、CODCr的去除率分别为 97%、94%,说明微生物混凝剂MBF-6可以在低温时使用且低温时对废水混凝处理效果优于高温时的效果。

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The Pretreat ment ofWastewater from Waste Paper BasedM ill byM icrobial Flocculants

ZENG Jian-zhong1HU Cui1L IAi-ping2L IN Jun-yue3,＊Y ING Shao-ming3
(1.College of Life Science,Jinggangshan University,Ji'an,Jiangxi Province,343009;2.Ji'an EnvironmentalM onitoring Station,Ji'an,Jiangxi Province,343009;3.College of Chem istry and Chem ical Engineering,Jing g angshan University,Ji'an,Jiangxi Province,343009)

A new type of effective coagulantMicrobial Flocculants(MBF-6)was prepared fromaspergillus oryzaeand used as coagulant in the trea tment of paper makingwastewater.The experimental results showed thatMBF-6 has a good coagulation effect in the trea tment of aper makingwastewater in a wide range of pH value.The removal rates of SS and CODCris 95%,83%respectively in the condition where temperature is normal,pH value is7.0 and dosage of the coagulant is25 mL/L.The temperature has little impacton the removal rate of SS,but has impact on the removal rate ofCODCr.In comparisonwith the conventional coagulants such asAl2(SO4)3and FeCl3,the coagulation performance ofMBF-6 is the best.The remarkable characteristics of thismethod are higher settlement rate and without adding salts which can deteriorate the papermaking system when the salts are accumulated.

microbial flocculants;coagulation;wastewater from reproduced papermaking

X793

A

0254-508X(2010)03-0027-04

曾建忠先生,讲师;主要从事环境微生物利用的研究工作。

2009-11-04(修改稿)

本课题为国家自然科学基金 (20867002)项目。

(＊E-mail:lin1972917@163.com)

(责任编辑:马 忻)