生物絮凝劑在環境廢水處理中的應用
摘 要:介紹了生物絮凝劑的種類和特點,絮凝機理及在發酵、食品、電鍍、和石化工業廢水處理中的應用,進 一步說明了目前生物絮凝劑研究工作中存在的問題和今后的主要研究方向。
關鍵詞:生物絮凝劑;環境廢水;應用
生物絮凝劑又被稱為第三代絮凝劑,是利用生 物技術,通過生物發酵、抽提、精制而得到的一種具 有生物分解性和安全性的新型、高效、無毒、廉價的 水處理劑。生物絮凝劑最突出的特點是具有生物降 解性,與傳統絮凝劑相比,具有高效、無毒、易降解、 無二次污染和用途廣泛及脫色效果獨特等特點,是 環境友好型絮凝劑[1~2]。尤其是在環境廢水處理 方面,其展示了獨特的優勢,許多生物絮凝劑的研究 正向著污水處理的工程應用方面發展。生物絮凝劑 處理的對象有活性污泥、粉煤灰、高嶺土、糞便水、印 染廢水、電鍍廢水、石油化工廢水、墨水、泥水、河底 沉積物、果汁等。在生活污水和各種工業廢水中,常 含有不同種類和數量的懸浮體和膠體,這些顆粒自 動凝聚成大顆粒,但從分散介質中沉淀出來的速度 卻很慢,一般在各種廢水處理中先加入絮凝劑使這 些溶膠和懸浮體脫穩,進而凝聚成大顆粒沉淀出來, 達到污水處理的目的。
1 生物絮凝劑的種類和特點
生物絮凝劑按照絮凝劑的存在形式劃分,可以 分為:(1)直接利用生物細胞作為絮凝劑,如一些微 生物細胞體、細菌或真菌等;(2)利用生物細胞提取 物作為絮凝劑,生物產生的絮凝物質為糖蛋白、黏多 糖、蛋白質、纖維素、DNA等高分子物質,如酵母細 胞壁的葡聚糖、N-乙酰葡萄糖胺、絲狀真菌細胞壁 多糖等,對許多微生物細胞及其它帶負電荷的粒子 都具有極強的絮凝力;(3)天然有機生物大分子抑或 通過改性獲得的生物絮凝劑,如淀粉官能團的化學 轉化和接枝共聚反應,可合成出一系列無毒、低成本 而又具有良好絮凝效果的生物高分子絮凝劑。殼聚 糖及其衍生物、纖維素等也可以作為良好的絮凝劑, 在環境污水處理中具有重要應用[3]。
與傳統的絮凝劑相比,生物絮凝劑具有如下特 點:(1)種類繁多。地球上的生物來源絮凝劑種類繁 多,尤其是微生物絮凝劑,容易變異,分布極廣,為開 發新型的生物絮凝劑提供了廣闊的空間;(2)絮凝高 效無毒。同等用量下,與現在常用的鐵鹽、鋁鹽、聚 丙烯酞胺相比,生物絮凝劑對活性污泥的絮凝速度 最高,而且絮凝沉淀物容易過濾。生物絮凝劑屬于 天然有機高分子,一般安全無毒;(3)可以消除二次 污染。有機高分子絮凝劑如PAM用量少,絮凝速 度快,但殘留物不易被生物降解,且其單體有強烈的 神經毒性和“三致”效應,造成二次污染,也要限制其 應用。生物絮凝劑絮凝后的殘渣可以被生物降解, 對環境無害[4];(4)經濟廉價。生物絮凝劑的生產 工藝簡單,成本也較低,與化學絮凝劑相比具有較好 的經濟效益。生物絮凝劑的以上優勢促進了該類絮 凝產品的研究開發,為有效地處理環境污水提供了 廣闊的研究空間。
2 生物絮凝劑的絮凝機理
2·1 “架橋”機理
生物絮凝劑是一種高分子聚合物,具有長鏈線 狀的結構,在鏈節上有相當多的活性功能基團,可以 帶有多價電荷,也可以不帶電荷。它們通過靜電引 力、范德華分子引力或者氫鍵的作用,強烈地吸附在由廢液殘渣構成的膠粒表面。一個高分子聚合物的 許多鏈節分別吸附在不同顆粒的表面上,產生了架 橋連接,生成粗大的絮團。也有人指出,在膠體顆粒 的絮凝過程中,電中和效應也是不容忽視的。溶液 中帶有多個電荷的多價電解質能夠與顆粒表面帶的 相反電荷發生中和,從而減弱顆粒間彼此的相互排 斥力,促進顆粒的絮凝沉降,為絮凝劑的架橋提供了 有利條件。另外,形成小粒絮體的絮凝劑在重力作 用下沉降的過程中,象一張過濾網下降運動,迅速匯 集了水中膠粒產生沉淀,加強了這種絮凝作 用[5~6]。
2·2 Friedman菌體外纖維素行為學說[7] 菌體外纖維素行為學說主要是針對纖維素類絮 凝劑的絮凝機理提出的。由于部分引起絮凝的產生 菌體外有纖絲,因而該學說認為是由于胞外纖絲聚 合形成絮凝物。該假說可以對非游離態生物絮凝劑 的作用機理做出合理解釋。
2·3 疏水學說
生物絮凝劑的組分各不相同,它們其中的許多 物質對水具有較強的親和性,這樣容易破壞膠體微 粒表面的水化層,使其脫水而沉聚。
之外還有莢膜學說、病毒假說等多種理論解釋 絮凝機理[8~9]。生物絮凝劑作為帶電荷的生物大 分子,作用機理尚處于探討和完善階段。對于其絮 凝機理,其中的架橋機理是被廣泛接受并認同的。
3 凈化環境污水的應用
廢水處理技術按照處理程度可以分為一級、二 級和三級處理。一級處理主要去除水中呈懸浮狀態 的固形物。二級處理主要去除膠體微粒和溶解狀態 的有機污染物質,使有機污染物達到排放標準。三 級是進一步處理難降解的有機物、磷、氮及重金屬離 子,使廢水能夠回收再次被利用。由于各種各樣的 生物絮凝劑是通過架橋作用將被絮凝的物質集聚在 一起的,作用的對象非常廣泛,包括各種各樣的微生 物、泥漿、土壤固體懸浮顆粒、煤灰、纖維素、染料、重 金屬離子等等。
3·1 城市生活排放污水處理
隨著城市化率不斷提高,我國的城市污水量高 速度增長。由于資金、能源等的限制,城市污水處理 率還很低。普魯士蘭生物絮凝劑用于城市生物污水 處理可以獲得較為滿意的效果。其成分為無定型多 糖大分子,抗酸堿能力較強,也可以與無機絮凝劑 (鐵鹽、鋁鹽)復合使用,充分發揮了無機絮凝劑的電 荷的中和及分子的脫穩作用,同時兼顧了普魯士蘭 的吸附架橋作用,絮凝效果良好[10]。另外,也可以 采用微生物絮凝劑方法,篩選優良的生物絮凝劑生 產菌株,通過選擇合適的投放劑量和最佳絮凝條件, 以達到提高污染物的去除率,高效、低耗處理城市生 活污水的目的。李桂嬌[11]等篩選出了3株絮凝活 性很高的菌種(JSP-18、JSP-26、WU-16),所產絮凝 劑在適宜條件下對高嶺土懸濁液的混凝率大于 95%,對城市生活污水的濁度去除率分別為 74·4%、75·3%、71·0%,取得了較好的效果。
3·2 工業廢水處理
3·2·1 發酵工業廢液處理
發酵工業廢水中殘存著大量的微生物,可以進 一步作為飼料加工原料,傳統的離心或者過濾的方 法都是很耗能的過程,采用生物絮凝劑的方法較為 經濟簡便。生物絮凝劑表現出對微生物細胞廣譜良 好的絮凝沉降效果,利用絮凝劑來沉降菌體細胞可 使能耗大大減少。例如,絮凝劑PF-101發酵液稀釋 109%后仍可對E.coli細胞表現出高絮凝活性。As- pergill us sp.JS-42絮凝劑也可有效地絮凝水中微生 物[12]。又如,啤酒廠廢水中含有許多易被生物降解 的有機物,如麥糟、糖類、啤酒殘液、洗滌劑和其它一 些污物,其中COD、BOD高達1000 mg·L-1以上。 廢液中有機物含量較高,直接排放會大量消耗水體 中的溶解氧,導致環境惡化。對于啤酒廢液的處理 多采用好氧生物處理法,不僅電耗大、成本高,而且 處理后廢水中的N、P含量仍然偏高。國內有人采 用硅酸鹽細菌GY03菌株所產生的高效生物絮凝 劑,對啤酒廠廢水的處理具有良好的絮凝效果。添 加絮凝劑能明顯起到加速沉降,降低啤酒廢水出水 濁度的作用。生物絮凝劑的沉降處理效果明顯優于 常用的化學絮凝劑[13]。
3·2·2 食品工業廢水處理
食品工業及餐飲業廢水中往往含有大量可利用 成分,需回收再利用,生物絮凝劑由于無毒無二次污 染,可達滿意效果。殼聚糖是天然的陽離子型絮凝 劑,具有中和電荷及分子絮凝的雙重作用,自身無毒 無味,在水質凈化過程中不存在二次污染,對于回收 廢液中的有用物質極為有利[14]。其分子鏈上的陽 離子基團吸引帶負電荷的膠體微粒,中和了膠體微 粒表面的部分電荷,并通過高分子鏈的架橋作用產 生絮凝沉降,可與廢水中絕大部分呈膠體狀并帶負電荷的淀粉類和蛋白質等物質快速絮凝沉淀。鄧述 波[15]等研究報道,使用陰離子多糖類絮凝劑MBF A9對淀粉廢水進行處理,1 m3廢水可回收2 kg固 體沉淀,廢水中的SS、COD去除率分別達85·5%、 68·5%,效果明顯優于常用的化學絮凝劑。
3·2·3 在染整工業廢水處理中的應用
染料廢水是一種很難處理的工業廢水,含有較 難降解的有機物,而且成分復雜,色度高。染料分子 若含有較多的親水性基團,如COOH、OH等,則 染料溶于廢水中,親水性基團含量較少則以疏水性 微粒的形式懸浮與廢水中,若分子量大,則以膠體形 式分散在溶液中。生物絮凝劑對于破壞這些顯色的 微粒或膠體,使水體的BOD、COD和色度降低具有 重要的作用。肖子敬等[16]采用成型化的膨潤土基 多孔粘土材料作為固定混合脫色菌的載體,成功地 制成了膨潤土固定化細胞顆粒材料,應用于染料陽 離子紅X-GAL的脫色處理,具有良好的效果。
3·2·4 在電鍍工業廢水處理中的應用
電鍍行業每年產生大量含重金屬離子的廢水。 對含重金屬離子廢水的處理是一個世界性的難題, 目前常用的處理方法有化學沉淀法、離子交換與吸 附、電解法等,但都存在一定的缺陷,如成本高昂或 產生二次污染等。生物絮凝劑由于具有來源廣、吸 附能力強、適用條件寬、易于分離回收等特點,已廣 泛應用于金屬廢水處理領域。甲殼素和殼聚糖的糖 殘基在C2上有一個乙酰氨基或氨基,在C3上有一 個羥基,這種特殊結構使得它們對具有一定離子半 徑的一些金屬在一定的pH值條件下具有螯合作 用,用于貴金屬的回收和工業廢水的處理,效果較 好。陶穎[17]等用假單胞菌Gx4-1胞外高聚物制得 的絮凝劑對水中Cr(Ⅳ)進行了有效絮凝吸附研究, 適宜條件下的去除率達51%。
3·2·5 煉油廢水處理
煉油廢水是原油煉制、加工及油品水洗等過程 中產生的一類廢水,其污染物的種類多、濃度高,對 環境的危害大。尹華[18]等對多糖微生物絮凝劑 JNBF-25的結構和性質進行研究,該絮凝劑對石化 廢水有良好的處理效果,并且對污泥的沉降性能有 較好的改善。
4 展望
目前國內微生物絮凝劑的研究和應用大多處在 實驗室階段,實際生產中尚未得到推廣應用。對于 產生生物絮凝劑的菌種,培養基的成本較高,同時絮 凝劑產量較低,是生物絮凝劑研究進展緩慢的重要 原因。為了降低生物絮凝劑合成成本,必須尋找廉 價原料來代替高價原料,開發低成本培養基,這也成 為近幾年來國外眾多絮凝劑工作者的主要研究目 標。同時采用分子生物學技術研究絮凝劑生產的關 鍵基因,通過增加基因的拷貝數和表達量來增加絮 凝劑的產量。另外,通過代謝控制手段提高生物絮 凝劑的產量,發展適合生物絮凝劑研制與應用的新 技術、新工藝,探討生物絮凝劑與無機絮凝劑和有機 高分子絮凝劑結合使用的復合型絮凝劑等,都是今 后生物絮凝劑在水處理中的研究方向。
參考文獻:(略)
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