菲律賓蛤仔黏附污泥用于廢水處理的生物絮凝劑特性研究

崔 霞，蔣錦繡，周海軍，穆 軍

（1.浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.大連交通大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

目前，絮凝劑被廣泛應(yīng)用于給水和廢水處理中，按其分子組成，可分為無機絮凝劑、合成有機高分子絮凝劑和天然高分子絮凝劑[1-2]。其中，無機絮凝劑主要有鐵鹽和鋁鹽兩大體系；合成有機高分子絮凝劑，主要為聚丙烯酰胺及其衍生物[1-2]。雖然無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑因其高效的絮凝活性和較低的生產(chǎn)成本而得到廣泛應(yīng)用，但同時也對環(huán)境產(chǎn)生了二次污染，影響人類的健康問題，例如，丙烯酰胺單體就是一種強烈的致癌物，且在環(huán)境中是不能被生物降解[3-4]。與傳統(tǒng)的合成絮凝劑相比，微生物絮凝劑以其無毒性和環(huán)境友好型的特點已越來越被重視，并且已經(jīng)廣泛用于各種行業(yè)，包括廢水和飲用水處理，染料脫色，食品，乳化和采礦等[5-8]。但是，目前的微生物絮凝劑研究仍存在一些問題，如生產(chǎn)成本高，復(fù)雜的發(fā)酵與回收過程等[9]，因此尋找新的生物絮凝劑產(chǎn)生途徑有重大的意義。

菲律賓蛤仔Ruditapes philippinarum黏附污泥已被報道是一種非常有前景的天然生物絮凝劑資源，具備絮凝、脫色、重金屬去除等典型微生物絮凝劑活性，且能自然沉淀、適合淡水和海水處理[10-13]。菲律賓蛤仔黏附污泥是指將新鮮的菲律賓蛤仔暫養(yǎng)在干凈的海水中進(jìn)行吐泥后收集的沉積污泥，其對去離子水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)的高嶺土懸濁液的絮凝活性分別為86.7%和91.8%，對海洋微藻的絮凝率為74.1%[10]。同時，菲律賓蛤仔黏附污泥也顯示了良好的脫色效果，其中，對亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫、孔雀綠和甲基藍(lán)等進(jìn)行脫色，在最佳條件下的脫色效率均高于90%[12]。然而，菲律賓蛤仔黏附污泥目前還停留在實驗室階段的絮凝脫色活性研究，針對實際廢水處理方面的一些性能還尚未進(jìn)行探討。

本文旨在探討菲律賓蛤仔黏附污泥生物絮凝劑在水處理過程中所表現(xiàn)出的特性，包括對去除廢水中的懸浮物，膨脹活性污泥的沉降性能改善，光合細(xì)菌掛膜和重金屬去除等特性，這是首次關(guān)于菲律賓蛤仔黏附污泥生物絮凝劑在廢水處理中的應(yīng)用研究，同時，研究結(jié)果也為菲律賓蛤仔黏附污泥作為微生物絮凝劑的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 天然菲律賓蛤仔黏附污泥來源

本研究采用菲律賓蛤仔黏附污泥作為絮凝劑。新鮮的菲律賓蛤仔采集于浙江省舟山市普陀區(qū)朱家尖海水養(yǎng)殖場內(nèi)，將蛤仔外殼表面的污泥用干凈的海水清洗后立即帶回實驗室。取1 kg左右的菲律賓蛤仔置于裝有2 L清潔海水的水箱中，在室溫（約25℃）條件下吐泥24 h后，棄掉上層海水，收集容器底部的沉淀物得菲律賓蛤仔黏附污泥樣品。

1.2 試驗方法

1.2.1 活性污泥沉降性能的比較

（1）活性污泥馴化：取舟山市某污水處理廠的活性污泥放入SBR反應(yīng)器內(nèi)，按日處理量2.1 g BOD5/d進(jìn)行馴化。馴化水按COD:N:P=100:5:1配制，COD為1 800 mg/L。SBR反應(yīng)器運行23 h，靜置、出水、進(jìn)水共1 h。馴化5 d后，測其SVI值。

（2）膨脹活性污泥馴化：在馴化成熟的SBR反應(yīng)器中逐漸加大有機負(fù)荷，使污泥出現(xiàn)膨脹。當(dāng)進(jìn)水COD增加到6 800 mg/L時，污泥出現(xiàn)膨脹，自然沉降不再下沉。

（3）在100mL膨脹的活性污泥中加入菲律賓蛤仔黏附污泥2 g，攪拌均勻，適量曝氣，分別測其前后的上清液的SS值與SVI值，對比其絮凝特性指標(biāo)的變化。其中，水質(zhì)中懸浮物SS值的測定方法為，將單位體積的水樣通過孔徑為0.45 μm的濾膜過濾，截留在濾膜上固體物質(zhì)于103～105℃烘干至恒重，所得恒重固體質(zhì)量與過濾水樣的體積比即為SS值。污泥體積指數(shù)（SVI）為曝氣池混合液經(jīng)30min靜沉后,相應(yīng)的1 g干污泥所占的容積（以mL計），計算公式為

1.2.2 光合細(xì)菌掛膜效果的比較

光合細(xì)菌菌種采自水庫深水中。光合細(xì)菌反應(yīng)器中溫度為27～30℃，白天采用自然光，夜間采用白熾燈光照，且通過小型氣泵進(jìn)行光照曝氣，取復(fù)合式填料進(jìn)行掛膜，當(dāng)出水COD值在一定周期內(nèi)基本穩(wěn)定時，表明掛膜成熟。在自然掛膜成熟后，用MPN計數(shù)法[14]對填料上的菌株進(jìn)行計數(shù)。穩(wěn)定2 d后，按1 g/L的量在光合細(xì)菌反應(yīng)器中加入菲律賓蛤仔黏附污泥，并進(jìn)行微曝氣30min，掛膜4 h后，用上述同樣的方法進(jìn)行菌株計數(shù)。

1.2.3 重金屬去除效果的比較

配制原液氯化銅溶液、氯化鋅溶液和氯化鎘溶液作為儲備液，濃度均為300 mg/L；將銅、鋅、鎘的儲備液分別稀釋為高、中、低不同濃度梯度的使用液；每個濃度的溶液中取兩份等體積的液體，其中一份用于菲律賓蛤仔黏附污泥試樣處理，另一份作為對照組；取1 g的黏附污泥分別加到銅、鋅、鎘重金屬的不同濃度的使用溶液中，在轉(zhuǎn)速為100 r/min的搖床下放置30min，然后靜置30min；在9 000 g的轉(zhuǎn)速下離心10min。取處理前、后的液體液面下2 cm處液體，用原子吸收分光光度計測其吸光度，工作條件為單束光，乙炔和空氣焰，銅、鋅、鎘空心陰極燈[15]。每種重金屬測吸光度前均先測其標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 菲律賓蛤仔黏附污泥生物絮凝劑對污泥沉降性能的影響

由表1可見，用菲律賓蛤仔黏附污泥試樣處理后的膨脹活性污泥上清液SS明顯低于處理前，去除率為49.3%，說明該絮凝劑可以有效去除廢水中懸浮顆粒物。通常，城市污水的污泥指數(shù)SVI值大部分控制在50～100，SVI指數(shù)過低，泥粒細(xì)小緊密，無機物過多，污泥缺乏活性和吸附能力；SVI指數(shù)過高，污泥膨脹或?qū)⒁蛎洠灰壮恋?，處理效果降低。由?中的SVI值測定結(jié)果表明，該絮凝劑可消除活性污泥膨脹的趨勢，使得膨脹污泥沉降性能得到了提高。由此可以說明菲律賓蛤仔黏附污泥可以作為絮凝劑去除廢水中SS，并能改善膨脹的活性污泥的沉降性能。

MU，et al[10]在研究菲律賓蛤仔黏附污泥作為生物絮凝劑處理淡水系統(tǒng)中的高嶺土懸浮物過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黏附污泥的投加量為8.0 g/L時，其絮凝率可達(dá)86.7%，證明了菲律賓蛤仔黏附污泥與大多數(shù)由絮凝劑產(chǎn)生菌所產(chǎn)生的生物絮凝劑相似，都表現(xiàn)出了高效的絮凝活性。同時，在絮凝海洋微藻方面，菲律賓蛤仔黏附污泥以6 g/L的投加量表現(xiàn)出了74.1%的絮凝率，再次說明菲律賓蛤仔黏附污泥所具有的絮凝特性。因此，菲律賓蛤仔黏附污泥在處理膨脹活性污泥時，其自身所具有的良好絮凝作用使膨脹的活性污泥得以沉降，同時也可以有效的去除上清液中的懸浮顆粒物。

表1 處理前后污泥沉降性能變化Tab.1 Variation of sludge settling characteristic before and after treatment

2.2 菲律賓蛤仔黏附污泥生物絮凝劑對光合細(xì)菌掛膜效果的影響

由表2可知，光合細(xì)菌自然掛膜情況下，梯度10-3有兩管呈陽性，梯度10-4有一管呈陽性，其它梯度均呈現(xiàn)陰性；加入菲律賓蛤仔黏附污泥掛膜后，梯度10-3有兩管呈陽性，梯度10-4有一管呈陽性，梯度10-5有一管呈陽性，其它梯度均呈現(xiàn)陰性。由MPN檢索表[14]可知，加入黏附污泥前后，掛在填料上的光合細(xì)菌數(shù)由1 500個上升到2 000個，促進(jìn)掛膜率為33.3%。由此表明該黏附污泥對光合細(xì)菌的掛膜起到一定的促進(jìn)作用。

有研究表明菲律賓蛤仔黏附污泥的絮凝成分可能與其中的微生物有關(guān)，目前已經(jīng)從菲律賓蛤仔黏附污泥中分離出了17株絮凝活性菌，其中，Rothia sp.ZHT4-13和Arthrobacter sp.ZHT3-9已被鑒定為新型的生物絮凝劑產(chǎn)生菌[12-13]，這意味著在黏附污泥的絮凝成分很可能來自于絮凝活性微生物所分泌的細(xì)胞外生物聚合物。MU,et al[10]在對菲律賓蛤仔黏附污泥中的有效絮凝活性成分進(jìn)行研究的過程中發(fā)現(xiàn)，黏附污泥的提取物是由97.8%多糖和2.2%蛋白質(zhì)組成；將提取物進(jìn)一步純化后可知其功能成分是兩種雜多糖RPMP-1和RPMP-2；分析它們的單糖成分發(fā)現(xiàn)，除葡萄糖含量不同外，都具有相同單糖組成。以上研究結(jié)果證明了菲律賓蛤仔黏附污泥中的絮凝活性菌所分泌的胞外多糖在黏附污泥有效絮凝成分中起到了關(guān)鍵性作用，因此，在光合細(xì)菌掛膜實驗過程中，通過菲律賓蛤仔黏附污泥的加入，由于其中的絮凝活性菌所分泌的胞外多糖的存在，促使了反應(yīng)器內(nèi)光合細(xì)菌與填料之間的黏附力，促進(jìn)了光合細(xì)菌掛膜的作用。

表2 投加菲律賓蛤仔黏附污泥前后掛膜菌株生長情況Tab.2 The growth situation of biofilm building strains before and after the conglutination mud addition

2.3 菲律賓蛤仔黏附污泥生物絮凝劑對重金屬去除效果的影響

從圖1、2、3可以看出，該菲律賓蛤仔黏附污泥對不同濃度的重金屬離子Cd2+、Zn2+、Cu2+都有不同程度的吸附去除效果；其中當(dāng) Cd2+、Zn2+、Cu2+的濃度分別為 5.09 mg/L、14.09 mg/L、255.81 mg/L時，該菲律賓蛤仔黏附污泥對它的吸附量最大，去除率可達(dá)72%、67%、92%。由此表明菲律賓蛤仔黏附污泥可用于重金屬的吸附去除，其中對重金屬離子Cu2+的吸附效果最好。

GAO,et al[13]在對菲律賓蛤仔黏附污泥中分離出的新型的生物絮凝劑生產(chǎn)細(xì)菌Rothia sp.ZHT4-13研究過程中發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生的生物絮凝劑MBF4-13在對重金屬離子Cr2O72-和Ni2+的去除有很好的效果，由于菲律賓蛤仔黏附污泥是一種含有大量絮凝活性菌的生物資源體，當(dāng)以黏附污泥作為生物絮凝劑吸附去除重金屬離子時，其中的部分功能性絮凝活性菌會對重金屬離子產(chǎn)生一定的吸附去除能力，從而展現(xiàn)出了菲律賓蛤仔黏附污泥對重金屬離子的吸附去除效果。

圖1 黏附污泥對不同濃度的Cd2+離子的去除率Fig.1 The removal efficiency of different concentrations of Cd2+by RPM

圖2 黏附污泥對不同濃度的Zn2+離子的去除率Fig.2 The removal efficiency of different concentrations of Zn2+by RPM

圖3 黏附污泥對不同濃度的Cu2+離子的去除率Fig.3 The removal efficiency of different concentrations of Cu2+by RPM

3 結(jié)論

采用天然菲律賓蛤仔黏附污泥作為生物絮凝劑，對水處理中常見的懸浮物去除，膨脹活性污泥性能改善，光合細(xì)菌掛膜以及重金屬去除等進(jìn)行探究后，結(jié)果表明，菲律賓蛤仔黏附污泥可以去除廢水中的懸浮物SS，去除率可以達(dá)到49.3%，同時，能有效改善膨脹的活性污泥的沉降性能，SVI值由處理前的108mL/g控制到了處理后的70mL/g；將菲律賓蛤仔黏附污泥加入到光合細(xì)菌反應(yīng)器中后發(fā)現(xiàn)，該黏附污泥對光合細(xì)菌的掛膜可以起到一定的促進(jìn)作用，促進(jìn)率為33.3%。菲律賓蛤仔黏附污泥還可用于重金屬離子Cd2+、Zn2+、Cu2+的吸附去除，當(dāng) Cd2+、Zn2+、Cu2+的濃度分別為 5.09 mg/L、14.09 mg/L、255.81 mg/L 時，黏附污泥對這些重金屬離子的吸附量最大，去除率分別可以達(dá)到72%、67%、92%。該研究表明菲律賓蛤仔黏附污泥作為生物絮凝劑在廢水處理中具有優(yōu)良的生物絮凝劑特性，因此，在其應(yīng)用方面具有非常大的開發(fā)和利用價值。