蟬花絮凝劑的固定化培養及其對洗煤廢水絮凝率影響研究

李婧， 孟凡麗， 王程程， 肖勁松， 孫嘉龍

（1.貴州省環境科學研究設計院， 貴陽 550081； 2.貴州省水污染控制與資源化技術研究重點實驗室，貴陽 550081； 3.貴州理工學院 資源與環境工程學院， 貴陽 550003）

洗煤廢水是濕法選煤所產生的工業尾水， 洗煤廢水中懸浮物濃度和COD 濃度都很高， 不僅具有懸濁液的性質， 細煤泥顆粒、 粘土顆粒等粒度非常小， 顆粒表面帶有較強的負電荷， 而且往往帶有膠體的特性， 久置不沉， 難以處理［1-2］。 侯志祥［3］采用微生物絮凝劑處理洗煤廢水， 取得了較好的絮凝效果。 貴州大學真菌資源研究所篩選出了一種蟬花菌株GZUIFR-6722［4］， 經提取得到的蟬花絮凝劑GZUIFR-6722 粗品對洗煤廢水具有較好的絮凝效果［5-6］， 但蟬花絮凝劑GZUIFR-6722 同樣具有微生物絮凝劑產量低、 絮凝性質不穩定的問題［7］。 固定化細胞技術是一種高效的發酵技術， 近年來廣泛應于發酵［8-10］， 有研究表明固定化細胞技術在提高生物絮凝劑生產能力、 降低絮凝劑成本方面有顯著優勢［11-12］， 成為了近年來的研究熱點， 吸附式固定化技術已成為熱門的固定化培養細胞技術［13-15］。

本研究以洗煤廢水為處理對象， 采用吸附固定方法制備固定化微生物絮凝劑， 以探究固定化技術對微生物絮凝劑產量和絮凝效率的影響， 為提高蟬花絮凝劑對洗煤廢水的處理效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用洗煤廢水樣品取自貴州省某洗煤廠， 該洗煤廠采用濕法重力浮選工藝， 洗煤水為廠區內循環水， 濕法浮選后的水經過廠區內自建的水處理設備處理后（絮凝劑為PAM）回用， 產生的洗煤廢水不外排。 洗煤廢水的水質分析結果如表1 所示。 該洗煤廢水呈弱酸性， 水中含有大量的懸浮物， 且COD 和氨氮含量也較高。

表1 某洗煤廠洗煤廢水水質Tab.1 Quality of coal washing wastewater from a coal wahsing plant

1.2 試驗材料

（1） 固定化載體。 固定化細胞技術所采用載體的物理化學性質直接影響所固定細胞的生物活性和體系傳質性能。 理想的載體材料應具有對微生物無毒性、 傳質性能好、 性質穩定、 壽命長、 價格低廉等特性［16-17］。 洗煤廢水絮凝沉淀后的固渣主要成分為煤泥， 絮凝沉降的煤泥需實現資源化利用， 因此固定化載體需可燃； 由于吸附固定化方法需將固定化載體與蟬花一起培養產絮凝劑， 載體應質量較小， 以便能與微生物充分接觸且不破壞細胞和菌絲。 綜上， 選擇了硅藻土、 活性炭、 絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑共6 種固定化載體。

將硅藻土、 活性炭、 絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑分別洗凈， 用5%NaOH 溶液煮沸30 min， 然后用蒸餾水洗至中性， 用5%HCl 浸泡30 min， 然后用蒸餾水洗至中性， 1×105Pa 滅菌30 min［18］。

（2） 蟬花絮凝劑菌株。 保存于貴州大學真菌資源研究所的穩定高產絮凝劑菌株GZUIFR-6722。

1.3 試驗方法

（1） 固定化載體培養蟬花絮凝劑絮凝效果試驗。 將經過預處理的固定化載體（硅藻土、 活性炭、絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑）加入到裝有滅菌后培養基（100 mL／250 mL）的三角瓶中， 接種孢子濃度均為1 × 107個／mL［蟬花菌株GUZIFR-6722］， 于25 ℃、 140 r／min 振蕩培養7 d 后測定發酵上清液的絮凝率， 探究固定化培養微生物絮凝劑制備過程中不同載體對絮凝活性的影響。

（2） 載體-蟬花復合絮凝劑絮凝效果試驗。 將經過預處理的固定化載體（硅藻土、 活性炭、 絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑）加入到已培養完成的蟬花絮凝劑中（下文簡稱載體-蟬花復合絮凝劑）， 140 r／min振蕩1 h， 使其充分混合， 制備載體-蟬花復合絮凝劑， 測定其絮凝率， 探究固定化載體復合微生物絮凝劑制備過程中不同載體對絮凝活性的影響。

（3） 微生物絮凝劑對洗煤廢水水質的影響試驗。 在上述試驗基礎上， 優選出秸稈培養蟬花絮凝劑和秸稈-蟬花復合絮凝劑2 種絮凝劑材料對洗煤廢水進行絮凝試驗， 分別在絮凝10、 30、 60、 180 min 時， 取30 mL 處理后的洗煤廢水， 分析其pH值、 電導率、 懸浮物、 COD 和氨氮， 探究不同絮凝劑材料對洗煤廢水性質的影響。

1.4 分析方法

pH 值、 電導率、 懸浮物、 COD、 氨氮均按照國家標準方法測定［19-23］。

取49 mL 洗煤廢水加入50 mL 比色管中， 再加入1 mL 蟬花絮凝劑上清液， 比色管上下快速顛倒10 次混勻， 靜置5 min。 取液面1 cm 以下液體在其最大吸收波長處測定吸光值， 確定蟬花絮凝劑處理洗煤廢水的絮凝效果， 絮凝率E（%）計算公式［24］如下：

式中： A 為空白對照樣的OD660； B 為蟬花絮凝劑處理后洗煤廢水的OD660。

2 結果與討論

2.1 不同固定化載體培養蟬花絮凝劑對洗煤廢水絮凝效果

通過固定化微生物技術培養出6 種蟬花絮凝劑， 不同固定化載體培養蟬花絮凝劑對洗煤廢水絮凝效果見圖1。 由圖1 可知， 不同固定化載體培養出的絮凝劑的絮凝率在4.42%～63.51%之間， 且差異顯著； 總體上看， 固定化微生物技術培養出的絮凝劑中， 絮凝效果最好的是秸稈培養蟬花絮凝劑，絮凝率達63.51%±0.27%。 這是因為秸稈材料中富含纖維素和木質素等天然高分子， 分子鏈上分布有大量的羥基、 羧基等活性基團， 對水體中的污染物質具有良好的絮凝及絡合吸附作用［25-26］。 由于微生物具有產絮凝劑不穩定的特點， 固定化培養蟬花絮凝劑可以使絮凝劑比表面積增大、 提高絮凝劑的產量及穩定性， 后續研究可以考察更多類型的載體以進一步提高其絮凝效果。

圖1 固定化載體培養蟬花絮凝劑對洗煤廢水絮凝效果Fig.1 Flocculation effects of cicada flocculants cultivated by different immobilized carriers on coal washing wastewater

2.2 不同固定化載體-蟬花復合絮凝劑對洗煤廢水的絮凝效果

通過固定化載體復合蟬花絮凝劑技術制備的6種載體-蟬花復合絮凝劑對洗煤廢水絮凝效果如圖2。 由圖2 可知， 不同固定化載體-蟬花復合絮凝劑處理洗煤廢水的絮凝效果差異顯著， 固定化載體-蟬花復合絮凝劑中， 總體上絮凝效果最好的是秸稈-蟬花復合絮凝劑， 絮凝率達77.27%±0.03%。 楊曉霞等［27］的研究也表明， 以羧甲基化改性秸稈與無機鋁鹽復合， 制得一種改性秸稈-鋁鹽復合絮凝劑材料， 該復合絮凝劑在低投加量條件下， 對COD去除率達到65%， 可滿足污水初級處理的要求。

圖2 固定化載體-蟬花復合絮凝劑對洗煤廢水絮凝效果Fig.2 Flocculation effects of immobilized carriers-cicada composite flocculants on coal washing wastewater

2.3 不同微生物絮凝劑對洗煤廢水的絮凝效果

基于上述試驗結果， 優選出秸稈培養蟬花絮凝劑和秸稈-蟬花復合絮凝劑2 種絮凝劑進行對比絮凝試驗， 結果如圖3 所示。 由圖3 可知， 不同絮凝劑材料處理洗煤廢水的絮凝效果差異顯著。 固定化微生物與游離微生物相比， 具有易回收、 穩定性高、可連續化、 自動化操作等優點［28］， 將篩選出來具有某些特殊功能的高效菌種固定化后， 微生物細胞不易流失， 并可以根據具體的處理要求， 控制反應器內的生物量和傳質面， 使得處理效能大大增強［29］。

圖3 不同微生物絮凝劑對洗煤廢水的絮凝效果Fig.3 Flocculation effect of different microbial flocculants on coal washing wastewater

秸稈-蟬花復合絮凝劑對洗煤廢水的絮凝效果隨著絮凝時間的延長而增加； 秸稈培養蟬花絮凝劑的絮凝效果在10 ～60 min 內隨著絮凝時間的延長而增加， 超過60 min 后絮凝效果有所降低。 這是因為絮凝時間過長會導致原先形成的部分沉降顆粒相互碰撞分解變為不沉降顆粒， 使絮凝效果降低。文獻［30］研究結果表明， 絮體絮凝分為絮體生長階段和穩定階段， 絮體逐漸聚集為大尺寸絮體的過程中絮體數量減小， 導致有效碰撞速率逐漸降低， 絮體生長速率逐漸減??； 當有效碰撞速率等于絮體破碎速率時， 絮體不再生長， 進入穩定階段； 當絮凝達到穩定狀態后， 絮體破碎和聚集仍在不斷發生，此過程絮體破碎次數不斷積累。 因此， 在絮凝過程中應注意時間不宜過長， 秸稈培養蟬花絮凝劑和秸稈-蟬花復合絮凝劑的最佳絮凝時間為60 min。

2.4 微生物絮凝劑處理洗煤廢水后水質變化

2.4.1 pH 值變化情況

試驗用洗煤廢水呈弱酸性， pH 值在6.73 ～6.77 之間， 采用上述2 種絮凝劑處理洗煤廢水， 考察pH 值的變化情況， 并與對照組洗煤廢水的pH值變化情況進行對比， 結果如圖4 所示。

圖4 微生物絮凝劑對洗煤廢水pH 值的影響Fig.4 Effect of microbial flocculants on pH value of coal washing wastewater

由圖4 可知， 不同微生物絮凝劑材料處理洗煤廢水后的pH 值差異不顯著， 總體上洗煤廢水仍然呈弱酸性。 該絮凝劑多為大分子多糖或蛋白， 使得絮凝劑分子對pH 值的變化有一定的敏感性， 絮凝過程中必然伴隨著絮凝劑與絮凝對象表面電荷的變化， 隨著時間的延長， pH 值發生一些變化， 因此存在著一定差異［31］。

2.4.2 懸浮物濃度變化情況

2 種絮凝劑處理洗煤廢水后懸浮物濃度變化情況如圖5 所示。 由圖5 可知， 隨著靜置時間的延長，懸浮物的含量均呈降低趨勢， 表明微生物絮凝劑對洗煤廢水中懸浮物具有較好的沉降效果。 試驗過程中可以看出秸稈-蟬花復合絮凝劑較秸稈培養蟬花絮凝劑的懸浮物沉降速率更快， 絮凝效果更好。

圖5 微生物絮凝劑對洗煤廢水懸浮物的去除效果Fig.5 Effect of microbial flocculants on SS removal in coal washing wastewater

2.4.3 COD 濃度變化情況

2 種絮凝劑處理洗煤廢水后COD 濃度變化情況如圖6 所示。 由圖6 可知， 微生物絮凝劑對COD 有明顯的處理效果， 但各個時間段內不同絮凝劑對COD 去除效果的規律性不強。 韓懷芬等［32］的研究表明微生物絮凝劑產生菌的菌種發酵液對造紙廢水、 印染廢水的COD 去除率分別達到43.8%及57.1%， 由于不同微生物絮凝劑絮凝后絮體沉降速率不同， 導致廢水中COD 濃度差異較大。

圖6 微生物絮凝劑對洗煤廢水COD 的去除效果Fig.6 Effect of microbial flocculant on COD removal in coal washing wastewater

有研究表明， COD 濃度與懸浮物濃度存在著一定的關系， 懸浮物濃度降低， COD 濃度也降低。 秸稈-蟬花復合絮凝劑較秸稈培養蟬花絮凝劑的懸浮物沉降速率更快， 因此對COD 的去除效果也更好。

2.4.4 氨氮濃度變化情況

2 種絮凝劑處理洗煤廢水后氨氮濃度變化情況如圖7 所示。 由圖7 可知， 2 種絮凝劑對洗煤廢水中氨氮均無顯著處理效果， 分析認為加入的蟬花菌株GZUIFR-6722 產生的絮凝劑主要活性成分是菌株分泌到胞外的多糖類物質， 多糖類物質占絮凝劑總量的91%， 蛋白質占4%， 其他占5%［4］， 并且絮凝劑在培養過程中加入多種營養源， 這些營養源的殘留物質在與洗煤廢水作用后形成游離氨（NH3）和銨鹽（NH4+）等， 導致體系中氨氮濃度小幅上升。

圖7 不同絮凝劑材料處理洗煤廢水后氨氮變化情況Fig.7 Changes of ammonia nitrogen in coal washing wastewaer treated with different flocculants

3 結論

（1） 采用固定化微生物技術培養出的絮凝劑中， 絮凝效果最好的是秸稈培養蟬花絮凝劑， 絮凝率達63.51% ± 0.27%； 固定化載體復合制備的秸稈-蟬花復合絮凝劑絮凝效果最好， 絮凝率達77.27%±0.03%。

（2） 相同時間內秸稈培養蟬花絮凝和秸稈-蟬花復合絮凝劑對洗煤廢水中COD 均有一定的去除效果， 但對洗煤廢水中氨氮的處理效果不明顯； 不同絮凝劑材料均對洗煤廢水中懸浮物有一定的去除效果， 但耗時較長， 后續研究應在絮凝劑助劑的研發等方面提高絮凝劑的效率， 同時可以嘗試不同固定化載體、 采用大容量發酵培養或流動培養等方式， 進一步探究固定化微生物技術在廢水處理領域的應用。