活性炭吸附固定微生物絮凝劑處理淀粉廢水技術(shù)
作為一種重要的工業(yè)原料，淀粉除供食用與加工食品外，更廣泛地應用于化工、紡織、醫(yī)藥、飼料、造紙、石油等行業(yè)。我國是淀粉生產(chǎn)與消費大國，近年來隨著不斷調(diào)整生產(chǎn)格局、引進先進技術(shù)，淀粉及其深加工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)水平得到明顯提升，然而淀粉廢水仍是食品工業(yè)中污染最嚴重的廢水之一。淀粉生產(chǎn)過程中廢水排放量很大，排放的廢水中含有大量淀粉、蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等有機物，屬于高濃度酸性有機廢水。
微生物絮凝劑是一種由微生物產(chǎn)生的、具有絮凝活性的生物物質(zhì)，主要由糖蛋白、纖維素和DNA等構(gòu)成，它是一種天然生物高分子絮凝劑，具有無毒害、高效、無二次污染、可生物降解的優(yōu)點?；钚蕴孔鳛橐环N環(huán)保的吸附材料，吸附性能很強，原料來源廣泛，使用起來也很安全，而且它在熱和酸的條件下都有不錯的吸附性能，對于廢水中存在的一些有機物有很好的吸附效果，比很多化學和生物法簡單。利用活性炭吸附固定微生物絮凝劑處理淀粉廢水時，在微生物和活性炭的協(xié)同作用下，不僅可以提高活性炭的吸附容量，而且還可以增強有機物質(zhì)和微生物的接觸時間，大大增加了被生物降解的幾率。本研究將活性炭吸附法和微生物絮凝劑的優(yōu)點組合，利用載體吸附固定絮凝劑的同時，增強微生物處理淀粉廢水的活性，活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)還可以為微生物提供棲息地，使微生物能夠耐受外界的不良環(huán)境，使得處理效果達到最佳。
1、實驗的主要儀器與藥品
1.1 實驗儀器
冰箱、滅菌鍋、電熱爐、電子天平、振蕩器、水浴鍋、pH計、濁度儀、培養(yǎng)箱等。
1.2 實驗藥品及試劑
1.2.1 實驗藥品
活性炭、牛肉膏、瓊脂、NaCl、葡萄糖、蛋白胨、硫酸銨、尿素、磷酸氫二鉀、酵母膏、可溶性淀粉、無水乙醇、氯化鈣，所有實驗藥品均為分析純。
1.2.2 試劑及其配制方法
2∶1體積的乙醇配制：準確量取100mL的無水乙醇和50mL的去離子水，混勻并倒入試劑瓶中備用。
淀粉廢水配制：稱取10g可溶性淀粉于研缽中，加入少許去離子水調(diào)成糊狀并研細，移至1000mL量筒中，加水至刻度。充分攪拌，靜止24h，用虹吸法仔細將上層液體移至試劑瓶中備用。
5%的氯化鈣溶液配制：稱取5g無水氯化鈣溶于95mL的去離子水中，充分攪拌并移至試劑瓶中備用。
2、實驗方法
2.1 活性炭的洗滌與篩分
將活性炭放入500mL的燒杯中，加入適量的水進行洗滌，然后放置在電熱爐上煮沸1h并置于120℃的烘箱中干燥12h后備用。將洗滌好的活性炭倒入篩網(wǎng)中進行篩分，將其篩分為12目以下、12～24目、24～40目、40～60目、60目以上5種類型活性炭備用。
2.2 微生物絮凝劑的制備
取北郊污水處理廠的活性污泥作為菌種來源，用接種環(huán)挑取細菌于試管中，加入去離子水，制成菌懸液并準確配成1×10-1～1×10-5的稀釋度，然后將配制好的菌懸液各1mL加入相應的無菌培養(yǎng)皿中，倒入溶化后的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基混合搖勻，于35℃進行菌種的富集培養(yǎng)，并觀察平板菌落特征。采用平板劃線法分離純化獲得單一菌種，將固體培養(yǎng)基內(nèi)的單菌用接種環(huán)挑取接入到液體培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，將條件控制為溫度30℃、搖床轉(zhuǎn)速120r/min、pH值7左右，發(fā)酵1～2天得到發(fā)酵液。將發(fā)酵液均勻倒入離心管中，放入離心機以4000r/min離心30min，取上清液于無菌小試管中加入等體積2∶1的乙醇洗滌后置于冰箱中分離出微生物絮凝劑備用。
2.3 活性炭吸附固定微生物絮凝劑最優(yōu)條件探究
2.3.1 活性炭最佳粒徑大小的選取
分別稱取0.5g12目以下、12～24目、24～40目、40～60目、60目以上5種類型的活性炭于250mL錐形瓶中，加入3mL微生物絮凝劑，置于振蕩器中振蕩1h，待活性炭吸附固定微生物絮凝劑后取出，分別加入2mL5%的CaCl2溶液和100mL配制好的淀粉廢水，置于振蕩器反應1h并靜置30min后，取其上清液測定濁度，并計算濁度去除率。根據(jù)計算出的濁度去除率，確定出活性炭的最佳粒徑大小。
2.3.2 活性炭吸附固定微生物絮凝劑處理有機廢水優(yōu)勢探究
利用2.3.1中選取出的40～60目的活性炭，分別將吸附固定好的活性炭、未處理的活性炭0.5g、微生物絮凝劑3mL置于3個250mL的錐形瓶中，分別加入2mL5%的CaCl2溶液和100mL配制好的淀粉廢水，置于振蕩器反應1h并靜置30min后，取其上清液測定濁度，并計算濁度去除率。根據(jù)計算出的濁度去除率，分析活性炭吸附固定微生物絮凝劑的優(yōu)勢。
2.3.3 活性炭吸附固定微生物絮凝劑的最佳用量比例
通過2.3.1確定出最佳活性炭粒徑大小為40～60目，各稱取0.5g于6個250mL錐形瓶中，并分別加入2mL、3mL、4mL、5mL、6mL微生物絮凝劑置于振蕩器中振蕩1h，待活性炭吸附固定微生物絮凝劑后取出，再加入2mL5%的CaCl2溶液和100mL配制好的淀粉廢水，置于振蕩器中振蕩1h后取出錐形瓶并沉淀30min，取其上清液測定濁度，并計算濁度去除率。根據(jù)計算出的濁度去除率，確定出活性炭和微生物絮凝劑的最佳用量比例。
2.4 廢水濁度去除率的測定方法
將處理前后的淀粉廢水靜置一段時間，取上清液用濁度儀測定廢水濁度，利用式（1）即可得濁度去除率。
式中：B0為原廢水的濁度；B為處理后廢水的濁度。
2.5 微生物絮凝劑最佳絮凝條件的探究
選擇出最佳的吸附固定條件后，利用正交實驗對最佳絮凝條件進行優(yōu)化。正交試驗選取的因素有溫度、pH值、投加量、時間4個影響因素，各因素下選擇4個值作為因素水平，分別為溫度A（20℃、30℃、40℃、50℃）、pH值B（6、7、8、9）、投加量C（3mL、4mL、5mL、6mL）、絮凝時間D（30min、60min、120min、180min），正交實驗選用正交表L16（44）進行實驗設(shè)計，總共進行16次實驗，正交實驗4個因素的各水平分配如表1所示。
3、實驗結(jié)論與討論
3.1 活性炭吸附固定微生物絮凝劑的最優(yōu)條件
3.1.1 不同粒徑活性炭對吸附固定效果的影響
按照2.3.1的實驗方法，改變活性炭粒徑大小吸附固定微生物絮凝劑處理淀粉廢水，通過測其廢水濁度，計算濁度去除率，選擇出最佳的活性炭粒徑。實驗結(jié)果如圖1所示。
從圖1可以看出，濁度去除率隨著活性炭目數(shù)的增加呈上升趨勢，活性炭粒徑為40～60目的時候去除效果最好，去除率達到80.96%，而粒徑為60目以上時去除率卻降低，這是因為活性炭粒徑過小會漂浮在廢水中，不容易沉降，從而對廢水的濁度造成一定影響。所以應當選用40～60目的活性炭吸附固定微生物絮凝劑，不僅吸附效果好而且比較容易沉降，能夠使得處理效果達到最佳。
3.1.2 活性炭吸附固定微生物絮凝劑處理有機廢水的優(yōu)勢
按照2.3.2的實驗方法，設(shè)置3個不同的對照組進行實驗，通過計算其濁度去除率的大小，分析活性炭吸附固定微生物絮凝劑的優(yōu)勢所在。實驗結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出，活性炭單獨處理廢水的濁度去除率比較低，只有38.71%，微生物絮凝劑單獨處理和兩者結(jié)合處理的濁度去除率相差不大，微生物單獨處理為80.96%，活性炭吸附固定微生物為81.64%，但兩者都比活性炭單獨處理的效果好。因為處理的是淀粉廢水，淀粉作為大分子有機物，會因為活性炭孔徑小而無法被吸附，而且微生物絮凝劑作為一種高效、無二次污染的絮凝劑明顯占有很大的優(yōu)勢?；钚蕴课轿⑸镄跄齽┖笈c絮凝劑單獨作用的效果相差不大，這是因為微生物絮凝劑被吸附后，已經(jīng)堵住了活性炭的一部分孔，影響活性炭直接對廢水的處理，所以兩者的濁度去除率相差不大。但利用活性炭作為載體，不僅有利于微生物絮凝劑對廢水的處理，而且漂浮在廢水中的絮凝劑更加容易沉降下來，也可以省去后續(xù)處理的許多麻煩，所以利用活性炭吸附固定微生物絮凝劑是一個更好的選擇。
3.1.3 不同用量比例對吸附固定效果的影響
按照2.3.3的實驗方法，通過改變活性炭吸附微生物絮凝劑的用量比例，測其廢水濁度，并計算濁度去除率，從而確定吸附固定的最佳用量比例。實驗結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出，隨著微生物絮凝劑投加量的增加，濁度去除率有上升趨勢，然后趨于平衡。當微生物絮凝劑投加量為6mL時去除效果最好，濁度去除率為96.21%。但當絮凝劑投加量為5mL時，濁度去除率已經(jīng)達到96.06%，因此投加量大于5mL后，趨勢線是近似達到平衡的。從圖3中也可以看出，當絮凝劑投加量為2mL時，濁度去除率僅為15.21%，這是因為投加量過少不僅不能充分處理廢水，而且影響形成的礬花量，過少的礬花不能夠聚合成大的團狀物沉降下來使得處理效果不佳。考慮到微生物制備成本等問題，微生物絮凝劑用量為5mL最合適。因此，在處理100mL的淀粉廢水時，利用0.5g的活性炭吸附固定5mL微生物絮凝劑為其最佳的用量比例。
3.2 微生物絮凝劑的最佳絮凝條件
選擇出最佳吸附固定條件后，利用正交實驗對最佳絮凝條件進行優(yōu)化。正交試驗選取因素有溫度、pH值、投加量、時間4個影響因素，并選擇4個值作為因素水平，正交實驗的結(jié)果及分析如表2所示。
從表2中可以看出，在實驗7所達到的條件下，淀粉廢水的濁度去除率最高，達到了97.7%，廢水的濁度僅為1.5NTU。由表2可知，RB>RD>RA>RC，而且RB的值為57.73，說明pH值對微生物絮凝劑絮凝效果的影響是非常顯著的。所以各因素中，pH值對淀粉廢水濁度去除效果影響最大，其次是絮凝時間、溫度，最后是投加量。因此，最佳的水平組合為A3B4C3D4，即絮凝條件為溫度40℃、pH值9、絮凝劑投加量5mL、振蕩時間180min時可以使得效果達到最佳。
4、結(jié)論
活性炭吸附固定微生物絮凝劑的最佳吸附條件為使用粒徑40～60目的活性炭，在處理100mL的淀粉廢水時，利用0.5g的活性炭吸附固定5mL的微生物絮凝劑。微生物絮凝劑處理淀粉廢水影響最大的因素為pH值，最佳的絮凝條件為溫度40℃、pH值9、絮凝劑投加量5mL、絮凝時間180min，可以使得濁度去除率最高，達到97.7%以上。（來源：太原市環(huán)境保護信息中心）
