生物絮凝剂在环境废水处理中的应用
摘 要:介绍了生物絮凝剂的种类和特点,絮凝机理及在发酵、食品、电镀、和石化工业废水处理中的应用,进 一步说明了目前生物絮凝剂研究工作中存在的问题和今后的主要研究方向。
关键词:生物絮凝剂;环境废水;应用
生物絮凝剂又被称为第三代絮凝剂,是利用生 物技术,通过生物发酵、抽提、精制而得到的一种具 有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒、廉价的 水处理剂。生物絮凝剂最突出的特点是具有生物降 解性,与传统絮凝剂相比,具有高效、无毒、易降解、 无二次污染和用途广泛及脱色效果独特等特点,是 环境友好型絮凝剂[1~2]。尤其是在环境废水处理 方面,其展示了独特的优势,许多生物絮凝剂的研究 正向着污水处理的工程应用方面发展。生物絮凝剂 处理的对象有活性污泥、粉煤灰、高岭土、粪便水、印 染废水、电镀废水、石油化工废水、墨水、泥水、河底 沉积物、果汁等。在生活污水和各种工业废水中,常 含有不同种类和数量的悬浮体和胶体,这些颗粒自 动凝聚成大颗粒,但从分散介质中沉淀出来的速度 却很慢,一般在各种废水处理中先加入絮凝剂使这 些溶胶和悬浮体脱稳,进而凝聚成大颗粒沉淀出来, 达到污水处理的目的。
1 生物絮凝剂的种类和特点
生物絮凝剂按照絮凝剂的存在形式划分,可以 分为:(1)直接利用生物细胞作为絮凝剂,如一些微 生物细胞体、细菌或真菌等;(2)利用生物细胞提取 物作为絮凝剂,生物产生的絮凝物质为糖蛋白、黏多 糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子物质,如酵母细 胞壁的葡聚糖、N-乙酰葡萄糖胺、丝状真菌细胞壁 多糖等,对许多微生物细胞及其它带负电荷的粒子 都具有极强的絮凝力;(3)天然有机生物大分子抑或 通过改性获得的生物絮凝剂,如淀粉官能团的化学 转化和接枝共聚反应,可合成出一系列无毒、低成本 而又具有良好絮凝效果的生物高分子絮凝剂。壳聚 糖及其衍生物、纤维素等也可以作为良好的絮凝剂, 在环境污水处理中具有重要应用[3]。
与传统的絮凝剂相比,生物絮凝剂具有如下特 点:(1)种类繁多。地球上的生物来源絮凝剂种类繁 多,尤其是微生物絮凝剂,容易变异,分布极广,为开 发新型的生物絮凝剂提供了广阔的空间;(2)絮凝高 效无毒。同等用量下,与现在常用的铁盐、铝盐、聚 丙烯酞胺相比,生物絮凝剂对活性污泥的絮凝速度 最高,而且絮凝沉淀物容易过滤。生物絮凝剂属于 天然有机高分子,一般安全无毒;(3)可以消除二次 污染。有机高分子絮凝剂如PAM用量少,絮凝速 度快,但残留物不易被生物降解,且其单体有强烈的 神经毒性和“三致”效应,造成二次污染,也要限制其 应用。生物絮凝剂絮凝后的残渣可以被生物降解, 对环境无害[4];(4)经济廉价。生物絮凝剂的生产 工艺简单,成本也较低,与化学絮凝剂相比具有较好 的经济效益。生物絮凝剂的以上优势促进了该类絮 凝产品的研究开发,为有效地处理环境污水提供了 广阔的研究空间。
2 生物絮凝剂的絮凝机理
2·1 “架桥”机理
生物絮凝剂是一种高分子聚合物,具有长链线 状的结构,在链节上有相当多的活性功能基团,可以 带有多价电荷,也可以不带电荷。它们通过静电引 力、范德华分子引力或者氢键的作用,强烈地吸附在由废液残渣构成的胶粒表面。一个高分子聚合物的 许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上,产生了架 桥连接,生成粗大的絮团。也有人指出,在胶体颗粒 的絮凝过程中,电中和效应也是不容忽视的。溶液 中带有多个电荷的多价电解质能够与颗粒表面带的 相反电荷发生中和,从而减弱颗粒间彼此的相互排 斥力,促进颗粒的絮凝沉降,为絮凝剂的架桥提供了 有利条件。另外,形成小粒絮体的絮凝剂在重力作 用下沉降的过程中,象一张过滤网下降运动,迅速汇 集了水中胶粒产生沉淀,加强了这种絮凝作 用[5~6]。
2·2 Friedman菌体外纤维素行为学说[7] 菌体外纤维素行为学说主要是针对纤维素类絮 凝剂的絮凝机理提出的。由于部分引起絮凝的产生 菌体外有纤丝,因而该学说认为是由于胞外纤丝聚 合形成絮凝物。该假说可以对非游离态生物絮凝剂 的作用机理做出合理解释。
2·3 疏水学说
生物絮凝剂的组分各不相同,它们其中的许多 物质对水具有较强的亲和性,这样容易破坏胶体微 粒表面的水化层,使其脱水而沉聚。
之外还有荚膜学说、病毒假说等多种理论解释 絮凝机理[8~9]。生物絮凝剂作为带电荷的生物大 分子,作用机理尚处于探讨和完善阶段。对于其絮 凝机理,其中的架桥机理是被广泛接受并认同的。
3 净化环境污水的应用
废水处理技术按照处理程度可以分为一级、二 级和三级处理。一级处理主要去除水中呈悬浮状态 的固形物。二级处理主要去除胶体微粒和溶解状态 的有机污染物质,使有机污染物达到排放标准。三 级是进一步处理难降解的有机物、磷、氮及重金属离 子,使废水能够回收再次被利用。由于各种各样的 生物絮凝剂是通过架桥作用将被絮凝的物质集聚在 一起的,作用的对象非常广泛,包括各种各样的微生 物、泥浆、土壤固体悬浮颗粒、煤灰、纤维素、染料、重 金属离子等等。
3·1 城市生活排放污水处理
随着城市化率不断提高,我国的城市污水量高 速度增长。由于资金、能源等的限制,城市污水处理 率还很低。普鲁士兰生物絮凝剂用于城市生物污水 处理可以获得较为满意的效果。其成分为无定型多 糖大分子,抗酸碱能力较强,也可以与无机絮凝剂 (铁盐、铝盐)复合使用,充分发挥了无机絮凝剂的电 荷的中和及分子的脱稳作用,同时兼顾了普鲁士兰 的吸附架桥作用,絮凝效果良好[10]。另外,也可以 采用微生物絮凝剂方法,筛选优良的生物絮凝剂生 产菌株,通过选择合适的投放剂量和最佳絮凝条件, 以达到提高污染物的去除率,高效、低耗处理城市生 活污水的目的。李桂娇[11]等筛选出了3株絮凝活 性很高的菌种(JSP-18、JSP-26、WU-16),所产絮凝 剂在适宜条件下对高岭土悬浊液的混凝率大于 95%,对城市生活污水的浊度去除率分别为 74·4%、75·3%、71·0%,取得了较好的效果。
3·2 工业废水处理
3·2·1 发酵工业废液处理
发酵工业废水中残存着大量的微生物,可以进 一步作为饲料加工原料,传统的离心或者过滤的方 法都是很耗能的过程,采用生物絮凝剂的方法较为 经济简便。生物絮凝剂表现出对微生物细胞广谱良 好的絮凝沉降效果,利用絮凝剂来沉降菌体细胞可 使能耗大大减少。例如,絮凝剂PF-101发酵液稀释 109%后仍可对E.coli细胞表现出高絮凝活性。As- pergill us sp.JS-42絮凝剂也可有效地絮凝水中微生 物[12]。又如,啤酒厂废水中含有许多易被生物降解 的有机物,如麦糟、糖类、啤酒残液、洗涤剂和其它一 些污物,其中COD、BOD高达1000 mg·L-1以上。 废液中有机物含量较高,直接排放会大量消耗水体 中的溶解氧,导致环境恶化。对于啤酒废液的处理 多采用好氧生物处理法,不仅电耗大、成本高,而且 处理后废水中的N、P含量仍然偏高。国内有人采 用硅酸盐细菌GY03菌株所产生的高效生物絮凝 剂,对啤酒厂废水的处理具有良好的絮凝效果。添 加絮凝剂能明显起到加速沉降,降低啤酒废水出水 浊度的作用。生物絮凝剂的沉降处理效果明显优于 常用的化学絮凝剂[13]。
3·2·2 食品工业废水处理
食品工业及餐饮业废水中往往含有大量可利用 成分,需回收再利用,生物絮凝剂由于无毒无二次污 染,可达满意效果。壳聚糖是天然的阳离子型絮凝 剂,具有中和电荷及分子絮凝的双重作用,自身无毒 无味,在水质净化过程中不存在二次污染,对于回收 废液中的有用物质极为有利[14]。其分子链上的阳 离子基团吸引带负电荷的胶体微粒,中和了胶体微 粒表面的部分电荷,并通过高分子链的架桥作用产 生絮凝沉降,可与废水中绝大部分呈胶体状并带负电荷的淀粉类和蛋白质等物质快速絮凝沉淀。邓述 波[15]等研究报道,使用阴离子多糖类絮凝剂MBF A9对淀粉废水进行处理,1 m3废水可回收2 kg固 体沉淀,废水中的SS、COD去除率分别达85·5%、 68·5%,效果明显优于常用的化学絮凝剂。
3·2·3 在染整工业废水处理中的应用
染料废水是一种很难处理的工业废水,含有较 难降解的有机物,而且成分复杂,色度高。染料分子 若含有较多的亲水性基团,如COOH、OH等,则 染料溶于废水中,亲水性基团含量较少则以疏水性 微粒的形式悬浮与废水中,若分子量大,则以胶体形 式分散在溶液中。生物絮凝剂对于破坏这些显色的 微粒或胶体,使水体的BOD、COD和色度降低具有 重要的作用。肖子敬等[16]采用成型化的膨润土基 多孔粘土材料作为固定混合脱色菌的载体,成功地 制成了膨润土固定化细胞颗粒材料,应用于染料阳 离子红X-GAL的脱色处理,具有良好的效果。
3·2·4 在电镀工业废水处理中的应用
电镀行业每年产生大量含重金属离子的废水。 对含重金属离子废水的处理是一个世界性的难题, 目前常用的处理方法有化学沉淀法、离子交换与吸 附、电解法等,但都存在一定的缺陷,如成本高昂或 产生二次污染等。生物絮凝剂由于具有来源广、吸 附能力强、适用条件宽、易于分离回收等特点,已广 泛应用于金属废水处理领域。甲壳素和壳聚糖的糖 残基在C2上有一个乙酰氨基或氨基,在C3上有一 个羟基,这种特殊结构使得它们对具有一定离子半 径的一些金属在一定的pH值条件下具有螯合作 用,用于贵金属的回收和工业废水的处理,效果较 好。陶颖[17]等用假单胞菌Gx4-1胞外高聚物制得 的絮凝剂对水中Cr(Ⅳ)进行了有效絮凝吸附研究, 适宜条件下的去除率达51%。
3·2·5 炼油废水处理
炼油废水是原油炼制、加工及油品水洗等过程 中产生的一类废水,其污染物的种类多、浓度高,对 环境的危害大。尹华[18]等对多糖微生物絮凝剂 JNBF-25的结构和性质进行研究,该絮凝剂对石化 废水有良好的处理效果,并且对污泥的沉降性能有 较好的改善。
4 展望
目前国内微生物絮凝剂的研究和应用大多处在 实验室阶段,实际生产中尚未得到推广应用。对于 产生生物絮凝剂的菌种,培养基的成本较高,同时絮 凝剂产量较低,是生物絮凝剂研究进展缓慢的重要 原因。为了降低生物絮凝剂合成成本,必须寻找廉 价原料来代替高价原料,开发低成本培养基,这也成 为近几年来国外众多絮凝剂工作者的主要研究目 标。同时采用分子生物学技术研究絮凝剂生产的关 键基因,通过增加基因的拷贝数和表达量来增加絮 凝剂的产量。另外,通过代谢控制手段提高生物絮 凝剂的产量,发展适合生物絮凝剂研制与应用的新 技术、新工艺,探讨生物絮凝剂与无机絮凝剂和有机 高分子絮凝剂结合使用的复合型絮凝剂等,都是今 后生物絮凝剂在水处理中的研究方向。
参考文献:(略)
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