CN103803690A

CN103803690A - 一种模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂及其应用方法

Info

Publication number: CN103803690A
Application number: CN201410078328.5A
Authority: CN
Inventors: 柴立元; 李青竹; 颜旭; 王庆伟; 闵小波; 杨卫春; 王海鹰
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: CN103803690B

Abstract

本发明涉及一种模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂及其应用方法。该絮凝剂是由微生物胞外多糖（海藻酸钠、黄原胶和普鲁兰多糖）和疏水氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）复配而成，其重量配比m(氨基酸)/m(多糖)为2～8，最佳配比为8，投加时控制絮凝剂在体系中的浓度为20～40mg/L。本发明的显著特点为：各组分经复配后能充分发挥胞外多糖的架桥吸引作用和疏水氨基酸的疏水吸引作用，两种作用的叠加可有效促进重金属废水处理过程中非生物颗粒污泥的形成。所得非生物颗粒污泥与絮状污泥相比沉降性能提高了2～5倍，克服了重金属废水处理过程中固液分离难和传统高分子絮凝剂有毒有害的缺点。

Description

一种模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂及其应用方法

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂及其应用于促进重金属废水处理过程中非生物颗粒污泥的形成的方法。

背景技术

在重金属废水处理过程中，污泥的沉降分离性能是一个非常重要的指标，若产生的污泥沉降分离效果差，在后续沉降和运输过程中极易造成污泥反溶，污泥中的重金属会重新回到上清液中，使出水的重金属浓度和浊度都有所提高，严重影响处理效果。目前，重金属废水处理过程中产生的污泥一般呈絮状，其沉降速率往往小于1cm/s，难以达到高效固液分离的目的。为改善重金属废水处理过程中产生污泥的沉降效果，中南大学发明了一种在重金属废水处理过程中形成非生物颗粒污泥的方法（公开号：103288191A；公开日：2013-09-11），可使污泥沉降性能大幅度提高。

非生物颗粒污泥是指在没有微生物的条件下，化学沉淀法处理重金属废水过程中产生的沉淀颗粒通过生长、聚集和絮凝最终形成的结构紧凑、外形规则的聚集体。非生物颗粒污泥与絮状污泥相比，具有较大的颗粒尺寸、相对密实的微观结构和优良的沉降性能。在非生物颗粒污泥的形成过程中，絮凝剂的添加是决定能否形成颗粒状污泥的关键之一。之前的研究表明添加高分子聚丙烯酰胺作为絮凝剂可有效地促进颗粒污泥的形成，这是因为聚丙烯酰胺具有很高的分子量（约200～2000万），可在颗粒间产生很强的架桥吸引力。但聚丙烯酰胺属于化学合成高分子，价格昂贵且具有一定毒性。因此，有必要发明一种无毒、安全、可生物降解的新型絮凝剂替代聚丙烯酰胺。

为此，我们调研了传统生物颗粒污泥中起絮凝作用的胞外聚合物的性质和组成。结果表明，这些胞外聚合物中起絮凝作用的物质主要是微生物胞外多糖和蛋白质。其中，胞外多糖一般具有较大的分子量（如海藻酸钠约1～60万、黄原胶约200～5000万、普鲁兰多糖约2～200万），可发挥吸附架桥作用，产生架桥吸引力。胞外蛋白质主要由色氨酸和酪氨酸组成，这些氨基酸的结构中包含疏水性苯基，因此当这类氨基酸吸附在颗粒表面上时会产生疏水作用力，即在颗粒间产生疏水吸引力。架桥吸引和疏水吸引两种吸引力的叠加是促使生物颗粒污泥形成的重要原因。鉴于此，本发明旨在模拟生物颗粒污泥胞外聚合物的组成和性质，选用具有较大分子量的胞外多糖和具有疏水性苯基的氨基酸进行复配，从而获得了一种新型絮凝剂，可用于重金属废水处理过程中非生物颗粒污泥的形成。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂及其应用方法，该絮凝剂能有效促进重金属废水处理过程中非生物颗粒污泥的形成，极大的提高了污泥沉降性能，而且环保高效。

为实现上述目的，本发明是通过以下方式实现的：

一种模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂，由微生物胞外多糖和疏水氨基酸复配而成，疏水氨基酸与微生物胞外多糖的重量配比为2～8，最优配比为8。

所述的微生物胞外多糖包括海藻酸钠、黄原胶和普鲁兰多糖中的一种或几种的任意比例的混合物。

所述的疏水氨基酸包括酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸中的一种或几种的任意比例的混合物。

所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂的应用方法，将所述的絮凝剂投加至含重金属沉淀物的废水中，对其中的重金属沉淀物进行絮凝处理，形成非生物颗粒污泥。投加时控制絮凝剂在体系中的浓度为20～40mg/L。

本发明通过以下步骤实现非生物颗粒污泥的形成：首先根据发明专利《一种重金属废水处理过程中形成非生物颗粒污泥的方法》（公开号：103288191A；公开日：2013-09-11）中的方法。采用晶种添加法和并流加料控制结晶法对废水中的重金属离子进行沉淀，形成由重金属沉淀颗粒组成的悬浮液，然后，将所述的絮凝剂投加至沉淀反应完成后的悬浮液中。絮凝剂在体系中的浓度为20～40mg/L，快速搅拌（500～1000rpm）0.5～1min，使絮凝剂分散，再慢速搅拌（50～100rpm）5～20min，使污泥颗粒化，最终形成非生物颗粒污泥。与絮状污泥相比，本发明所得的非生物颗粒污泥的沉降性能可提高2～5倍。

所述的并流加料控制沉淀法生成重金属氧化物沉淀物的方法具体为：在搅拌速度为400～800rpm条件下，向100-300mL含晶种物质的悬浮水溶液中通过并流加料的方式分别滴加重金属离子浓度为100～1000mg/L的重金属废水和沉淀剂0.01～0.02mol/L的氢氧化钠水溶液；控制重金属废水的滴加速率不超过3mL/min；通过调节氢氧化钠水溶液的滴加速率控制反应体系的pH值为8.0～10.5；反应1小时；所述的晶种物质包括纳米或微米级的二氧化硅、氧化锌、氧化铜、氧化铅和氧化镉中的一种或多种；所述的含有晶种物质的悬浮水溶液的固体浓度为0.5～2.0g/L；反应过程中控制反应温度不低于25℃。

本发明处理的废水中的重金属离子包括Zn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺中的一种或多种。

本发明提供的模拟微生物胞外聚合物絮凝剂是一种无毒、安全、可生物降解的新型絮凝剂，其优点主要包括（1）综合了高分子架桥作用和疏水作用机制，可促进非生物颗粒污泥的形成，有效地提高了污泥的沉降性能；（2）以多种生物质原料为主，摒弃了铝盐、铁盐和有机合成高分子絮凝剂，安全无毒；（3）絮凝效率高，较形成生物颗粒污泥的时间大大缩短；（4）原料来源广泛、成本低、使用条件温和。

附图说明

图1实施例1中所得非生物颗粒污泥的形貌；

图2实施例2中所得非生物颗粒污泥的形貌；

图3实施例3中所得非生物颗粒污泥的形貌。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明，而不是对本发明的限定。

实施例1～3

在容器中配制浓度1g/L的胞外多糖（海藻酸钠、黄原胶或普鲁兰多糖）水溶液，在另一容器中配制浓度为1g/L的氨基酸（色氨酸、酪氨酸或苯丙氨酸）水溶液。然后将两种水溶液按一定比例混合（表1），经过均匀搅拌后，获得实施例1-3中的絮凝剂。

将一个反应烧杯置于恒温磁力搅拌装置上，向其中加入100mL含晶种物质纳米ZnO的悬浮液（固体浓度为1.5g/L）。控制反应温度为25±1℃，调节磁力搅拌子的转速为500rpm。然后向烧杯中同时分别滴加氢氧化钠溶液(0.01mol/L)和含锌废水(1000mg/L)，控制重金属废水的滴加速率为2.5mL/min,通过调节沉淀剂氢氧化钠溶液的滴加速率，控制反应pH为9.0±0.2，反应1h。然后，向沉淀反应完成后的悬浮液中投加一定量的实施例1-3制备的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂。然后快速(500rpm)搅拌30s，再慢速(50rpm)搅拌10min。静置30min，使污泥稳定并完全沉降。

对比例1

对比例1为《土木建筑与环境工程》杂志2010年第期中“短程硝化颗粒污泥的培养与特性分析”一文中所得的生物颗粒污泥。

图1～3为各实施例中所得污泥的形貌。由图1～3可见，所得污泥都呈颗粒状，可证明形成了非生物颗粒污泥。表1为各实施例和对比例中所得颗粒污泥的性质。由表1可见，各实施例中非生物颗粒污泥的沉降速率远大于絮状污泥（约0.2～0.4cm/s），沉降性能明显提高。此外，对反应前后水中的锌浓度的分析可知，各实施例中重金属的去除率均达到了99%。与对比例中的颗粒污泥相比，本发明所得污泥达到了颗粒污泥的标准，但颗粒污泥的形成时间却大大缩短。另外，在最优的配比m(氨基酸)/m(多糖)为8的条件下，非生物颗粒污泥的尺寸和沉降速率较其他颗粒污泥有所提高。

表1各实施例中所得非生物颗粒污泥的性质和废水处理效果

实施例	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1
					胞外多糖种类	黄原胶	海藻酸钠	普鲁兰多糖	/
氨基酸种类	色氨酸	苯丙氨酸	酪氨酸	/
					m(氨基酸)/m(多糖)	8	2	4	/
投加量(mg/L)	40	40	20	/
					形成颗粒污泥的时间（h）	2	2	2	600
污泥尺寸(mm)	1～5	1～2	1～2	1.1
					污泥沉降速率(cm/s)	2.6	1.8	2.2	1.9
重金属去除率	99%	99%	99%	/

Claims

1.一种模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂，其特征在于，由微生物胞外多糖和疏水氨基酸复配而成，疏水氨基酸与胞外多糖的重量配比为2～8。

2.根据权利要求1所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂，其特征在于，疏水氨基酸与胞外多糖的重量配比为8。

3.根据权利要求1所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂，其特征在于，所述的微生物胞外多糖包括海藻酸钠、黄原胶和普鲁兰多糖中的一种或几种的任意比例的混合物。

4.根据权利要求1所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂，其特征在于，所述的疏水氨基酸包括酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸中的一种或几种的任意比例的混合物。

5.权利要求1-4任一项所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂的应用方法，其特征在于，将所述的絮凝剂投加至含重金属沉淀物的废水中，对其中的重金属沉淀物进行絮凝处理，形成非生物颗粒污泥。

6.根据权利要求5所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂的应用方法，其特征在于，投加时控制絮凝剂在体系中的浓度为20～40mg/L。

7.根据权利要求5所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂的应用方法，其特征在于，首先采用并流加料控制结晶法对废水中的重金属离子进行沉淀，形成由重金属沉淀颗粒组成的悬浮液，再投加所述的絮凝剂。

8.根据权利要求7所述的模拟微生物胞外聚合物组成的絮凝剂的应用方法，其特征在于，采用并流加料控制沉淀法生成重金属氧化物沉淀物：在搅拌速度为400～800rpm条件下，向100-300mL含晶种物质的悬浮水溶液中通过并流加料的方式分别滴加重金属离子浓度为100～1000mg/L的重金属废水和沉淀剂0.01～0.02mol/L的氢氧化钠水溶液；控制重金属废水的滴加速率不超过3mL/min；通过调节氢氧化钠水溶液的滴加速率控制反应体系的pH值为8.0～10.5；反应1小时；所述的晶种物质包括纳米或微米级的二氧化硅、氧化锌、氧化铜、氧化铅和氧化镉中的一种或多种；所述的含有晶种物质的悬浮水溶液的固体浓度为0.5～2.0g/L；反应过程中控制反应温度不低于25℃。