王 鑫,于博洋,劉 晴,高星愛(ài),韓麗麗,吳思月,閆秋良,張淑瑩,李忠和

(1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130033;2.公主嶺市黑林子鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,吉林 公主嶺 130119;3.吉林省長(zhǎng)春生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,吉林 長(zhǎng)春,130022;4.吉林省動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心,吉林 長(zhǎng)春 130062)

殼聚糖(1,4-2-氨基-β-D-葡聚糖)是一類由高分子化合物組成的天然堿性多糖,因其無(wú)毒、易生物降解等特點(diǎn)使其在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1-2].然而在自然條件下,天然殼聚糖存在水溶性差、pH適用范圍窄等缺點(diǎn),需要對(duì)其進(jìn)行改性處理,進(jìn)而限制了殼聚糖的應(yīng)用推廣[3].

養(yǎng)殖污水成分復(fù)雜,在經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的生物處理后往往需要再進(jìn)行進(jìn)一步的深度處理以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[4].在眾多污水處理方法中,絮凝法能有效去除污水中顆粒物和高分子有機(jī)化合物,而為了進(jìn)一步提高絮凝環(huán)節(jié)的處理水平,經(jīng)常利用多種絮凝劑之間的協(xié)同特性,復(fù)配制作絮凝劑[5].殼聚糖作為天然的高分子多糖有機(jī)絮凝劑,含有氨基、羥基、酰胺基等多種有機(jī)基團(tuán),結(jié)合無(wú)機(jī)絮凝劑,能對(duì)水中的有機(jī)污染物、懸浮顆粒物進(jìn)行有效的吸附絮凝,對(duì)于色度、臭味、COD、BOD等進(jìn)行高效去除,并能進(jìn)一步減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生,在水體污染治理中應(yīng)用廣泛[6-8].

本文用殼聚糖與生物絮凝劑復(fù)配,對(duì)生物處理后的養(yǎng)豬場(chǎng)養(yǎng)殖污水進(jìn)行了處理,探討了殼聚糖與生物絮凝劑復(fù)配協(xié)同增效的機(jī)制.經(jīng)過(guò)檢測(cè),出水水質(zhì)指標(biāo)能夠滿足農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-2021).

1 材料和方法

1.1 供試菌種與標(biāo)準(zhǔn)品

降解殼聚糖供試菌株來(lái)自蠟樣芽孢桿菌Bacillussp.D-11[9].殼聚糖樣品,用篩孔篩選獲得(脫乙酰度D.D.為98.1%,Taehoon Bio,韓國(guó)).標(biāo)準(zhǔn)低聚糖GlcN1-7(S1-7,Wako,日本).Bacillussp.CX 15產(chǎn)生的生物絮凝劑.

1.2 液體培養(yǎng)基組成及粗酶液的制取

氮源:1%酵母粉末0.25 g,1%NaCl 0.25 g;碳源:不同粒度固體粉末殼聚糖;菌種:蠟樣芽孢桿菌D-11(1.4×109個(gè)/L).接種培養(yǎng)4 d后,取培養(yǎng)液1 mL,離心取上清液制得粗酶液[10-11].

1.3 發(fā)酵液酶活性的測(cè)定

采用DNS(3,5-二硝基水楊酸)試劑法進(jìn)行酶活測(cè)量.將1.0%的水溶性殼聚糖溶液0.9 mL,粗酶液0.1 mL,在37 ℃水浴鍋加熱30 min后,加入0.2 mL的NaOH試劑停止反應(yīng);離心后取上清液0.5 mL,加入1.5 mL DNS試劑充分混合,水浴鍋加熱5 min,待試液降至室溫后,采用分光光度計(jì)測(cè)量550 nm的吸光度;繪制還原糖標(biāo)準(zhǔn)曲線,對(duì)照得出反應(yīng)后的糖含量.以每分鐘釋放1 μmol G1cN還原糖的酶量為酶活力單位,表征發(fā)酵液的酶活性.

1.4 配制0.1%水溶性殼聚糖(S-CTS)溶液

在200 mL純水中加入1.0 g殼聚糖,攪拌均勻后加入90 mL醋酸,充分混合后逐滴加入CH3COONa,滴定至pH=5.5;采用緩沖溶液定容至1 L,獲得0.1%水溶性殼聚糖溶液[11].

1.5 供試污水樣

采用絮凝劑對(duì)經(jīng)過(guò)A/O(好氧與厭氧)生物處理后的污水進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn).污水水質(zhì)狀況見(jiàn)表1.

表1 污水樣的水質(zhì)參數(shù) mg/L

1.6 檢測(cè)指標(biāo)

對(duì)絮凝劑處理前后污水的COD,NH3—N,TP,SS和BOD等指標(biāo)的去除率進(jìn)行測(cè)定[12].

1.7 實(shí)驗(yàn)方法

將絮凝劑投加至1 L的養(yǎng)豬場(chǎng)養(yǎng)殖場(chǎng)污水樣品中,先在150 r /min條件下攪拌2 min,再以60 r/min助凝攪拌6 min,靜置20 min,取上清液,用于檢測(cè)絮凝劑投加量、生物絮凝劑與殼聚糖復(fù)配比例、pH值、溫度等指標(biāo)[4].實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:絮凝劑投加量分別為10.0,20.0,30.0,40.0,50.0 mg/L;生物絮凝劑和殼聚糖的不同復(fù)配組合(V(生物絮凝劑)/V(殼聚糖))分別為30∶0,27∶3,24∶6,18∶12,15∶15和0∶30;pH=3～9.分析各變量對(duì)養(yǎng)殖污水COD去除率的影響.

2 結(jié)果與分析

2.1 絮凝劑投加量對(duì)污水COD去除率的影響

因?yàn)樘烊粴ぞ厶谴嬖谒苄圆睢H適用范圍窄等缺點(diǎn),本文利用殼聚糖降解微生物得到殼寡糖,并利用殼寡糖與水溶性殼聚糖都溶于水的特點(diǎn),共設(shè)5個(gè)處理組,以考察殼聚糖與生物絮凝劑復(fù)配的協(xié)同增效作用.處理組分別為:(1)水溶性殼聚糖;(2)Bacillussp.D-11殼聚糖經(jīng)過(guò)生物降解獲得的殼寡糖;(3)Bacillussp.CX 15產(chǎn)生的生物絮凝劑;(4)生物絮凝劑加水溶性殼聚糖;(5)生物絮凝劑加殼寡糖.5種絮凝劑在不同投加濃度下,對(duì)養(yǎng)殖污水COD去除率的影響結(jié)果見(jiàn)圖1.5種絮凝劑投加濃度分別為10.0,20.0,30.0,40.0,50.0 mg/L,污水的初始COD濃度為401.0 mg/L.由圖1可見(jiàn),隨著絮凝劑投加濃度的增加,所有處理組COD去除率均表現(xiàn)為先上升再下降的趨勢(shì).推測(cè)該現(xiàn)象產(chǎn)生原因?yàn)?剛開(kāi)始絮凝劑投加量較少時(shí),絮凝劑與污水中的高分子有機(jī)物結(jié)合,形成絮體而沉降,COD去除率也隨之增大;當(dāng)投加濃度達(dá)到30 mg/L時(shí),殼聚糖與生物絮凝劑復(fù)配處理組的COD去除率達(dá)到最高為58.5%,結(jié)構(gòu)中的—COOH與膠體顆粒有較強(qiáng)的吸附架橋作用,能夠加快膠體顆粒物的沉淀;但絮凝劑投加量過(guò)大時(shí),污水中粒子凝聚出現(xiàn)水溶現(xiàn)象,過(guò)量的絮凝劑溶解于污水中,隨之帶來(lái)有機(jī)物濃度的增加、膠體之間靜電排斥增加,出現(xiàn)再穩(wěn)現(xiàn)象,導(dǎo)致COD去除率下降[13-14].單獨(dú)的殼寡糖和生物絮凝劑處理組,最適投加量為40.0 mg/L,COD去除率分別為24.0%和46.0%,究其原因可能是由于殼寡糖相對(duì)分子質(zhì)量較低,相對(duì)不穩(wěn)定,COD去除率不高;絮凝劑投加量不足導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生絮凝效果,吸附不了污染物;絮凝劑投加過(guò)量導(dǎo)致形成的絮凝劑表現(xiàn)電位增加,排斥絮凝劑的產(chǎn)生,導(dǎo)致絮凝效果差[15].

圖1 5種絮凝劑在不同投加濃度下,對(duì)污水COD去除率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,殼聚糖作為絮凝劑,與生物絮凝劑具有協(xié)同效應(yīng),能有效降低COD去除率的效果.但是殼聚糖降解產(chǎn)生的殼寡糖對(duì)污水的COD去除率表現(xiàn)欠佳,這是因?yàn)闅ぞ厶亲鳛樘烊桓叻肿有跄齽┚哂行跄δ?在絮凝過(guò)程中,相對(duì)分子質(zhì)量較高的殼聚糖有利于提高絮凝效率[16].綜上,5組處理組中,水溶性殼聚糖與生物絮凝劑復(fù)配處理組在絮凝劑投加量為30 mg/L時(shí),污水中的COD去除率最高.

2.2 生物絮凝劑與殼聚糖復(fù)配比例對(duì)污水COD去除率的影響

為降低處理成本并保證絮凝效率,利用絮凝劑之間的共聚反應(yīng),本文進(jìn)行了生物絮凝劑與殼聚糖兩種絮凝劑復(fù)配實(shí)驗(yàn).按照生物絮凝劑和殼聚糖的不同復(fù)配(V(生物絮凝劑)/V(殼聚糖))組合,共設(shè)計(jì)了7個(gè)處理組,分別為30∶0,27∶3,24∶6,21∶9,18∶12,15∶15,0∶30.圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,只投加生物絮凝劑或殼聚糖的對(duì)照組,COD去除率分別為46.5%和31.2%,說(shuō)明生物絮凝劑作為絮凝劑去除COD能力高于殼聚糖.從生物絮凝劑與殼聚糖復(fù)配組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在殼聚糖投加比例從0增加到15的過(guò)程中,COD去除率一直呈上升的趨勢(shì);當(dāng)生物絮凝劑和殼聚糖復(fù)配比例達(dá)到21∶9時(shí),去除率達(dá)到最高,為67.9%,比單獨(dú)的生物絮凝劑處理組提高1.46倍;當(dāng)生物絮凝劑和殼聚糖復(fù)配比例為24∶6時(shí),絮凝率為64.7%.從節(jié)約成本的角度考慮,選擇24∶6作為最佳的生物絮凝劑和殼聚糖復(fù)配比.

圖2 生物絮凝劑和殼聚糖的不同復(fù)配組合對(duì)污水COD去除率的影響

2.3 污水pH值對(duì)COD去除率的影響

在生物絮凝劑和殼聚糖復(fù)配比例(V(生物絮凝劑)/V(殼聚糖))為24∶6,復(fù)配絮凝劑投加量為30.0 mg/L條件下,通過(guò)調(diào)節(jié)水體初始pH值,確定絮凝劑去除COD的最佳pH值,探究pH值對(duì)COD去除效率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 不同pH值對(duì)污水COD去除率的影響

由圖3可見(jiàn),在pH=3～8的范圍內(nèi),COD的去除率先上升后下降;在pH=5時(shí),COD去除率最大,為78.8%,這與劉秉濤[8]、王莫茜[17]的研究結(jié)果基本一致.推測(cè)其原因,可能是由于在酸性條件下,溶液中氨基官能團(tuán)的正電荷增強(qiáng),有利于吸附作用,表現(xiàn)為COD去除率升高;但是隨著pH值的增大,溶液呈偏堿性,絮凝劑中的OH-離子增加,正電荷減弱,分子之間形成氫鍵,殼聚糖表現(xiàn)為不溶于水,COD去除率降低[4,14,17].因此,選pH=5.0為最適pH值.

2.4 復(fù)配絮凝劑對(duì)各污染指標(biāo)去除率的影響

對(duì)加入殼聚糖復(fù)配絮凝劑前后的主要水質(zhì)指標(biāo)變化情況進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表2.原水的COD,NH3—N,BOD,SS及TP的質(zhì)量濃度分別為401.0,70.0,270.0,60.0,4.0 mg/L,加入復(fù)配絮凝劑后,污水中COD,NH3—N,BOD,SS及TP質(zhì)量濃度分別降低到59.2,13.3,40.5,25.0,2.9 mg/L.COD,NH3—N,BOD,SS及TP的去除率分別為85.2%,81.0%,85.0%,58.3%和27.5%(見(jiàn)圖4).

圖4 復(fù)配絮凝劑對(duì)污水污染物的去除率

表2 絮凝劑處理前后污水指標(biāo)濃度的變化 mg/L

3 結(jié)論

殼聚糖是一種天然有機(jī)高分子絮凝劑,在自然界中產(chǎn)量十分豐富[18],其具有多個(gè)活潑基團(tuán),可進(jìn)行?；?、氧化、醚化等反應(yīng)[19],且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染,因此廣泛用于污水治理和輕工等領(lǐng)域[20].然而,殼聚糖存在水溶性較差的特性[21],阻礙了其進(jìn)一步的有效應(yīng)用.本文利用水溶性殼聚糖、殼聚糖經(jīng)過(guò)生物降解獲得的殼寡糖、殼聚糖和殼寡糖與生物絮凝劑Bacillussp.CX 15進(jìn)行復(fù)配,在pH=3～8條件下,對(duì)復(fù)配絮凝劑的污水指標(biāo)去除率進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:COD,NH3—N,BOD,SS及TP去除率分別為85.2%,81.0%,85.0%,58.3%和27.5%.綜上所述,采用殼聚糖和生物絮凝劑組合作為絮凝劑對(duì)A/O處理后的豬場(chǎng)污水進(jìn)行深度處理,能夠滿足畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18596-2001)的要求,可以進(jìn)行回用.