華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
詹德昊 蘆秀青 陶 濤 康健雄 金儒霖

概述

　　味精生產(chǎn)過程中，味精發(fā)酵液經(jīng)提取谷氨酸后排放的母液具有有機(jī)物濃度高、SO2-4濃度高、NH3-N濃度高等特點(diǎn)，是一種治理難度很大的高濃度有機(jī)廢水。我國(guó)每年要排放1000余萬噸這種廢水，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。同時(shí)，由于難以有效地治理味精廢水，不少味精廠被列入全國(guó)重點(diǎn)污染源二千家單位之一，阻礙了味精行業(yè)的發(fā)展。
　　目前，國(guó)內(nèi)外味精行業(yè)尚無成套成熟的技術(shù)處理味精廢水。近年來，國(guó)內(nèi)許多大專院校、科研院所和味精生產(chǎn)企業(yè)圍繞著味精廢水的治理作了大量的研究。其中，采用各種絮凝劑進(jìn)行預(yù)處理并從廢水中提取谷氨酸菌體單細(xì)胞蛋白(SCP)是一種常用的方法。但是，常用的鋁、鐵系無機(jī)混凝劑適應(yīng)的pH值多在6.0以上，對(duì)酸性較高的味精廢水處理效果不佳。同時(shí)，鋁鹽具有一定的毒性，會(huì)影響人類健康：鐵鹽對(duì)金屬有腐蝕作用，會(huì)造成處理后出水帶有顏色，鐵的濃度過高，也會(huì)影響人類健康和生態(tài)環(huán)境。一些人工合成的有機(jī)高分子絮凝劑，如聚丙烯酰胺等，雖然有較好的絮凝性能，但他們的毒性越來越受到人們的關(guān)注。
　　相比之下，一類由微生物產(chǎn)生的有絮凝效果的代謝產(chǎn)物一微生物絮凝劑對(duì)人體無害，而且可以被生物降解，無二次污染，使用安全、方便，尤其適用于高濃度味精廢水的處理及有用物質(zhì)的回收。
　　由我院研制開發(fā)的一種微生物絮凝劑一普魯蘭(短梗霉多糖)是由黑酵母以淀粉水解或葡萄糖為原料發(fā)酵產(chǎn)生的一種水溶性無定型多糖大分子物質(zhì)，具有較強(qiáng)的絮凝效果。
　　為了研究普魯蘭對(duì)味精廢水的絮凝效果，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室小試。

1　實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

　　1.1　實(shí)驗(yàn)材料
　　1.1.1實(shí)驗(yàn)水樣
　　試驗(yàn)水樣采用武漢某味精生產(chǎn)企業(yè)提供的發(fā)酵后提取車間的上柱尾液，其比重約為1.0 4～1.05/20℃，谷氨酸含量14-18g/L，含P2O50.2-0.3g/L，菌體量10-20g/L，CODcr40000-50000mg/L，具有有機(jī)物濃度高的特點(diǎn)。上柱尾液排放規(guī)律為間斷周期性排放，在廢水剛排放時(shí)pH值在5.5以 上，但在20分鐘內(nèi)逐步降到1.5左右，約1～1.5小時(shí)不變，最后廢水在5分鐘內(nèi)突然上升可達(dá)9。pH值變化如圖1所示：

　　 本試驗(yàn)采用具有代表性的酸性廢水和堿性廢水。
　　1.1.2實(shí)驗(yàn)藥劑
　　1)采用0.6%普魯蘭溶液為生物絮凝劑
　　2)1%Al2(SO4)·18H2O化學(xué)純
　　3)l%Fecl3·6H2O化學(xué)純
　　4)l%Cacl2化學(xué)純
　　5)0.05%非離子型聚丙烯酰胺化學(xué)純
　　1.1.3實(shí)驗(yàn)裝置與儀器
　　1)DBJ-621型六聯(lián)攪拌機(jī)
　　2)pHS-3CT型酸度計(jì)
　　3)GDS-3型光電式濁度儀
　　4)其它分析儀器與設(shè)備
　　1.2實(shí)驗(yàn)方法
　　1.2.1普魯蘭與其它絮凝劑對(duì)比試驗(yàn)
　　采用單因素法，遴選出硫酸鋁和PAM作為對(duì)比試劑。分別取高pH和低pH水樣各800ml，分別進(jìn)行燒杯實(shí)驗(yàn)。其中，A組原水pH=2.97，濁度為18460度，水溫為18.9℃；B組原水pH=9.39，濁度為13800，水溫22℃。采用混合攪拌強(qiáng)度為250rad/min(1min)，反應(yīng)攪拌強(qiáng)度為60rad/min(5min)，沉淀30min后測(cè)上清液的濁度去除率。
　　1.2.2水力條件的影響
　　工程設(shè)計(jì)中以水流紊動(dòng)的平均速度梯度G來代表混合反應(yīng)強(qiáng)烈程度，以時(shí)間T表示混合反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短，其乘積GT即代表了混合反應(yīng)程度的指標(biāo)，選擇合適的G值和GT值，創(chuàng)造良好的絮凝條件，可以減少工程投資和保證處理水出水水質(zhì)。
　　采用正交試驗(yàn)法，以剩余濁度為試驗(yàn)指標(biāo)，選用混合攪拌速度n(混合攪拌強(qiáng)度G值)、混合程度GT；反應(yīng)程度GT2三個(gè)因素分別作三因素三水平正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)取水樣800ml，原水pH=2.31；濁度為20400；水溫17.3℃；普魯蘭投放劑量為250mg/L；沉淀時(shí)間30min 。
　　1.2.3普魯蘭的投加量
　　為了確定普魯蘭最佳投放劑量，試驗(yàn)取水樣800ml，根據(jù)最佳水力條件試驗(yàn)結(jié)果，采用150rad/min快速攪拌1min后再慢速攪拌，其攪拌強(qiáng)度為60rad/min，時(shí)間5min，以CODcr去除率和SS去除率為指標(biāo)，采用不同的普魯蘭投放劑量進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。其中原水pH=2.97；濁度為18000；水溫21℃；沉淀時(shí)間30min。
　　1.2.4pH值的影響
　　試驗(yàn)取水樣800ml，分別把水樣調(diào)整到不同的pH值，根據(jù)最佳水力條件(150rad/min快速攪拌1min然后60rad/min慢速攪拌5分鐘)、最佳普魯蘭投放劑量的試驗(yàn)結(jié)果(取250mg/L)，進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。
　　其中原水濁度為17800：水溫21℃；沉淀時(shí)間30min。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1關(guān)于普魯蘭與其它絮凝劑的對(duì)比
　　根據(jù)前述的方法與條件，可以得到不同絮凝劑的絮凝效果如下表所示：

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)酸性和堿性味精廢水，無論投加多少硫酸鋁都沒有明顯的絮凝效果；PAM對(duì)呈堿性的味精廢水有絮凝效果；而普魯蘭對(duì)呈酸性和堿性的味精廢水均有很好的絮凝效果。尤其對(duì)低pH值的味精廢水，當(dāng)普魯蘭劑量為50mg/L時(shí)，濁度去除將近80%，并且隨著普魯蘭劑量的增加，濁度去除率可以高達(dá)99%以上。對(duì)高pH值的味精廢水，當(dāng)藥劑用量較少時(shí)，聚丙烯酰胺比普魯蘭的處理效果稍好，投加劑量在20mg/L時(shí)，絮凝效果最好，油度去除率為72.1%，隨投藥量增加，絮凝效果降低。而當(dāng)增加藥劑用量時(shí)，普魯蘭的絮凝效果明顯增強(qiáng)。由此可見，普魯蘭絮凝效果明顯優(yōu)于聚丙烯酰胺的絮凝效果。
　　此外，根據(jù)普魯蘭和聚丙烯酰胺絮凝劑處理味精廢水的絮凝試驗(yàn)，可以觀察到前者絮體比后者大且密實(shí)，沉降速度也快得多，這也說明了投加普普蘭比投加聚丙烯酰胺的絮凝性能好。
　　2.2　水力條件
　　在絮凝反應(yīng)的各不同階段，給予膠體恰如其分的攪拌和反應(yīng)條件使之得到充分碰撞和吸附架橋機(jī)會(huì)，能提高廢水COD和濁度的去除效果。按前述的條件，正交實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃及結(jié)果如下：

　　注：K1、K3、K3、分別為水平1、水平2、水平3的綜合平均分。
　　根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果可知，混合攪拌強(qiáng)度(G值)對(duì)絮凝效果影響最大，混合階段的GT1值次之，反應(yīng)階段的GT2值對(duì)絮凝效果影響最小。試驗(yàn)結(jié)果表明：過大的水流湍動(dòng)反而會(huì)打碎礬花，因此所需的混合攪拌強(qiáng)度較低，混合時(shí)間較短，一般為150rad/min(G=120)、GT1=10000，進(jìn)入緩慢攪拌階段后要使已生成的小礬花在同向凝聚作用下不斷碰撞長(zhǎng)大，此時(shí)太大的水流湍動(dòng)產(chǎn)生的剪切力會(huì)破壞已形成的礬花，因此漫攪速度也不宜太大，但需足夠的時(shí)間保證礬花的逐漸長(zhǎng)大，然而時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)促進(jìn)絮凝作用不大，甚至?xí)蛩榈\花，一般GT2=9000即可。
　　試驗(yàn)確定最佳水力條件為：混合攪拌強(qiáng)度150rad/min，時(shí)間1分鐘：反應(yīng)攪拌強(qiáng)度60rad/min，時(shí)間5分鐘。
　　2.3　普魯蘭的投加量
　　普魯蘭投加量的多少，直接關(guān)系到味精廢水的處理效果和成本。由實(shí)驗(yàn)可得下表：

　　根據(jù)投加劑量對(duì)絮凝效果影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作圖2。

　　從圖中可以看出：增加普魯蘭用量，有利于提高絮凝效果，但投加量過大對(duì)絮凝效果無明顯改善，反而增大處理成本。適宜的普魯蘭投加劑量為250～300mg。
　　2.4　　pH值的影響
　　PH值對(duì)味精廢水中膠體顆粒表面電荷的電位與絮凝劑的水解產(chǎn)物均有影響，從而影響到絮凝效果。實(shí)驗(yàn)表明，PH值與濁度去除率之間存在以下關(guān)系：

　　根據(jù)圖3可知，普魯蘭絮凝劑對(duì)PH值的適應(yīng)范圍很寬，既可以處理酸性很高的廢水，又可以處理堿性很高的廢水。在工程應(yīng)用上，處理這種味精廢水不用調(diào)節(jié)pH值，有利于減小經(jīng)常費(fèi)用。
　　當(dāng)pH為7.0左右時(shí)，絮凝效果最差，當(dāng)pH值低或高時(shí)效果較好，其中pH值在3附近，絮凝效果最好。這是由于PH值影響膠體顆粒的表面電荷從而影響其與絮凝劑之間的靠近和吸附作用，最終影響到絮凝劑的絮凝效果。對(duì)味精廢水來說，其等電點(diǎn)正位于3.1附近，膠粒上所帶凈電荷為零，從而有利于普魯蘭絮凝劑對(duì)膠粒的吸附架橋作用。

3　結(jié)論

　　根據(jù)前面的討論，可以得出以下結(jié)論：
　　1.普魯蘭絮凝劑同其它無機(jī)絮凝劑和有機(jī)合成高分子絮凝劑比較，它具有安全無毒、無二 次污染、可生物降解、對(duì)環(huán)境和人類健康無害、投藥量省、絮凝效果好、礬花結(jié)構(gòu)密實(shí)、沉降速度快、排泥耗水率低等特點(diǎn)。
　　2.普魯蘭絮凝劑對(duì)味精廢水具有一定的濁度去除率、COD去除率和SS去除率，在最佳絮凝條件下，濁度去除率為99%左右，CODcr去除率為30%～40%，SS去除率為40%左右。
　　3.普魯蘭絮凝劑適用的pH值范圍很寬，最佳pH值為2～4，處理味精廢水不需調(diào)節(jié)pH值。
　　4.普魯蘭絮凝劑的最佳投加量為250～300mg/L。
　　5.最佳攪拌狀況是150rad/min的轉(zhuǎn)速快速攪拌1分種后再以60rad/min的轉(zhuǎn)速慢攪5分鐘。
　　6.利用普魯蘭絮凝劑對(duì)味精廢水進(jìn)行預(yù)處理，可以減輕后續(xù)處理構(gòu)筑物的負(fù)荷，加快有機(jī) 物降解；同時(shí)，分離出的有機(jī)質(zhì)可進(jìn)一步開發(fā)利用，為味精廢水處理尋找到了一種行之有效且能綜合利用的新的處理方法。

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