普鲁兰预处理高浓度味精废水实验研究

华中科技大学环境科学与工程学院
詹德昊 芦秀青 陶 涛 康健雄 金儒霖

概述

　　味精生产过程中，味精发酵液经提取谷氨酸后排放的母液具有有机物浓度高、SO2-4浓度高、NH3-N浓度高等特点，是一种治理难度很大的高浓度有机废水。我国每年要排放1000余万吨这种废水，对环境造成严重的污染。同时，由于难以有效地治理味精废水，不少味精厂被列入全国重点污染源二千家单位之一，阻碍了味精行业的发展。
　　目前，国内外味精行业尚无成套成熟的技术处理味精废水。近年来，国内许多大专院校、科研院所和味精生产企业围绕着味精废水的治理作了大量的研究。其中，采用各种絮凝剂进行预处理并从废水中提取谷氨酸菌体单细胞蛋白(SCP)是一种常用的方法。但是，常用的铝、铁系无机混凝剂适应的pH值多在6.0以上，对酸性较高的味精废水处理效果不佳。同时，铝盐具有一定的毒性，会影响人类健康：铁盐对金属有腐蚀作用，会造成处理后出水带有颜色，铁的浓度过高，也会影响人类健康和生态环境。一些人工合成的有机高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺等，虽然有较好的絮凝性能，但他们的毒性越来越受到人们的关注。
　　相比之下，一类由微生物产生的有絮凝效果的代谢产物一微生物絮凝剂对人体无害，而且可以被生物降解，无二次污染，使用安全、方便，尤其适用于高浓度味精废水的处理及有用物质的回收。
　　由我院研制开发的一种微生物絮凝剂一普鲁兰(短梗霉多糖)是由黑酵母以淀粉水解或葡萄糖为原料发酵产生的一种水溶性无定型多糖大分子物质，具有较强的絮凝效果。
　　为了研究普鲁兰对味精废水的絮凝效果，进行了实验室小试。

1　实验材料与实验方法

　　1.1　实验材料
　　1.1.1实验水样
　　试验水样采用武汉某味精生产企业提供的发酵后提取车间的上柱尾液，其比重约为1.0 4～1.05/20℃，谷氨酸含量14-18g/L，含P2O50.2-0.3g/L，菌体量10-20g/L，CODcr40000-50000mg/L，具有有机物浓度高的特点。上柱尾液排放规律为间断周期性排放，在废水刚排放时pH值在5.5以 上，但在20分钟内逐步降到1.5左右，约1～1.5小时不变，最后废水在5分钟内突然上升可达9。pH值变化如图1所示：

　　 本试验采用具有代表性的酸性废水和碱性废水。
　　1.1.2实验药剂
　　1)采用0.6%普鲁兰溶液为生物絮凝剂
　　2)1%Al2(SO4)·18H2O化学纯
　　3)l%Fecl3·6H2O化学纯
　　4)l%Cacl2化学纯
　　5)0.05%非离子型聚丙烯酰胺化学纯
　　1.1.3实验装置与仪器
　　1)DBJ-621型六联搅拌机
　　2)pHS-3CT型酸度计
　　3)GDS-3型光电式浊度仪
　　4)其它分析仪器与设备
　　1.2实验方法
　　1.2.1普鲁兰与其它絮凝剂对比试验
　　采用单因素法，遴选出硫酸铝和PAM作为对比试剂。分别取高pH和低pH水样各800ml，分别进行烧杯实验。其中，A组原水pH=2.97，浊度为18460度，水温为18.9℃；B组原水pH=9.39，浊度为13800，水温22℃。采用混合搅拌强度为250rad/min(1min)，反应搅拌强度为60rad/min(5min)，沉淀30min后测上清液的浊度去除率。
　　1.2.2水力条件的影响
　　工程设计中以水流紊动的平均速度梯度G来代表混合反应强烈程度，以时间T表示混合反应时间长短，其乘积GT即代表了混合反应程度的指标，选择合适的G值和GT值，创造良好的絮凝条件，可以减少工程投资和保证处理水出水水质。
　　采用正交试验法，以剩余浊度为试验指标，选用混合搅拌速度n(混合搅拌强度G值)、混合程度GT；反应程度GT2三个因素分别作三因素三水平正交试验。实验取水样800ml，原水pH=2.31；浊度为20400；水温17.3℃；普鲁兰投放剂量为250mg/L；沉淀时间30min 。
　　1.2.3普鲁兰的投加量
　　为了确定普鲁兰最佳投放剂量，试验取水样800ml，根据最佳水力条件试验结果，采用150rad/min快速搅拌1min后再慢速搅拌，其搅拌强度为60rad/min，时间5min，以CODcr去除率和SS去除率为指标，采用不同的普鲁兰投放剂量进行絮凝试验。其中原水pH=2.97；浊度为18000；水温21℃；沉淀时间30min。
　　1.2.4pH值的影响
　　试验取水样800ml，分别把水样调整到不同的pH值，根据最佳水力条件(150rad/min快速搅拌1min然后60rad/min慢速搅拌5分钟)、最佳普鲁兰投放剂量的试验结果(取250mg/L)，进行絮凝试验。
　　其中原水浊度为17800：水温21℃；沉淀时间30min。

2　实验结果与讨论

　　2.1关于普鲁兰与其它絮凝剂的对比
　　根据前述的方法与条件，可以得到不同絮凝剂的絮凝效果如下表所示：

　　实验结果表明，对酸性和碱性味精废水，无论投加多少硫酸铝都没有明显的絮凝效果；PAM对呈碱性的味精废水有絮凝效果；而普鲁兰对呈酸性和碱性的味精废水均有很好的絮凝效果。尤其对低pH值的味精废水，当普鲁兰剂量为50mg/L时，浊度去除将近80%，并且随着普鲁兰剂量的增加，浊度去除率可以高达99%以上。对高pH值的味精废水，当药剂用量较少时，聚丙烯酰胺比普鲁兰的处理效果稍好，投加剂量在20mg/L时，絮凝效果最好，油度去除率为72.1%，随投药量增加，絮凝效果降低。而当增加药剂用量时，普鲁兰的絮凝效果明显增强。由此可见，普鲁兰絮凝效果明显优于聚丙烯酰胺的絮凝效果。
　　此外，根据普鲁兰和聚丙烯酰胺絮凝剂处理味精废水的絮凝试验，可以观察到前者絮体比后者大且密实，沉降速度也快得多，这也说明了投加普普兰比投加聚丙烯酰胺的絮凝性能好。
　　2.2　水力条件
　　在絮凝反应的各不同阶段，给予胶体恰如其分的搅拌和反应条件使之得到充分碰撞和吸附架桥机会，能提高废水COD和浊度的去除效果。按前述的条件，正交实验的计划及结果如下：

　　注：K1、K3、K3、分别为水平1、水平2、水平3的综合平均分。
　　根据表3的试验结果可知，混合搅拌强度(G值)对絮凝效果影响最大，混合阶段的GT1值次之，反应阶段的GT2值对絮凝效果影响最小。试验结果表明：过大的水流湍动反而会打碎矾花，因此所需的混合搅拌强度较低，混合时间较短，一般为150rad/min(G=120)、GT1=10000，进入缓慢搅拌阶段后要使已生成的小矾花在同向凝聚作用下不断碰撞长大，此时太大的水流湍动产生的剪切力会破坏已形成的矾花，因此漫搅速度也不宜太大，但需足够的时间保证矾花的逐渐长大，然而时间过长对促进絮凝作用不大，甚至会打碎矾花，一般GT2=9000即可。
　　试验确定最佳水力条件为：混合搅拌强度150rad/min，时间1分钟：反应搅拌强度60rad/min，时间5分钟。
　　2.3　普鲁兰的投加量
　　普鲁兰投加量的多少，直接关系到味精废水的处理效果和成本。由实验可得下表：

　　根据投加剂量对絮凝效果影响的试验数据，作图2。

　　从图中可以看出：增加普鲁兰用量，有利于提高絮凝效果，但投加量过大对絮凝效果无明显改善，反而增大处理成本。适宜的普鲁兰投加剂量为250～300mg。
　　2.4　　pH值的影响
　　PH值对味精废水中胶体颗粒表面电荷的电位与絮凝剂的水解产物均有影响，从而影响到絮凝效果。实验表明，PH值与浊度去除率之间存在以下关系：

　　根据图3可知，普鲁兰絮凝剂对PH值的适应范围很宽，既可以处理酸性很高的废水，又可以处理碱性很高的废水。在工程应用上，处理这种味精废水不用调节pH值，有利于减小经常费用。
　　当pH为7.0左右时，絮凝效果最差，当pH值低或高时效果较好，其中pH值在3附近，絮凝效果最好。这是由于PH值影响胶体颗粒的表面电荷从而影响其与絮凝剂之间的靠近和吸附作用，最终影响到絮凝剂的絮凝效果。对味精废水来说，其等电点正位于3.1附近，胶粒上所带净电荷为零，从而有利于普鲁兰絮凝剂对胶粒的吸附架桥作用。

3　结论

　　根据前面的讨论，可以得出以下结论：
　　1.普鲁兰絮凝剂同其它无机絮凝剂和有机合成高分子絮凝剂比较，它具有安全无毒、无二 次污染、可生物降解、对环境和人类健康无害、投药量省、絮凝效果好、矾花结构密实、沉降速度快、排泥耗水率低等特点。
　　2.普鲁兰絮凝剂对味精废水具有一定的浊度去除率、COD去除率和SS去除率，在最佳絮凝条件下，浊度去除率为99%左右，CODcr去除率为30%～40%，SS去除率为40%左右。
　　3.普鲁兰絮凝剂适用的pH值范围很宽，最佳pH值为2～4，处理味精废水不需调节pH值。
　　4.普鲁兰絮凝剂的最佳投加量为250～300mg/L。
　　5.最佳搅拌状况是150rad/min的转速快速搅拌1分种后再以60rad/min的转速慢搅5分钟。
　　6.利用普鲁兰絮凝剂对味精废水进行预处理，可以减轻后续处理构筑物的负荷，加快有机 物降解；同时，分离出的有机质可进一步开发利用，为味精废水处理寻找到了一种行之有效且能综合利用的新的处理方法。

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