微生物絮凝劑處理模擬乳品廢水及蛋白回收

乳品廢水的特點是具有很高的BOD及COD含量，并且含大量蛋白質(zhì)，常規(guī)的方法有采用厭氧酸化，但如果處理不當，可能容易氨化發(fā)臭并對處理系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，出水的氨氮可能會超標帶來水體富營養(yǎng)化問題。另外常規(guī)的化學絮凝等手段存在污泥量大，污泥處理不容易等問題。

從資源化角度來說，乳品廢水富有很高的營養(yǎng)，如高含量的非溶液性物質(zhì)（懸浮固體物）包括脂肪、油等；含有很高的營養(yǎng)素，如鈣、磷、鎂、乳糖等；并且不含EPA有毒物質(zhì)排放清單的物質(zhì)，所以具有很高的回收價值。目前對乳品廢水資源化的研究，主要集中于廢水的處理及回用，如單純采用無機混凝劑（如FeSO4）、生物絮凝劑（如殼聚糖、單寧酸類絮凝劑等）等絮凝的方法實現(xiàn)懸浮固體的去除，COD則需要后續(xù)進一步處理；如采用生物反應器結(jié)合納濾的技術，能達到較好的回用水標準?；谌槠窂U水蛋白的回收，有采用低氧序批式反應器（micro-aerobic SBR）實現(xiàn)酸性條件下蛋白的沉淀及COD的降低，為蛋白質(zhì)回收提供了可能。

目前并沒有一種技術可以實現(xiàn)乳品廢水的全面資源化，即蛋白、脂類回收及廢水的回用。微生物絮凝劑（microbial flocculant，MFB）是一種環(huán)境友好，資源可再生的絮凝劑。其主要成分為生物多糖，容易降解，污泥量少，并且污泥有再資源化的可能。本課題采用生物絮凝劑處理模擬乳品廢水，探討蛋白沉淀及回收的可能，未來可以把微生物絮凝劑沉淀的污泥制成飼料等，提升經(jīng)濟效益并減少二次污染的可能。

1、實驗與方法

1.1 微生物絮凝劑

菌種HHE-A8，為半知菌類從梗孢科曲霉屬煙曲霉（Aspergillus fumigatus），來源于華南理工大學胡勇有教授課題組，所制成的微生物絮凝劑MBF8在使用前配制成1.0g/L的溶液。該微生物絮凝劑為淡黃色透明溶液，主要成分是酮多糖，含有很少量的核酸，相對分子量約為10.47×105，為陰離子型絮凝劑。

1.2 模擬乳品廢水的制作

牛奶稀釋液可用來模擬牛奶廠廢水，本實驗使用雀巢全脂奶粉制作成1g/L的模擬牛奶廠廢水。COD測定方法為重鉻酸鉀法；總糖測定方法為硫酸苯酚法；總氮測定方法為過硫酸鉀氧化紫外分光光度法。蛋白質(zhì)含量由總氮含量乘以乳制品的蛋白質(zhì)系數(shù)（6.38）。該廢水水質(zhì)情況如表1。

1.3 絮凝實驗體系

絮凝試驗在六聯(lián)攪拌機（JTZ-6型）上進行，取1L模擬牛奶廢水，快速攪拌3min，期間加入微生物絮凝劑（MBF）、助凝劑10%的CaCl2溶液及0.1N的NaOH溶液，而慢速攪拌則采取逐漸減慢的方式，先150rpm攪2min，然后50rpm攪10min，最后靜置15min。絮凝前后分別取上清液測試濁度（2100P型）并算出濁度去除率，把污泥用濾紙過濾干燥稱重得到污泥干重。

1.4 微生物絮凝劑處理模擬牛奶廢水效果因素

研究影響微生物絮凝劑處理效果的因素包括：攪拌程序、MBF投加量、CaCl2投加量、加堿量、加堿的順序。確定在最佳條件下的絮凝處理效果。

1）攪拌程序。

設計了快攪拌分別為400rpm及200rpm兩組。（每升廢水中藥劑的投加量為：0.1N的NaOH投加5mL，CaCl2（10%）投加3mL，MBF投加量6mL。）

2）加堿順序。

原水pH為7.5，絮凝需要把pH調(diào)至所需的值（8.0或以上值），可以在投藥前調(diào)，也可以在投藥后調(diào)。設計兩組實驗，其中一組在投加MBF和CaCl2前投加0.1N的NaOH調(diào)pH，另外一組在投加MBF和CaCl2后的快攪拌階段投加0.1N的NaOH調(diào)pH。（每升廢水中藥劑的投加量為：0.1N的NaOH投加5mL，CaCl2（10%）投加3mL，MBF投加量6mL。）

3）MBF投加量。

分別研究MBF投加量為2、4、6、8、10mL時的絮凝效果。每升廢水中其它藥劑投加量為：0.1N的NaOH投加5mL（pH約為8），CaCl2（10%）投加3mL。

4）CaCl2投加量。

分別研究CaCl2投加量為2、3、4、5、6mL時的絮凝效果。（每升廢水中其它藥劑的投加量為：0.1N的NaOH投加5mL（pH約為8），MBF投加6mL。）

5）加堿量（pH）。

別研究0.1N的NaOH投加量為3、5、8、12、18mL時的絮凝效果。（每升廢水中其它藥劑的投加量為：CaCl2（10%）投加3mL，MBF投加量6mL。）

2、結(jié)果與討論

2.1 最佳絮凝條件的確定

通過預實驗可以知道快攪拌程序、MBF投加量、CaCl2投加量、pH值、加堿順序?qū)π跄Ч忻黠@的影響。繼而通過確定每個項目的參數(shù)并確定在最佳條件下的絮凝處理效果。

1）攪拌程序、加堿順序及加堿量的影響，見圖1~圖3。

圖1和圖2可看出，快攪拌速度采用400rpm，并采用在MBF及CaCl2投放后再加堿為最佳。400rpm的快速攪拌有利于絮凝劑的快速分散，避免局部的過多消耗，提高絮凝效率。溶液體系中pH值會影響膠體顆粒表面電荷和微生物絮凝劑的性質(zhì)，從而影響他們之間的靠近和吸附行為。研究表明，微生物絮凝劑在堿性條件下絮凝效果較好，通過堿性物質(zhì)的加入，可以加速膠體顆粒的脫穩(wěn)并增強微生物絮凝劑的橋聯(lián)吸附作用。從圖3看出，本實驗中0.1N的NaOH投加量為5mL/L時能達到較好絮凝效果，增加堿的投放也能有小幅度提高，但考慮實際應用成本，所以采用5mL/L作為最佳投堿量，并且采用后投加的方式最佳。

2）MBF投加量、CaCl2投加量，見圖4、圖5。

微生物絮凝劑（MBF）是高分子物質(zhì)，主要為胞外多糖，金屬離子可以加強微生物絮凝劑的橋聯(lián)作用和中和作用，Ca2+是一種良好的助凝劑。從圖4看出，當10%的CaCl2投放量大于4mL/L時，雖然濁度去除率有進一步的提升，但污泥干重反而下降，說明過多的CaCl2會導致絮體密實程度下降。而從成本考慮，10%的CaCl2投放量為3mL/L較為適宜。從圖5看出，MBF投加量的增多，絮凝效果先提升，然后出現(xiàn)逐步下降，其原因可能是由于MBF為負電荷的高分子物質(zhì)，當投加量過大時，容易導致與蛋白質(zhì)的電荷排斥反應而使絮凝效果下降。所以能看出，當MBF投加量為為4mL/L時，能達到最佳的絮凝效果。

所以綜合來說，最佳的絮凝條件如表2所示。

2.2 最佳絮凝條件下的絮凝效果

在上述確定的最佳絮凝條件下，可從圖6看出在絮凝過程中，模擬乳品廢水能得到較好的絮凝效果，絮體清晰，容易自然沉降。

通過對絮凝后的出水上清液以及污泥進行測試，可以評估出絮凝的效果，見表3數(shù)據(jù)；以及可以計算出通過絮凝過程后，原來模擬乳品廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)的流向，并制作出物流平衡示意圖，有助于評估包括蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)回收的可行性，見圖7。

從表3及圖7可以看出，微生物絮凝劑對模擬乳品廢水的濁度去除效率很高，達95.86%，說明絮凝的效果明顯。而絮凝方式對溶解性有機物一般去除不高，所以總糖去除量不大（14.8%），并導致COD去除率略低（71.3%）。在混凝后，其蛋白質(zhì)及脂類大部分進入污泥中，其糖類大部分還留在出水中。暫時并沒有文獻應用微生物絮凝劑來絮凝沉淀乳品類廢水，本實驗首次應用了微生物絮凝劑有效處理乳品廢水，能把廢水中的膠體物質(zhì)（蛋白質(zhì)和脂類）有效的脫穩(wěn)、絮凝、沉淀。并且此絮凝方法是首次應用生物類絮凝劑在若堿性（約8.2）的條件下實現(xiàn)乳品廢水的絮凝沉淀。已有的報道里，生物類絮凝劑，如殼聚糖、羧甲基纖維素等，絮凝乳品廢水的最佳pH在酸性條件下4~6。

2.3 廢水代表性討論

我們選擇模擬乳品廢水來作為處理對象。主要原因是現(xiàn)實廢水不容易取得、不易保存，且實際乳品廢水其水質(zhì)波動很大，另外從研究絮凝條件及絮凝方式角度，模擬乳品廢水是更為適合。大多數(shù)的乳品廠廢水，是來自清洗設備及生產(chǎn)線和貯存容器的廢水，所以廢水中的成分與乳品成分基本相同，只是含量較低。一般來說，模擬乳品廢水可以用稀釋50倍的鮮奶作為模擬牛奶廠廢水，也可以用全脂奶粉配成模擬牛奶廠廢水。而本實驗使用雀巢全脂奶粉制作成1g/L的模擬牛奶廠廢水。該模擬廢水COD為1260mg/L，含大量蛋白質(zhì)、脂類和糖類，能很好模擬一般的乳品廢水。

2.4 資源化考慮

微生物絮凝劑成分天然，用于處理牛奶廠廢水，其出水含較多糖類，沉淀物主要為蛋白質(zhì)和脂肪。出水及沉淀物可以實現(xiàn)資源化，比如出水回用于清洗用水或用于微生物絮凝劑生產(chǎn)用水，沉淀物經(jīng)過添加其它物質(zhì)制成飼料等。（來源：廣東順德工業(yè)設計研究院，廣東丁沃生醫(yī)療器械有限公司）