利用高爐瓦斯灰和味精廢水制備混凝劑及其性能研究.pdf

1、高爐瓦斯灰是鋼鐵工業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，其主要組份為氧化鐵（約占50％左右）、碳和少量難熔氧化物，如SiO2、CaO、MgO等。近年來(lái)，我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量躍居世界第一位，2012年，中國(guó)的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了7億噸，每年產(chǎn)生的高爐瓦斯灰超過(guò)1000萬(wàn)噸。
　　味精廢水主要是谷氨酸發(fā)酵液提取谷氨酸后產(chǎn)生的廢液，以及生產(chǎn)過(guò)程中的洗滌廢水。它是一種高濃度有機(jī)廢水，具有酸性強(qiáng)、高COD、高BOD、高硫酸根、高菌體含量和低溫等特點(diǎn)，其中

2、含有大量的L-谷氨酸、還原糖與氨氮，如果任其排放不僅浪費(fèi)了寶貴資源，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，破壞生態(tài)平衡。
　　本文以高爐瓦斯灰為主要原料，制備了無(wú)機(jī)混凝劑PAFC，并研究了其鋁鐵形態(tài)分布、表面電荷特征、微觀形貌、高效成份(Al+Fe)b的分離提取和混凝效果;利用味精廢水為培養(yǎng)基合成了微生物絮凝劑和微生物油脂，優(yōu)化了微生物絮凝劑的合成條件，考察了其混凝性能，并進(jìn)一步合成了復(fù)合混凝劑PAFC-(γ-PGA)和PAFC-MBF，以發(fā)揮

3、無(wú)機(jī)高分子混凝劑和生物絮凝劑的協(xié)同增效作用，提高混凝劑性能并降低混凝處理成本，同時(shí)為高爐瓦斯灰和味精廢水的綜合利用提供重要參考。主要結(jié)論如下:
　　(1)利用高爐瓦斯灰和鋁材加工廢渣合成PAFC的酸溶反應(yīng)條件為:50g高爐瓦斯灰和10g鋁材加工廢渣，分別在90℃和常溫條件下與150mL鹽酸(36％濃鹽酸稀釋一倍)反應(yīng)3h和2.5 h，此時(shí)鐵、鋁的溶出率最高。而在鋁鐵水解聚合階段，控制鋁鐵摩爾比為7∶3、堿化度B=1.8，在60-7

4、0℃條件下鋁離子預(yù)聚合1.0h、鋁鐵共聚合3.0h，所制備PAFC的除濁性能最好。
　　PAFC的鋁鐵摩爾比和堿化度對(duì)其混凝性能有較大影響，PAFC(Al/Fe=7∶3，B=1.8)具有最好的除濁效果，投加量為5mg/L時(shí)濁度去除率達(dá)到99％以上;PAFC(Al/Fe=8∶2，B=1.8)具有最好的脫色效果，當(dāng)投加量為60mg/L時(shí)，脫色率為77.07％。通過(guò)對(duì)PAFC的表面電荷分析，在具有不同鋁鐵比和堿化度的PAFC中，Al/F

5、e=7∶3，B=1.8時(shí)，Zeta電位達(dá)到最大值。說(shuō)明PAFC在去除濁度過(guò)程中，電中和是非常重要的混凝機(jī)理，而在混凝脫色過(guò)程中，除了電中和作用外，還有其它混凝機(jī)理如壓縮雙電層、吸附架橋、卷掃絮凝等在起主要作用。對(duì)自制PAFC的混凝效果研究表明，其濁度去除效果、脫色效果、對(duì)原水pH的適應(yīng)性以及絮體沉降性能等均優(yōu)于市售PAC，證明以高爐瓦斯灰為主要原料合成的PAFC是一種高效無(wú)機(jī)混凝劑。
　　(2)鋁鐵摩爾比和堿化度對(duì)PAFC中(Al

6、+Fe)b的含量具有重要影響，并符合以下規(guī)律:當(dāng)鋁鐵摩爾比較大，即PAFC中鋁的含量較多、鐵的含量較少時(shí)，堿化度B值較大時(shí)(Al+Fe)b的含量高;相反，當(dāng)鋁鐵摩爾比較小時(shí)，堿化度B值較小時(shí)(Al+Fe)b的含量高。當(dāng)B=1.8、Al/Fe=7∶3時(shí)對(duì)應(yīng)的PAFC中(Al+Fe)b的含量最高，為36.67％。
　　以乙醇、丙二醇、丙酮混合溶液為溶劑對(duì)自制PAFC產(chǎn)品中的高效形態(tài)(Al+Fe)b進(jìn)行了分離提純。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)有機(jī)溶劑

7、乙醇、丙二醇、丙酮的體積比2∶1∶7、中段有機(jī)溶劑投加量V2=100mL(V1=V3=50mL)是較理想的分離提純條件，此條件下所分離提純的樣品中(Al+Fe)b含量在75％以上，分離出的樣品中鋁鐵含量占PAFC中鋁鐵總量的50％以上。
　　通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)PAFC和(Al+Fe)b進(jìn)行了微觀形貌研究，結(jié)果表明(Al+Fe)b聚集體具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)除了互相聯(lián)結(jié)的主鏈外，還有細(xì)小的二

8、級(jí)乃至三級(jí)分枝，且各分枝表面較粗糙，有利于混凝時(shí)發(fā)揮吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃作用。紅外光譜對(duì)(Al+Fe)b和PAFC的分析結(jié)果表明，在(Al+Fe)b樣品中通過(guò)羥基橋聯(lián)的鋁聚合物和鐵聚合物較多，有利于形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
　　熟化時(shí)間與Zeta電位對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線顯示，(Al+Fe)b的Zeta電位高于未經(jīng)提純的PAFC，其形態(tài)較穩(wěn)定，Zeta電位受熟化時(shí)間的影響較小，進(jìn)一步證明了(Al+Fe)b是PAFC中的高效形態(tài)，具有較強(qiáng)的電中和能力

9、。混凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，(Al+Fe)b不僅具有比未經(jīng)提純的PAFC更好的除濁效果，而且其脫色性能也有大幅提高，進(jìn)一步證明了(Al+Fe)b是PAFC中的高效混凝形態(tài)。
　　(3)利用味精廢水培養(yǎng)枯草芽孢桿菌168產(chǎn)γ-PGA時(shí)，味精廢水濃度、初始pH、接種量和培養(yǎng)時(shí)間對(duì)枯草芽孢桿菌168生長(zhǎng)和γ-PGA產(chǎn)量具有重要的影響，通過(guò)響應(yīng)面分析中的Box-Behnken design(BBD)模型優(yōu)化后的培養(yǎng)條件為:味精廢水稀釋倍數(shù)3.88

10、，培養(yǎng)初始pH5.84，50mL味精廢水接種量10.55 mL，在37℃、180rpm條件下培養(yǎng)48h，γ-PGA的產(chǎn)量達(dá)到53.51±0.92g L-1。采用茚三酮比色法測(cè)定γ-PGA粗產(chǎn)品純度為78.24％。紫外掃描光譜顯示γ-PGA的聚合鍵與蛋白質(zhì)的肽鍵結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，γ-PGA是由γ-酰胺鍵聚合而成。傅立葉紅外光譜和核磁共振分析顯示樣品中含有酰胺基、羧基、羰基-CH、-CH2等基團(tuán)，可確定為γ-PGA的結(jié)構(gòu)?；炷龑?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利

11、用味精廢水培養(yǎng)枯草芽孢桿菌所生產(chǎn)的γ-PGA粗品具有一定的除濁和脫色效果，其除濁和脫色效率分別為80％和55％左右。
　　(4)利用味精廢水混合培養(yǎng)枯草芽孢桿菌和斯氏油脂酵母菌，可以同時(shí)得到微生物絮凝劑和微生物油脂。在適宜的培養(yǎng)條件下，混合培養(yǎng)產(chǎn)生的生物量高于單菌種純培養(yǎng)的生物量，說(shuō)明在一定條件下枯草芽孢桿菌和斯氏油脂酵母菌的生長(zhǎng)可以相互促進(jìn)。味精廢水濃度、初始pH、培養(yǎng)溫度、接種量和培養(yǎng)時(shí)間對(duì)微生物絮凝劑和微生物油脂的產(chǎn)量以及味

12、精廢水中COD、NH3-N的去除率具有重要的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化后的培養(yǎng)條件為:味精廢水4倍稀釋、初始pH5.5、培養(yǎng)溫度為30℃、枯草芽孢桿菌和斯氏油脂酵母菌接種總量為12mL（各6 mL），在此條件下微生物絮凝劑和微生物油脂的產(chǎn)量分別為78.25g/L和2.91g/L，味精廢水中COD、NH3-N的去除率分別為83.67％和55.38％。
　　氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)微生物油脂分析結(jié)果:微生物油脂為C15-C18的中長(zhǎng)鏈脂肪酸

13、;對(duì)混合培養(yǎng)微生物絮凝劑中氨基酸的組成分析表明，混合培養(yǎng)微生物絮凝劑中谷氨酸相對(duì)含量為71.326％。
　　利用味精廢水混合培養(yǎng)枯草芽孢桿菌和斯氏油脂酵母菌所合成的微生物絮凝劑具有較好的除濁和脫色效果，其除濁和脫色效率分別為87％和58％左右，混凝性能較單菌種純培養(yǎng)枯草芽孢桿菌合成的微生物絮凝劑有所提高。
　　(5)將自制的無(wú)機(jī)混凝劑PAFC與味精廢水培養(yǎng)枯草芽孢桿菌得到的γ-PGA粗品復(fù)合時(shí)，γ-PGA的加入對(duì)PAFC中鋁

14、鐵形態(tài)的分布具有重要影響，當(dāng)γ-PGA/(Al+Fe)質(zhì)量比P為10％時(shí)，復(fù)合混凝劑中(Al+Fe)b的含量較高，相應(yīng)的混凝性能也較好。當(dāng)Al/Fe為8∶2或7∶3、B=1.8時(shí)，PAFC-(γ-PGA)的除濁和脫色性能均較高。當(dāng)P=5-10％時(shí)，PAFC-(γ-PGA)的脫色性能最好，50mg/L的投加量時(shí)脫色率達(dá)到80.15％，γ-PGA與PAFC復(fù)合后，不僅可以提高PAFC的脫色效果，而且可以降低混凝劑的投加量。
　　將自制

15、的無(wú)機(jī)混凝劑PAFC(Al/Fe=7∶3，B=1.8)與味精廢水培養(yǎng)枯草芽孢桿菌得到發(fā)酵上清液(γ-PGA濃度為41.86 g/L)在超聲攪拌下混合20min，得到的復(fù)合混凝劑當(dāng)(Al+Fe)/（γ-PGA）=20％時(shí)，濁度去除率提高了15.59％;當(dāng)(Al+Fe)/γ-PGA)=15％時(shí)，脫色率提高了9.18％。
　　將自制的無(wú)機(jī)混凝劑PAFC(Al/Fe=7∶3，B=1.8)與利用味精廢水混合培養(yǎng)枯草芽孢桿菌和斯氏油脂酵母菌得

16、到的MBF在超聲攪拌下混合20min制得復(fù)合混凝劑PAFC-MBF。當(dāng)MBF/(Al+Fe)=5％時(shí)，PAFC-MBF的除濁、脫色性能比PAFC分別提高10.21％和10.29％。
　　將自制的無(wú)機(jī)混凝劑PAFC(Al/Fe=7∶3，B=1.8)與利用味精廢水混合培養(yǎng)枯草芽孢桿菌和斯氏油脂酵母菌得到發(fā)酵上清液（MBF濃度為78.25 g/L）在超聲攪拌下混合20min制得復(fù)合混凝劑MBF-PAFC。與混合培養(yǎng)發(fā)酵上清液不加PAFC

17、時(shí)相比，(Al+Fe)/MBF=10％時(shí)，MBF-PAFC的除濁、脫色效率分別提高17.55％和9.81％。
　　當(dāng)以PAFC與提純的MBF（或γ-PGA）復(fù)合時(shí)，二者的用量以無(wú)機(jī)混凝劑PAFC為主，MBF的加入有利于提高其分子量，在混凝時(shí)更好的發(fā)揮卷掃絮凝作用，從而提高混凝效果;而當(dāng)PAFC直接與發(fā)酵上清液復(fù)合時(shí)，則盡量發(fā)揮MBF無(wú)毒、易生物降解的優(yōu)勢(shì)，向發(fā)酵上清液中引入少量的陽(yáng)離子無(wú)機(jī)混凝劑PAFC以改善其表面電荷特性，增加混