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第22卷第6期2006年12月 哈尔滨商业大学学报(自然科学版)JournalofHarbinUniversityofCommerce(NaturalSciencesEdition) Vo.l22No.6Dec.2006:2006-03-19.:2003年度哈尔滨工业大学跨学科交叉基金项目(HIT.2003.41).:杨 莹(1973-),女,教师,硕士,研究方向:水处理;马 放(1963-),男,教授,博士生导师,研究方向:生物絮凝剂及生物反应器.Ca2+杨 莹1,2,马 放1,王 琴1(1.,150090;2.,150040) :在生物絮凝剂的絮凝过程中,通过对各种絮凝条件下形成的絮体进行分析研究,发现Ca2+在絮凝过程中发挥着不可忽略的作用.一定浓度的Ca2+能降低颗粒的表面电荷,促进絮凝剂分子与颗粒之间的键合,并且在絮凝过程中Ca2+可以与某些颗粒发生晶格置换,使有机物晶体结构的有序性转好,有利于絮凝沉淀.:絮凝形态;表面电荷;晶格置换;钙离子:X703 :A :1672-0946(2006)06-0041-03ResearchoneffectofflocculationmorphologyofbioflocculantbyCa2+YANGYing1,2,MAFang1,WANGQin1(1.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInsitituteofTechnology,Harbin150090,China;2.SchoolofEnvironmentalEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150040,China)Abstract:Intheflocculationprocessofbioflocculant,throughmicroscopicalobservationofflocsformedinvariousflocculationcourseofCBF.AdefiniteconcentrationofCa2+cande-creasetheinterfacechargeofparticlesandincreasethebondofflocculantmoleculesandpar-ticles.AnothereffectofCa2+ispermutationofcrystallatticebetweenCa2+andsomeparti-cles,whichcouldresultinabetterorderofcrystalstructureandaccelerateflocculationandsettling.Keywords:flocculationmorphology;interfacecharge;crystallattice;Ca2+ 在水处理过程中,絮凝过程是应用最普遍的关键环节之一,生物絮凝剂作为一种安全,无毒,絮凝活性高且无二次污染的新型絮凝剂.对人类的健康及环保都有重要意义.在其应用过程中,通过对各种絮凝条件下向试验水样中加入复合型生物絮凝剂(CBF)所形成的絮体的观察研究,一些因素会对絮凝效果产生一定的影响:如溶液的pH值,一些阳离子的加入以及投加方式等.本文利用对比实验,分析对比了向试验水样中加入氯化钙溶液与未加入氯化钙溶液实验系统中的絮凝形态.表明了钙离子在絮凝过程中发挥的作用,并对絮凝机理进行了分析.1 材料与方法1.1 采用黑龙江环境生物技术重点实验室筛选的纤维素降解菌和高效的复合型絮凝剂产生菌.实验水样:高岭土浊液1.2 向烧杯中加入5g高岭土,加入1000mL水,DOI:牨牥牨牴牬牴牪牤jcnki牨牰牱牪牥牴牬牰牪牥牥牰牥牰牥牨牨再加入1.5mL质量分数10%的氯化钙溶液,调节pH值为7.5,加入10mL菌液,以未加入氯化钙溶液的作为对照.用混凝搅拌仪先快搅,再慢搅,然后静沉20min.再对絮体的形态进行仪器分析.1.3 Olympus显微镜CX31型Olympus显微镜,奥林巴斯光学工业株式会社生产.目镜10倍,物镜40倍.Zeta电位分析仪3000HSAZeta电位分析仪(Malvern,England).X射线衍射仪利用日本岛津公司生产的XRD-6000型X射线粉末衍射分析仪对絮体的结构进行分析.2 分析与讨论2.1 Ca2+投加CaCl2与未投加CaCl2溶液的絮凝实验中形成的絮体的显微镜照片见图1.从图1中可以看出,在没有Ca2+离子参与的絮凝过程中形成的絮体(图1a)也比较大,但是与有Ca2+离子参与形成的絮体(图1b)相比较,此絮体的边缘松散,致密性差,各个絮体之间没有明显的分界.具有这种大而多孔渗水和开放结构的絮体很容易受到流动剪切力的影响而解散[1].在活性污泥处理过程中,形成大而密实的絮体时,不仅出水质量好,而且剩余污泥的脱水性也好[2].没有Ca2+参与时形成的絮体体积大,致密性差,在搅拌速度过快等情况下,很容易由大块变成小块,小块变成悬浮物,悬浮物变成胶体颗粒而重新恢复稳定.这样的絮体是不利于絮凝沉淀的.一定浓度的金属离子可以加强絮凝剂分子与悬浮颗粒以配位键结合而促进絮凝,即加强其架桥作用和1 CaCl2(a)CaCl2(b)中和作用.大多数阳离子如Ca2+、Mn2+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Na+等作为助凝剂能提高絮凝活性.但加入的金属离子浓度不宜太高,大量的离子会占据絮凝剂分子的活性位置,把絮凝剂分子与悬浮颗粒隔开而抑制絮凝,这也就说明了投加过量的CaCl2溶液时CBF的絮凝效果反而下降的原因.此外,各种金属离子对于絮凝机理不同的微生物絮凝剂的影响并不一致,如BD-4以Al3+、Fe3+为助凝剂的促进作用较好[3].也有报道指出,某些盐类的加入或过量加入会降低絮凝剂的活性[4],这可能是由于离子的加入破坏了大分子与胶体之间氢键的形成.无机盐的另一重要作用是能够改变活性污泥絮体的形态和结构,随着盐度的增加,絮体逐渐变小,由封闭结构变成开放结构,且变得更加密实[5].2.2 Ca2+Zeta投加与未投加CaCl2溶液的胶体颗粒的Zeta电位分布见图2.由图2(a)看出,未投加CaCl2溶液的胶体颗粒Zeta电位在-34.9～-15.9mV之间,平均为-28.2mV.胶体颗粒的电荷密度高,是不利于沉降的.与图2(b)相比,Ca2+的加入能使胶体颗粒的平均电位上升近10mV.由此可见,作为助凝剂的Ca2+在CBF絮凝过程中发挥着不可忽视的作用,有效的降低了颗粒表面的电荷,使颗粒之间的排斥力减小,促进了絮凝剂分子与颗粒之间的键合.42哈尔滨商业大学学报(自然科学版) 第22卷2(a) CaCl2Zeta 2(b) CaCl2Zeta 研究认为体系中的离子,尤其是高价异种离子能够显著改变胶体的Zeta电位,降低其表面电荷,压缩双电层,有效地破坏胶体稳定性,促进大分子与胶体颗粒的吸附与架桥.阳离子的影响特别是Ca2+的促进作用的报道很多[6～8].在研究Ca2+对环圈项圈藻产絮凝剂絮凝膨润土的影响时发现,Ca2+的加入减少了大分子和悬浮颗粒的负电荷,增加了悬浮颗粒对大分子的吸附量,促进了架桥的形成.Ca2+不仅可以促进絮凝的形成,而且高浓度的Ca2+可以有效地保护絮凝剂不受降解酶的作用[9,10].还有研究认为金属离子如Ca2+、Al3+等对微生物絮凝剂起促进作用是由于微生物絮凝剂中暴露的羧基等官能团与这些金属阳离子的“架桥”.2.3 Ca2+投加与不投加CaCl2溶液的情况下形成的絮体的XRD图谱见下图3、4. 3 CaCl2从图3中可知,絮凝过程中没有Ca2+参与时,检出的衍射峰对应的物质有3种(1∶SiO2;2∶Na2Si2O5;3∶NaOHH2O).絮体晶体中除了大量的SiO2晶体之外,只有Na+参与形成的Na2Si2O5和NaOHH2O.对照图4,说明高价的阳离子Ca2+在絮凝过程中会与SiO2中的Si发生晶格置换,导致电荷的不平衡,从而对絮凝产生影响,有利于絮凝.这就是本研究中Ca2+在CBF絮凝过程中发挥的重要助凝作用. 4 CaCl23 结 语1)高岭土晶体带负电荷,因此颗粒之间存在静电排斥力,使得小颗粒难以形成较大的颗粒,从而难以在重力作用下自然沉降.2)通过对各种絮凝条件下形成的絮体的显微镜观察,发现Ca2+在CBF的絮凝过程中发挥着不可忽略的作用.一定浓度的Ca2+能降低颗粒的表面电荷,促进了絮凝剂分子与颗粒之间的键合而促进絮凝,即加强其架桥作用和中和作用.但加入的离子浓度不宜太高,大量的离子会占据絮凝剂分子的活性位置,把絮凝剂分子与悬浮颗粒隔开而抑制絮凝,这也就说明了投加过量的CaCl2溶液时CBF的絮凝效果反而下降的原因.3)研究认为体系中的离子,尤其是高价异种离子能够显著改变胶体的Zeta电位,降低其表面电荷,压缩双电层,有效地破坏胶体稳定性,促进大分子与胶体颗粒的吸附与架桥.阳离子的影响特别(下转120页)43第6期 杨 莹,等:Ca2+对生物絮凝剂絮凝形态影响的研究受的替代方式[2].3)可在BSL-3和BSL-4缓冲间中设洗手池.洗手池的供水阀门必须脚踏式、肘动式或自动开关,洗手池如设在主实验室,下水道必须与建筑物的下水管线分离,且有明显标志.下水必须经过消毒处理.洗手池仅供洗手用,不得向内倾倒任何感染性材料.供水管必须安装防回流装置.4)自内更衣室(含卫生间),安全柜室水池下水,地漏以及高压消毒室和其他来源流出的液体在排往下水道之前,必需经过消毒,最好用加热消毒法.地漏必须有充满对被实验传染性物质有效的化学消毒剂的水封,并且直接通往液体消毒系统.下水道口和其他服务管线安装高效过滤器并防止害虫进入[6].2.3 生物安全实验室的防火设计应符合现行标准《建筑设计防火规范》GBJ16和《建筑灭火器配置设计规范》GB50140等相关国家标准中的有关规定.设计时应遵循以下几点原则.1)生物安全实验室应设火灾自动报警装置和合适的灭火器材.本条中所称的合适的灭火器材,是指对实验室不会造成大的损坏,不会导致治病因子扩散的灭火器材,如气体灭火装置等.2)BSL-3和BSL-4不应设置自动喷水灭火系统,但应根据需要采取其他灭火措施,如灭火器等.如果自动喷水灭火系统在BSL-3和BSL-4中启动,极有可能造成有害因子泄漏,由于生物安全实验室的规模一般不会很大,建议设置手提灭火器等简便灵活的消防用具.3 结 语生物安全实验室,是近年来发展起来的一个新的建筑类型,而它的建筑设计与施工,也是一个跨学科的全新领域.我国人口多,居住密集,容易遭受传染性疾病和恐怖组织的生物恐怖袭击,包括生物武器对我国的威胁.在生物安全实验室的设计和建设中,我们也应该抱着对人类负责、对环境负责的态度,并遵守对科学负责的态度去进行生物安全实验室的设计、建设和管理,努力使我国生物安全实验室的建设向着标准化、安全性和实用性的方向发展.:[1] 许钟麟,王清勤.生物安全实验室设计要点[J].暖通空调HVAC,2004,34(1):45-51.[2] 实验室—生物安全通用要求[S].中华人民共和国国家标准(GB19489—2004).[3] 生物安全实验室建筑技术规范[S].中华人民共和国国家标准(GB50346—2004).[4] 实验室生物安全级别标准[S].美国疾病控制中心.[5] 王清勤,许钟麟,张益昭.关于我国生物安全实验室建设的思考和建议[J].建筑科学,2003,119(4):61-63.[6] 微生物和生物医学实验室生物安全通用准则[S].中华人民共和国卫生行业标准(WS233—2002).北京:中国标准出版社,2003.(上接43页)是Ca2+的促进作用的报道很多.4)在絮凝过程中Ca2+与SiO2颗粒发生晶格置换,导致电荷的不平衡,有助于絮凝,这是Ca2+发挥作用的另一种方式.:[1] TAMBON.Basicconceptsofcoa