细菌纤维素絮凝材料制备及其处理造纸废水性能研究

孙映宏 王逸锋 谈学松 陈艳霞 熊彩霞 张 勇，*

(1.杭州市水文水资源监测总站，浙江杭州，310016；2.浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州，310018)

细菌纤维素絮凝材料制备及其处理造纸废水性能研究

孙映宏1王逸锋1谈学松2陈艳霞2熊彩霞2张 勇2，*

(1.杭州市水文水资源监测总站，浙江杭州，310016；2.浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州，310018)

以醋酸杆菌构建分泌细菌纤维素(Bacterial Cellulose， BC)的菌种体系，通过优化发酵培养工艺和化学改性条件，制备BC絮凝材料。再通过优化混凝工艺，评价其对造纸废水的混凝处理能力。结果表明，制备的BC絮凝材料具有良好的三维网状结构，其羧基含量显著增加。通过Zeta电位检测表明该BC絮凝材料为阴离子型；且该材料对造纸废水平均浊度去除率可达94.6%，具有优良的混凝沉淀能力。

细菌纤维素；絮凝材料；化学改性；造纸废水；混凝性能

近年来，我国造纸工业的快速发展为国民经济的高速增长做出了重要贡献[1]。但是，造纸废水的安全高效净化与处理已成为目前造纸工业发展必须面临并急需解决的重要课题[2-3]。混凝沉淀通常是用来处理造纸工业废水的首道工序，其具有低成本、低能耗及易操作等优点[4]。絮凝剂是在混凝沉淀过程中加入的主要试剂，对混凝效果起着至关重要的作用。随着混凝过程对絮凝剂在高效处理、安全环保等方面需求的不断上升。天然高分子絮凝剂借助其原料来源广、活性基团多、生物可降解、无二次污染等优势，已经成为目前絮凝剂领域科研人员的关注热点[5- 6]。

纤维素是地球上含量最为丰富的天然高分子化合物，其分子结构存在大量的活性羟基，因此，可作为高效、环保天然高分子絮凝剂的优良改性底物[7]。薛兴福等人[8]基于一定比例的羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺及硅酸钠配比制备絮凝沉淀剂，研究了其对废水中铅离子絮凝沉淀的效果，结果表明新型絮凝沉淀剂对铅离子的去除率可达99.2%，具有良好的工业应用前景。Biswal等人[9]以羧甲基纤维素为原料，通过接枝聚丙烯酰胺制备纤维素基絮凝剂(CMC-g-PAM)，并通过调节催化剂与单体比例，研究了结构比例不同的6种絮凝产物的絮凝性能。

图1 化学改性制备BC絮凝材料反应历程

1866年Brown[10]首次发现通过发酵培养醋酸杆菌可以分泌细菌纤维素(Bacterial Cellulose， BC)。目前，能够产生BC的细菌种类较多[11]，其中，醋酸杆菌是发现最早、研究最为透彻、生产能力最强的一类菌株[12]。作为一种全新的天然高分子材料，BC与天然纤维素具有完全一致的分子结构[13-14]，且无需与其他的化学组分分离即可使用，已成为目前最具发展前景的生物基础材料和纳米生物材料，并在食品、造纸、医学和功能材料等领域有广泛应用[15-17]。本研究以醋酸杆菌构建生产BC菌种体系，首先优化培养工艺条件产生BC三维网状产物，进一步通过化学改性制备BC絮凝材料，并将其用于造纸废水的混凝沉淀过程，观察其对造纸废水的混凝处理效果。

1 实 验

1.1 实验原料

醋酸杆菌，中国普通微生物菌种保藏管理中心培养；培养基，实验室配制；盐酸，分析纯，浙江三鹰化学试剂有限公司；高碘酸钠，分析纯，杭州高晶精细化工有限公司；羧甲基纤维素(CMC)，分析纯，杭州高晶精细化工有限公司；高岭土，粒径11 μm，上海阿拉丁化学试剂有限公司；聚丙烯酰胺，非离子型，上海阿拉丁化学试剂有限公司。

1.2 实验仪器

ZD-9556水平摇床，太仓市科教器材厂；TOMY ES-315高压灭菌锅，日本TOMY KOGYO公司；JSM-5610扫描电子显微镜，日本JEOL公司；Nicolet 5700傅里叶变换红外光谱仪，美国热高公司；FD-1A-50真空冷冻干燥机，上海比朗仪器制造有限公司；Zeta电位仪，英国马尔文仪器有限公司；Turb 550浊度仪，德国WTW公司。

1.3 实验方法

1.3.1BC三维网状产物制备

首先将醋酸杆菌菌体转接在固体培养基上，28℃下培养2～3天，置于4℃冰箱保存；配制100 mL种子培养基于250 mL三角瓶，在120℃下灭菌20 min，在超净台中使用接菌环接入固体斜面菌，30℃下摇速动态培养32 h，转速150 r/min；取50 mL发酵培养基，控制接种量15%、初始pH值为7、CMC浓度7.5 g/L，24℃下静态培养7天；将培养基表面悬浮的BC膜取出，清水缓慢冲洗多次，去除膜表面的菌体及残留的培养基，将其浸置于0.1 mol/L NaOH溶液中，并在80℃下水浴至BC膜呈白色半透明状取出；用去离子水冲洗，置于1%乙酸中浸泡10 min，用去离子水反复洗净至中性，冷冻干燥24 h即得到BC三维网状产物。

1.3.2BC絮凝材料制备

将1.0 g BC三维网状产物剪碎并置于250 mL圆底烧瓶中，加入50 mL 4℃的NaOH-尿素溶液(7%NaOH、12%尿素)，搅拌5 min使BC充分溶解；将其置于-12℃下1.5 h，得到透明黏稠的BC溶液；再加入1.0 g高碘酸钠，并用铝箔将烧瓶包裹进行遮光处理；使用磁力搅拌器搅拌，控制反应温度为55℃，反应3 h后加入2 mL乙二醇继续反应1 h，反应结束后去除残余的高碘酸钠和铝箔，在室温下继续搅拌反应48 h，将反应产物进行离心、洗涤至中性、冷冻干燥后即得到BC絮凝材料产品。图1为通过化学改性制备BC絮凝材料的反应历程。

1.3.3优化BC絮凝材料混凝工艺条件

高岭土悬浮液通常用于优化絮凝剂混凝工艺和性能表征。为了探究影响BC絮凝材料处理高岭土悬浮液的主要因素，本研究设计四因素三水平正交实验，实验条件如表1所示。通过混凝处理200 mg/L的高岭土悬浮液，以静置10 min的上清液浊度作为衡量指标，确定BC絮凝材料的最佳混凝工艺条件。

表1 L9(34)正交实验因素水平表

注 絮凝材料用量a：采用浓度1.0 g/L的絮凝材料溶液直接添加。

1.3.4BC絮凝材料分析表征

(1)扫描电镜(SEM)分析

将BC絮凝材料均匀分布于硅片上，烘干后样品放入JSM-5610LV 扫描电镜观察其表面形貌。

(2)红外光谱(FT-IR)分析

将干燥的BC和BC絮凝材料与KBr按1∶100 g/g比例混合，研磨成粉末并制成压片，置于傅里叶红外光谱仪测定其红外光谱，扫描范围4000～500 cm-1。

(3)土壤降解率测试

准确称取0.1 g BC絮凝材料，采用300目尼龙网布包裹，尼龙线密封。将其埋入室外土壤10 cm深处，间隔一定周期取出，用去离子水将其表面冲洗干净，烘干并称质量。土壤降解率计算如公式(1)所示。

(1)

式中，D为样品的土壤降解率；Wi为第i天样品的残余质量；W0为原始的样品质量。

(4)Zeta电位测定

将BC絮凝材料溶于去离子水中，通过添加0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH分别调整溶液pH值为2、4、7、10、12，按照说明书操作标准进行样品Zeta电位测定。另外，按同样方法测定高岭土悬浮液Zeta电位。

(5)浊度测定

采用国际通用的90°散射光比浊法，利用Turb550浊度仪进行溶液及上清液浊度测定，测定步骤按浊度仪常规操作程序进行。

2 结果与讨论

2.1 BC表面形貌分析

BC的每一根丝状纤维由数根微细纤维组成。同时，BC本身也是醋酸杆菌在自然环境中的一种保护机制。醋酸杆菌及其产生的BC产物的SEM图见图2。由图2可知，醋酸杆菌菌体长约2 μm、宽约0.7 μm，BC纤维与菌体互相缠绕一起形成纤维素膜，部分菌体存在于膜表面，部分则被包裹在纤维素膜里面，还有的镶嵌在纤维素膜中，进而在空间结构上形成BC三维网状产物。

图2 醋酸杆菌产生的BC产物的SEM图

2.2 BC和BC絮凝材料化学结构分析

图3 BC和BC絮凝材料FT-IR图

2.3 BC絮凝材料生物可降解性分析

BC是细菌发酵产生的一类天然高分子化合物，具有高度的生物可降解性。图4所示为BC絮凝材料填埋于自然土壤中随时间增加的降解率变化曲线。从图4可知，BC絮凝材料经过土壤微生物降解，其外观形貌和颜色均发生了较大变化，在30天内降解率达到58.4%。商业聚丙烯酰胺(PAM)是最常用的污水絮凝剂，其在自然环境中的平均年降解率约为10%。然而，制备BC絮凝材料在自然环境中的降解率远高于目前普遍使用的商业PAM。研究表明，BC絮凝材料具有优良的生物可降解性能。

图4 BC絮凝材料在自然土壤中降解率变化情况

2.4 Zeta电位分析

图5所示为实验选用的高岭土悬浮液和BC絮凝材料随pH值变化的Zeta电位变化曲线。由图5可知，高岭土悬浮液基本呈现出负电性且电荷量随着pH值增大而升高。BC絮凝材料则在pH值为3左右出现等电点。当pH值>3时，BC絮凝材料表现为负电性，且电荷量随pH值增大而增强；当pH值<3时，则表现出微弱的正电性。结果表明，该BC絮凝材料属于阴离子型絮凝材料范畴，这与BC大分子的化学结构密切相关。BC与天然植物纤维素一样，由于其分子结构上丰富的—OH而呈现出负电性。通过氧化改性制成BC絮凝材料产品时，BC大分子上引入更多电负性更强的COO-，导致BC絮凝材料表现为较强的电负性。当其处于强酸环境时，由于环境中存在较多的H+，使得BC絮凝材料电负性被中和，表现出微弱的正电性。而当处于强碱条件下，则会使得絮凝材料中的OH-浓度变大，电荷量逐步增强。

图5 高岭土悬浮液和BC絮凝材料Zeta电位变化情况

2.5 BC絮凝材料混凝性能评价

以200 mg/L的高岭土悬浮液为处理对象，采用四因素三水平正交实验优化BC絮凝材料的混凝工艺条件，实验结果及极差分析如表2和表3所示。由表3可以看出，混凝条件对BC絮凝材料产品混凝处理效果的影响主次顺序为：B>C>A>D，即助凝剂种类>助凝剂浓度>pH值>絮凝剂用量。因此，确定BC絮凝材料的最佳混凝工艺为B2C3A1D2，即助凝剂AlCl3、AlCl3浓度400 mg/L、pH值4、絮凝剂用量为1.5 mL。

为了进一步验证经最佳混凝工艺制备的BC絮凝材料处理造纸废水的性能，本研究采用实验制备的BC絮凝材料产品在上述优化的最佳工艺条件下，混凝处理造纸废水，同时采用商业PAM在相同工艺下进行对比，实验结果如图6和表4所示。由图6可以看出，经商业PAM和BC绿色絮凝材料混凝处理的造纸废水视觉上较为接近，均具有较好的混凝沉淀效果，上清液澄清透明，混凝污泥呈现出较大的絮体颗粒且与上清液明显分离。

表2 L9(34)正交实验设计及实验结果

表3 L9(34)正交实验结果极差分析

注K为均值；R为极差。

图6 造纸废水原液、分别经商业PAM和BC絮凝材料混凝处理的造纸废水对比图

由表4可知，经过BC絮凝材料混凝处理的三组造纸废水上清液浊度分别为14.4、17.6和16.8 NTU，对应浊度去除率为95.2%、94.1%和94.4%，平均浊度去除率达到94.6%。商业PAM在相同工艺下混凝处理造纸废水后上清液浊度为25.3 NTU，浊度去除率91.5%。实验表明，与商业PAM相比本实验制备的BC絮凝材料对造纸废水具有更好的混凝沉淀效果。

表4 造纸废水原液和经过不同絮凝材料混凝处理的造纸废水浊度对比

3 结 论

本研究使用醋酸杆菌构建分泌细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)的菌种体系，成功制备BC三维网状结构产物，再将BC三维网状结构产物进行化学改性制备BC絮凝材料，通过优化其混凝工艺条件，将其应用于造纸废水的混凝沉淀处理。

3.1BC絮凝材料在自然土壤中30天后降解率达到58.4%，远高于商业PAM，表明其具有良好的生物可降解性。

3.2通过分析BC絮凝材料的红外光(FT-IR)谱图发现，其羧基含量相比BC三维网状产物增加。同时，结合Zeta电位测定结果，可以判断BC絮凝材料为阴离子型。

3.3通过正交实验优化得到BC絮凝材料的最佳混凝工艺为：助凝剂种类AlCl3、助凝剂浓度400 mg/L、pH值4、絮凝材料用量1.5 mL；通过其混凝处理造纸废水结果可以看出，BC絮凝材料对造纸废水具有良好的处理效果，造纸废水平均浊度去除率可达94.6%。

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PreparationofBacterialCelluloseFlocculantandItsFlocculationPerformanceinPapermakingWastewater

SUN Ying-hong1WANG Yi-feng1TAN Xue-song2CHEN Yan-xia2XIONG Cai-xia2ZHANG Yong2,*

(1.HydrologyandWaterResourcesMonitoringStationinHangzhou,Hangzhou,ZhejiangProvince, 310016;2.CollegeofMaterialandTextile,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,ZhejiangProvince, 310018)

In this work, the bacteria system for preparing bacterial cellulose (BC) was constructed by using acetobacter. The three-dimensional network BC was produced through optimizing its fermentation process. The BC green flocculant was prepared by further chemical modification on BC and its flocculation performance in papermaking wastewater was also evaluated. The positived results showed that the obtained BC held typical three-dimensional network structure. The carboxyl content of the BC green flocculant product increased significantly.It belonged to anionic flocculant based on Zeta potential test. The results of papermaking wastewater flocculation indicated that the BC flocculant had excellent flocculation ability and its turbidity removal rate reached 94.6%.

bacterial cellulose; flocculant material; chemical modification; papermaking wastewater; flocculantion performance

孙映宏先生，高级工程师；主要从事水文与水资源利用方面的研究。

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.12.002

2017- 08-29(修改稿)

国家自然科学基金(61571002、51672000)；浙江省公益技术应用研究项目(2017C31034、2015C32098)；浙江省公益技术研究项目(GF18C160004)。

*通信作者：张 勇，博士，副教授；研究方向：天然纤维素资源化利用。

(*E-mail: zhangyong@zstu.edu.cn)

吴博士)