隨著我國人口的持續(xù)增長、地表水和地下水的污染、經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快，城市缺水問題越來越突出。因此，為了解決我國逐漸加劇的水資源缺乏問題，生活污水回用是必要的〔1, 2, 3〕。

絮凝沉降法是生活污水處理中應(yīng)用很普遍的方法。常用的絮凝劑主要有無機絮凝劑及人工合成的有機絮凝劑，但使用時都有不同程度的二次污染問題，目前許多國家已禁止或限量使用。微生物絮凝劑是利用生物技術(shù)從微生物及其分泌物中提取純化而獲得的安全高效、能自然降解的新型水處理劑，具有無毒無害的特性，因此越來越受到人們關(guān)注〔4, 5, 6, 7, 8〕。

均勻?qū)嶒炘O(shè)計法相對于正交實驗法的優(yōu)勢是在因素和水平數(shù)都較多的情況下，用較少的實驗次數(shù)就可獲得期望的結(jié)果，節(jié)省人力和物力，便于實施〔9〕。

筆者實驗室從土壤中篩選出一株產(chǎn)生絮凝物質(zhì)的菌株節(jié)桿菌（Arthrobacter sp.），經(jīng)過培養(yǎng)后，在發(fā)酵液中提取出一種具有高效絮凝性的蛋白質(zhì)多糖生物大分子絮凝劑LF-Tou2〔10〕。目前，國內(nèi)采用正交實驗對絮凝工藝進行優(yōu)化的研究比較多，而將均勻?qū)嶒炘O(shè)計法用于優(yōu)化絮凝劑絮凝工藝的研究未見報道。實驗采用高效微生物絮凝劑LF-Tou2 處理生活廢水，對其絮凝條件進行了優(yōu)化研究，使廢水的COD大幅度降低，有效地減輕了廢水生化處理的成本和負(fù)荷。

1 實驗材料
 
1.1 供試菌株和培養(yǎng)基
 
節(jié)桿菌LF-Tou2 （Arthrobacter sp.，16SrRNA 在Gen Bank 中的順序號為AY641537）由實驗室保存。培養(yǎng)基：混合糖（98%葡萄糖+2%麥芽低聚糖）10 g，K2HPO4 5 g，（NH4）2SO4 0.6 g，玉米漿1 g，MgSO40.2 g，CaCl2 0.1 g，蒸餾水1 000 mL，pH 7.0，121 ℃滅菌20 min。

1.2 實驗水樣
 
實驗水樣1 取自山東建筑大學(xué)污水處理站，污水水質(zhì)指標(biāo)：COD 為126.32 mg/L、濁度為7.3 mg/L、SS 為21 mg/L、pH 為7.5。

實驗水樣2 取自山東建筑大學(xué)教授花園小區(qū)，污水水質(zhì)指標(biāo)：COD 為568.51 mg/L、濁度為7.5 mg/L、SS 為0、pH 為8.0。

實驗水樣3 取自濟南經(jīng)十東路田園小區(qū)，污水水質(zhì)指標(biāo)：COD 為334.23 mg/L、濁度為11.2 mg/L、SS 為24 mg/L、pH 為6.9。

2 實驗方法
 
2.1 發(fā)酵方法
 
每株菌取一滿環(huán)接入到50 mL 發(fā)酵培養(yǎng)液中（250 mL 三角瓶），搖床培養(yǎng)18 h，然后按2%的接種量轉(zhuǎn)入500 mL 三角瓶中，在30 ℃、170 r/min 的條件下?lián)u床培養(yǎng)24 h。

2.2 絮凝劑LF-Tou2 提取方法
 
發(fā)酵液中加入3 倍的無水乙醇進行沉淀，將沉淀分別用75%乙醇、無水乙醇、乙醚進行洗滌，40 ℃真空干燥得到粗品〔10〕。

2.3 分析方法
 
（1）COD 的測定采用重鉻酸鉀法〔10〕，SS 測定采用濾紙法〔11〕。

（2）各種重金屬離子的檢測方法：鄰菲啰啉分光光度法（Fe2+），高碘酸鉀氧化光度法（Mn2+），二乙氨基硫代甲酸鈉萃取分光光度法（Cu2+），雙硫腙分光光度法（Zn2+），丁二酮肟光度法（Ni2+），雙硫腙光度法（Hg2+）〔12〕。

3 結(jié)果與討論
 
3.1 絮凝劑LF-Tou2 與常規(guī)絮凝劑的絮凝效果比較
 
3.1.1 絮凝劑的初步篩選
 
取生活廢水水樣于燒杯中，分別投入硫酸鋁溶液、聚合氯化鋁溶液（PAC）、聚合硫酸鐵溶液（PFS）、聚丙烯酰胺溶液（PAM）、殼聚糖、絮凝劑LF-Tou2，攪拌反應(yīng)并沉降，測定絮凝后上清液的SS 和COD。絮凝效果如表 1 所示。由表 1 可見，絮凝劑LF-Tou2的絮凝效果明顯高于其他5 種絮凝劑，其COD 去除率達到89.8%，SS 去除率為98.2%。

表 1 不同絮凝劑的絮凝效果

3.1.2 絮凝劑添加量對絮凝效果的影響
 
選出3 種絮凝效果比較好的絮凝劑，考察不同添加量對絮凝效果的影響，結(jié)果如圖 1 所示。

圖 1 絮凝劑用量對絮凝效果的影響

由圖 1 可見，絮凝劑LF-Tou2 的絮凝效果要優(yōu)于其他兩種絮凝劑，最適添加質(zhì)量濃度在20 mg/L。

絮凝劑LF-Tou2 為蛋白質(zhì)多糖大分子生物物質(zhì)，分子質(zhì)量為3.89×106 u〔12〕。多糖的分子質(zhì)量和分子鏈中的功能基團是絮凝活性高低的決定因素。多數(shù)研究者認(rèn)同〔13〕，在多糖絮凝劑中，羧基和羥基起著重要的作用，而在蛋白質(zhì)絮凝劑中氨基、羧基主導(dǎo)著絮凝活性。還有研究者強調(diào)〔14〕，磷酸鹽基團也與絮凝活性密切相關(guān)。LF-Tou2 是蛋白質(zhì)多糖大分子生物物質(zhì)，在絮凝活性的展示中，應(yīng)綜合體現(xiàn)出蛋白質(zhì)的氨基、羧基，多糖的羧基、羥基及磷酸基團的共同作用，所以表現(xiàn)出高的絮凝活性〔12〕。

3.2 均勻設(shè)計確定最佳絮凝條件
 
3.2.1 均勻設(shè)計實驗方案及實驗結(jié)果
 
采用均勻設(shè)計表中的4 因素6 水平實驗6 組方案，確定絮凝劑LF-Tou2 的最佳絮凝效果。實驗設(shè)計方案和結(jié)果如表 2 所示。

表 2 U6（64）均勻設(shè)計及實驗結(jié)果

3.2.2 實驗數(shù)據(jù)的回歸分析和方程建立
 
均勻?qū)嶒灁?shù)據(jù)處理采用Uniform Design 2.10 軟件，得出回歸方程：

方差分析表中顯著性水平為0.001，說明回歸方程變量間關(guān)系是極顯著的。對應(yīng)的最優(yōu)絮凝條件是：pH 為7.5、添加量為19 mg/L、溫度為27 ℃、攪拌時間為3 min，預(yù)測最優(yōu)結(jié)果為93.3%。

3.2.3 最佳絮凝條件的驗證實驗
 
在最優(yōu)條件下進行驗證實驗，測得COD 去除率為92.9%，與前面推導(dǎo)出的預(yù)測值93.3%相比，誤差僅為0.65%，由結(jié)果可以看出，實驗值與預(yù)測值的誤差在允許范圍之內(nèi)，說明均勻設(shè)計優(yōu)化的絮凝條件準(zhǔn)確可信。

3.3 絮凝劑LF-Tou2 對生活污水的處理效果
 
因為生活污水的水質(zhì)受環(huán)境、地域等因素影響很大，不同地點、同一地點不同時間的水樣水質(zhì)差別很大。為進一步證明絮凝劑LF-Tou2 的絮凝效果，選取不同地點的3 個水樣來考察其使用效果。結(jié)果如表 3 所示。

表 3 對不同生活污水的絮凝效果  注：表中各指標(biāo)，除濁度、pH 外，其他指標(biāo)的單位均為mg/L。

從對生活污水的處理效果看，其絮凝效果非常顯著。SS 去除100%；COD 去除率在92%以上。

3.4 經(jīng)濟分析
 
不同絮凝劑使用成本概算如表 4 所示。絮凝劑LF-Tou2 成本最低，有很好的工業(yè)化前景。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

表 4 不同絮凝劑使用成本概算

4 結(jié)論
 
（1）考察了硫酸鋁溶液、PAC、PFS、PAM、殼聚糖和絮凝劑LF-Tou2 這6 種絮凝劑對生活污水的處理效果。結(jié)果表明：絮凝劑LF-Tou2 的絮凝率明顯高于其他5 種絮凝劑，其COD 去除率達到89.8%，濁度去除率為98.2%。

（2）考察了絮凝劑LF-Tou2 的最佳絮凝條件：pH 為7.5、添加量為19 mg/L、溫度為27 ℃、攪拌時間為3 min，其COD 去除率達到92.9%。

（3）考察了絮凝劑LF-Tou2 對不同來源生活污水的處理效果。結(jié)果表明：不僅對COD 和SS 有很好的去除效果，而且原水中重金屬Fe3+、Cu2+和Hg2+經(jīng)絮凝處理后，去除率全部超過90%。