随着我国人口的持续增长、地表水和地下水的污染、经济发展和城市化进程的加快，城市缺水问题越来越突出。因此，为了解决我国逐渐加剧的水资源缺乏问题，生活污水回用是必要的〔1, 2, 3〕。
絮凝沉降法是生活污水处理中应用很普遍的方法。常用的絮凝剂主要有无机絮凝剂及人工合成的有机絮凝剂，但使用时都有不同程度的二次污染问题，目前许多国家已禁止或限量使用。微生物絮凝剂是利用生物技术从微生物及其分泌物中提取纯化而获得的安全高效、能自然降解的新型水处理剂，具有无毒无害的特性，因此越来越受到人们关注〔4, 5, 6, 7, 8〕。
均匀实验设计法相对于正交实验法的优势是在因素和水平数都较多的情况下，用较少的实验次数就可获得期望的结果，节省人力和物力，便于实施〔9〕。
笔者实验室从土壤中筛选出一株产生絮凝物质的菌株节杆菌（Arthrobacter sp.），经过培养后，在发酵液中提取出一种具有高效絮凝性的蛋白质多糖生物大分子絮凝剂LF-Tou2〔10〕。目前，国内采用正交实验对絮凝工艺进行优化的研究比较多，而将均匀实验设计法用于优化絮凝剂絮凝工艺的研究未见报道。实验采用高效微生物絮凝剂LF-Tou2 处理生活废水，对其絮凝条件进行了优化研究，使废水的COD大幅度降低，有效地减轻了废水生化处理的成本和负荷。
1 实验材料
1.1 供试菌株和培养基
节杆菌LF-Tou2 （Arthrobacter sp.，16SrRNA 在Gen Bank 中的顺序号为AY641537）由实验室保存。培养基：混合糖（98%葡萄糖+2%麦芽低聚糖）10 g，K2HPO4 5 g，（NH4）2SO4 0.6 g，玉米浆1 g，MgSO40.2 g，CaCl2 0.1 g，蒸馏水1 000 mL，pH 7.0，121 ℃灭菌20 min。
1.2 实验水样
实验水样1 取自山东建筑大学污水处理站，污水水质指标：COD 为126.32 mg/L、浊度为7.3 mg/L、SS 为21 mg/L、pH 为7.5。
实验水样2 取自山东建筑大学教授花园小区，污水水质指标：COD 为568.51 mg/L、浊度为7.5 mg/L、SS 为0、pH 为8.0。
实验水样3 取自济南经十东路田园小区，污水水质指标：COD 为334.23 mg/L、浊度为11.2 mg/L、SS 为24 mg/L、pH 为6.9。
2 实验方法
2.1 发酵方法
每株菌取一满环接入到50 mL 发酵培养液中（250 mL 三角瓶），摇床培养18 h，然后按2%的接种量转入500 mL 三角瓶中，在30 ℃、170 r/min 的条件下摇床培养24 h。
2.2 絮凝剂LF-Tou2 提取方法
发酵液中加入3 倍的无水乙醇进行沉淀，将沉淀分别用75%乙醇、无水乙醇、乙醚进行洗涤，40 ℃真空干燥得到粗品〔10〕。
2.3 分析方法
（1）COD 的测定采用重铬酸钾法〔10〕，SS 测定采用滤纸法〔11〕。
（2）各种重金属离子的检测方法：邻菲啰啉分光光度法（Fe2+），高碘酸钾氧化光度法（Mn2+），二乙氨基硫代甲酸钠萃取分光光度法（Cu2+），双硫腙分光光度法（Zn2+），丁二酮肟光度法（Ni2+），双硫腙光度法（Hg2+）〔12〕。
3 结果与讨论
3.1 絮凝剂LF-Tou2 与常规絮凝剂的絮凝效果比较
3.1.1 絮凝剂的初步筛选
取生活废水水样于烧杯中，分别投入硫酸铝溶液、聚合氯化铝溶液（PAC）、聚合硫酸铁溶液（PFS）、聚丙烯酰胺溶液（PAM）、壳聚糖、絮凝剂LF-Tou2，搅拌反应并沉降，测定絮凝后上清液的SS 和COD。絮凝效果如表 1 所示。由表 1 可见，絮凝剂LF-Tou2的絮凝效果明显高于其他5 种絮凝剂，其COD 去除率达到89.8%，SS 去除率为98.2%。
表 1 不同絮凝剂的絮凝效果
3.1.2 絮凝剂添加量对絮凝效果的影响
选出3 种絮凝效果比较好的絮凝剂，考察不同添加量对絮凝效果的影响，结果如图 1 所示。
图 1 絮凝剂用量对絮凝效果的影响
由图 1 可见，絮凝剂LF-Tou2 的絮凝效果要优于其他两种絮凝剂，最适添加质量浓度在20 mg/L。
絮凝剂LF-Tou2 为蛋白质多糖大分子生物物质，分子质量为3.89×106 u〔12〕。多糖的分子质量和分子链中的功能基团是絮凝活性高低的决定因素。多数研究者认同〔13〕，在多糖絮凝剂中，羧基和羟基起着重要的作用，而在蛋白质絮凝剂中氨基、羧基主导着絮凝活性。还有研究者强调〔14〕，磷酸盐基团也与絮凝活性密切相关。LF-Tou2 是蛋白质多糖大分子生物物质，在絮凝活性的展示中，应综合体现出蛋白质的氨基、羧基，多糖的羧基、羟基及磷酸基团的共同作用，所以表现出高的絮凝活性〔12〕。
3.2 均匀设计确定最佳絮凝条件
3.2.1 均匀设计实验方案及实验结果
采用均匀设计表中的4 因素6 水平实验6 组方案，确定絮凝剂LF-Tou2 的最佳絮凝效果。实验设计方案和结果如表 2 所示。
表 2 U6（64）均匀设计及实验结果
3.2.2 实验数据的回归分析和方程建立
均匀实验数据处理采用Uniform Design 2.10 软件，得出回归方程：
方差分析表中显著性水平为0.001，说明回归方程变量间关系是极显著的。对应的最优絮凝条件是：pH 为7.5、添加量为19 mg/L、温度为27 ℃、搅拌时间为3 min，预测最优结果为93.3%。
3.2.3 最佳絮凝条件的验证实验
在最优条件下进行验证实验，测得COD 去除率为92.9%，与前面推导出的预测值93.3%相比，误差仅为0.65%，由结果可以看出，实验值与预测值的误差在允许范围之内，说明均匀设计优化的絮凝条件准确可信。
3.3 絮凝剂LF-Tou2 对生活污水的处理效果
因为生活污水的水质受环境、地域等因素影响很大，不同地点、同一地点不同时间的水样水质差别很大。为进一步证明絮凝剂LF-Tou2 的絮凝效果，选取不同地点的3 个水样来考察其使用效果。结果如表 3 所示。
表 3 对不同生活污水的絮凝效果 注：表中各指标，除浊度、pH 外，其他指标的单位均为mg/L。
从对生活污水的处理效果看，其絮凝效果非常显著。SS 去除100%；COD 去除率在92%以上。
3.4 经济分析
不同絮凝剂使用成本概算如表 4 所示。絮凝剂LF-Tou2 成本最低，有很好的工业化前景。。
表 4 不同絮凝剂使用成本概算
4 结论
（1）考察了硫酸铝溶液、PAC、PFS、PAM、壳聚糖和絮凝剂LF-Tou2 这6 种絮凝剂对生活污水的处理效果。结果表明：絮凝剂LF-Tou2 的絮凝率明显高于其他5 种絮凝剂，其COD 去除率达到89.8%，浊度去除率为98.2%。
（2）考察了絮凝剂LF-Tou2 的最佳絮凝条件：pH 为7.5、添加量为19 mg/L、温度为27 ℃、搅拌时间为3 min，其COD 去除率达到92.9%。
（3）考察了絮凝剂LF-Tou2 对不同来源生活污水的处理效果。结果表明：不仅对COD 和SS 有很好的去除效果，而且原水中重金属Fe3+、Cu2+和Hg2+经絮凝处理后，去除率全部超过90%。
