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阿尔伯塔大学

通过水中和废水中的磁铁矿的水处理过程去除模型废水中的细菌

摘要：

用于水和废水处理的常规消毒方法（例如氯化和臭氧化）消毒产生的副产物,其中一些已被发现对活生物体是致癌的。提出了使用磁铁矿从水流中去除病原微生物的替代方法，因为其不产生任何有害的副产物。除去三种典型细菌大肠杆菌ATCCreg; 25922trade;,恶臭假单胞菌ATCCreg; 17453trade;,藤黄微球菌ATCCreg; 4698trade;,在本论文中已经研究了使用磁铁矿去除后两种细菌的机制。我们发现了磁铁矿比为1:50的最佳物质：，可去除细菌细胞如下：大肠杆菌96.8％，恶臭假单胞菌94.8％和黄色螺菌99.7％。为了更好地理解去除机制，还研究了缓冲液，pH，混合和接触时间对结果的影响。添加缓冲液在大多数情况下降低磁铁矿的去除效率约10％，但在pH为7.5时仍保持高于90％的去除率，发现在200RPM的最佳混合时间在10至12分钟之间。研究水和磁铁矿相互作用表明，在水中每克磁铁矿释放1.084毫克/升溶解氧。此外，还研究了细菌表面上的官能团，以更好地理解磁铁矿与细菌细胞的相互作用。这些分析表明，磁铁矿可以有效地用于水和废水处理工业中的消毒过程。

实验工作

1 介绍

已经做了一些研究来调查可能的工程，应用磁铁矿去除水和废水中不同的污染物。因为使用磁铁矿进行水和废水处理仍然被视为一个新兴的过程，所以对它的研究受到限制。一个例外是使用磁铁矿去除废水中的重金属，纳弗拉迪尔（2009）描述了磁铁矿和铁氧体在矿井水处理和修复中的应用。结果表明，磁铁矿可以实现重金属如硒，铬（VI）和铀的去除效率大于95％（纳弗拉迪尔，2009）。通过磁铁矿吸附金属离子从而去除的方法在废水处理行业中越来越受欢迎。分析发现从废水中去除锌和镍在金属抛光行业也是有前途的（奥斯卡伊，2003）。磁铁矿的大小对去除的影响也进行了研究（梅奥等人，2007）。磁铁矿的大小从300纳米下降到12纳米时，磁铁矿吸附废水中的砷离子的吸附效率增加了200倍。（梅奥等人，2007）。

使用磁铁矿进行水和废水处理是一种新兴的技术。有一些可信的报告表明，磁铁矿吸附表面水中的细菌和藻类细胞时，高达94％的藻类细胞可以被吸附（比顿等人，1975），但不足以支持磁铁矿可能被用作消毒剂的说法。麦克雷和伊万斯（1981）报道了通过5个对数周期吸附大肠杆菌，这是非常高的，并且与现代消毒技术例如UV和臭氧化相当。同一作者也报道了使用磁铁矿吸附99.4％的脊髓灰质炎病毒1型（比顿等人，1976）。

用磁铁矿处理废水具有几个优点。其主要优点是磁铁矿可以使用简单的磁场来稳定。这种特定的性质可以减少水或废水处理设备的占地面积，从而使沉降时间更短和流速更高。使用磁铁矿的另一个优点是它可以在现场制造，并且用过的磁铁矿也可以在现场再生。

本研究将重点调查磁铁矿用作消毒剂或初级消毒剂的能力，研究还会调查影响磁铁矿吸附微生物性能的不同因素。本研究的目的是寻找替代的方法处理水和废水，这种方法可以最大限度地减少市政水流中使用的化学品和化学品释放的副产品。

2材料和方法

这部分在第后面将详细说明所有用于进行的实验材料和方法。

2.1河水的采样

2011年6月在艾伯塔省埃德蒙顿埃米利墨菲公园的基地的北萨斯喀彻温河取到用于测试磁铁矿控制浊度的能力的水。将样品保存在 4^oC的冷库中并在测试前将适量的样品置于室温。记录河水的pH值。 用NaOH（0.1M）和H₂SO₄（0.1M）的储备溶液调节pH至所需值。将水样的pH调节至5.6，值5.6改编自CSIRO分区，因为pH为5.6时磁铁矿对有机物的静电吸引力最高（安德森等人，1983）。

2.2实验设计

通过一些初步实验确定用于处理河水的磁铁矿的浓度变化范围。使用不同浓度的磁铁矿，明矾和聚丙烯酰胺。用于浊度控制的因子设计是由3²个值组成的部分因子设计。表3.1中给出了使用的值，其中A =商品级明矾：硫酸铝Al ₂（SO 4）₃，在水中的重量占比为26.8（10毫克/升和60毫克/升）,P =聚丙烯酰胺：聚丙烯酰胺（丙烯酰胺 - 共二烯丙基二甲基氯化铵）在水中的重量占比为10％，在25℃（1mg / L至3mg /L）浓度为1.02g / ml，M =磁铁矿（100毫克/升至300毫克/升），括号中的值表示所使用的适当组合的浓度的上限和下限。字母N表示没有添加化学物质并作为对照，字母L和H表示其使用的浓度下限和浓度上限。例如：组合15（NA，NP，和HM）的意思是，实验中没有明矾，没有聚丙烯酰胺，但只有磁铁矿，上限浓度为300毫克/升。使用了明矾，聚丙烯酰胺和磁铁矿之间的16种组合。使用的对照是：阳性对照=无化学物质添加，阴性对照=清洁去离子水（浊度= 0.01NTU）

2.3河水处理装置

图2.1所示的用于河水处理的装置示意图.体积为1L的未经处理原料河水，和磁铁矿用200RPM与桨式混合器混合10分钟（菲利普和伯德，PB-700TM Jar测试仪，美国弗吉尼亚州）。处理后，将样品泵送通过磁场（见2.2.5节）以捕获形成的絮凝物（与磁场接触的大约时间为23秒，调节流速以达到最大接触时间），然后清水 被收集在收集罐中。

图2.1：使用磁铁矿处理河水的设置示意图。 箭头表示水流，除非文中另有说明。 用作样品的水体积始终保持1升，以保持一致性。

每次实验后用去离子水漂洗管，并以高流速冲洗磁铁矿（除去磁场后），在收集清水后测量样品的浊度。检测样品前后的pH值在明矾处理过程中消耗一些碱度（克里滕登等，2005）。

2.4河流水质测量

使用数字直读现场浊度计测量浑浊的河水的浊度，用磁铁矿处理之前和之后测量样品的浊度。 在没有向样品中加入磁铁矿的情况下，将絮凝物沉淀20分钟，然后泵送通过磁场（图2.1）。

2.4.1数据统计分析

为了确保因子设计的结果的准确性，可靠性和可重复性，对阶乘设计进行了统计分析。用Microsoft Excel 2010 对统计数据进行回归分析以解决数据的意义。所有数据在进行回归分析之前都是正态分布的。 回归率为95％置信水平（P lt;0.05）。

2.5使用的磁铁规格

用于沉降的磁铁矿的磁体高强度铝合金（铝镍钴磁铁）盘来自美国核科学，MI，美国的尺寸frac14;“x 3.5”（厚度times;直径）和强度2.3 T（1tesla = 10000高斯）的两极。使用高斯计测量平均强度约为1.8 t。

2.6使用的细菌菌株和生长条件

本研究中使用的所有培养物均获自ATCCreg;（美国菌种保藏中心）。 使用的培养物是恶臭假单胞菌 ATCCreg; 17453trade;，大肠杆菌ATCCreg; 25922trade;和黄曲霉ATCCreg; 4698trade;。选择这些特定菌株，因为它们是非致病性典型生物体，以模拟通常在废水中发现的细菌。在适当的生长培养基中，将所有细菌培养物从-80℃的冷冻原种接种，将恶臭假单胞菌和大肠杆菌在营养琼脂培养皿（BD DIFCOTM）上在37℃条纹划线，并将来自相同陪替氏培养皿的单个分离的菌落在37℃的营养液（BD DIFCO TM）中接种18小时。在37℃下，在胰蛋白酶大豆琼脂（BD BACTO TM）上划线黄曲霉48小时，并在37℃下将单个分离的菌落接种在胰蛋白酶大豆肉汤（BD BACTO TM）中48小时。

所有培养物在37℃下不振荡（浓度达到约10 ^ 6cfu / ml，见附录C）培养，通过在室温下以10,000g离心15分钟（GYROZEN 1730MR）收获细胞。弃去上清液，用pH7.5的磷酸盐缓冲盐水（PBS）或盐水（0.85％NaCl）（取决于所进行的实验）溶液洗涤细胞沉淀并悬浮在相同的溶液中。在PBS中悬浮之前记录沉淀物的湿重。 据报道，大肠杆菌，恶臭假单胞菌和黄杆菌的干重百分比分别为31.4％，48.4％和

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