微生物絮凝剂在污水处理中的应用.docx

1、微生物絮凝剂在污水处理中的应用微生物絮凝剂在污水处理中的应用 摘 要：随着工农生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高,环境污染也越来越严重,本文总结了传统絮凝剂在废水处理中存在的问题，介绍了微生物絮凝剂的基本研究方法及其在废水处理中的优越性，分析了微生物絮凝剂在现代废水处理中的具体应用，探讨了目前微生物絮凝剂研究发展，为水处理技术的研究和发展提供了一个新的方向。前言：随着工农业生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高,人们在生产和生活中对化工产品的需求量越来越大,化工产品的大量生产、储存、流通和使用,使得大量化学物质被释放到水体、土壤之中,造成严重的环境污染。随着水处理技术的发展,絮凝剂的研究和

2、应用越来越受到重视。絮凝剂是一种可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒凝聚沉降的物质，根据化学成分的不同，絮凝剂可分为无机、有机和微生物絮凝剂。传统的絮凝剂有无机絮凝剂和合成有机高分子絮凝剂,无机絮凝剂主要有铁盐和铝盐两大体系,有机高分子絮凝剂主要为聚丙烯酰胺及其衍生物。由于铝盐絮凝法产生的污泥广泛应用于农业,导致土壤中铝含量升高,植物出现铝害,从而影响植物正常生长,甚至死亡;同时伴随这些农作物进入食物亦影响到人体的健康,临床上铝中毒主要有铝性脑病、铝性骨病和铝性贫血等,老年性痴呆症即是铝性脑病的一种。铁盐对金属有腐蚀作用,也可造成处理水中带有颜色,且高浓度的铁对人体健康和生态环境有不利影响。自20

3、世纪60年代以来,人工合成的有机高分子絮凝剂在废水处理及污泥调节中得到广泛的应用,目前使用较多的是聚丙烯酰胺,但因合成这些聚合物的单体具有强烈的神经毒性,而且还有很强的致癌性1 ,从而大大限制了此类絮凝剂的应用。传统的污水处理方法存在着处理效率不高、耗费大、有一定的危害及二次污染等问题,这就需要寻找一种较经济、合理的污水处理方式。近年来,利用微生物絮凝剂处理污水的方法越来越受到国内外的关注。正文：微生物絮凝剂的研究者早就发现，一些微生物如酵母、细菌等有细胞絮凝现象，但一直未对其产生重视，仅是作为细胞富集的一种方法。近十几年来，细胞絮凝技术才作为一种简单、经济的生物产品分离技术在连续发酵及产品分

4、离中得到广泛的应用。微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物。主要有糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等。能产生微生物絮凝 剂的微生物种类很多，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。从其来源看，也属于天然有机高分子絮凝剂，因此它具有天然有机高分子絮凝剂的一切优点。同时，微生物絮凝剂的研究工作已由提纯、改性进入到利用生物技术培育、筛选优良的菌种，以较低的成本获得高效的絮凝剂的研究，因此其研究范围已超越了传统的天然有机高分子絮凝剂的研究范畴。具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌。最早的絮凝剂产生菌Butterfield从活性污泥中筛选得到。1976年，Nakamura j.等人

5、从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中，筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中以酱油曲霉(Aspergillus souae)AJ7002产生的絮凝剂效果最好。1985年，Takagi H等人研究了拟青霉素(Paecilomyces sp.l-1)微生物产生的絮凝剂PF101。PF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土、氧化铝等有良好的絮凝效果。1986年，Kurane等人利用红平红球菌 (Rhodococcuserythropolis)研制成功息生物絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的

6、絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物絮凝剂。 絮凝剂的分子质量、分子结构与形状及其所带基团对絮凝剂的活性都有影响。一般来讲，分子量越大，絮凝活性越高；线性分子絮凝活性高，分子带支链或交联越多，絮凝性越差；絮凝剂产生菌处于培养后期，细胞表面疏水性增强，产生的絮凝剂活性也越高。处理水体中胶体离子的表面结构与电荷对絮凝效果也有影响。一些报道指出，水体中的阳离子，特别是Ca2+、Mg2+的存在能有效降低胶体表面负电荷，促进“架桥”形成。另外，高浓度Ca2+的存在还能保护絮凝剂不受降解酶的作用。微生物絮凝剂絮凝范围广、絮凝活性高，而且作用条件粗放，大多不受离子强度、pH值及温度的影响，因此可以广泛应

7、用于污水和工业废水处理中。微生物絮凝剂高效、安全、不污染环境的优点。1 微生物絮凝剂的基本研究方法微生物絮凝剂的研究思路基本上是先进行絮凝微生物筛选、培养,提取其产生的微生物絮凝剂,然后对微生物絮凝剂的絮凝性能和机理进行研究,最后进行产品开发,实现微生物絮凝剂批量化、规模化生产。目前制约微生物絮凝剂发展的关键问题在于生产成本过高和产量低，因此筛选高效絮凝剂产生茵并提高其絮凝剂产量变得尤为重要，同时也是开发和系统研究微生物絮凝剂关键的第一步。本实验采用常规细菌分离纯化方法，从土壤中筛选出一株高效絮凝剂产生菌，经过形态学特征、生理生化反应及16S rDNA序列同源性比较相结合对该菌株进行鉴定。1.

8、1 分离培养基采用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏1号培养基、查氏培养基和马丁氏琼脂培养基口2。1.2 筛选培养基(pgL1) 3葡萄糖20、K2HP04 5O、KH2P04 20、Nacl 01、(NH4)2S04 02、尿素05、酵母膏05、MgS042，007MPa灭菌30min。培养条件为初始pH80、温度30、摇床速度150rmin下培养72h。1.3 菌种的采集、培养、分离、筛选和纯化菌种来源于长沙市郊区菜园土壤、岳麓山林下土壤、湘江边淤泥、本系实验室的活性污泥。用平板划线法胆刈分离出单个菌落，再将其接种到相应的斜面培养基上以得到纯菌种。将菌种接种到筛选培养基中培养72h，将菌液在6 00

9、0rmin下离心30min，取上清液测其对高岭土悬浮液的絮凝率。选取具有较高絮凝率的菌株作为复筛菌株，经不断接种传代和复筛得到高效絮凝菌种。41.4 絮凝率的测定 在100ml量筒内加入04g高岭土，加入80ml蒸馏水、5ml 1 CaC1、2ml菌液上清液，混合，加蒸馏水至100ml，调pH值至70，摇匀，静置5min，于7230G型分光光度计550nm下测定上清液的光密度值，与不加发酵液的高岭土悬浮液相对比，通过浊度的减少定量表示絮凝率。絮凝率(用R表示)计算公式为：RF =(AB)A100式中：A为空白上清液的D550值，B为样品上清液的D550值。测定了各个菌株发酵液的絮凝率后，选取絮

10、凝率最好的菌株进行鉴定以及培养条件和絮凝条件的优化研究。1. 5 絮凝微生物的鉴定形态学鉴定：将菌株进行革兰氏染色，芽孢染色，观察菌落形态和显微镜下观察菌体形态；生理生化鉴定：依据伯杰细菌分类手册进行鉴定；16S rDNA序列分析鉴定：将菌株接种于牛肉膏蛋白胨固体培养基培养24h，挑取少量菌落悬浮于200I1双蒸水中，利用DNA提取试剂盒(天为时代DP301-02)提取模板。PCR反应的正向引物为27F：5“AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3” ，反向引物为1495 R：5“ CTACGGCTACCTTGTTACG-3”，反应体系组成为：DNA模板，1UL；dNTP混合物，5Ul；T

11、aqDNA聚合酶，1UL；引物各1 UL ；TaqDNA聚合酶的10反应缓冲液5 UL；加无菌去离子水至终体积50 UL。PCR反应条件为：94预变性5min；94 ，30s；55 ，45s；72 ，90s，进行30个循环；最后72延伸10min,测序引物为27F和1495R。1. 2 微生物絮凝剂的种类1. 2. 1 直接利用微生物细胞的絮凝剂1976 年,Nakamura 等(5)从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中筛选出19 种具有絮凝能力的微生物。其中直接利用微生物细胞为絮凝剂的是以酱油曲霉AJ 7002 产生的絮凝剂。1986 年,Kurane6 利用红平红球菌制成微生物絮凝剂N o

12、c21 ,对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥和纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果。1. 2. 2 利用微生物细胞壁提取物絮凝剂微生物细胞壁是天然有机高分子絮凝剂的重要来源。目前利用藻类和霉菌的细胞壁提取物较多,利用细菌细胞壁的还较少。藻类如褐藻酸细胞壁是目前广泛应用的絮凝剂;酵母菌细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质及N2乙酰葡萄糖胺等成分也可作絮凝剂。1. 2. 3 利用微生物细胞代谢产物絮凝剂微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物主要是细菌的荚膜和粘液质,除水分外,其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物。这些物质在某种程度上都可用作絮凝剂,但贡献最大的还是多

13、糖类。如唾液链球菌以蔗糖为碳源积累的果聚糖就可用作絮凝剂。3 微生物絮凝剂的特点严格说来，微生物絮凝剂也属于天然高分子有机物(生物树脂)，是人们近年来利用生物技术开发出的一类由微生物在特定培养条件下生长代谢至一定阶段产生的具有絮凝活性的产物7。它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得到的，是具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒、无二次污染的水处理剂，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等8。微生物絮凝剂在污水处理过程中优势如下。1)高效性：同等用量下，微生物絮凝剂的使用效率明显高于常规絮凝剂。2)安全无毒性：采用微生物絮凝剂处理食品废水，即可回收有用成分，又

14、可减少排污量，是食品行业废水治理的发展趋势。3)无二次污染：微生物产生的絮凝剂成分复杂多样，且随菌种的不同而不同。到目前为止，已报道的微生物产生的絮凝物质为糖蛋白、黏多糖、纤维素、DNA 等高分子物质，其相对分子质量多在10000以上，具有可生化性，即能够自行降解，因而絮凝后不会带来二次污染。4)用途广泛、脱色效果独特：对泥浆水、畜产废水、染料废水等有极好的絮凝和脱色效果。5)投放量相对少：使用少量微生物絮凝剂，就能实现大面积污水的净化作用。4 微生物絮凝剂的应用41 城市生活污水的处理用从城市生活污水中分离出的具有絮凝、降解作用的高效混合菌群对生活污水进行处理，可使污水的COD和B0D。的去

15、除率达到100 。用絮凝剂TH。处理生活污水，其COD和SS的去除率分别可达到68%和91%9.42 建材和焦化废水的处理在含有大量固体悬浮颗粒的废水中，加入某种微生物絮凝剂的发酵液，可使废水中形成大量絮凝体便于沉淀去除。如在焦化废水悬浊液中，加入AIcaligenueslatus培养液，沉降后上清液的固体悬浮颗粒去除率达78%10.43 染料废水的脱色目前的废水处理技术虽能降低BOD5，但是对可溶性色素溶液的脱色效果不佳，使用微生物絮凝剂处理可以达到理想的效果。胡筱敏等利用其开发的微生物絮凝剂MBFA一9处理硫化染料废水，投加量为01 mI L(体积分数为001%)，不需投加助凝剂，处理前D

16、50为189，处理后D590为0015，脱色率达到99211.44 食品工业废水的处理微生物絮凝剂用于食品废水的处理，可达到满意的效果。如用微生物絮凝剂普鲁兰来处理味精生产废水，其COD和SS的去除率可达到40 左右，其浊度去除率可达9912。邓述波等利用筛选的菌株A一9，对淀粉废水进行处理，废水中的SS和COD去除率分别为855 和685 %，处理效果也明显优于目前使用的化学絮凝剂，且可回收其蛋白质成分作为饲料13。45 电镀废水的处理电镀废水中的铬和氰对人体危害很大，是废水处理工作中的重点治理成分。田小光等以硫酸盐还原菌培养液为净化剂，可使水中的Cr汁质量浓度下降8814。46 活性污泥沉

17、降性能的改善活性污泥处理系统的效率常因污泥的沉降性能变差而降低，微生物絮凝剂能有效地提高整个处理系统的效率。如将由红平红球菌15制得的微生物絮凝剂NOC-1加入到已膨胀的活性污泥中，可以使污泥容积指数从290下降到5O，并且在污泥沉降性能得到恢复的同时不会降低有机物的去除效率16。47 对污泥脱水的作用对污泥进行脱水能够为后续处理创造有利条件。用红平红球菌培养物2mL和5mL体积分数为1%的Ca抖溶液，处理95mL浓缩后的污泥，可以使污泥体积在20 min内浓缩为原来的92%17。4.8 畜产废水的处理 畜产废水的BOD5很高,是一类难处理的有机废水。采用微生物絮凝剂可以有效地降低其TOC含量

18、和TN含量。如在畜产废水中加入微生物絮凝剂NOC-1，处理10min后，其TOC和TN的去除率分别为70和40，浊度去除率达94.5，处理后的水基本上是无色澄清的。4.9塑料工业废水的处理 在塑料工业废水中酞酸酯含量较高，较难理,Rhodoccocusnerythropolis能在以酞酸酯为碳源的培养基上生长，并合成一种酶。该酶将具有不同支链的邻苯二甲酸酯分解成邻苯二甲酸和乙醇，而且同时产生絮凝剂,达到双重处理效果。4.10乳化液的油水分离 向一些乳化液中加入特定的絮凝剂，在一定程度上可使油水分离。如用Alcaligenueslatus培养物可以将棕榈酸从乳化液中分离出来，下层清液的COD从4

19、50mg/L下降为235mg/L，去除率为48，远高于有机和无机高分子絮凝剂。5微生物絮凝剂的絮凝机理5. 1 “桥联作用”机理该学说认为微生物絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力,同时吸附多个胶体颗粒,在颗粒间产生“架桥”现象,并形成一种网状的三维结构而沉淀下来。Lee 等18以吸附等温线和电位测定表电位测定表明,环圈项圈藻PCC26720所产生的絮凝剂对膨润土絮凝过程是以“桥联作用”机理为基础的。电镜照片显示细菌之间有胞外聚合物搭桥相连,正是这些桥使细胞丧失了胶体的稳定性而紧密聚合并在液体中沉淀下来。5. 2 “电性中和”机理该机理认为胶体粒子的表面一般带有负电荷,当带有一定正电荷的链状

20、生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时,会中和胶体表面上的部分电荷,使静电斥力减少,从而使胶粒之间、胶粒与絮凝剂分子之间易产生互相碰撞,通过分子间作用力凝聚而沉淀。5. 3 “化学反应”机理该机理认为生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应基团反应,进而聚集成较大的分子而沉淀下来。通过对生物大分子进行改性处理,使其添加或丧失某些活性基团,絮凝活性将大受影响。5. 4 “卷扫作用”机理当微生物絮凝剂投加到一定量且可形成小粒聚体时,可以在重力作用下迅速网捕,卷扫水中胶粒而产生沉淀分离,称为“卷扫作用”或“网捕作用”。“卷扫作用”基本上是一种机械作用。此外,还有其它的一些絮凝机理,如粘质学说、醋

21、合学说、荚膜学说等也可解释部分絮凝现象。絮凝的形成是一个复杂的过程,单一的某种机理并不能解释所有的现象,絮凝作用是多种作用的共同结果。6 影响絮凝效果的因素6. 1 培养条件的影响在培养基的营养源(氮源、碳源及其它微量物质等) 充足时,微生物絮凝剂的絮凝活性与培养时间、培养温度和p H 值有关。研究表明,絮凝活性随着培养时间的延长而提高。在培养的初始阶段,絮凝活性随着培养时间的延长而基本成线性增长,到一定时间后,絮凝活性的增长趋缓,最后趋于某一极限值。培养基的初始p H 值过高或过低都不利于絮凝剂的产生,一般应介于3. 08. 0之间。不同的絮凝剂产生菌最佳的培养温度及所对应的时间往往不同,多

22、数在30左右。事实上,培养过程中的一些其它因素,如培养时间、离心转速等都对絮凝性能有影响,只是影响较为粗放,在絮凝剂的培养过程中应当注意。6. 2 絮凝剂本身对絮凝效果的影响絮凝剂相对分子质量大小对其絮凝效果的影响很大,相对分子质量越大,絮凝活性越高。当絮凝剂的蛋白质成分降解后,相对分子质量减小,絮凝活性明显下降。一般线性结构的大分子絮凝剂的絮凝效果较好,如果分子结构是交链或支链结构,其絮凝效果就差;每一种絮凝剂都有一个最佳投加剂量,过多或过少,絮凝效果均会下降。据分析,投加剂量的最佳值约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到1/ 2 饱和时的吸附量,此时大分子在固体颗粒上架桥几率最大。6. 3

23、温度的影响温度对某些以蛋白质为主要成分的絮凝剂活性影响比较明显,主要是因为蛋白质分子在高温下容易变性,从而丧失絮凝能力;而以多糖等为主要成分的絮凝剂对温度不敏感,其多聚糖结构经较高温度处理后,仍能以化学键的方式与胶体颗粒相结合。实验显示19 ,以多糖为主要成分的微生物絮凝剂在较高温度下加热适当的时间后,再将其加入到高岭土悬浊液中时,絮凝剂的絮凝活性升高。分析认为,可能是温度升高改变了反应速率常数20.6. 4 pH值的影响p H 值是影响絮凝效果的重要因素。p H 值不仅影响絮凝剂的表面电荷性质、形态结构,还影响水体中悬浮颗粒的表面物化性质,从而影响絮凝剂对颗粒表面性质的改善,进而影响到对水中

24、杂质的絮凝能力。实践表明21.22,绝大多数微生物絮凝剂在酸性条件下的絮凝活性较低,甚至没有作用,但当pH 8. 0时,絮凝活性明显增强。如使用MBF3-3处理石化废水,pH10时的处理效果达到最佳。不同的絮凝剂对pH值的敏感程度不一样,但多数在碱性条件下的絮凝活性有不同程度的提高。6. 5 阳离子种类的影响有研究者将不同的无机盐配成不同浓度的溶液,取相当于物质量的溶液加人高岭土悬浊液和微生物絮凝剂的反应体系中,发现一价阳离子,如Na + 、K+ 对絮凝效果几乎没有促进作用; 而Mg2 + 、Mn2 + 、Al3 + 、Cu2 + 、Ca2 + 等二价和三价阳离子对絮凝都有促进作用(但Fe3

25、+ 对一些絮凝剂有抑制作用) 。这是由于Ca2 + 、Mg2 + 、Al3 + 等阳离子存在的情况下,一方面能有效降低胶体的表面电荷,压缩双电层,使胶粒的表面性质发生改变而产生凝集作用;另一方面,由于较高价阳离子与胶体间吸附作用的存在,使胶体颗粒更容易被絮凝剂高分子吸附,有利于架桥作用。在实际应用中,人们常常在加人微生物絮凝剂的同时投加CaC12 溶液, 或干脆直接和无机混凝剂如Al2 (SO4) 3等,按一定的配比混合使用,实践证明,这些方法都可以有效提高絮凝效果23.7 微生物絮凝剂研究存在的问题微生物絮凝剂在处理废水方面有着突出的优越性，它的大规模生产和应用将有广阔的市场前景。但是从规模

26、化生产和废水处理角度看，目前国内外的微生物絮凝剂研究还存在着如下问题：（1）研究水平低。大多数学者从自然界筛选高效的絮凝剂产生菌，研究其絮凝性能，而对优良的絮凝剂产生菌诱变育种和基因控制方面缺乏研究，且研究停留在实验室阶段。 （2）制备成本高。绝大多数研究按照食品发酵和生物制药的思路制备微生物絮凝剂，即采用单一菌种和价格昂贵培养基,制备偏高。 （3）测定絮凝剂活性的指标单一。目前，国内外只用微生物絮凝剂处理高岭土悬浊液的能力来表征其活性，对于性质和种类千差万别的工业废水而言，此指标显然不能全面衡量。 （4）絮凝机理尚无明确解释。微生物絮凝剂絮凝机理的研究目前仍没有重大突破，仍只是用经典的胶体体

27、系絮凝机理进行解释，这必然会制约处理能力的提高。 （5）针对性不强。在研究微生物絮凝剂处理废水时，尚没有关于絮凝剂种类、成分与处理废水类型对映关系的研究，这将造成微生物絮凝剂在使用过程中的盲目性和缺乏针对性，从而难以提高微生物絮凝剂处理废水的效率。8展望目前,微生物絮凝剂的研究,筛选的菌种有几十种,很多微生物絮凝剂对多种废水都有很好的絮凝效果。而且在廉价培养基的选择上也做出了很多尝试,降低了微生物絮凝剂的生产成本。但是要使微生物絮凝剂广泛应用于水处理,形成大规模的产业化还有差距,问题主要有,一是研究水平较低,各学者对各菌种的研究重复工作较多,缺乏创新,研究的内容限于自然界中絮凝剂的筛选、絮凝特

28、性的分析等,而对各菌种产生絮凝剂的机制及絮凝剂的主要成分的探讨相对较少;二是对产絮凝微生物的培养条件研究不够深入,对大规模培养产絮凝微生物与絮凝剂产量的影响因素了解较少,与工业生产的差距大。基于以上问题,笔者认为微生物絮凝剂研究重点应集中在以下几方面:一是微生物絮凝剂主要成分的分析与表征方法。目前,所使用的微生物絮凝剂大多为微生物分泌的胞外物质,对确切起絮凝作用的主要物质成分还不清楚,给絮凝剂的深入研究造成了困难;二是微生物絮凝剂最适廉价培养基的选择与培养条件的研究。目前,微生物絮凝剂主要采用试验室培养基来培养,成本高,若找到产絮凝微生物最适的廉价培养基,如废水,则既可降低废水的污染,又可废物

29、利用;三是要想达到实际应用乃至大规模应用,不但要对微生物絮凝剂的生成机理、合成条件、影响因素以及适应性作更大量、更深人的研究,还需要开展高产菌株的筛选和优良絮凝剂产生菌的诱变育种和基因控制等研究课题,更应当研究如何生产出低成本的培养源,以便能够找到具有工业生产价值的、有更强适应性的微生物絮凝剂。微生物絮凝剂的研究和开发还处于初始阶段,目前其应用大多还停留在理论及实验室的探讨中。但是,微生物絮凝剂的性能特点为水处理技术的研究和发展提供了一个新的方向,在新菌种培养筛选、酶制剂稳定性研究等方面取得了可靠成果后,工业化生产及应用将会取得较大的突破。9 结论微生物絮凝剂以其无毒、高效、无二次污染、使用方

30、便等特点展示了广阔的应用前景，大有取代传统絮凝剂的趋势。随着人们环保意识的不断加强，微生物絮凝剂的应用将会越来越广，但仍存在一些不足，需要环保工作者进一步研究与开发。参考文献1崔蕴霞. 铝盐絮凝剂及其环境效应J . 工业水处理,1998 ,18 (3) :69.2沈萍，李秀荣，李广武微生物学实验北京：高等教育出版社20016977Shen P，Li X R，Li G WMicrobiology ExperimentBeijing：High Education Press，200169773程金平。郑敏，张兰英微生物絮凝剂产生菌的筛选及产絮凝剂的周期研究环境科学与技术。20Ol，94(2)：12

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