（环境科学专业论文）利用固定化菌连续生产微生物絮凝剂.pdf

南开大学学位论文使用授权书 i i i ii ii ii iii i ii ii i ii il y 18 14 2 8 3 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如冈不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 赵夔 2 0 1 0年0 5 月2 6 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目利用固定化菌连续生产微生物絮凝剂的研究 姓名赵璇j 学号j2 1 2 0 0 7 0 4 1 5j 答辩日期i2 0 1 0 年0 5 月2 1 日 论文类别博七口学历硕士硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院f 系 既 环境科学与工程学院j 专业l 环境科学 联系电话 15 8 2 2 8 8 2 2 5 9 e m a i l n k z h a o x u a n y a h o o c n 通信地址( 邮编) ：南开人学西区公寓5 - 3 - 6 0 3 ，3 0 0 0 7 1 备注：是否批准为非公开论文f 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：赵夔2 0 1 0 年0 5 月2 6日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目利用固定化菌连续生产微生物絮凝剂的研究 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月 日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密l o 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 微生物絮凝剂是一类具有絮凝活性的微生物代谢产物，与传统絮凝剂相比， 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，因 此越来越引起国内外研究学者的重视。本课题将微生物细胞固定化技术与微生 物发酵工艺相结合，探索微生物絮凝剂工业化生产的可能性，以便将来应用于 废水生物处理中，取代传统絮凝剂。 筛选了出具有高效絮凝活性的一株酱油曲霉( a s p e r g i l l u ss o j a e ) ，命名为 x n l ，该菌所产生的絮凝剂具有较强的耐热性，在1 0 0 。c 沸水中加热3 0m i n 后， 絮凝活性仍可维持在8 0 以上 采用多种固定化方法及载体，进行了菌种固定化方法及条件的研究，并通 过比较不同初始糖浓度，菌龄，转速和发酵周期对固定化x n l 菌的生长及产絮凝 剂的影响，优化了连续生产絮凝剂的条件，摇瓶发酵结果发现，采用聚氨酯泡 沫做载体，选用初糖浓度为2 ，p h 为6 的固定化培养基、1 5 0r p m 振荡速率、2 8 。c 培养6 0h 即可获得较高活性的固定化细胞，将其接种于1 糖浓度的发酵培养基 中，振荡速率调至1 0 0r p m ，每8h 更换一次培养基，可连续生产1 2 批次高活性絮 凝剂，絮凝活性均在7 8 以上。 设计了三相流化床反应器进行了该工艺的验证试验。该工艺分成两个部分， 菌体固定化阶段，选用初糖浓度为2 ，p h 为6 的固定化培养基，发酵液溶氧 控制在1 8 2 0m g l 范围内；批次发酵阶段，选用培养基初糖浓度为1 ，调节通 气量使反应器内发酵液溶解氧保持在8 1 2m e l 范围内。结果表明采用此工艺可 连续生产微生物絮凝剂1 9 批次，且生产效率是利用游离菌生产絮凝剂的效率的 6 4 倍，具有节省原料及节能的优势。 采用了微生物固定化新技术，选用合适的固定化载体和方法以及分段发酵 工艺，用同一批固定化菌在三相流化床反应器中可连续生产高絮凝活性微生物 絮凝剂多批，达到了经济、高效、高产的目的。该工艺是一种适合工业化操作 的絮凝剂生产新工艺。 关键词：微生物絮凝剂；固定化；批次发酵；分段培养 a b s t r a c t a b s t r a c t ab i o f l o c c u l a n ti sm i c r o b i a lm e t a b o l i t e so ff l o c c u l a t i n g a n di ti sp r o d u c t e da n d r e f i n e db yb a c t e r i a , f u n g ia n do t h e rm i c r o b i a lf e r m e n t a t i o n 、析t 1 1m i c r o b i a lt e c h n o l o g y c o m p a r e d 谢t ht h et r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t ，i ti sb i o d e g r a d a b l ea n ds a f e ，e f f i c i e n t , n o n - t o x i c ，n os e c o n d a r yp o l l u t i n gw a t e rt r e a t m e n tr e a g e n t t h e r e f o r ei ti sc a u s i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt od o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s w i t hc o m b i n e d i m m o b i l i z e dc e l lt e c h n o l o g yw i t hf e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g yt h i si s s u ee x p l o r e dt h e p o s s i b i l i t yo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fb i o f l o c c u l a n t sf o rt h ef u t u r ea p p l i c a t i o ni n w a s t e w a t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t s t h er e s e a r c hs c r e e n e da f o c c u l a t i n gm i c r o o r g a n i s mo u ta n dn a m e di t ，w h i c hi sa a s p e r g i l l u ss o j a e ，a n dm a d es u r et h a tn o tx n 1 t h eb i o f l o c c u l a n tp r o d u c e db yi th a s s t r o n gh e a tr e s i s t a n c e ，w h e nh e a t e di n 10 0 b o i l i n gw a t e rf o r3 0m i n ，i t s f l o c c u l a t i n ga c t i v i t yc o u l db em a i n t a i n e da b o v e8 0 u s i n gm a n yi m m o b i l i z e dc a r d e ra n dw a y s ，i m m o b i l i z a t i o nm e t h o d sa n d c o n d i t i o n sw e r es t u d i e d b yc o m p a r i n gt h ei m p a c to fi n i t i a ls u g a rc o n c e n t r a t i o n ，c e l l a g e ，a g i t a t i o n r a t ea n dc u l t u r e p e r i o d o nt h ei m m o b i l i z e dx n1 g r o w t h a n d b i o f l o c c u l a n tp r o d u c t i o n ，c o n t i n u o u s p r o d u c t i n gc o n d i t i o n s w e r eo p t i m i z e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ti nt h es h a k ef l a s k ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so f2 o fi n i t i a ls u g a r m e d i u m ，15 0r m i no fa g i t a t i o nr a t ea n d2 8 ，i m m o b i l i z e dx n1h a db e t t e r f l o c c u l a t i o ne f f e c ta f t e rt h e yw a sc u l t u r e df o r6 0h b a s e do n10 0r m i no f a g i t a t i o n r a t e ，t h e yw e r ei n o c u l a t e di n1 o ff e r m e n t a t i o nm e d i u m w h e nr e p l a c i n gm e d i u m e v e r y8h ，t h e yc o u l dp r o d u c e1 2b a t c h e so fb i o f l o c c u l a n ta n df l o c c u l a t i o ne f f i c i e n c y w a sm o r et h a n7 8 a t h r e e p h a s ef l u i d i z e db e dr e a c t o rw a sd e s i g n e df o rv e r i f y i n gt h ep r o c e s s t h e p r o c e s sw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s t h ef i r s to n ei st h ec e l li m m o b i l e dp h a s e ，t h e i m m o b i l i z e dm e d i u mo f2 o fi n i t i a ls u g a rc o n c e n t r a t i o na n dp h6w a su s e df o rt h e p r o c e s s ，a n dd i s s o l v e do x y g e nw a sc o n t r o l l e di n18 2 0m e l ；t h es e c o n do n ew a s b a t c hf e r m e n t a t i o n p h a s e t h e f e r m e n t a t i o nm e d i u mo fl o fi n i t i a l s u g a r i i c o n c e n t r a t i o nw a su s e d a n dd i s s o l v e do x y g e nw a sc o n t r o l l e di n8 12m g l t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu s eo ft h i sp r o c e s sc a nc o n t i n u o u s l yp r o d u c t19b a t c h e so f b i o f l o c c u l a n t s ，a n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw a sa s6 4t i m e sa st h a to ff r e eb a c t e r i a s ， a n di th a st h ea d v a n t a g eo fs a v i n go fr a wm a t e r i a l sa n de n e r g y w i t hu s i n gt h en e wi m m o b i l i z e dt e c h n o l o g ya n dc h o o s i n gt h ea p p r o p r i a t e i m m o b i l i z e dc a r d e ra n dm e t h o d sa n ds u b - f e r m e n t a t i o np r o c e s s ，u s i n gt h es a n l eb a t c h o fi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mc a nc o n t i n u o u s l yp r o d u c eb a t c h e so fh i g ha c t i v i t y b i o f l o c c u l a n tb a t c h e si nt h et h r e e - p h a s ef l u i d i z e db e dr e a c t o r , a n dt h i sc a nb e e c o n o m i c ，e f f i c i e n ta n dp r o d u c t i v e t h ep r o c e s si san e wt e c h n o l o g ys u i t a b l ef o r i n d u s t r i a lo p e r a t i o no ft h eb i o f l o c c u l a n tp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：b i o f l o c c u l a n t ；i m m o b i l i z e d ；s u b c u l t u r e ；b a t c ho ff e r m e n t a t i o n i i i 目录 目录 目录i v 第一章绪论1 第一节传统絮凝剂的概况l 1 1 1 传统絮凝剂的种类。1 1 1 2 传统絮凝剂的缺点4 第二节微生物絮凝剂的概况4 1 2 1 微生物絮凝剂的概念。4 1 2 2 微生物絮凝剂产生菌一5 1 2 3 微生物絮凝剂的絮凝机理5 1 2 4 微生物絮凝剂的应用现状7 1 2 5 微生物絮凝剂研究中存在的问题。8 第三节固定化微生物细胞技术的概况9 1 3 1 微生物细胞的固定化载体。9 1 3 2 微生物细胞的同定化方法9 1 3 3 微生物细胞的固定化反应器l o 1 3 4 微生物细胞固定化技术的应用现状1 1 第四节课题立项的意义与内容。1 l 1 4 1 课题立项的意义1 1 1 4 2 课题研究目的与内容1 2 第二章实验材料及实验方法1 3 第一节仪器及试剂。1 3 2 1 1 微生物絮凝剂产生菌的筛选与纯化试验1 3 2 1 1 1 样品预处理1 3 i v 目录 2 1 1 2 培养基的制备13 2 1 2 微生物絮凝剂产生菌x n i 同定化试验1 4 2 1 3 固定化菌连续生产微生物絮凝剂的条件优化试验1 4 2 1 4 利用三相流化床反应器连续生产微生物絮凝荆的试验1 5 第二节实验方法1 5 2 2 1 微生物絮凝剂产生菌的筛选与纯化试验1 5 2 2 1 1 微生物凝剂产生菌的筛选1 5 2 2 1 3 微生物絮凝剂产生菌的生长曲线的测定1 7 2 2 1 4 微生物絮凝剂的活性分布1 7 2 2 2 微生物絮凝剂产生菌的固定化试验1 8 2 2 2 1 微生物细胞的固定化方法1 8 2 2 2 2 微生物细胞固定化载体的选择1 8 2 2 2 3 微生物细胞固定化条件的优化2 0 2 2 2 4 游离菌与同定化菌产絮凝剂的比较2 0 2 2 2 5 发酵上清液投加量对絮凝效果的影响。2 0 2 2 2 6 助凝剂c a c l 2 用量对絮凝效果影响一2 1 2 2 2 7 微生物絮凝剂对热的稳定性2l 2 2 - 3 利用固定化菌连续生产微生物絮凝剂的条件优化实验2 1 2 2 4 利用三相流化床反应器连续生产微生物絮凝剂的试验2 2 第三节分析方法一2 2 2 3 1 微生物絮凝率的测定方法2 2 2 3 2 发酵上清液中残糖的测定2 2 2 3 3 试验数据的分析方法2 3 第三章实验结果与讨论2 4 第一节微生物絮凝剂产生菌的筛选与纯化试验2 4 3 1 1 微生物絮凝剂产生菌的筛选与及初步鉴定2 4 3 1 2 微生物絮凝剂产生菌的生长曲线测定2 5 3 1 3 微生物絮凝剂产生菌的絮凝活性分布2 6 v 目录 3 1 4 微生物絮凝剂产生菌的筛选试验小结及探讨2 7 第二节微生物絮凝剂产生菌的固定化试验2 7 3 2 1固定化方法对微生物产絮凝剂的影响2 7 3 2 2 固定化载体对微生物产絮凝荆的影响2 8 3 2 3 固定化细胞的培养条件优化2 8 3 2 3 1 载体颗粒粒径对固定化及絮凝效果的影响2 8 3 2 3 2固液比对固定化及絮凝效果的影响2 9 3 2 3 3 不同碳源对固定化及絮凝效果的影响3 0 3 2 3 4 初糖浓度对固定化及絮凝效果的影响31 3 2 3 5 初始p h 值对固定化及絮凝效果的影响一3 2 3 2 4 游离菌与固定化菌产絮凝剂的比较3 2 3 2 5 发酵上清液投加量对絮凝效果的影响3 3 3 2 6 助凝剂c a c l 2 的用量对絮凝效果的影响3 4 3 2 7 微生物絮凝剂对热的稳定性3 4 3 2 8 微生物絮凝剂产生菌固定化试验的小结与探讨3 5 第三节利用固定化菌连续生产微生物絮凝剂的条件优化试验3 6 3 3 1 固定化菌的菌龄对微生物产絮凝剂的影响3 6 3 3 2 单批发酵周期对微生物产絮凝剂的影响3 7 3 3 3 发酵培养基的糖浓度对微生物产絮凝剂的影响3 8 3 3 4 摇瓶速率对微生物产絮凝剂的影响3 9 3 3 5 发酵上清液不同存储条件对絮凝效果的影响4 0 3 3 6 利用固定化菌连续生产微生物絮凝剂的条件优化试验小结与探讨4 0 第四节利用三相流化床反应器连续生产微生物絮凝剂的试验4 1 3 4 1 三相流化床反应器没计的设想4 l 3 4 2 利用三相流化床反应器模拟微生物絮凝剂连续生产试验4 2 3 4 2 1 微生物固定化阶段4 2 3 4 2 2 批次发酵阶段4 3 3 4 3 此连续化生产t 艺的优势与可行性分析4 5 v l 目录 第四章结论与展望一4 6 第一节结论4 6 第二节展望4 7 参考文献4 8 致谢5 2 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果5 2 个人简历5 2 v i i 第一章绪论 第一章绪论 絮凝剂是一种可使液体中不易沉降的悬浮颗粒凝聚沉降的物质，在固液分 离和水处理过程中，用以提高微细固体物的沉降和过滤效果，被广泛应用于化 工、矿业、环保等领域。随着工业的发展，水污染的情况日益严重，水的净化 处理显得越来越重要。虽然水的净化处理方法有许多种，如生化、离子交换、 吸附、化学氧化、电渗析等，但“絮凝沉淀法 被普遍认为是一种较为有效的 预处理方法。絮凝剂除了能有效脱除水中悬浮物、降低c o d 、除去有害细菌外， 还对水体富营养化、废水脱色等有很好的。随着科学技术的发展，絮凝剂的种 类也日益丰富，除了传统的无机絮凝剂及有机絮凝剂外，还有微生物絮凝剂。 第一节传统絮凝剂的概况 1 1 1 传统絮凝剂的种类 传统的絮凝剂 1 包括无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。无机絮凝剂主要指三 价的铁盐和三价的铝盐，其它的还有碳酸镁、氯化锌、硫酸锌等；有机絮凝剂 分人工合成的和天然的两种。传统絮凝剂的种类及其化学式如下表1 1 所示。 表1 1 传统絮凝剂的种类 分类 名称化学式 硫酸铝 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 h 2 0 铝系 明矾k a i ( s 0 4 ) 2 1 2 h 2 0 无 聚合氯化铝( p a c ) a 1 2 ( o h ) 。c 1 6 d m 机 聚合硫酸铝( p a s ) a 1 2 ( o h ) ( s 0 4 ) 3 州2 】。 絮 凝 三氯化铁f e c l 3 6 h 2 0 剂 铁系聚合氯化铁( p f c ) f e 2 ( o h ) 。c 1 6 。】m 聚合硫酸铁( p f s ) f e 2 ( o h ) 。( s 0 4 ) 3 们】m 其它石灰、氯化钙 c a ( o h ) 2 、c a c l 2 机 淀粉、单宁、甲壳 剂絮天然略 凝 素、腐植酸等 第一章绪论 铝盐主要有硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝( p a c ) 和聚合硫酸铝( p a s ) 等， 其中聚合氯化铝和聚合硫酸铝统称聚合铝。聚合铝是比较好的无机絮凝剂，有 很多优点：对于低浊度水、高浊度水、有色水、严重污染水、若干种工业废水 都有良好的效果；浊度越大效能越显著，对于低浊度水达到同样除浊效果，其 用量( 按a 1 2 0 3 计算) 相当于硫酸铝的1 2 ，对于高浊度水，用量可减少到1 3 1 4 ； 投加后对原水碱度的降低程度较少，可以节省碱化药剂，并提高水的稳定性； 对被处理水的p h 值的适应范围较宽；不易出现重新稳定的恶化现象；在低温时 效果仍保持稳定，适宜于冬季及寒冷地区；絮体形成的速度非常快，可以缩短 混合及反应时间；形成的絮体重且机械强度高，沉淀速度快，过滤水质好；适 应各种条件的能力强，一般可以单独使用而不需投加其它辅助药剂；固体所含 有效a 1 2 0 3 的成分高，用量少，便于运输、储存，液体产品便于稀释，投加时 容易控制。 铁盐有三氯化铁、硫酸铁、聚合氯化铁( p f c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 等，目 前得到实际应用的聚合铁絮凝剂为聚合硫酸铁，它具有许多优良的絮凝性能， 如药剂用量少，矾花生成快，沉降速度高，有效p h 范围宽，与三氯化铁相比其 腐蚀性大大减弱，处理后水的色度和铁离子的含量均较低。与铝系絮凝剂不同， 对人体无毒性，为非常安全的水处理剂。聚合铁絮凝剂为广大水质工作者所欢 迎，正日益得到广泛的应用。 天然的高分子絮凝剂在水处理中的应用历史，可追溯n - - 千年以前的古代 中国和埃及，在近代水处理中，天然高分子化合物仍是一类重要的絮凝剂，不 过它的使用远少于人工合成的高分子絮凝剂，其原因是天然高分子絮凝剂的电 荷密度较小、分子量较低，且易发生生物降解而失去活性。目前天然高分子絮 凝剂的主要品种有淀粉、半乳甘露聚搪类、纤维素衍生物类、动物骨胶类等。 天然淀粉的来源十分丰富，土豆、玉米、小麦、木薯、藕等均有高含量的 淀粉，不过不同来源的淀粉在粒度、胶化温度、在溶剂中的膨胀率及直链与支 链组合的比例方面各不相同。通常支链淀粉在淀粉中的比例较大，其分子量可 高达1 0 6 ，但直链淀粉的絮凝性能远高于支链淀粉。在淀粉分子结构中引入带电 的基团能减少其在水处理中的投放量，改善其分子在水中的伸展及分散情况， 2 第一章绪论 将淀粉与阳离子型单体作用能制得阳离子型淀粉絮凝剂，阴离子型的可通过淀 粉与氢氧化钠的作用，或者使干淀粉与磷酸钠在1 0 0 以上反应来制备。苛化淀 粉曾被大量用于选矿业，但目前正逐渐被人工合成的聚合物所取代。 半乳甘露糖是带支链的多糖，存在于豆类作物的胚乳中，在水处理中用得 最多的是瓜尔树胶，瓜尔树胶的衍生物包括羟丙基、羟乙基、等阳离子瓜尔树 胶。瓜尔树胶本身是非离子型的，因而适用于很宽的p h 值范围及离子强度很高 的溶液，它与鳌合剂作用后可避免在水溶液中发生生物降解。 纤维素是以失水的葡萄糖为重复单元的糖类聚合物，它是树木等植物细胞 壁的主要组分纤维素的衍生物包括硝酸纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维素、羧 甲基纤维素和羟丙基纤维素等。在水处理中用途最广的是羧甲基纤维素。 动物胶和明胶由存在于动物的皮、键和骨中的骨胶原制备，属蛋白质类物 质。骨胶原是多肽结构，含有多种氨基酸，含量高的有甘氨酸、脯氨酸等。明 胶是由骨胶原水解而成，产生水溶性的蛋白质。动物胶和明胶均是多肽的水解 产物，不同之处是其纯度和分子量的分布，它们因为含有氨基及羧基，是两性 絮凝剂。 除上面提到的天然高分子絮凝剂外，在水处理中用到的天然高分子絮凝剂 还有海藻酸钠、甲壳质和丹宁等。 高分子絮凝剂都是水溶性的线型聚合物，分子呈链状，由大量的链节组成。 分子链中的链节结构都相同称均聚物，由两种以上不同的单体聚合而成的称共 聚物，高分子絮凝剂多为均聚物。链节间的结合有刚性和柔性的区别，刚性分 子不易弯曲，而柔性分子可以绕结成团。高分子聚合物链节含有可离解官能团 时，沿链状分子长度方向就分布有大量带电基团，常见的可离解基团有s 0 3 h 、 c o o h 、p 0 3 h 2 、- n h 3 0 h 等，某些聚合物可拥有多种可离解基团。聚合物在水 中可因部分或全部基团离解而带有电荷，据其电荷的电性，可把它分为三种t 阴离子型、阳离子型和两性型。不含离解基团的就称为非离子型。在水处理中， 使用较多的是阴离子型、阳离子型和非离子型的聚合物，两性的聚合物使用较 少。人工合成的阴离子型和非离子型的有机高分子絮凝剂，有聚丙烯酰胺及其 衍生物、聚丙烯酸钠、聚磺基苯乙烯、聚氧乙烯、脉醛树脂、聚乙烯醇等。阳 离子型聚合物的种类比阴离子型和非离子型的多，它们的分子中含有的带电基 团常常是氨基( - n h 3 + ) 、亚氨基( - n h 2 + - ) 或季氨基( 圹弛) 。由于水中胶体粒 子一般带有负电荷，所以阳离子型聚合物不论分子大小，均起絮凝作用。由于 第一章绪论 阳离子单体价格较高，因而在合成阳离子聚合物时引入的带正电荷的单体数目 有限，造成分子中正电荷密度不是很高。 1 1 2 传统絮凝剂的缺点 随着人们生活水平的不断提高，人们对健康与环境的要求越来越高，传统 絮凝剂的缺点越来越引起人们的重视。传统絮凝剂虽然具有良好的絮性能，但 是，它们的价格比较贵，用量很大，在生产和使用的过程中都会造成二次污染【6 】， 而且具有关的研究表明，经常饮用铝盐处理的水，水中的铝会引起老年痴呆症 7 1 ； 聚丙烯类絮凝剂的单体不易降解，对人体的神经有毒害作用，它还是强致癌剂， 尤其是直肠癌瞵 1 。 由于传统絮凝剂的上述缺点，因此人们开始寻找絮凝效率高、无毒、无二 次污染、易生物降解的新型絮凝剂。上世纪七十年代引起人们注意并开始研究 具备这些特点的新型絮凝剂微生物絮凝剂。 第二节微生物絮凝剂的概况 1 2 1 微生物絮凝剂的概念 微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外具有絮凝活性的代谢产 物，包括两大类【8 1 ：一类是某些微生物的菌体，它本身具有絮凝性，如草分枝杆 菌培】、d e m a t i n ms p 【1 9 】、真菌【2 1 1 等；另一类是由某些微生物分泌的次生代谢产 物，该物质安全、无毒、易生物降解、不产生二次污染、能使悬浮颗粒凝聚沉 淀，是一种高分子聚合物，例如，红平红球菌1 1 1 3 1 ( 属放线菌) 、酱油曲霉【1 4 _ 15 1 、 拟青霉l l 7 】等的分泌物。 微生物生长的四个阶段中1 2 2 】( 延滞期、指数生长期、稳定期和衰亡期等) ， 在生长后期，尤其是在稳定期，某些微生物会合成分泌多种物质，这些物质称 为次生代谢产物，其中部分具有特殊结构且分子量较大的次生代谢产物，能够 絮凝一些悬浮颗粒，即为微生物絮凝剂，主要包括蛋白质口3 2 7 】、糖类2 5 1 、脂 类、纤维梨3 8 1 、氨基酸的均聚物8 , 3 9 l 、d n a 4 0 - 4 2 1 等物质。 4 第一章绪论 1 2 2 微生物絮凝剂产生菌 絮凝剂产生菌是具有分泌絮凝剂或本身具有絮凝性的微生物。自美国科学 家b u t t e r f i e l d 从活性污泥中筛选出絮凝剂产生菌以来，至今已发现的具有絮凝作 用的微生物种类包括细菌【4 3 4 5 1 、霉菌删、放线菌【5 睢5 2 1 、酵母【5 3 5 8 1 和藻类5 9 】 等，这类微生物广泛分布在自然界中，如土壤、污泥、废水等。下表1 2 是己见 报道的絮凝剂产生菌。 表1 2己见报道的微生物絮凝剂产生菌【删 a l c a l i g e n e sc u p u l u s r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s a l c a l i g e n e sc u p i d u s r h o d o c o c c u st r i f o l h a l c a l i g e n e sl a t u ss a c c g a r i m y c e sc e r e v i s i a e a n a b a e n o p s i sc i r c u l a r i s s c h i z o s a c c h a r o m y c e sp o m b e a e r o m o n a s s l p h y t o c o c c u sa u r e u s a r t h o b a c t e r s p o r o l a c t o b a c i l l u ss p a s p e r g i l l u ss o j a es t r e p t o m y c e sg r e e n s a s p e r g i l l u sc h r a c e u ss t r e p t o m y c e sv i n a c e n s a s p e r g i l l u sp a r a s i t c u s m o n a c u sa n k a b a c i l l u sc i r c u l a n sn o c a r d i nc a l c a r e a b a c i l l u sm u c i l g n o n sn o c a r a e a m a r a e b a c i l l u sm e g a t e r i u mn o c a r d i nr h o d n i i b r e v i b a c t e r i u mi n s e c t i o n h i l u mo e r s k o v i a c o r y n e b a c t e r i u mb r e v i c a l ep a e c i l o m y c e ss p g e o t r i c h u mc a n d i d u mp s e u d o m o n a d a e r u g i n o s a k k e b s u e k k as p p s e u d o m o n a d f l u o r e s c e n s d c a r d i nr e s t r i c t a p s e u d o m o n a d f a e c a l i c 1 2 3 微生物絮凝剂的絮凝机理 近年来，对于微生物絮凝剂的研究，大多都集中在其絮凝机理的研究方面。 这是因为，絮凝机理的研究能够帮助我们更好的了提高废水实际处理效果，降 低处理成本，减少不必要的浪费。因此国内外学者对此己进行了大量的研究工 作 6 1 - - 6 6 j ，并提出了许多能解释特定条件下絮凝过程的理论，这些理论对复杂絮 凝机理的明晰有很大帮助。 相对经典的胶体体系的絮凝机理而言，微生物絮凝剂的絮凝机理还不是十 第一章绪论 分清楚。其主要原因是微生物絮凝剂是由微生物分泌的，不同的微生物分泌的 微生物絮凝剂的性质不同，而且微生物絮凝剂的成分复杂，提纯分析较困难。 从2 0 世纪3 0 年代以来，人们对此进行了大量的研究工作，先后提出了许多能 解释特定条件下絮凝过程的假说：( 1 ) 粘质假说：早期b u t t e r f i e l d 从活性污泥中 发现了能产生胞外黏液的微生物，这种微生物可以分泌一种粘性物质来附着其 他微生物，从而在活性污泥中形成凝结块【67 。，因此他把这种粘性物质引起结块 的现象理解为絮凝存在的作用机理；( 2 ) 聚d 羟基丁酸( p h b ) 酯合学说：g r a b t r e e 在研究z o o g l o e ar a m i g e r a 时发现，该菌细胞外积累大量的p h b ，且能够产生絮 凝作用，并做了大量实验表明除去p h b 对于该细胞的絮凝效果大大降低，因此 他认为p h b 的存在是该菌产生絮凝作用的直接原因。但是该学说使用范围比较 窄，只能解释部分产p h b 的菌引起的絮凝。( 3 ) 菌体外纤维素纤丝学说：该学 说是由f r i e d m a n 提出，他认为某些微生物产生的絮凝物质并非游离于菌体培养 液中，而是作为菌体细胞的一部分，或者紧紧附着于细胞表面形成类似荚膜状 物质( 如具有絮凝性能的酵母菌和纤维素产生菌) ，类似于菌体外有“纤丝”， 而产生絮凝作用。此类的假说对纤维素产生菌的絮凝作用机理能做出合理的解 释；( 4 ) 化学反应假说【6 8 】：该学说认为絮凝剂大分子中某些活性基团与被絮凝 物质相应的基团发生化学反应聚集成大分子而沉淀下来。通过对天然大分子 改性，添加或去掉某些活性基团其絮凝活性就大受影响，说明这些絮凝剂絮凝 活性大部分依赖于活性基团；( 5 ) 类凝集素假谢6 9 j ：即由絮凝酵母细胞壁上的 特定表面蛋白与其它酵母菌细胞表面的甘露糖残基之间的专一性结合引起絮 凝。( 6 ) “桥联作用”学说：“桥联作用”机理主要是针对微生物菌体分泌的、 游离于胞外的絮凝剂。该学说【6 8 】把微生物絮凝剂的絮凝过程看成是电荷中和、 架桥吸附和卷扫、网捕等物理化学过程共同作用的结果。溶液中的离子与胶体 颗粒表面带的相反电荷发生中和作用，从而减弱颗粒间彼此的相互排斥力，为 胞外多聚物的架桥提供了有利条件。微生物絮凝剂的分子中一般都含有活性基 团，如羧基、羟基、氨基等，借助离子键、氢键和范德华力能够吸附其它胶体 颗粒，当絮凝剂分子的长度足够大，超过了溶液中胶体颗粒间产生排斥力的有 效作用范围，架桥就会发生，从而形成一种三维网状结构的絮凝体。形成的絮 凝体在重力作用下沉降，此时犹如一个过滤网，迅速网捕和卷扫水中的胶体颗 粒，从而产生沉淀分离。此假说目前被人们所普遍接受。 6 第一章绪论 1 2 4 微生物絮凝剂的应用现状 微生物絮凝剂的应用非常广泛，不仅应用于废水的处理，而且在乳化液油 水分离、污泥脱水、重金属离子的去除等领域应用也较为广泛。有研究表明， 将微生物絮凝剂与无机或有机高分子絮凝剂复合使用，或向絮凝体系加入微生 物絮凝剂和助剂，其处理效果更佳。 台湾的邓德丰等( 1 9 8 0 ) 从废水处理厂的废水中分离得到具有絮凝作用的 c 6 2 细菌菌株，并用该菌株产生的生物絮凝剂处理猪粪尿废水和红豆加工场厂 的废水，取得了良好的絮凝效果。张本兰( 1 9 9 6 ) 用从活性污泥中筛选出的微 生物菌株p al c a l i g e n e s 8 7 2 4 所产生的絮凝剂对纸浆黑液和氯霉素等有色废水进 行脱色处理，其脱色率分别达9 5 和9 8 以上。邓述波等( 1 9 9 9 ) 用从土壤中 分离得到的a 9 菌株所产生的絮凝剂对淀粉厂废水进行处理，试验结果表明， 该菌株所产生的絮凝剂对淀粉废水有着良好的絮凝除浊效果，经絮凝沉降处理 后，废水的s s 和c o d e r 的去除率分别达8 5 5 和6 8 5 ，处理效果明显优于常 用的化学絮凝剂。康建雄等( 1 9 9 6 ) 利用短梗霉( a u r e o b a s i d i u mp u l l u l a n s ) n 3 8 3 7 菌株产生的生物絮凝剂对几种水源水和啤酒、淀粉、印染及造纸等四种不 同的工业废水进行了絮凝沉降试验，絮凝除浊效果良好，其中，对水源水浊度 的去除率达7 0 以上，工业废水除了淀粉废水外，其余的除浊率均在8 0 以上。 尹华等( 2 0 0 0 ) 对某污水处理厂活性污泥中富集的菌种进行了筛选，得到1 0 株 絮凝除浊性能较强的菌株，以其中絮凝性能最优的g s 7 菌株产生的微生物絮凝 剂对城市污水、