（皮革化学与工程专业论文）复合菌群产微生物絮凝剂在处理制革废水中的应用.pdf

山东轻i ：业学院硕十学位论文 摘要 传统的絮凝剂具有价格低，絮凝效果好等优点，但也存在一些不足，如铝化 合物絮凝剂的使用，引起饮用水中残留铝，从而导致老年痴呆症；聚丙烯酰胺类 单体对人体有毒害作用，易引发癌症。所以，开发安全无毒、高效絮凝、无二次 污染的新型环保絮凝剂，对人类健康和环境保护都有很重要的现实意义。2 0 世纪 8 0 年代后期，随着生物技术的发展，一种新型的水处理药剂微生物絮凝剂应运 而生，对它的研究也越来越受到研究者的关注。 本文介绍了水处理用絮凝剂的种类和近年来各种絮凝剂的发展及应用情况， 并在此基础上，从以下几方面对生物絮凝剂进行了研究： 利用处理制革废水的活性污泥作为菌源，在肉汤蛋白胨培养基、查氏培养基、 高氏培养基和土豆培养基中培养，以发酵液离心上清液对高岭土悬液絮凝的结果 作为判定絮凝率高低的标准，分离、筛选出四种絮凝性较高的菌，絮凝率分别为 7 0 6 4 、7 0 2 4 、7 8 8 1 和7 1 。3 6 。在显微镜下观察这些菌，并初步分析判定分 别属于白曲霉菌、拟青霉菌、黑曲霉菌和黄曲霉菌。 依据e m 技术原理，将筛选到的四种菌分别两两组合、三三组合做复合实验， 测定其发酵液离心上清液的絮凝率。经多次复合实验后，得知菌群1 和菌群3 复 合、菌群2 和菌群4 复合后，菌群的絮凝活性更高些，分别命名为m b fi 和m b f i i ， 其絮凝率分别为8 4 4 和8 6 9 。然后通过改变培养基成分和培养条件等，做正交 实验得出絮凝效果最佳的培养组合。得到复合菌群i 的最佳组合为：时间2 4 小时， p h = 8 ，蔗糖，n a n 0 3 。复合菌群i l 的最佳组合为：时间2 4 小时，p h = 8 ，葡萄糖， 尿素。 用有机溶剂提取法对微生物絮凝剂进行提取，得到粗制品。再通过一系列的 生化法测定其成份。结果表明絮凝剂含有多糖、蛋白质等大分子物质。 用制得的絮凝剂处理制革废水，其色度、浊度、c o d 都有明显的降低。用m b f i 和m b fi i 处理染色废水和铬鞣废水后，其色度、浊度去除率都在7 0 以上，处理 综合废水后，其c o d 的去除率均大于9 0 ，处理效果显著。 关键词：复合微生物；微生物絮凝剂；絮凝活性：制革废水 a bs t r a c t t r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t sh a v eb e e nu s e dw i d e l yd u et ot h e i rl o wp r i c e sa n dg o o d e f f e c t h o w e v e r t h e i rd i s a d v a n t a g e s h a v ed r a w np e o p l e sa t t e n t i o n a l u m i n i u m r e n l a i l l e di n d r i n k i n g w a t e re a s i l yl e a d s t os e n i l ed e m e n t i a t h em o n o m e ro f p o l y a c r y l a m i d e ( p a a ) c a n tb ed e g r a d e da n di t s b o t hn e u r o t o x i ca n do n c o g e m cf o r h u m a nb o d y t h u s ，w h i c hi s s a f ea n db i o d e g r a d a b l em a c r o m o l e c u l a rf l o c c u l a n t s s e c r e t e db ym i c r o o r g a n i s m ss h o u l da p p e a r s t h e i rd e g r a d a t i o np r o d u c t sa l eh a r m l e s st o t h ee n v i r o n m e n ta n dh u m a n s t h ed e v e l o p m e n to fan e wb i o d e g r a d a b l eb i o f l o c c u l a n t w i t hs t r o n gf l o c c u l a t i n ga c t i v i t yi sn e e d e d i nt h el a t e1 9 8 0 s ，m i c r o b i a lf l o c c u l a n t sh a v e a t t r a c t e dm o r ea n dm o r er e s e a r c h e r s a t t e n t i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ef l o c c u l a n t s ，t h e i rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n m t r e a t l n e n to fw a s t e w a t e r b a s e do nt h o s e ，w eh a ds t u d i e da b o u tm i c r o b i a lf l o c c u l a n t s f r o mt h ef o l l o w s f o u rf l o c c u l a n t p r o d u c i n gm o u l d sw e r ei s o l a t e d f r o ma c t i v a t e ds l u d g ew h i c h t r e a t e dt a n n e r yw a t e rs a m p l e sb ya na g a rp l a t ec u l t u r eu s i n gf o u rm e d i u m s ，p e p t o n e c u l t u r e ，c z a p e kc u l t u r e ，g a o 1 ，p d a ak a o l i ns u s p e n s i o nw a su s e da sa f l o c c u l a t i o n t e s tm a t e r i a l b yo b s e r v i n gt h o s em o u l d sw i t hm i c r o s c o p e ，a n a l y s i s i n ga n ds e l e c t i n g ，w e f o u n dt h a tt h o s ef o u rm o u l d sb e l o n gt oa s p e r g i l l u s ，t h e i r f l o c c u l a t i n g r a t ea r e r e s p e c t i v e l y , 7 0 6 ，7 0 2 ，7 8 8 a n d7 1 3 b a s e do ne mt e c h n i c a lp r i n c i p l e ，a f t e rt e s t i n gm a n yc o m p o u n de x p e r i m e n t ，w e c a nd r a wac o n c l u s i o nt h a ta f t e r f l o r a 1a n df l o r a3 ，f l o r a2a n df l o r a4b e i n g c o m p o u n d e d ，t h ef l o c c u l a t i n ga c t i v i t yo ff l o r aw o u l dm a k eh i g h e r t h e yw e r en a m e d m b fia n dm b fi i t h e i rf l o c c u l a t i n gr a t ew e r er e s p e c t i v e l y8 4 4 a n d8 6 9 n e x t ， b yc h a n g i n gt h ec o n t e n t so fc u l t u r e m e d i u ma n dc o n d i t i o n so fc u l t u r ea n ds o0 1 1 ， t h r o u g hd o i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，w eg o tac o m b i n a t i o n o fc u l t i v a t i o nt h a th a dt h e b e s te 蕾f e c to fc u l t i v a t i o n t h eo p t i m a lc u l t u r ec o n d i t i o n so fc o m p o u n df l o r a 1w e r ea s f o l l o w s ，t w e n t yf o u rh o u r s ，p he i g h t ，s u c r o s e ，n a n 0 3 t h eo p t i m a lc u l t u r ec o n d i t i o n s o fc o m p o u n df l o r a1 1w e r ea sf o l l o w s ，t w e n t yf o u rh o u r s ，p he i g h t ，g l u c o s e ，u r e a w eg o tr a wp r o d u c ta f t e re x t r a c t i o nm b fb yo r g a n i cs o l v e n t t h e ni t sc o m p o s i t i o n w a sd e t e r m i n a t e db ys e r i e so fb i o c h e m i c a lr e s p o n s e s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h e n o c c l l l a n tc o n t a i n e dp o l y s a c c h a r i d e s ，p r o t e i n sa n do t h e rm a c r o m o l e c u l e s t h en e x tw e a n a l y s e di t sf l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m 第1 章绪论 t h ec l l r o m a ，t u r b i d i t ya n dc o do ft a n n e r yw a t e rw e r ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya f t e r p r o c e s s e db yt h e s ef l o c c u l a n ta f t e rt r e a t i n gd y e i n gw a s t e w a t e ra n dt a n n e r yw a s t e w a t e r b ym b f ia n dm b f i i ，t h er e m o v a lr a t eo fc h r o m aa n dt u r b i d i t yc a ne x c e e d7 0 ， t r e a t i n gs y n t h e t i ct a n n e r yw a t e r , t h er e m o v a lr a t eo fc o d c a nr e a c ho v e r9 0 ，t h e t r e a t m e n te f f e c ti sr e m a r k a b l e k e yw o r d s ：c o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s ；m i c r o b i a lf l o c c u l a n t ；f l o c c u l a t i n ga c t i v i t y ； l e a t h e rw a t e r 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名： 日期一迎乞年上月卫日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者虢立疆 导师签名： o 同期：迦z 年j 一户j 2 o f t 同期：迎2 年上j 1 ) h同期：迎z 年上 山东轻j ：业学院硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着水资源的短缺和人们节水意识的提高，人们在千方百计节约用水，但伴 随着人口增长及国民经济的发展，生活、生产用水量和排水量都在渐渐增加。目 前全世界污水排放量达4 2 0 0 亿m 3 a ，大大超过了水体自净能力，使不少水体受到 污染。近年我国废水排放总量为3 6 8 亿m 3 a ，而其中工业废水达2 6 8 亿m 3 a ，占 到7 2 8 i 。 目前，水处理的主要方法有絮凝沉淀、生物法、离子交换法、吸附法、电渗 析法、超滤法等。絮凝沉淀法是国内外普遍采用的高效、经济简便的水处理方法。 它能去除废水中8 0 9 0 的悬浮物、6 5 9 5 的胶体物质和大部分细菌，有效降 低c o d ，提高废水的可生化性。絮凝过程作为众多水处理工艺流程中不可缺少的 关键环节，其效果的好坏往往决定着后续工艺流程的运行状况、出水质量和成本 费用，因此它始终是水处理工程中研究开发的重点。深入开展絮凝基础理论研究， 开发新型高效絮凝剂，优化絮凝过程控制，是当今环境科学与工程领域研究的热 点课题之一【拍j 。 1 2 传统絮凝剂的研制及应用概况 絮凝剂是一类可使液体中不易沉降的悬浮颗粒凝聚沉淀的物质，絮凝技术广 泛应用于给水和工业生产过程，如工业废水处理、工业用水处理以及食品生产和 发酵工业等，而絮凝效果主要取决于絮凝剂的种类。传统絮凝剂可分为两大类： 一类是无机絮凝剂，主要是铝盐和铁盐，如硫酸铝、聚合氯化铝、聚合氯化铁、 明矾等；一类是有机絮凝剂，有机絮凝剂又分为化学合成的高分子絮凝剂和天然 高分子絮凝剂。聚氧化乙烯、聚苯乙烯磺酸盐以及聚丙烯酰胺衍生物等属于合成 类的有机絮凝剂；纤维素、淀粉、环糊精等属于天然高分子絮凝剂1 7 捌。 1 2 1 无机絮凝剂 与国外发达国家相同，我国无机絮凝剂的发展经历了从单一品种到多品种、 从低分子的铝铁盐到高分子的聚合铝铁、从单一的聚合铝铁向多元的聚合铝铁的 发展过程。其主要目的是提高药剂的分子量、提高电解质的离子电荷以及利用复 合药剂中不同组分共存的“协同效应”，来提高药剂的应用效果，金属盐类絮凝剂 主要有两类：铝盐和铁盐。它的特点是较经济、用法简单，但用量大，絮凝效果 第1 章绪沦 比高分子絮凝剂的絮凝效果低1 9 l 。 无机低分子絮凝剂用于水处理时，腐蚀性大，在某些场合净水效果不理想， 存在较大的问题，因而逐渐被无机高分子絮凝剂所取代。无机高分子絮凝剂是2 0 世纪6 0 年代在传统的铝盐、铁盐的基础上发展起来的类新型的水处理剂。药剂 加入水中后，在一定时间内吸附在颗粒物表面，以其较高的电荷及较大的分子量 发挥电中和及粘结架桥作用。它比原有低分子絮凝剂可成倍提高效能，且价格相 对较低，因而有逐步成为主流药剂的趋势。目前，r 本、俄罗斯、西欧生产此类 药剂已达到工业化和规模化、流程控制自动化，且产品质量稳定，无机聚合类絮 凝剂的生产己占絮凝剂总产量的3 0 6 0 t l o l 。 我国在无机絮凝剂方面的研究在2 0 世纪6 0 年代几乎与同本同时起步。无机 高分子絮凝剂的品种在我国已逐步形成系列，见表1 1 【1 1 l 。 表i 1 不同类型的无机高分子絮凝嗣 离子类型名称 ( 1 ) 阳离子型无机高分子絮凝剂 聚合氯化铝是目前生产和应用技术成熟、市场销量大的无机高分子絮凝剂。 在实际应用中，聚合氯化铝具有比传统絮凝剂用量省、净化效能高、适应性广等 优点，比传统低分子絮凝剂用量少1 3 1 2 ，成本低4 0 以上，因此，在国内外已 得到迅速的发展。聚合硫酸铝和聚铁也具有絮凝体形成速度快、絮团密实、沉降 速度快、对低温高浊度原水处理效果好、适用水体的p h 值范围广等特性，同时还 能去除水中的有机物、悬浮物、重金属、硫化物及致癌物，无铁离子的水相转移， 脱色、脱油、除臭、除菌功能显著，与其他净水剂相比，有着很强的市场竞争力， 其经济效益也十分明显，值得大力推广应用。 2 山东轻i ：业学院硕十学位论文 ( 2 ) 阴离子型无机高分子絮凝剂 聚合硅酸和活化硅酸属阴离子型絮凝剂，其作用机理是靠分子链上的阴离子 活性基团与胶体微粒表面间的范德华力、氢键作用而引起的吸附架桥作用，而不 具有电中和作用。目前对它的研究己经很成熟，侧重点已经转向到了其盐类的絮 凝效果的提高( 即与无机盐相复合) 1 1 2 l 。 ( 3 ) 复合型无机高分子絮凝剂 复合型无机高分子絮凝剂是在普通无机高分子絮凝剂中引入其他活性离子， 以提高药剂的电中和能力，诸如聚铝、聚铁、聚活性硅胶及其改性产品。其中聚 硅酸硫酸铝，活性较好，聚合度适宜，不易形成凝胶，絮凝效果显著。用于处理 低浊度水时，其效果优于p a c 和p f s 。此外，为了改善低温、低浊度水的净化效 果，人们又研制开发出一种聚硅酸铁( p s f ) f 1 3 】，这种药剂处理低温低浊水比硫酸铁 的絮凝效果有明显的优越性，其用量少，投料范围宽，絮团形成时间短且颗粒大 而密实，可缩短水样在处理系统中的停留时间，对处理水的p h 值基本无影响。还 有以a 1 c 1 3 和n a 2 s i 0 3 为原料，采用向聚合硅酸溶液直接加入a i c l 3 的共聚工艺制 备的聚硅氯化铝絮凝剂( p a s c ) ，p a s c 比p a c 具有更好的除浊、脱色作用，残留 铝含量低1 1 4 j 。 1 2 2 有机高分子絮凝剂 有机高分子絮凝剂同无机高分子絮凝剂相比，具有用量少、絮凝速度快、受 共存盐类、p h 值及温度影响小、生成污泥量少、并且容易处理等优点，对节约用 水、强化废水处理和回用也有重要作用。目前使用的有机高分子絮凝剂主要有合 成和改性天然高分子絮凝剂两种类型。 ( 1 ) 合成有机高分子絮凝剂 合成高分子絮凝剂在废污水处理中占有重要位 置，在我国，聚丙烯酰胺及其衍生物约占合成高分子絮凝剂总量的8 5 。目前此 类絮凝剂的发展有其自身的特点：絮凝剂向超高分子量和低单体含量发展；阳 离子絮凝剂作为龙头产品在加速发展；新一代合成絮凝剂的开发；两性絮凝 剂( 兼有阴、阳离子性基团的特点) 的研究开发1 2 】。 人工合成的有机高分子絮凝剂最大的特点是可根据使用需要采用合成的方法 对碳氢链的长度进行调节。同时在碳氢链上可以引入不同性质的官能团。有机高 分子絮凝剂根据官能团的性质，可以分为阳离子、阴离子、非离子和两性等类型。 这些有效官能团可以强烈吸附细微颗粒，在微粒与微粒之间形成架桥作用。表1 2 列出了不同类型的高分子絮凝剂。 ( 2 ) 天然有机高分子改性絮凝剂这类高分子絮凝剂包括淀粉、纤维素、含胶 植物、多糖类和蛋白等类别的衍生物，目前产量约占高分子絮凝剂总量的2 0 。 这类絮凝剂的研究开发，为天然资源的利用和无毒絮凝剂的生产开辟了新的途径。 3 第1 章绪论 其中最有发展潜力的是水溶性淀粉衍生物和多聚糖改性絮凝剂f 羽。 表1 2 不同类型的有机高分子絮凝剂 许多无机絮凝剂由于其良好的絮凝效果和较低成本而被广泛应用，然而人们 发现它们在使用过程中存在着较大的不安全性和潜在的二次污染问题。文献报道 1 1 5 1 ，当水中铝含量高于0 2 0 5 m g l 时，可致鲑鱼死亡；因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，不能正常生长，甚至 会死亡；同时，铝伴随着这些农作物进入食物链，也影响到人体健康，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，并造成被处理水中带有颜色，且高浓度的铁对人体 健康和生态环境亦有不利影唰1 6 l 。人工合成有机高分子絮凝剂中使用较多的聚丙 烯酸胺，因其单体具有强烈的神经毒性和致癌性，所以使用受到了限制。此外， 大部分天然有机高分子絮凝剂存在絮凝活性较弱和使用成本较高等缺点【1 7 彩l 。 因此，开发高效、安全、无二次污染的新型絮凝剂对生产工艺的改进、保护 人类健康和环境具有重要意义。 1 3 微生物絮凝剂概述 2 0 世纪8 0 年代后期，伴随着生物技术的发展，生物絮凝剂应运而生。微生物 絮凝剂( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ，简称m b f ) 是由微生物产生的可使液体中不易沉 降的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体颗粒等凝聚沉淀的特殊高分子物质。m b f 是 通过微生物发酵、分离提取而得到的新型、高效、无毒、可生物降解的水处理剂。 它正是能够满足对新型絮凝剂要求的绿色水处理剂，且生物絮凝剂可以采取生物 工程的手段实现产业化，显示了生物絮凝剂的广阔的应用前景。 4 山东轻j r 业学院硕+ 学位论文 1 3 1m b f 的研究进展 1 3 1 1 国外研究进展 1 8 7 6 年，l o u i sp a s t e u r 最早发现了酵母菌( l e v u r ec a s s e e u s e ) 的“絮凝作用 。 这种“絮凝作用”是指细胞的聚集现象。当时，该种“絮凝”主要用于从培养液 中分离出微生物。后来的研究发现：用絮凝化酵母代替非絮凝化酵母，可获得较 好质量的啤酒【2 6 1 。 1 9 3 5 年，b u t t e r f i e l s 从活性污泥中分离出第一株絮凝剂产生菌，该菌的培养 液具有一定的絮凝能力【2 7 1 。1 9 7 1 年，z a j i c 和k n e t t i n g 从煤油中分离出一株棒状杆 菌，该菌可产生对泥水有絮凝作用的多聚物【2 引。 1 9 7 6 年，j n a k a m u r a 等人对能产生絮凝效果的微生物进行了研究。他们从霉 菌、细菌、放线菌、酵母菌等2 1 4 种菌株中，筛选出1 9 种具有絮凝能力的微生物， 其中霉菌8 种，细菌5 种，放线菌5 种，酵母菌1 种，且发现以酱油曲霉( a s o j a e ) 产生的絮凝剂a j 7 0 0 2 对面包酵母絮凝效果最好1 2 9 1 。 1 9 8 5 年，h t a k a g i 等研究了拟青霉属( p a e c i l o m y c e ss p i 1 ) 微生物产生的 絮凝剂p f l 0 1 。这种m b f 的分子量约为3 0 万，主要成分是半乳糖胺。p f l 0 1 对枯 草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、红血细胞、活性污泥，纤维素粉、梭甲基纤维素、 活性炭、硅藻土、氧化铝等均有良好的絮凝效果1 3 1 1 。 1 9 8 6 年，r k u r a n e 等研究活性污泥法处理废水时发现了红平红球菌 ( r e r y t h r o p i l i s ) ，该菌在日本早田土壤中很常见。当废水和活性污泥中存在红平 红球菌时，处理液透明，污泥沉降性良好。他们利用该菌研制出的絮凝剂n o c 1 ， 用于畜产废水处理、膨胀污泥的沉降、瓦厂废水处理、纸浆废水( 黑液) 及颜料 废水等有色废水的脱色时效果显著【3 2 3 3 1 。 美国、日本、等国家都对m b f 进行了研究，并取得了一些初步的研究成果。 1 3 1 2 国内研究进展 自2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内有关m b f 的报导也同渐增多。 江苏微生物研究所的陆茂林从土壤和污泥中筛选出两株絮凝活性较高的诺卡 氏菌，并对其培养基、培养时间和培养液p h 变化与絮凝活性之间的关系进行了研 究【3 4 】。 中国科学院成都生物研究所的李智良用常规细菌分离纯化方法从废水、土壤、 活性污泥中分离筛选到6 株絮凝剂产生菌，用其发酵液离心上清液对造纸黑液、 皮革废水、偶氮染料废水、硫化染料废水、电镀废水、彩印制板废水、石油化工 废水、造币废水及蓝墨水、碳素墨水等进行絮凝实验，结果表明废水固液分离效 果良好，c o d 去除率在5 5 9 8 ，悬浮物、色度、浊度去除率均在9 0 以上1 3 5 1 。 南开大学环境科学系的庄源益从天津市区和郊区土壤中分离到的多种菌株中 5 第1 章绪论 筛选出6 株对染料水溶液有较好的絮凝脱色作用的菌株，利用其培养液对有代表 性的活性、酸性、直接、酸性媒介和直接耐晒等染料水溶液进行了探索性的絮凝 实验。所筛菌株培养液对直接深棕染料废水的脱色率可达9 0 以上，对直接黑染 料生产废水稀释液的脱色率为6 0 左右，但对其它染料脱色效果不显著【3 5 】。 中科院微生物研究所的刘紫鹃i 了7 l 等在污水处理厂的活性污泥中分离筛选到一 株絮凝剂产生菌( 初步鉴定为巨大芽孢杆菌ba c i l l u s me ga t e r i u m ) ，所产絮凝剂对 供试的各种悬浮液和菌悬液都具有良好的絮凝效果，他们还对其培养条件进行了 研究。 上海大学环境科学系的黄民生在污水处理厂的回流污泥中分离筛选出3 株絮 凝剂产生菌。这些菌株的培养液对土壤悬液的浊度去除率达9 9 ，对碱性染料废 水c o d 去除率在7 0 左右，色度去除率在9 2 左右【3 8 弓9 1 。 东北大学的邓述波l 删等从土壤中分离筛选到一株能产生高效m b f 的芽抱杆 菌a - 9 。絮凝实验表明，用m b f a 9 处理高岭土悬浮液，效果明显优于其他种类 m b f ，且不需添加c a 2 + 及a r + 等助凝剂，用量也仅为一般用量的1 1 0 1 1 0 0 ；处理 含泥河水、硫化染料废水、淀粉厂黄浆废水时，悬浮物及c o d 的去除率明显高于 聚丙烯酸胺等传统的化学絮凝剂。 微生物絮凝剂是通过微生物发酵、分离提取而得到的新型、高效、无毒、可 生物降解的水处理剂。它正是能够满足对新型絮凝剂要求的绿色水处理剂，具有 广阔的开发与应用前景。 1 3 2 微生物絮凝剂的化学组成 微生物絮凝齐u ( m i c r o b i a lf l o c c u l a n t ，m b f ) 按其化学组成分类主要有蛋白质( 如 n o c 1 、细菌r e r y t h r o p o l i s ，f l a v o b a c t e r i u ns p ，la c t o b a c i l l u sf e r m e n t u m ，放线菌 n a m a r a e 以及真菌h a n s e n u l aa n o m a l a ) 、多糖( 如a l e l a t u s l 4 1 j 的胞外生物高聚物 絮凝剂的产物) 、脂类( r e r t y t h r o p o l i ss 1 1 4 2 】的培养液中分离出来的生物絮凝剂的 主要成分) 和d n a 等大分子物质。 1 3 3 微生物絮凝剂的种类 微生物絮凝剂依据来源不同可分为三类：一类是直接利用微生物细胞的絮凝 剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母菌等，他们大量存在于土壤、活性污泥和 沉积物中；另一类是利用微生物细胞提取的葡聚糖、甘露糖、蛋白质和n 乙酰葡 萄糖胺等，它们都是良好的微生物絮凝剂；还有一类是利用微生物细胞代谢产物 制备的絮凝剂，如细胞分泌到胞外的粘液质、多糖以及多肽、脂类及其复合物。 不同的絮凝微生物所产生的絮凝剂的物质组成不同，表1 3 1 5 7 】列出了近几年来一些 研究的较深入的微生物絮凝剂的物质属性、组成和相对分子质量。 6 山东轻i ：业学院硕十学位论文 表1 3 微生物絮凝剂的物质属性、组成和相对分子质量 7 第1 章绪沦 1 3 4 微生物絮凝剂的特点 与用量大且对人体有害的无机絮凝剂和价格贵成本高的有机絮凝剂相比，微 生物絮凝剂具有良好的絮凝沉淀性能，且高效、安全、无毒，易于生物降解，应 用范围广等特点。 1 3 4 1 高效性 与现在常用的各类絮凝剂，如铁盐、铝盐和聚丙酰胺等相比，在同等用量下， 微生物絮凝剂对活性污泥的絮凝速度最大，而且絮凝沉淀比较容易用过滤除去。 1 3 4 2 无毒性 微生物絮凝剂的急毒试验结果表明【5 8 】小白鼠一次性吞食l g k g 的絮凝剂后， 体态、饮食、运动等均无异常反应，给小鼠、豚鼠注射r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 细 胞及培养液，均不致病。证明微生物絮凝剂安全、无毒，完全能用于食品、医药等 行业。 1 3 4 3 无二次污染 微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的生物高分子物质，属于天然有机高 分子絮凝剂，因此它不会危害其他生物，也不会影响生态环境；且絮凝后的残渣 可被生物降解，不会造成二次污染。 1 3 4 4 应用范围广泛 微生物絮凝剂能絮凝处理的对象较广，有活性污泥、粉煤灰、果汁、工业废 水、饮用水、河底沉积物、细菌、酵母菌和各种生活污水，而其他絮凝剂则由于 各自的特性而在具体应用领域受到一定限制。 1 4 絮凝剂产生菌来源与种类 目前国内外所研究的絮凝剂产生菌主要通过以下三种途径获得：从天然土壤 中筛选：从活性污泥或沉积物中筛选；直接购买能产生絮凝剂的纯菌株。 絮凝剂产生菌的种类很多，细菌、放线菌、真菌以及藻类等均可以产生絮凝 剂。这些己经鉴定的絮凝剂产生菌大量存在于土壤、活性污泥或沉积物中。 由絮凝剂产生菌产生m b f 的有许多种，其中最具代表性的有以下三种：j n a k a m u r a 用酱油曲霉( 八s o i a e ) 研制出的絮凝剂a j 7 0 0 2 ；h t a k a g i 用拟青霉属微生 物( p a e c i l o m y c e s i - 1 ) 研制出的絮凝剂p f l 0 1 ；r k u r a n e 等人利用红平红球菌( r e r y t h r o p o l i s ) 研制出的絮凝剂n o c 1 【5 9 】。 8 山东轻i ：业学院硕+ 学位论文 1 5 影响絮凝的因素 影响微生物絮凝活性和絮凝能力的因素很多，主要包括遗传因素、培养基成 分、温度、p h 值、金属离子等。遗传因素是内在的依据，培养基的组分对生物絮 凝剂的影响也是十分明显的，一般说来，营养丰富的培养基有利于絮凝剂的产生； 培养基中的碳源、培养温度、初始p h 值、通气率、搅拌速度、接种量等因素均影 响微生物絮凝剂的产生l 矧。 1 5 1 微生物絮凝剂的遗传基础及生理意义 一些微生物只在特定生长阶段产生絮凝剂，因此有的研究者推测微生物絮凝 剂合成受遗传基因的严格控制。而己有的实验结果确实证明了微生物分泌絮凝剂 的能力是受遗传基因控制的。据报道：f l 0 1 6 、f l 0 5 i 6 2 1 、f l 0 8 6 3 1 、t u p 叫都是定 位于染色体上与絮凝有关的基因。有关絮凝剂产生菌产絮凝剂的基因控制、絮凝 剂在菌体内形成方式、分泌途径等尚不很清楚。目前人们只对某些细菌、酵母菌 中与絮凝有关的基因及其产物、絮凝微生物细胞壁的成分、结构进行了研究，以 期揭开微生物产生絮凝剂的机制。有关絮凝剂产生菌的基因控制方面的研究工作 还不深入，要揭示微生物产絮凝剂性状的遗传控制还需深入研究。 1 5 2 培养基成分对m b f 的影响 培养基包括碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水六大营养物质，各种 微生物对营养的要求不尽相同，因此应灵活掌握应用培养基配方的设计基本原则。 培养基的组分对生物絮凝剂的影响也是十分明显的。一般说来，营养丰富的培养 基有利于絮凝剂的产生。 1 5 2 1 碳源 微生物絮凝剂的产生与碳源有较大关系。在r e r y t h r o p o l i s 的培养中，用0 5 葡萄糖、0 5 蔗糖为碳源时，絮凝剂的产量较耐6 5 1 。富含单糖或营养丰富的培养 基有利于絮凝剂的产生，而用高氮低糖的培养基，会使絮凝剂的产量降低1 6 6 1 。对 细胞生长最有利的碳源，不一定是对絮凝剂分泌最有利的碳源，例如，用橄榄油 为碳源虽然有利于r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i ss 1 细胞的生长，但却不利于絮凝剂的 产生【6 7 1 。 1 5 2 2 氮源 在氮源中，尿素和硫酸铵对微生物絮凝剂的产生和细菌的繁殖最为有利，用 硝酸铵和氯化铵也可促进细菌的增长，但絮凝活性只相当于用尿素的6 0 7 0 。 碳氮比对于絮凝剂的产生也有影响【6 s 】，碳氮比为6 0 1 1 4 时，动胶菌属( z o o g o l e as p ) 的絮凝活性较高，大于或小于此范围值活性便迅速下降。在有机氮源中，酵母浸 9 第1 章绪论 出液和酪蛋白最为有效。 1 5 2 3 微量元素 在培养基中加入微量生长因子，如酪蛋白、蛋白胨、酵母膏、丙氨酸和谷氨 酸等，可以促进絮凝剂的产生，因而采用营养培养基时微生物絮凝剂的产量要高 于使用合成培养基时的产量。培养基中的其他物质，如、苹果酸、柠檬酸、多聚 赖氨酸、牛血清蛋白等对微生物絮凝剂的形成也有不同的影响。这些物质影响微 生物絮凝活性表现的原因主要有两个方面：是通过调节絮凝基因的表达；二是 对微生物产生的絮凝剂进行了物理或化学修饰【6 8 1 。 1 5 3 培养条件对m b f 的影响 1 5 3 1 初始p h 值对m b f 的影响 p h 值对微生物絮凝剂絮凝活性的影响，主要是由于酸碱度的变化影响微生物 絮凝剂及悬浮颗粒表面的电荷性质、数量及中和电荷的能力，进而影响吸附能力。 不同絮凝剂对p h 值变化的灵敏程度不一样。 1 5 3 2 温度对m b f 的影响 培养温度对微生物絮凝剂的产生有明显的影响，不同絮凝剂产生菌的培养有 各自最适的培养温度。微生物生长的温度一般在2 0 4 0 ，微生物在适应温度范 围内，随温度逐渐提高，代谢活动加强，生长、增殖加快；超过最适温度后，生 长速率逐渐降低，生长周期也延长。在适应温度界限以外，过高和过低的温度对 微生物的影响不同。高于最高温度界限时，引起微生物原生质胶体的变性、蛋白 质和酶的损伤、变性，失去对生活机能的协调、停止生长或出现异常形态，最终 导致死亡1 6 9 】。 1 5 3 3 通气量对m b f 的影响 通气量也会影响絮凝剂的产生。王镇【5 5 】报导通气量对其所筛选的四株菌均有 影响，培养初期大通气量既可以阻止菌体絮凝成较大的凝集体，又有利于菌产生 絮凝剂，并在培养后期各菌对通气量的要求不同，减少通气量有利于多糖类絮凝 剂的产生，但也有一些菌产絮凝剂的能力不受通气量的影响。 1 5 3 4 其它条件 如培养时间、碳氮比等都可能在不同程度上影响菌体生长和产物特性。 1 6 微生物絮凝剂的应用 微生物絮凝剂的应用研究已涉及到各种废水的处理，如悬浮物去除、脱色、 油水分离等，在发酵工业和食品工业中也可作为一种安全有效的分离辅助方法。 1 0 山东轻一j ：业学院硕十学位论文 高浓度有机废水的处理柴晓利1 7 0 1 、赵由才用a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e c l 3 和微生物絮 凝剂c a t i o n i cp o l y e l e t r o l y t e 的标准储备溶液处理垃圾填埋场渗滤液，研究发现，对 于9 1 2 ( s 0 4 ) 3 和f e c l 3 ，在相同投放量的条件下，微生物絮凝剂的去除率明显高于前 两者。张彤等在鞣革工业废水中加入c 6 2 菌株产生的絮凝剂，其浊度去除率可达 9 6 1 7 1 1 。 高浓度无机物悬浮废水的处理孟琴【7 2 l 等用微生物絮凝剂处理1 0 0 m l 中含 1 5 9 的黄土浊水时，沉降率是阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂处理效果的2 5 倍，是阴离 子聚丙烯酰胺絮凝剂的4 倍。 乳化液油水分离a g u i l a w 等在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a l c a l i g e n e sl a t u s 培养物可以很容易地将棕榈树从其乳化液中分 离出来。试验表明，向1 0 0 m l 的0 2 5 - 孚l 化液中加入1 0 m la l c a l i g e n e sl a t u s 培养 液和l m l 聚合氨基葡聚糖，乳化液中形成明显可见的油滴并浮于表面，下层清液 的c o d 值从原来的4 5 0 m g l 下降为2 3 5 m g l ，c o d 去除率为4 8 ，远好于无机 絮凝剂和人工合成的高分子絮凝制7 3 1 。 废水的脱色目前使用的絮凝剂难以去除废水中的有色物质，而用n o c 1 对 墨水、糖蜜废水、造纸废水和染料废水等进行了试验，处理后上清液变为无色透明。 用p a l l ( a l i g e n e s 8 7 2 4 菌株产生的絮凝剂在实验室对纸浆黑液和氯霉素等颜色较深 的废水进行脱色处理，其脱色率分别达9 5 和9 8 以上1 4 2 1 。 发酵液后处理发酵液常常呈现胶体状态，给过滤带来困难，添加微生物絮凝 剂可有效地实现发酵液中微生物的细胞分离。例如【5 9 l 在乙醇酵母中加入c a “，再 加入n o c 一1 絮凝，再用常规方法过滤可简单地实现发酵产物的分离。 、 食品废水处理食品的废水中往往会有多种可利用成分，需要回收再利用。 邓述波【7 5 】用自己筛选的a 9 菌株，对淀粉废水进行处理，废水的s s 和c o d e r 去 除率分别达8 5 5 、6 8 5 ，效果明显好于常用化学絮凝剂，且可回收蛋白质为饲 料，宫小燕【7 6 j 利用鱼粉和淀粉废水产生絮凝剂，用于处理水产废水，达到以废治 废，变废为宝的效果。 1 7 课题的确定 随着人们环保意识的加强，当前应用最为广泛的无机铝盐、有机聚丙烯酰胺 絮凝剂，由于其安全性和沉降污泥的二次污染问题使它们的应用受到限制，研制 无毒、经济适用的高分子絮凝剂的任务迫在眉睫。天然生物高分子絮凝剂对人体 无害，可被生物降解，对生态环境也不存在不利的影响，远比无机和有机合成高 分子絮凝剂安全，因而日益受到重视，在工业生产中应用越来越广泛。虽然目前 国内对微生物絮凝剂的研究越来越受到重视，在扩大微生物絮凝剂处理废水方面 第1 章绍论 做了不少工作。但由于起步的时间晚，加上微生物絮凝剂比较复杂，因而还有许 多问题需要解决。对于不同的微生物絮凝剂来说，由于其有效絮凝成份和絮凝机 理不同，因而，对于同一种废水，不同的微生物絮凝剂絮凝效果不尽相同，有的 甚至差异很大。 本试验拟通过筛选能够产生高效絮凝剂的复合菌种，找出其产微生物絮凝剂 的适宜培养条件和适宜的絮凝外部条件，以高岭土悬液作为模拟水样测试其絮凝 活性，用其处理制革废水，找出其最佳处理条件。 1 7 1 研究意义 资源的枯竭、环境的恶化对我国的经济可持续发展构成了严重的威胁，一方 面，水资源的存在指数( 全球的储量和可利用率) 变小。另一方面，废水的排放 又污染着环境，对人类造成严重的危害。制革废水用水量大，相应的排水量大。 利用微生物絮凝荆处理废水的技术作为一种生物吸附方法是目前国内外研究比较 多的一种处理废水的新方法，因其特有的优点，十分值得推广应用。 有关微生物絮凝剂的机理研究很不完整，缺乏系统性；又由于微生物的遗传 背景不清楚，导致细胞原生质融合、基因工程等发展较为成熟的细胞改造与遗传 物质的扩增技术在废水处理上的应用仅仅是一个理论的发展方向，相应的研究工 作很少有报道，这大大影响了高性能絮凝剂的开发和利用。因而这方面需要开展 更深入更细致的工作。 本文通过对絮凝剂高效菌的筛选、絮凝剂产生菌培养特征与菌种鉴定、絮凝 剂的絮凝性能、絮凝剂的物质组成和理化性质、絮凝机理及微生物絮凝剂在制革 废水中的应用等方面的深入研究，为进一步研究微生物絮凝剂产生菌的废物资源 利用、絮凝基因定位、絮凝剂的絮凝机理和微生物絮凝剂的应用等方面奠定重要 的理论研究基础。本文研究成果将对系统地开发与应用微生物絮凝剂具有重要的 理论指导意义与实际应用价值。 1 7 2 课题的研究内容 1 7 2 1 筛选高效絮凝剂产生菌 从处理制革废水的活性污泥中筛选出菌种，以其培养物对高岭土悬浊液的絮 凝活性作为判断其絮凝活性及产生微生物絮凝剂的能力，进行絮凝剂产生菌的初 筛和复筛，最终获得较高絮凝性的菌。 1 7 2 2 微生物絮凝剂产生菌的初步鉴定 通过培养观察单菌落的形态特征，分辨微生物，再通过显微镜的油镜来观察 微生物的个体形态，逐步确定微生物所属的纲、目、科、属。 山东轻l ：业学院硕十学位论文 1 7 2 3 构建复合菌群 将筛选出的单菌落随机复合。以其培养物对高岭土悬浊液的絮凝活性作为判 断其絮凝活性能力的指标，筛选得到絮凝活性更高的复合菌群。 1 7 2 4 确定微生物絮凝剂产生的最佳条件 改变影响微生物絮凝剂产生的各因素的条件( 培养基的组成、培养温度和初 始p h 值等) ，通过改变各因素不同水平