（环境工程专业论文）具有产絮凝剂和降解苯酚功能的复合菌群研究.pdf

摘要 根据e m ( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ) 技术原理，利用筛选到的絮凝剂产生 菌和苯酚降解菌，构建出具有絮凝和降解苯酚双重功能的复合菌群 ( x g j h n l 9 + x g j h n 5 ) 。 复合菌群的优化培养条件：接种量为两种菌株各0 5 m l ( 种子液) 5 0 m l ( 乳 品废水培养基) ，培养基初始p h6 5 ，培养温度2 5 c ，摇床转速1 5 0 r p m ，培养时 间7 2 h 。在此优化条件下，复合菌群对3 0 0 m g l 苯酚的降解率达9 9 | 3 ，所产 m b f 的絮凝率e 2 达9 7 8 。 对复合菌群所产m b f 进行提纯固化，产率为1 5 9 ( 絮凝剂) l ( 发酵液) 。 定性分析试验表明，复合菌群所产m b f 主要成分为多糖类物质。经初步菌种鉴 定，菌株x g j x n 5 为芽孢杆菌属，菌株x g j x n l 9 为奈瑟氏球菌属。 复合菌群所产m b f 对乳品废水有较好的处理效果。去除c o d c r 的最佳工艺 条件为：投加m b f l 0 r n l 、1 c a c l 2 3 5m l 于l o o m l 乳品废水中，调节p h 值至 9 0 ，摇匀后静置1 0m i n ，c o d c ，去除率达7 2 5 ，浊度去除率为7 9 2 。去除 浊度的最佳工艺条件为：投加m b f l 0 m l 、1 c a c l 2 4 0 m l 于l o o m l 乳品废水中， 调节p n 值至9 0 ，摇匀后静置1 0r a i n ，最大浊度去除率达8 2 1 ，c o d o 去除 率为6 6 4 。 复合菌群所产m b f 处理乳品废水去除c o d c 。的动力学方程和去除浊度的动 力学方程分别为：c t - c o 。( m l ) 2 c o c 。( 1 - 互而石百冱石) 和c t ，。( a ) 2 c oo dn 一五两i 舔丽l 动力学研究表明复合菌群对苯酚的降解速率对苯酚的浓度为一级反应，得到 的经验动力学方程为= 一生d t = 0 0 3 4 8 c ( m g l h ) 或，= 上0 0 3 4 8 i n i 毛( ) 。i 一“ 通过测定和分析絮凝过程中高岭土颗粒的z e t a 电位变化，探讨了微生物絮 凝剂的絮凝作用机理，初步认定复合菌群所产m b f 的主要絮凝机理为“吸附架 桥”。 关键词：复合菌群；微生物絮凝剂；苯酚；降解；乳品废水 a b s t r a c t i nt e r mo ft h em e c h a n i s mo fe f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ，m u l t i p l em i c r o o r g a n i s m s t h a th a v ed o u b l ee f f e c t sa sp r o d u c i n gm i c r o b i a lf l o c c u l a n t s ( m b f ) a n dd e g r a d i n g p h e n o l w e r ec o n s t r u c t e dw i t hs t r a i nx g j h n 5a n ds t r a i nx g j h n l 9 t h eo p t i m a lc u l t i v a t i n gc o n d i t i o ni sl i s t e da sf o l l o w s ：0 5 m lg e r ms o l u t i o np e r5 0 i n li n j u ( w a s t e w a t e rc u l t i v a t i n gm e d i u m ，p h6 5 ，2 5 。c ，1 5 0 r p m ，7 2h u n d e rt h i s e n v i r o n m e n t t h em u l t i p l em i c r o o r g a n i s m sf o rr a t eo fd e g r a d i n g p h e n o li s9 9 - 3 a n d t h ef l o c c u l a t i n ga c t i v i t yo ft h em b fp r o d u c e db ym u l t i p l em i c r o o r g a n i s m si s u pt o 9 7 8 t h ep r o d u c t i v i t yo ft h ep a r t i a l l yp u r i f i e dm b fi s15g r a mp e rl i t e rf e r m e n t a t i o n s o l u t i o n t h em a i nc o m p o n e n t o ft h em b fi sp o l y s a c c h a r i d e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t o fp r i m a r yi d e n t i f i c a t i o n ，s t r a i nx g j h n 5a n ds t r a i nx g j h n l 9p e r t a i nt ob a c i l l u ss p a n dn e i s s e r i at r e v i s a ns p ，r e s p e c t i v e l y t h em b fp r o d u c e db y m u l t i p l em i c r o o r g a n i s m s e x c e l sa t t r e a t i n g m i l k w a s t e w a t e r t h eo p t i m i z e dr e m o v i n gc o d e rs c h e m ei sl i s t e dh e r e 1 0m lm b fa n d 3 5m li c a c l 2w e r ep u ti n t o1 0 0m lm i l kw a s t e w a t e ri n1 0 0m lt e s tt u b e ，a n dp ho f t h es y s t e mw a sa d j u s t e dt o9 0 t h e nt h et e s tt u b ew a ss t i r r e da n dl e f tf o r1 0m i nt o s e t t l e a na l i q u o to f t h es u p e r n a t a n tv c a sw i t h d r a w nf r o mt h et e s tt u b e ，t h e nt h ev a l u e o fi t sc o d c ra n do d 5 7 0w a sm e a s u r e d u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h ee f f i c i e n c yo f r e m o v i n gc o d e ra n dt u r b i dd e g r e ew a s7 2 5 a n d7 9 2 ，r e s p e c t i v e l y t h e o p t i m i z e dr e m o v i n gt u r b i ds c h e m ei sl i s t e dh e r e 1 0m lm b fa n d4 0m l1 c a c l 2 w e r ep u ti n t o1 0 0m lm i l kw a s t e w a t e ri n1 0 0m lt e s tt u b e ，a n dp ho ft h es y s t e mi s a d j u s t e dt o9 0 t h e nt h et e s tt u b ew a ss t i r r e da n dl e f tf o r1 0m i nt os e t t l e a na l i q u o t o ft h es u p e m a t a n tw a sw i t h d r a w nf r o mt h et e s tt u b e ，t h e nt h ev a l u eo fi t sc o d c ra n d o d 5 7 0w a sm e a s u r e d u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h ee f f i c i e n c yo fr e m o v i n gc o d c ra n d t u r b i dd e g r e ei s6 6 4 a n d8 2 1 r e s p e c t i v e l y t h ek i n e t i ce q u a t i o n so fr e m o v i n g c o d c ra n dt u r b i dd e g r e ef r o mm i l kw a s t e w a t e rw i t ht h em b f a r ec t c o d ( m g l ) = c j c o 。( 1 一互i 丽志) a n d c t 。( a ) 2c j 。( 1 一i 孑无虿_ t 丽) ， r e s p e c t i v e l y s t u d yo nt h ed e g r a d i n g p h e n o lk i n e t i c so ft h em u l t i p l em i c r o o r g a n i s m s s u g e s t st h er e a c t i o na c c o r d sw i t ht h e 嫩s to r d e rr e a c t i o n t h ek i n e t i ce q u a t i o n so f d e g r a d i n gp h e n 0 1w i t ht h en l m t i p l em i c r o 。唱a i l i s m si s 一害= 0 0 3 4 8 c ( m g l h ) o r ，：上一1 n l ( 矗1 0 0 3 4 81 一“、7 t h e r ei sn oq u e s t i o nt h a t a d s o r p t i o nb r i d g i n go p e r a t et h ep a r t i c l e s o ft h e s u s p e n s i o nb yt h ew a yo fz e t a - p o t e n t i a lm e a s u r e m e n t s l ic h a n g h u a ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i nb o k e yw o r d s ：m u l t i p l em 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 s ；p h e n o l ；d e g r a d a t i o n ； m i l kw a s t e w a t e r 刖吾 在水资源污染严重且用水需求日益增大的今天，污水净化的重要性也日益增 大，工农业废水和生活污水的处理受到广泛关注，人们相继研究出各种水处理方 法。絮凝剂是一类可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒凝聚、沉淀的物质。随着 工业和科学技术的发展，絮凝剂己广泛应用于各种工程及废水处理领域中。按照 生产方式，通常可将絮凝剂分为有机高分子絮凝剂( 如聚丙烯酰胺等) 、无机絮凝 剂( 如铝盐、铁盐等) 及微生物絮凝剂三类。前二类絮凝剂多作为澄清剂用于以活 性污泥法等处理废水领域和土木疏浚施工等方面。近2 0 年来，是絮凝剂和混凝技 术发展的高峰时期。 无机和有机合成高分子絮凝剂的生产和应用虽然已经取得了长足的进步，但 它们在使用过程中的不安全性和给环境造成二次污染的危险性不得不引起人们 的重视。研究表明，铝与老年痴呆症有关：聚丙烯酰胺虽然在完全聚合态没有多 大问题，但其聚合单体丙烯酰胺却具有强烈的神经毒性，并且还是强致癌剂，所 以聚合过程中单体的残留是一个令人十分担忧的问题。现在许多领域已禁止或限 量使用这些絮凝剂。 因此，开发高效、安全、不污染环境的新型絮凝剂对改进生产工艺、保证人 体健康和环境保护有很重要的现实意义。2 0 世纪8 0 年代后期，伴随着生物技术的 发展，微生物絮凝剂应运而生。微生物絮凝剂( m i c r o b i o l o g yf l o c c u l a n t ，简称 m b f ) 是一种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 体粒子等凝聚沉淀的特殊高分子代谢产物，是通过微生物发酵、分离提取而得到 的、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。 到目前为此，人们已发现了多种微生物能够产生絮凝剂，但是尚未见到有关 兼有絮凝和降解功能的微生物菌群的报道，另外，微生物产生絮凝剂所用的培养 基价格昂贵，难以进行大规模的工业化生产。因此，本课题就如何构建具有絮凝 和降解苯酚双重功能的复合菌群，以及复合菌群利用乳品废水产絮凝剂等方面进 行了研究，并把复合菌群所产絮凝剂应用于乳品废水，为微生物絮凝剂的应用提 供了有价值的参考。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌文学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：李昌祀 签字日期：a 嘭年占月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌史学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权壹璺塞堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：杏昌花 签字日期：砌6 年月8 日 学位论文作者毕业后去向： 导师签名： 签字日期：吒年多月哆日 1 文献综述 1 1 引言 在水资源污染严重且用水需求日益增大的今天，污水净化的重要性也日益增 大，工农业废水和生活污水的处理受到广泛关注，人们相继研究出各种水处理方 法。絮凝荆是一类可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒凝聚、沉淀的物质。随着 工业和科学技术的发展，絮凝剂己广泛应用于各种工程及废水处理领域中。按 照生产方式。1 ，通常可将絮凝剂分为有机高分子絮凝剂( 如聚丙烯酰胺等) 、无机 絮凝剂( 如铝盐、铁盐等) 及微生物絮凝剂三类。前二类絮凝剂多作为澄清剂用于 以活性污泥法等处理废水领域和土木疏浚施工等方面。此外，在上水道、中水道 的造水领域，发酵工业中发酵液与培养菌体的分离等下游处理工程乃至食品工业 等许多领域中絮凝剂可望得到广泛应用。1 。近2 0 年来，是絮凝剂和混凝技术发展 的高峰时期。据报道，美国1 9 6 7 年实际使用的絮凝剂品种约有9 个，到七十年代 初则迅速增至1 3 4 种，其中以无机的聚合氯化铝和有机合成的聚丙烯酰胺最为广 泛“1 。2 0 世纪8 0 年代，日本这类絮凝剂年产量己达2 4 万吨，可见应用之多。我 国从2 0 世纪6 0 年代开始，也己经研制和应用无机和有机合成高分子絮凝剂，迄今 为止，生产聚铝的厂家达5 0 多家，年产量3 5 万吨；聚丙烯酰胺的生产厂家约3 0 家，生产能力超过万吨“。 无机和有机合成高分子絮凝剂的生产和应用虽然已经取得了长足的进步，但 它们在使用过程中的不安全性和给环境造成二次污染的危险性不得不引起人们 的重视。研究表明，铝与老年痴呆症有关：聚丙烯酰胺虽然在完全聚合态没有多 大问题，但其聚合单体丙烯酰胺却具有强烈的神经毒性，并且还是强致癌剂，所 以聚合过程中单体的残留是一个令人十分担忧的问题。现在许多领域已禁止或限 量使用这些絮凝剂。1 。 因此，开发高效、安全、不污染环境的新型絮凝剂对改进生产工艺、保证人 体健康和环境保护有很重要的现实意义“1 。2 0 世纪8 0 年代后期，伴随着生物技 术的发展，微生物絮凝剂应运而生。微生物絮凝剂( m i c r o b i o l o g yf l o c c u l a n t ， 简称m b f ) 是一种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 及胶体粒子等凝聚沉淀的特殊高分子代谢产物，是通过微生物发酵、分离提取而 得到的、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 “1 】 o 1 2 微生物絮凝剂的研究概况 l o u i sp a s t e u r ( 1 8 7 6 ) 最早报道了酵母菌能絮凝微生物。1 的现象，两年以后， 有科学家发现也有细菌具有同样的作用。而自从美国科学家b u t t e r f i e d ( 1 9 3 5 年) 最早从活性污泥中筛选到絮凝剂产生菌以来，人们开始对微生物絮凝剂逐渐 进行了越来越深入的研究，在絮凝剂条件、机理、产絮凝剂的基因控制、絮凝剂 的纯化、性质及应用等方面进行了一系列的研究工作，其中日本在这方面的研究 工作成效尤其显著。”圳。国外关于微生物絮凝剂产品的报道最多的主要是： j n a k a m u a r a 等人以酱油曲霉a j 7 0 0 2 ( a s p e r g j l l u s ) 为原料生产的a j t 0 0 2 微生 物絮凝剂“8 1 ；h t a k a g i 拟青霉素( p a e c y l o m y c e s s p i j ) 微生物生产的p f l 0 1 絮凝剂，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汹。2 “；r k u r a n e 等人利用红平红 球菌( r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s ) 微生物生产的n o c l 絮凝剂，对大肠杆菌、 酵母泥浆水、河水、粉煤水、活性炭粉水、膨胀污泥、纸浆废水、畜产废水等均 有极好的絮凝和脱色效果“。美国、日本、英国、法国、德国、前苏联、芬兰、 葡萄牙、以色列、韩国都对微生物絮凝剂进行了大量的研究，并取得了一些初步 的研究成果“。国外微生物絮凝剂的商业化生产始于2 0 世纪9 0 年代。 我国在微生物絮凝剂研究和应用与国外相比有很大差距，据已有的文献报道我 国在微生物絮凝剂的研究尚处于实验室阶段。见诸报道的有陆茂林所在的江苏 微生物研究所在土壤和污泥中筛选出两株絮凝活性较高的诺卡氏菌，并对其适 宜培养基，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”。台 湾邓德丰等从废水处理场中分离得n c 一6 2 细菌菌株产生微生物絮凝剂，该絮凝 剂对于猪粪尿废水和红豆加工场废水具有良好的絮凝作用；张本兰从活性污泥中 筛选到絮凝活性较高的微生物絮凝剂菌株( 尸- a c a l i g e n e s 8 7 2 4 ) 用于处理造纸 黑液和氯霉素等有机废水o ；李智良所在的中国科学院成都生物研究所用常规的 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 2 其发酵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、造币废水及蓝黑水、碳素墨水等进行絮凝 试验的结果表明，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3 ；王镇等筛选出絮凝活性较高的四株菌 ( s p o r o a c t o b a c i l l u s g c 3 ；a r t h r o b a c t e r s b 6 ；p s e u d o m o n a s s b s ；a e r o m o n a s g c 2 4 ) ”1 ：黄民生等从污水处理厂的回流污泥中分离筛选出3 株絮凝剂产生菌，该菌株所 产培养液可使土壤悬液浊度去除率达9 9 以上，使碱性染料废水c o d 去除率为7 0 左右，色度去除率为9 2 左右锄一。；东北大学的邓述波等从土壤中分离筛选得到一 株能产生高效微生物絮凝剂的芽孢杆菌a 9 。絮凝实验结果表明，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 13 + 等助凝剂，用量 也仅为一般m b f 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，悬浮物及c o d 的去除率明显高于聚丙烯酰胺等传统的化学絮凝剂。最近， 南昌大学的张志强利用复合菌群所产的絮凝剂应用于处理靛蓝印染废水，获得同 时降低c 0 瞻和脱色的良好效果，为微生物絮凝剂的应用提供了有价值的参考。 总之，目前国内对微生物絮凝剂的研究，大多处在菌种筛选和菌株培养液对 废水处理的实验室小试阶段，培养基多以葡萄糖、果糖、蔗糖、半乳糖、淀粉等 作为有机碳源，以酵母浸出汁、牛肉膏、蛋白胨、酪蛋白氨基酸等作为有机氮源， 存在培养基成本高的缺点。要使微生物絮凝剂在我国真正地应用于水处理，还需 要作大量的、进一步的试验和研究。 1 3 微生物絮凝剂产生菌 1 3 1 微生物絮凝剂产生菌的种类 絮凝剂产生菌是一类合成并分泌有絮凝活性物质的微生物，其来源广泛、种 类繁多，在霉菌、酵母菌、放线菌、细菌中都有。研究者利用不同的培养条件、 测试标准从环境中分离絮凝剂产生菌。目前己报道的菌株如表1 1 1 所示。 表1 1 一些微生物絮凝剂产生菌 微生物种类 絮凝剂主要成份 细菌( b a c t e r i a ) a g r o b a c t e r i u ms p r h o d o c o c c u se r y t h r o p o t i s a l c a l i g e n e sc u p i d u s a l c a l i g e n e sc u p i d u s c o r y n e b a c t e r i u mh y d r o c a r b a n c a l a s t u s c o r y n e b a c t e r i w nb r e v i c a l e d e m a t i u ms p m y c o b a c t e r i u mp h l e i p s e u d o m a n a ss p p s e u d o m o n a ss p p s e l y d o m o n a ss t u t z e r i p s e u d o m o n a s 庙e c a l i s p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a p s e u d o m o n a s u o r e s c e n s b a c i l l u ss p m e t h y l o b a c e t e r i u ms p l a c t o b a c i l l u s r m e n t u r a f t a v o b a c t e r i u ms p 放线茵( a n t i n o m y c e s ) 珏n o c a r d i ac l m a l r l 2 e n o c a r d i ar e s t r i c t a n o c a r d i ac a l c a r e a n o c a r d i ar h o a b ；i i s t r e p t o m y c e sv i n a c e u s 盛r e p t o m y c e sg r i s e u s 真菌( f u n g i ) f f e u p e n i c i l l i u n lc r m t o c e l l , $ c i r c i u e l l as y d o w i m o n a s c u sa n k a g e o t r i c h w nc a n d i d u m s o r d a r i af i m i c o l a p a e c i l o m y c e ss p a s p e r g i l l u ss o j a e a s p e r g i l l u so c h r a c e u s a s p e r g i l l u s p a r a s i t i c u s h a n s e n “口a n o m a l a s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e 藻类( a l g a e ) 蛋白质( p r o t e i n ) 酸性聚多糖( a c i dp o l y s a c c h a r i d e ) 聚多糖，蛋白质( p o l y s a c c h a r i d e ，p r o t e r i n ) 粘多糖( m u c o p o l y s a c c h a r i d e ) 多糖( p o l y s a e c h a r i d e ) + 蛋白质( p r o t e i n ) 蛋白质( p r o t e i n ) 蛋白质( p r o t e i n ) 聚半乳糖胺( g a l a c t o s a m i n ep o l y s a c c h a r i d e ) 多聚糖胺( p o l y h e x o s a m i n e ) 蛋白质( p r o t e i n ) 有机酸( 2 - k e t o g l u e o n i c a c i d ) 蛋白质( p r o t e i n ) 多肽( p o l yp e p t i d e ) 4 微生物种类絮凝剂主要成份 i i p h o r i m i d i u ms p a n a b a e n o p s & c i r c u l a r i s c h l w m y d o m o n a sm e x i c a n a c a l o t h r i xd a s e r t i c a 磺酸异多糖( s u l f a t e dh e t e r o p o l y s a c e h a r i d e ) 脂肪酸( f a ta c i d ) ，蛋白质( p r o t e i n ) 酸性聚多糖( a c i dp o l y s a c c h a r i d e ) 注： 表示未对该絮凝剂的化学组成进行分析 由它们所产生的m b f 有许多，其中最具代表性的为以下三个：1 9 7 6 年， j n a k a m u r a 用酱油曲霉( a s o j a o ) 生产的絮凝剂a j t 0 0 2 ；1 9 8 5 年，h t a k a g i 用 拟青霉属( p a e c i o m y c e ss p i 一1 ) 微生物生产的絮凝? f j p f l 0 1 ，对啤酒酵母、血 红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土和氧化铝等有良好的絮凝效果； 1 9 8 6 年，r k u r a n e 等人利用红平红球菌( 1 7 e r y t h r o p o l i 曲研制出的絮凝剂 n o c 一1 1 ，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，是目前发现的絮凝效果最好的微生 物絮凝剂。 1 3 2 微生物絮凝剂产生菌的分离、筛选 能产絮凝剂的微生物有很多种类，目前国内外研究所采用的絮凝微生物种群 主要通过以下三方面途径获得：来自天然土壤；来自活性污泥或沉积物；直接购 买能产生絮凝剂的纯种微生物菌株。从天然土壤或活性污泥中获得产絮凝剂菌株 一般采用的方法是1 ：以普通细菌培养基( 牛肉膏蛋白胨琼脂培养基) 作为分离 培养基，通过稀释法和平板划线法多次分离至获得纯种。 将纯化菌株接种至筛选培养基中，根据培养液的絮凝活性筛选出絮凝剂产生 菌，然后再对这些菌株的特性进行研究。总的筛选模式为：样品采集及预处理一 菌株的分离纯化一浅层发酵培养一絮凝剂的提取一絮凝活性检测一菌种取舍( 初 筛、复筛) 一菌种鉴定一各菌株絮凝活性的遗传稳定性检验一微生物絮凝剂用于 实际废水的效果验证汹1 ”。 1 3 3 微生物絮凝剂的絮凝机理及影晌因素 1 3 3 1 微生物絮凝剂的絮凝机理 大多数的微生物絮凝剂主要成分是糖蛋白、核蛋白、粘多糖、纤维素、d n a 等分子质量在1 0 5 以上的高分子物质。由于微生物絮凝剂的分子性质各异，组成 结构不同，因此其絮凝机理很难找出较明显的规律。人们对此己进行了大量的研 究工作，提出了许多能解释特定条件下絮凝过程的理论：女h b u t t e r f i e l d 的粘质 假说；g r a b t r e e 的利用p h b ( p o l y b _ h y d r o x y b u t y r i ca c i d ) 酯合学说；f r i e d m a n 的菌体外纤维素纤丝学说等。但这些假说适用范围窄，只能解释部分菌引起的絮 凝，因此不为人们所接受。目前普遍接受的是“桥联作用”机理。桥联学说认为 絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范得华力。”同时吸附多个胶体颗粒，在颗粒间 产生“架桥”现象，从而形成一种网状三维结构而沉淀下来。c a l l e j a 和k a h i i 等人通过采用氢键及离子键的抑制剂影响微生物絮凝剂絮凝活性的实验，证明了 氢键及离子键对絮凝过程的决定性作用。絮凝剂的广谱活性也证明吸附机理不是 单一的，为了更好地解释机理，需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电 荷、构象及各种反应条件对它们的影响进行更深入的研究“。 1 3 3 2 影响微生物絮凝剂产率的因素o ”“1 微生物絮凝剂的产生受培养基中的营养成分、培养基的初始p h 值、培养温度、 供氧量及遗传因素等多种因素的影响。各絮凝剂产生菌对培养基中的营养成分要 求不一，即使是同一种成分( 如c 源等) ，各产生菌对其要求也不一样。实验中必 须多加摸索，找出最好的培养基成分。培养基的初始p h 值对絮凝剂的产生有重要 的影响。对不同的菌种，最适宜的p h 值略有不同。一般来说初始p h 值过高或过 低，都不利于絮凝剂的产生。中性或偏碱性时，有利于产生絮凝剂。并且在培养 过程中，p h 值先上升后下降再稳定。产生絮凝剂的最佳温度在2 5 - 3 5 c ，温度太 低，菌体因活性降低生长速度变慢；温度太高，会使菌体产生的絮凝剂活性降低。 在絮凝剂产生菌的培养过程中，供氧量对其生长繁殖影响很大。充分供氧，使其 快速生长，能提高絮凝剂的产率。在影响微生物絮凝剂的产率的因素中，遗传因 素是内在的决定性因素。絮凝基因的表达机理复杂，由多个基因控制絮凝基因的 表达功能，经过修饰基因和校正基因等调控基因的作用之后，絮凝基因方可有效 地表达出絮凝性。絮凝的遗传因素来自于染色体和染色体外的基因。 1 3 3 3 影响微生物絮凝剂絮凝性的因素“6 。1 一般来说，微生物絮凝剂的分子量越大，絮凝性能越高；线性分子比非线性 分子絮凝性能高；分子交联越多或支链越多，絮凝性能越差。有的微生物絮凝剂 易受温度的影响，导致结构改变，絮凝率下降。但也有少数微生物絮凝剂对温度 变化不敏感。微生物絮凝剂的絮凝效果与絮凝环境的p h 值有关，因为环境的p h 值直接影响絮凝剂表面的电位。被絮凝物的表面结构对絮凝效果产生影响，尽 管微生物絮凝剂对胶体颗粒有广泛的絮凝作用，但对于不同的颗粒表现出不同的 絮凝活性。 1 3 4 微生物絮凝剂的遗传基础 一些微生物只在特定的生长阶段产生絮凝剂，因此有的研究者推测微生物絮 凝剂性状表达受遗传基因的严格调控侧。而己有的实验结果也确实证明了微生物 分泌絮凝剂的能力是受遗传基因控制的。 远腾隆一用n 一甲基一n 一硝基一n 一硝基肌处理一种能产生絮凝剂的微生物，共获 得了5 株不产生絮凝剂的突变株，并得到其中的一种突变株的能产生絮凝剂的 回复突变株。其它一些研究者也通过遗传手段获得絮凝剂微生物的非絮凝性突变 株”1 。 尽管微生物絮凝的基因调控还远未为人们清楚地了解，但上述试验充分证明 了微生物絮凝剂的遗传基础，因此一些研究者己在着手应用遗传工程的方一法， 将絮凝基因转入活性污泥和其他广泛应用在发酵工程中的微生物中，从而获得生 物活性和絮凝能力均佳的优良微生物“。 1 4 利用废弃物作为替代培养基 目前各种絮凝剂产生菌大都是在实验室中以葡萄糖、果糖、蔗糖、半乳糖、 淀粉等作为有机碳源【“。6 9 】，以酵母膏、牛肉膏、蛋白胨、酪蛋白氨基酸等作为有 机氮源的，存在着培养成本高的缺点。因此，开发廉价的代用品，甚至是高浓度 的有机废物，作为絮凝剂产生菌的碳源和氮源以降低微生物絮凝剂的生产成本， 具有重要的意义。 许多絮凝剂产生菌可降解自然界中或人工合成的高分子物质，如红平红球菌 ( r e r y t h r o p o l i s ) s 1 可降解塑料生产中的酞酸酯，在降解人工合成高聚物的同时 产生絮凝剂。解烃棒杆菌( c o r y n e b a c t e r i u mh y d r o c a r b o c l a s t u s ) 可利用煤油生长 并产生絮凝剂，使膨胀污泥活性得到恢复。 r k u r a n e 考察了多种碳源对红平红球菌但e r y t h r o p o l i s ) s 1 产生生物絮凝剂 的影响，结果发现乙醇不仅对菌细胞的生长和絮凝剂的产生都极为有效，而且在 乙醇培养基中生长的菌产生的絮凝剂，其每单位细胞浓度的絮凝活性是所有被考 察的碳源中最高的。在他的一篇专利中，介绍了采用米糠、鱼肉和葵花籽粉作为 培养红平红球菌俾e r y t h r o p o l & ) s - 1 来产生微生物絮凝剂的氮源”7 。 南昌大学的张志强的研究表明，啤酒废水完全可以取代葡萄糖作为其构建的 絮凝剂产生菌群的碳源和能源“”。 1 5 微生物絮凝剂处理废水的研究 从目前国内外对微生物絮凝剂应用范围的研究看，它不仅可以替代传统絮凝 剂用于给水处理，或者用于医药、食品加工和发酵等行业的固液分离，而且在高 浓度难降解废水的除浊、除重金属、脱色和除油等方面也表现出相当的优势。 1 5 1 去除废水中的浊度 含有高悬浮物的建筑材料加工废水是较难处理的一类废水，例如陶瓷厂废 水，主要包括胚体废水和釉药废水两种，前者主要含有较多的粘土颗粒，后者除 含粘土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添) j i n o c l 后5 m i n ，胚体废水的o d 。 从原来的1 4 降低到0 0 4 3 ；釉药废水的o 隗。从1 7 2 下降到0 3 5 ；浊度去除率分 别为9 6 6 和9 7 9 ，可得到几乎透明的上清液”。 1 5 2 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2 m l 和 5 m l 浓度为1 的c a “溶液，处垂 1 9 5 m l 浓缩后的污泥，可以使污泥体积在2 0 m i n 内浓缩 为原来的9 2 ，上清液的o d 。值小于0 0 5 “。 1 5 3 在改善污泥膨胀中的作用 污泥膨胀主要是由于丝状菌过量生长，致使沉降性能变差，活性污泥处理系 统的效率常因此而降低，微生物絮凝剂能够有效地改善污泥的沉降性能，防止污 泥解絮，提高整个处理系统的效率。 1 5 4 在废水除油或油水分离中的作用 用协腹产碱杆菌培养物可以很容易地将棕榈酸从其乳化液中分离出来。无论 是无机絮凝剂还是人工合成高分子絮凝剂从未有过这样好的絮凝效果。这种微生 物絮凝剂不仅有望用于乳化液的油水分离，也可为海上溢油的控制提供一种安全 有效的絮凝剂”。 1 5 5 在废水脱色中的作用 现今的活性污泥技术除去废水中的b o d 并非难事，但对于脱色几乎还没有特 效的方法，特别是对于那些可溶性色素很难处理，由于染料分子难以生物降解， 而一般的化学絮凝剂处理效果不佳，因而成为工业废水处理中一大难题，而采用 微生物絮凝剂处理可达理想目标。 1 5 6 处理高浓度有机废水 畜产废水是含c o d 较高的难处理有机废水，采用合成有机絮凝剂虽然有较好 的效果，但存在二次污染。微生物絮凝剂可以有效的去除畜产废水中的t o c 和 t n ：。 1 6 微生物絮凝剂的发展方向 基于上述亟待解决的问题，作者认为，微生物絮凝剂研究和开发的重点应集 中在以下几方面： 1 6 1 建立一套快速寻找、筛选高效絮凝剂产生菌的方法 目前利用高岭土悬浊液进行初筛和复筛的研究方法，效率很低，而且存在一 定的误差。因此有必要寻找快速准确地筛选出处理特定废水的絮凝剂产生菌的方 法，以提高工作效率。 1 6 2 深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理 从物理、化学和生物学等不同角度深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理，结合 经典的絮凝机理研究微生物絮凝剂的成分对不同水质废水的作用机理，找出其中 的规律，根据不同的废水水质开发出具有针对性的高效微生物絮凝剂，这样不仅 能从本质上显著提高絮凝效果，还可以大大降低絮凝剂的投加量，从而降低处理 成本，这是微生物絮凝剂实现广泛的工业应用前必须做的工作。 1 6 3 构建工程菌 仅靠从自然环境中分离筛选絮凝剂产生菌，成本高，难以实现规模生产和应 用。为满足废水处理的要求，利用分子生物学技术获得高效的絮凝基因，通过转 基因技术，或者对高效的微生物絮凝剂产生菌诱变育种，构建絮凝作用的工程菌。 如红平红球菌是一种既能降解酞酸酯又可以产生絮凝剂的一类微生物，将其遗传 因子引入到可以产生絮凝剂的假单胞菌细胞中，就可提高活性污泥分解甲苯的能 力，得到既有絮凝性又有降解能力的新菌株咖1 。 1 6 4 优化生产条件 微生物絮凝剂真正应用到废水处理中，不仅要求它有很好的絮凝效果，而且 还要有利于大量生产。今后应利用连续的生产方式，缩短生产周期，并考虑到发 酵过程中的各种影响因素，优化生产条件，调控提高微生物絮凝剂的产率，降低 成本，以期工业化的实现。 1 6 5 优化原料降低制取微生物絮凝剂成本 目前实验室阶段的研究多采用价格昂贵的培养基，例如在n o c 一1 的培养基 中，作为氮源的酵母膏的价格占n o c 一1 生产成本的8 0 。因此必须寻找廉价且易 得的物质( 如纤维素、秸秆和有机质丰富的污水或废水等) 作为微生物絮凝剂产生 菌的培养底物，以降低生产成本，促进推动工业化。目前已有人利用黄豆汁、水 产废水和牛血取代酵母膏，培养基的价格下降为从前的1 3 以下”“；马放等人己证 明采用廉价的原料纤维素作为底物进行发酵的产物，也可以作为絮凝菌的产絮凝 剂培养基”。 1 6 6 开发复合型微生物絮凝剂 目前研究重点只放在微生物絮凝剂本身的开发上，很少进行复合型微生物絮 凝剂的研究。对于复合型的解释为：其一，所采用的菌种不单一，多株菌共同作 用产生絮凝剂，且不全是絮凝菌，有用来分解底物的分解菌：其二，底物没有完 全分解，在絮凝过程中，也能起到一定的促进作用；其三，在应用过程中与一定 量的无机絮凝剂或有机高分子絮凝剂配合使用，达到更好的混凝效果。因此今后 重点也应放在开发廉价的复合型微生物絮凝剂阻3 3 。 1 7 苯酚降解菌的研究进展 生物法去除废水中的酚类物质时主要利用两种类型的微生物：具有多种微生 物及酶系统组合( 细菌、放线菌、鞭毛虫、草履虫和其它一些原生动物) 的活性 污泥和专用细菌。在实验室条件下经过人工筛选得到的专门用来降解酚类的细菌 通常具有很高的降解效率，对环境也有特殊的要求，比如温度、p h 值、微量元 素等等。这些菌甚至可以处理浓度高达3 0 0 0 m g l 的高浓度含酚废水。“。 早在2 0 世纪7 0 年代中期就有很多研究人员对含酚废水的生物处理方法进行 了大量的研究工作。据报道。，部分微生物如假单胞菌、黄杆菌、芽孢杆菌、节 1 n 细菌属、红球菌属等能有效降解焦油中的某些成分，许多微生物能在好氧条件下 降解苯酚，j t f i c r y p t o c o c c u se l i n o v i i ，f u s a r i u mf l o c e 咖r u m ，p s e u d o m o n a sp u t i d a 等菌种，其中p s e u d o m o n a sp u t i d a 被报道具有高效降解苯酚的能力。“。目前，在 酚污染环境中分离到多种降解苯酚的微生物菌种，包括c a n d i d at r o p i c a l i s ”、 l j a n d i d am a l t o s e 。、p s e u d o m o n a ss p 4 0 0 3 、a c i n e t o b a t e rs p 3 0 0 8 等，张春桂研 究发现可以使得五氯酚( p c p ) 降解的细菌是醋酸细菌、产碱菌和气单胞菌1 。 此外，还可利用家禽废物分解的网纹水蚤属( c e r i o d a p h n i a d u b i a ) l d 5 0 和弧菌 属( f i b r i o f i s c h e r i ) e c