（环境工程专业论文）复合型生物絮凝剂的成分分析及絮凝机理研究.pdf

摘要 为了降低成本，以期为微生物絮凝剂的工业化生产创造条件，我们开发了 复合型微生物絮凝剂。由于微生物絮凝剂组成结构比较复杂，目前，国内外在 微生物絮凝剂絮凝机理方面，只是提出了一些假说。为了复合型微生物絮凝剂 的产业化生产和利用，我们提出了对复合型微生物絮凝剂机理的研究。 文中重新阐明了复合型生物絮凝剂( c b f ) 的概念。运用微生物生理生态 学原理，构建出复合型产絮菌群。c b f 的絮凝活性物质主要分布在上清液中， 其絮凝作用不是由菌体细胞产生的。c b f 具有良好的热稳定性。c b f 的成分 复杂，但其中不含毒性物质。蒽酮反应、考马斯亮蓝、紫外扫描等的测定，证 明絮凝剂c b f 的主要成分为多糖类物质。用凝胶色谱柱测c b f 分子量分布很 宽，但其纯品的分子量分布较窄，其中的大分子物质分子量接近，坳为 4 7 9 1 0 5 d a j 红外光谱分析表明c b f 的糖分子中既有氨基( 或酰氨基) ，也有 羧基和羟基；z e t a ( ) 电位测定及氢键和离子键检验结果表明，c b f 与高岭土等 无机颗粒之间的作用力为离子键，絮凝过程中存在架桥作用。 对高岭土及生物絮凝剂的絮凝形态进行了系统分析。通过对高岭土结构和 粒度的分析，发现高岭土晶体带负电荷，因此颗粒之间存在静电排斥力，使得 小颗粒难以形成较大的颗粒，从而难以在重力作用下自然沉降。利用原子力显 微镜观察其絮凝形态发现絮体结构密实，有利于絮体沉降。通过x r d 测定， 发现c a 2 + 可以加强复合生物絮凝剂的桥联作用和中和作用。最终确定絮凝剂和 高岭土以离子键的形式结合，之后主要通过架桥作用絮凝沉淀。 对复合生物絮凝剂的影响条件进行了探讨。絮凝过程中的最佳水力条件为快速 搅拌为1 6 0 r r a i n ，快搅时间为0 5 r a i n ；而慢速搅拌为4 0 r m i n ，慢搅时间为 1 5 m i n 组合时，絮凝效果最佳；通过沉降过程中悬浊液比重变化实验，得出复 配生物絮凝剂的沉降性能好，沉降速度快，并证实在絮凝过程中不同絮凝方式 在交替起着主要作用。这些为c b f 的工业化生产和推广使用提供了理论依 据，以期c b f 产品工业化生产的早日实现。 关键词复合型微生物絮凝剂；絮凝机理；多糖；架桥作用：絮凝条件 芝玺堡三些查：三兰堡圭兰竺兰兰 a b s t r a c t i no r d e rt or e d l l c et h ec o s to fb i o f l o c c u l a n tp r o d u c t i o na n dc r e a tc o n d i t i o n sf o r i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，ar e s e a r c hh a sb e e ne o n d u c t e do nan e wk i n do fc o m p o u n d e d b i o f l o c c u l a n t ( c b f ) a tp r e s e n t ，b e c a u s eo f c o m p l e x i t yo f i n g r e d i e n t so f c o m p o u n d b i o f l o c c u l u n t ，r e s e a r c h e r so n l yt a b l e ds o m eh y p o t h e s i sa b o u tb i o f l o c c u l a n ti na n d a b m a d w ep o i n to u ts t u d yo f f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s mo f c b ff o ri n d u s t r i a l i z a t i o no f b fp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n t h ec o n c e p t i o no fc b fw a sc l a r i f i e dr e n e w e d l ya n dc b fb a c t e r i ac o m m u n i t y w a si d e n t i f i e dt h r o u g ht h et h e o r yo f m i c r o b i a lm o r p h o l o g ya n de c o l o g yi nt h i ss t u d y t 1 1 ef l o c c u l a t i o na c t i v a t e ds u b s t a n c e so fc b fd i s t r i b u t e dm a i n l yi nu p p e rp h a s e s o f l o e c u l a t i o ne f f i c i e c yo fc b fd o e sn o tc a u s e db yb a c t e r i ac e l l c b fp o s s e s sg o o dt h e r m a l s t a b i l i t y t h ec o m p o n e n t so fc b f a r ec o m p l e x 。h o w e v e r , t h e r ei sn ot o x i cs u b s t a n c e s i ni t c b fi sm a i n l yc o m p o s e do fp o l y s a c c h a r i d e ，w h i c hi sd e t e r m i n e db ya n t h r o n e r e a c t i o n , c o o m a s s i eb l u er e a c t i o na n du l t r a v i o l e ts p e c t r o s c o p em e t h o d d i s t r i b u t i n g o fm o l e c u l a rw e i g h ti sv e r yw i d ei nc b f , h o w e v e r , w h i c hi sv e r yn a r r o wi np u r i f i e d c b fa n dm o l e c u l a rw e i g h t so fl a r g em o l e c u l e sa r es i m i l a r , w h i c hi s4 7 9 1 0 d a i n f r a r e ds p e c t r a la n a l y s i si n d i c a t e st h a ts a c c h a r i n em o l e c u l e so fc b fa r el a r g e m o l e c u l e sa n da m p h o t e r i cs u b s t a n c e ，w h i c hp o s s e s sb o t hc a r b o x y l ，h y d r o x y la n d a m i d o g e n t h ea c t i gf o r c eb e t w e e nc b fa n dt h ei n o r g a n i ci n c l u d i n g g a o l i n g t u i s e l e c t r o v a l e n tb o n d ，w h i c hi sd e t e r m i n e db yz e t a ( ) e l e c t r i cp o t e n t i a l ，h y d r o g e nb o n d a n de l e c t r o v a l e n tb o n dd e t e r m i n a t i o n ，b r i d g eo c c l l rd u r i n gf l o c c u l a t i o np r o c e s s t h e r ei ss y s t e m sa n a l y s i sf o rf l o c c u l a t i o nm o r p h o l o g yo fb fi nt h ee x p e r i m e n t i t s h o w st h a tk a o l i nc r y s t a lp o s s e s s e san e g a t i v ec l u et h r o u g ha n a l y s i z i n gt h e s t r u c t u r ea n dp a r t i c l es i z eo fk a o l i n , w h i c hc r e a t e sar e p e l l i n gf o r c ea n dp r e v e m s a g g l o m e r a t i o na n ds e t t i n g i ti n d i c a t e dt h a tw a d d i n gs u b s t a n c ec o n s t r u c t e dd e n s e l y w h i c hm a k e sf o rs e t t l i n g ad e f i n i t ec o n c e n t r a t i o no f c a z + c a nd e c r e a s et h ei n t e r f a c e c h a r g eo fp a r t i c l e sa n di n c r e a s et h eb o n do ff l o c c u l a n tm o l e c u l e sa n dp a r t i c l e s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l o c c u l a t i n gm e c h a n i s mo fc b fi sb r i d g i n gw h i c hi sr e s u l t e d f r o mt h ec o m b i n a t i o no f g a o l i n g t uw i t hc b f b ye l e c t r o v a l e n tb o n d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e di n f l u e n t i a lc o n d i t i o n so f c b f t h eo p t i m u m i i - 堕堡堡三些查兰三兰要圭耋堡丝兰 b y d r o d y r m m i c sc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e di nt r e a t m e n tt h a tq u i c km i x i n gv e l o c i t yi s 1 6 0i n d i a np e rm i n u t ea n ds l o wm i x i n gv e l o c i t yi s4 0i n d i a np e rm i n u t e ，w h i c h c o n t i n u e0 5m i n u t e se n d1 5m i n u t e sr e s p e c t i v e l y w eo b t a i n st h a tc b fs e t t l e sw e l l a n dq u i c k l ya n dt e s t i f i e st h a td i f f e r e n tf l o c c u l a t i n gm o d e sd ow o r k sb ye x p e r i m e n t s o fd e n s i t yc h a n g e m e n t sd u r i n gs e t t l i n g t h o s ep r o v i d et h e o r i e sf o ri n d u s t r i a l i z a t i o n p r o d u c t i o na n dp o p u l a r i z a t i o n w eh o p ei n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c t i o nc o m et r u ea s s o o na sp o s s i b l e k e y w o r d sc o m p o u n d e db i o f l o c c u l a n t ；f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m ；p o l y s a c c h a r i d e ； b r i d g i n g ；f l o c c u l a t i n gc o n d i t i o n s - 1 i i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 絮凝剂是一类能使悬浮液中的微细颗粒凝聚、沉降的物质。絮凝剂已广 泛地用于给水处理、废水处理、食品工业和发酵工业i ”4 j 【4 7 l 。随着工业和科学 技术的发展，无机和有机高分子絮凝剂越来越广泛地被人们应用于各种水和废 水处理的过程中。 长期以来，给水和废水处理使用的絮凝剂主要有两大类：以铝系和铁系为 代表的无机高分子类和以聚丙烯酰胺为代表的合成有机高分子絮凝剂。 1 1 1 无机絮凝剂的研究 无机低分子絮凝剂主要包括：硫酸铝、硫酸亚铁和三氯化铁等。目前，在 水处理中仍占有较大的市场。硫酸铝是世界上水和废水处理中应用最早、最多 的絮凝剂。自1 9 世纪末美国首先将硫酸铝用于给水处理以来，一直就被广泛 采用。但它存在着成本高、投量大、会降低出水p h 值、处理低温低浊和高浊 水效果不理想等缺点。硫酸亚铁和氯化铁聚铝也是使用较为广泛的絮凝剂。但 他们对设别由强腐蚀性，能腐蚀混凝土，且出水的残余铁含量易超标。 对于无机新型高分子絮凝剂的研制【l a l ( 5 , s l 是在8 0 年代末9 0 年代初发展起 来的。主要是以聚合氯化铝、聚合硫酸铁为基础引入其它碱金属离子、s o 。2 、 c i 、p 0 4 等制备复合型絮凝剂。合型无机高分子凝聚剂的开发是近年来发展 的明显趋势，已经和正在开发的复合品种很多，包括：聚合氯化硫酸铁、聚合 铝硅、聚合铝磷，聚合铝铁等。复合型絮凝剂大多是具有多功能絮凝性能，除 了具有优良的絮凝性能外，还具有杀菌、脱色、缓蚀等多种功能，是无机絮凝 剂发展的方向。 1 1 2 有机絮凝剂的研究 人工合成的高分子絮凝剂叫都是水溶性聚合物，重复单元中常包含有带电 基团，根据带电基团的电性，可将其分为阳离子性、阴离子性、非离子性和两 性有机高分子絮凝剂。近2 0 年来，有机高分子絮凝剂的生产增长很快，平均 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 年增长速度为1 2 1 5 。其中以聚丙酰胺( 队m ) 系列应用的最为广泛，在美 国、日本其市场占有率达8 0 以上。 无机和有机合成高分子絮凝剂的产生和应用虽然已经取得了相当大的进 步，但在使用过程中的不安全性和给环境造成的二次污染不得不引起人们的重 视，有关研究表吲”】，由于铝系絮凝剂的频繁使用，导致饮用水中含有过量 的铝离子。摄入过多铝离子的人群中，老年性痴呆症的患者比例较高。对患有 肾功能衰竭的病人，由于肠壁功能结构异常，通透性增加，大量吸收铝( 0 2 1 0 9 m 0 1 ) ，引起铝在体内滞留。使患者处于高血铝状态，导致骨软化和脑组织 病变。随着全球性人口老龄化的出现和加剧，人们对铝系絮凝剂的使用安全性 提出了质疑。水中铁化合物的浓度达到0 1 o 3 m g l 时，会影响水的色、嗅、 味等感官性状，降低地表水和地下水的水质；含铁、铝的废渣进入土壤并达到 一定浓度时，会影响粮食的品质，进而通过食物链危害人类健康。 聚丙烯酰胺等人工合成的有机絮凝剂虽然本身无毒性，但合成他们的单体 往往是人类神经的致毒剂和癌症的诱发剂。同时有机絮凝剂价格昂贵，使用时 投加量较大，且受反应条件影响较大1 1 1 1 2 1 。 环境治理工作中应该尽力避免二次污染的产生，絮凝剂的改良受到了环境 工作者的重视。随着生物科学领域许多重大突破的取得，特别是微生物被广泛 地应用于环境治理，人们研制开发出了微生物絮凝剂，从而找到了一种安全 的、可使生物降解的、对环境和人类健康无害的新型水处理剂。 1 1 3 微生物絮凝剂的研究 微生物絮凝剂是天然生物高分子絮凝剂，是一类由微生物产生的有絮凝活 性的代谢产物，有糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素和d n a 等1 4 1 ，一般利 用生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、抽提、精练而得到这些物质能使 悬浮物微粒连接在一起，并使胶体脱稳，形成絮凝物微生物絮凝剂具有生物可 降解性，是一种高效、安全、无二次污染的絮凝剂【i 5 1 1 1 3 1 微生物絮凝剂的发展史关于微生物絮凝剂的最早报道是l o u i s p a s t e ( 1 8 7 6 ) 1 1 6 1 的关于酵母菌( l e v u r e c a s s e e u s e ) 。1 9 3 5 年，b u t t e r f i e l d 从活性污泥中分 离出一株细菌，该菌的培养液具有一定的絮凝能力。1 9 7 1 年z a j i c 和 k n e t t i n g 7 】从煤油中分离出一株棒状杆菌。1 9 7 5 年j u n j i n a k a m u r a 1 8 】对2 1 4 株 微生物进行了分离筛选，最终得到1 9 株产絮凝剂的微生物，包括细菌5 株、 放线菌5 株、霉菌8 株、酵母菌1 株，其中以酱油曲霉( a s p e r g i l l u s s o j a e ) 产生 啥尔滨工业大学丁学硕士学位论文 的絮凝剂a j 7 0 0 2 效果最佳。8 0 年代，日本的仓根隆一郎从日本的旱土土壤中 分离筛选到红平红球菌s 1 ( r h o d o c o c c u s e r y t h r o p o l i s s p 一1 ) ，并将菌株产生的微 生物剂命名为n o c 1 。1 9 8 5 年，h i r o n k i t a k a g i 等l 嘲对他们分离出的拟青霉菌 i - l ( p a e e i l o m y c e s s p i 1 1 产生的微生物絮凝剂p f l 0 1 的特性研究表明，它对各种 微生物细胞都有絮凝沉淀作用，并且可以除去溶液中几乎所有的悬浮颗粒，包 括有机物和无机物，如血红细胞、炭粉、纤维素、硅藻土等。 由于微生物絮凝剂具有的非特异性的絮凝和沉淀性能，它在废水处理方面 的巨大潜力已能引起人们的普遍重视。1 9 8 6 年，r y u i c h i r o k u r a n e 等怛o j 研究了 微生物絮凝剂对家畜废水的处理情况，发现红平红球菌产生的絮凝剂能很有效 的去除猪尿和粪便，表明它在畜牧业废水的处理方面实用性很强。另外微生物 絮凝剂在使用过程中有高效、安全、不污染环境的优点，在医药、食品加工、 生物产品分离等领域也有巨大的潜在应用价值，而且对环境和人类具有无毒无 害等性质。产生絮凝剂的微生物绝大多数来自于与人类关系密切的土壤中，对 人类不会造成不良后果。 1 1 3 2 微生物絮凝剂的种类微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物 的絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂和直接利用微生物细胞的絮凝 剂。 ( 1 ) 利用微生物细胞壁提取物生产絮凝剂微生物细胞是天然有机高分子絮 凝剂的重要来源。藻类细胞壁的基质主要由许多异多糖、脂类物质和部分蛋白 质组成。目前已广泛用作絮凝剂的褐藻酸就是一些褐藻细胞壁的成分。它是由 d 甘露糖醛酸l 葡萄糖醛酸组成的多糖。另外褐色海藻细胞壁中含有一种由岩 藻糖和硫酸根组成的多糖一岩藻多糖也是重要絮凝剂。酵母菌细胞壁的葡聚 糖、甘露聚糖、蛋白质及n 乙酰葡萄糖胺等成分也可用作絮凝剂。丝状真菌 的细胞壁多糖除了纤维素、甘露聚糖和葡聚糖外，还有一种极其重要的多糖 几丁质。脱乙酰几丁质含有活性氨基和羟基，对许多微生物菌体及其他带负电 荷粒子有极强的絮凝能力。如果再配以一些含有s 0 4 2 或羧基的其他有机高分 子絮凝剂将取得更好的效果。同时它还可作为一种助凝剂与其他阴离子型絮凝 剂配合使用，加大絮体。 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，这 可能主要由于细菌个体小，菌体不易收集。细菌的细胞壁中也含有多种可作絮 凝剂的物质，如革兰氏阴性细菌中的脂多糖和蛋白质，革兰氏阳性细菌中的磷 壁质、蛋白质及肽聚糖中n 乙酰葡萄糖胺和n 乙酰胞壁酸。 ( z ) 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂微生物细胞的代谢产物有的贮藏在 啥尔滨工业大学工学硕上学位论文 细胞内，有的则分泌到细胞外。分泌到细胞外的物质主要是细菌的荚膜和粘液 质。除水外，他们的主要成分是多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物 【2 1 】。这些物质在某种程度上都可用作作絮凝剂，但贡献最大的是多糖类。活 性污泥中常含有一种生枝动胶菌( z o o g l o e ar a m i g c r a ) ，在生长后期向胞外分泌 的多糖能使细菌凝聚，而在生长旺盛期不分泌胞外多糖，细菌则浮游于液体 中。 有些微生物在其细胞内还可贮藏代谢产物。当然这些代谢产物必须通过细 胞破裂或其他方式溢出细胞才能发挥作用。某些原核生物中有贮藏性碳源物质 聚p 一羟基丁酸可作絮凝剂。h - t m c a g i 等人用你青霉素生产微生物絮凝剂，精制 后得到了称为p f - 1 0 1 的絮凝剂，其主要成分是半乳糖胺，p f 一1 0 1 对枯草杆 菌、大肠杆菌、啤酒酵母等均有良好的絮凝效果。藻类细胞中的贮藏物蓝藻淀 粉、绿藻淀粉、褐藻淀粉等均可用作絮凝剂。 ( 3 ) 直接利用微生物细胞作絮凝剂直接利用活性细胞作絮凝剂有下列有 点：免去了提取所需成本；可用少量菌种接入发酵废液中使其繁殖；无 二次污染。部族石碑矗立废液中必须无妨碍菌体生长的因素。虽然从宏观上讲 细菌细胞表面是带负电的，但利用不同种微生物表面间的细微成分及结构差别 可能导致絮凝。不同种微生物间其各自细胞表面正负电荷之比不同，激起颠覆 性大小不同，故不容种微生物细胞混合较同种微生物间易絮凝。如对面包酵母 有絮凝能力的微生物有：酱油曲霉( a s p e r g i l l u ss o i a e ) a j 7 0 0 2 、赫曲霉 a j 7 1 8 4 、绿脓假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a ) a j 2 1 1 6 等l o 种。与不同微 生物间絮凝相比，同种微生物间的絮凝则相对难些，但可以通过市部分菌体的 表面发生变化达到目的。入发酵液经过陈化可能发生了部分细胞的自溶或破 裂，放出一些物质或酶，同时这部分细胞的表面结构可发生重大的变化，原本 不易暴露的基团暴露出来了，是絮凝成为可能。某些微生物提还可利用其生长 后期形成的荚膜及粘液的作用是其絮凝。如活性污泥中的动胶菌。 1 1 3 3 微生物絮凝剂的组成由微生物产生的絮凝剂是一种无毒的生物高分子 化合物，包括机能性蛋白质或机能性多糖类物质，到目前为止，己报道的微生 物产生的絮凝物质为糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素等高分子化合物，其分 子量一般在1 0 5 以上。p s c u d o m o n a s s pc 1 2 0 产生的絮凝剂是天然双链d n a ， r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 产生的n o c 1 是多糖蛋白，p a e c i l o m y c c s s p 产生的 p e l 0 1 是由氨基半乳糖相连而成的粘多糖，而c o r y v r e b a c t a r i u m h y d r o c a b o n c a l a s t u s 产生的絮凝剂中则含有聚多糖和蛋白质。有的微生物絮凝剂 的组成更复杂，如a s p e r g i i l u ss o j a ea j 7 0 0 2 产生的絮凝剂是蛋白质、己糖合 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 物；真菌p h o r i n i d i u m s p 产生的絮凝剂主要成分是连接了脂肪酸和蛋白质的磺 酸异多糖，其多糖的基本骨架是氨基酸、甘乳糖、鼠李糖、半乳糖。 根据多年的研究，可以初步确定，从化学本质来讲，生物絮凝剂主要是微 生物代谢产生的各种多聚糖类，这类多聚糖中有些是由单一糖单体组成，有些 是由多种糖单体构成的杂多聚糖，有些生物絮凝剂是蛋白质( 或多肽) ，或者 是有蛋白质( 或多肽) 的参与。脂类、d n a 等其他类型的生物絮凝剂较为少 见。另外，有些絮凝剂中还含有无机金属离子，如c a 2 + ，m 9 2 + ，a i ”和f e ” 等，但并非细菌合成的所有多糖均具有絮凝活性，研究表明，在p s e u s d o m o n a s s p 絮凝过程中只有1 0 的多糖发挥了作用。实验研究也证明，某些生物絮凝剂 的分子结构还会随培养条件的改变而相应变化。 1 2 微生物絮凝机理研究现状及分析 微生物絮凝剂能使离散微粒( 包括菌体细胞自身) 之间相互粘附，并能使胶 体脱稳，形成絮体沉淀而从反应体系中分离出去絮凝过程是一个复杂的物化 过程，关于微生物絮凝剂的作用机理先后提出过许多假说。如b u t t e r f i e l d 的 “黏质假说”，c r a b t r e e 的利用p h b 酯合假说，f r i d m a n 的菌体外纤维素学说以 及离子键、氢键键桥学说、电荷中和、卷扫作用、吸附架桥学说等。絮凝的形 成是一个复杂过程，单一的某种机理并不能解释所有现象 1 离子键、氢键架桥学说 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 适宜的条件下在颗粒之间产生“架桥”现象，从而形成一种三维网状结构而沉淀 下来，表现出较好的絮凝能力。该学说可以解释大多数微生物絮凝剂( m b f ) 引起的絮凝现象，以及一些因素对絮凝的影响并为一些实验所证实，因此受到 人们的普遍接受。例如l e v y 等人以吸附等温线和电位测定表明，环圈项圈 藻p c c _ 6 7 2 0 所产絮凝剂确实是以哆曝桥”机制为基础的。电镜照片显示的聚 合细菌之间由细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 而紧密地聚合成凝聚体在液体中沉淀下来。 通过研究蓝藻生物絮凝剂絮凝膨润土悬浮物的理化性质，表明该生物絮凝 剂通过桥联作用引起絮体形成，导致膨润土悬浮物的絮凝。微生物絮凝剂处理 燃料废水时发现c a 2 + 的加入减少了大分子和悬浮颗粒的负电荷，增加了悬浮 颗粒对大分子的吸收量，促进了架桥作用。也有人认为体系中盐的加入会降低 微生物的絮凝活性，这可能是由于n a + 的加入破坏了大分子的胶体之间氢键的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 形成。絮凝的形成是一个复杂的过程，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，电荷多少，及各种反应条件对他们的影响做更升 入的研究。 2 电荷中和作用机理 胶体粒子的表面对异号离子、异号胶粒或链状的生物大分子絮凝剂或其水 解产物靠近胶粒表面或被吸附到胶粒表面上时，将会中和胶粒表面上的一部分 电荷，减少静电斥力，从而使胶粒间能发生碰撞而凝聚。 3 卷扫作用机理 当微生物絮凝剂投量一定且形成小粒絮体时，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。 4 类外源絮凝聚素假说 该假说认为在微生物细胞表面存在絮凝性分子或基团，微生物絮凝剂的组 要成分中含有亲水的活性集团如氨基、羟基、羧基等，使细胞容易结合凝聚产 生絮凝现象，其絮凝机制与有机高分子絮凝剂相同。大分子有线性结构，如果 分子结构是交联的或支链结构的其絮凝效果就差。相对分子质量对絮凝活性也 有影响，一般来说相对分子质量越大，絮凝活性越高。 3 菌丝体外纤维素学说 f r i e d m a n 发现部分引起絮凝的菌体外有纤丝，认为是由于胞外纤丝聚合形 成絮凝物，因此提出了菌体外纤维素纤丝说。 4 病毒假说 由s t r a n f f o r d 提出的有关酵母絮凝机理的病毒假说，认为外源絮凝集素可 能从酵母的一种感染剂产生，而非酵母本身产生。这一假说得到了新近研究结 果的支持，如酵母絮凝可能受病毒转移激活蛋白表达的诱导还发现k i l l l 病毒 与f l o 表型伴随并且l d s r n a 与假定的絮凝结构基因相一致，这提示了酵母 絮凝是k i l l l 病毒外壳蛋白表达的结果。但是病毒假说是基于间接证据的推 理，需要进一步的实验证明。 以上介绍的絮凝机理，在水处理中常不是单独孤立的现象，而往往可能是 同时存在的，只是在定情况下以某种现象为主而已，可以用来解释水的絮凝 现象。现在多数学者认为絮凝作用机理是由凝聚和絮凝两种作用过程完成的， 凝聚是胶体脱稳并形成细小凝聚体的过程，而絮凝则是上述凝聚体在“桥联”作 用下生成大体积絮凝体的过程。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2 1 国外对微生物絮凝剂絮凝剂机理的研究 j n a k a m u r a 等人1 2 2 。矧早在1 9 7 6 年就开始对能产生絮凝效果的微生物进行 研究，他们筛选出1 9 种具有絮凝能力的微生物。其中对面包酵母絮凝能力最 好的为酱油曲霉( a s p e r g i l l u ss o j a e ) a j 7 0 0 2 生产的絮凝剂。用凝胶柱层析和渗析 得到纯化产物。对纯化的微生物絮凝剂的测试和分析结果表明：该絮凝剂的分 子量大于2 x 1 0 6 ，絮凝剂的组份主要包括：己糖胺，葡萄糖醛酸和蛋白质。关 于絮凝机理的解释为：己糖胺和葡萄糖醛酸的共同絮凝作用相当于两性高分子 絮凝剂的絮凝作用，蛋白质所起的作用主要是提高微生物絮凝剂的分子量，以 增强其架桥作用。 1 9 8 5 年h t a k a g i 等人瞄o ”，研究了拟青霉属( p a e c i l o m y c e ss pi 1 ) 微 生物生产的絮凝荆。采用乙醇沉淀和凝胶色谱法精制得到了称为p f l 0 1 的絮 凝剂。用超滤法测得该微生物絮凝剂的分子量约为3 1 0 5 ，含8 5 半乳糖胺。 2 3 乙酰基和5 7 甲酰基。大部分以a 1 ，4 糖苷键相连。由于p f l 0 1 的化学 性质和另一种天然高分子絮凝剂n - 脱酰基壳多塘的类似，因此作者认为其絮 凝作用也应类似，其絮凝机理可用典型的阳离子型高分子絮凝剂的絮凝机理来 解释。 k s a k k a 等人 2 邑2 7 】从活性污泥中筛选出一株徽生物絮凝剂产生菌，对其命 名为c 1 2 0 ( p s e u d o m o n a ss p ) ，将从培养液中离心收集到的c 1 2 0 菌体。其中 含有r n a 、蛋白质、糖类和d n a 。和其他从不同微生物细胞中提取出来的 d n a 做对比，结果表明：各种d n a 对微生物细胞都有絮凝沉降作用，但以 c 1 2 0 的效果突出，作者认为这是由于该d n a 的分子量大的缘故，聚合度越 高，分子量越大，与微生物细胞的结合作用越强。 1 2 2 国内对微生物絮凝剂絮凝剂机理的研究 陶涛等人1 2 哪对普鲁兰的结构分析表明：该微生物絮凝剂为出芽短梗霉 ( a u r e o b a s i d i u mp u l l u l a n t s ) 胞外所产生的粘性多糖大分子物，表面带负电荷， 其结构为麦芽三( 内含极少麦芽四糖) 糖之间由外侧葡萄糖按a - ( 1 6 ) 糖苷键相连 构成的聚合物，为无分支链的线性结构。对絮凝机理的解释为高分子吸附架 桥，多糖分子上含有大量的一o h ，能与废水中的悬浮颗粒生成氢键产生吸附， 多个颗粒吸附在同一分子链上产生架桥作用。 邓述波等人 2 9 , 3 0 分离得到的微生物絮凝剂产生菌a 9 ，经鉴定为硅酸盐芽 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 抱杆菌。该絮凝剂的有效絮凝成份是由含有糖醛酸中性搪和氨基糖组成的多 糖。进一步研究表明：该多糖的絮凝率和多糖中糖醛酸的含量及其分子量密切 相关，糖醛酸含量越高，分子量越大，其絮凝活性就越强。和天然多糖类絮凝 剂相比，其水溶性好，分子量大于一般的天然多糖，这有助于改善吸附架桥作 用，使其絮凝活性高于一般的天然多糖。 中国科学院刘紫鹃等人1 3 l 】从活性污泥里筛选得到一株巨大芽抱杆菌 ( b a c i u u s m e g a t c r i u m ) a 2 5 ，能分泌胞外絮凝剂。将其提纯后得到名为b p 2 5 的微 生物絮凝剂。他们认为：b p 2 5 的主要絮凝机理为吸附架桥，并认为该絮凝剂 分子量大，富含一o h 以及多分支结构是其具有较强絮凝活性的原因。 综上所述，由于组成微生物絮凝剂的生物高分子和其他天然高分子和合成 高分子絮凝剂在结构和所带的活性基团上大都相似，因而对微生物絮凝剂的絮 凝机理做出的解释大都为高分子的吸附架桥作用。就目前的文献来看：没有任 何两种微生物絮凝剂的絮凝成份相同。这是由于微生物新陈代谢过程中的生化 反应极其复杂，不同的微生物絮凝剂产生菌、不同的培养基和不同的培养条件 下，发生的生化反应不同，得到的微生物絮凝剂产物也不同。不同的微生物絮 凝剂由于组份不同，所适用的废水处理范围不同，其具体的絮凝机理也应不 同。而且由于生物分子的复杂多样性，其具体的絮凝机理远较无机高分子和有 机合成高分子絮凝剂复杂。 总之，絮凝过程是一个复杂的过程，为了更好地解释反应机制，需要对特 定的絮凝剂和胶体颗粒的形成。结构，絮凝体尺寸等进行深入的研究。在国内 对微生物絮凝剂的研究开发较晚，所以对微生物絮凝剂的反应机理的研究则少 之又少。因此，微生物絮凝在我国还是很有发展空间的。 1 3 研究目的、意义和课题来源 1 3 1 研究目的、意义 微生物絮凝剂作为天然生物高分子絮凝剂的重要种类，除了具有天然高分 子絮凝剂的无毒、无二次污染等优点外，能产生絮凝剂的微生物种类多，生长 快，使得对微生物絮凝剂的筛选容易。微生物絮凝剂的制备时间短。更为突出 的是，微生物絮凝剂在絮凝沉降的同时还可利用微生物絮凝剂产生菌的生化降 解功能，达到降解有机污染物，絮凝沉降胶体和悬浮物。这些优点都是天然改 性高分子絮凝剂所不具有的，因而微生物絮凝剂在天然絮凝剂中又是最具发展 前途的。 近年来，对微生物絮凝剂的研究虽然获得很大的进展，但由于研究的时间 较短，仍有许多问题急待解决，主要表现在以下两个方面：一方面，微生物絮 凝剂的制备成本高，实验中制备微生物絮凝剂所需的培养基成分都是价格很高 的生化试剂，若大规模使用生化试剂进行工业生产，其成本将非常高，这也是 微生物絮凝剂难于投入大规模实际应用的一个重要原因。另一方面，缺乏对微 生物絮凝剂絮凝机理的研究，使得微生物絮凝剂的应用缺乏指导，不能从理论 上阐明微生物絮凝剂的应用范围和提高微生物絮凝剂的絮凝活性的途径。 在理论上对微生物絮凝剂的絮凝机理做出解释，对其适用的废水处理范围 有了大致的确定，这样一方面能减少应用的盲目性。同时微生物絮凝剂的研究 也解决了污泥量的问题，因而对微生物絮凝机理的研究有很强的现实意义。 虽然目前国内对微生物絮凝剂的研究越来越受到重视，但和国外的研究工 作相比，大多处在菌种筛选和菌株培养液处理废水的实验阶段，对其絮凝机理 的研究还不多见。因而有必要对微生物絮凝剂的有效组份，絮凝剂和胶体颗粒 的形成，结构，絮凝体尺寸等进行研究，在此基础上对其絮凝机理做出合理的 解释，指导微生物絮凝剂有针对性的应用于废水处理，降低微生物絮凝剂的制 备成本和减少污泥量。 絮凝机理的研究是絮凝作用过程研究的必要手段。通过对絮凝机理的研究 寻找提高絮凝活性的方法，同时从微生物絮凝剂的理化性质，混凝效果以及混 凝条件等方面对复合型生物絮凝剂( c o m p o u n db i o f l o c e u l a n t ，c b f ) 的反应机 理进行深入的探讨，并对絮凝强弱的原因进行分析，使人们对微生物絮凝剂的 认识更为深入，为今后的微生物絮凝剂的研究及其应用提供有力的理论依据。 把该絮凝剂用于给水和废水处理中，来取代目前使用的一些絮凝剂，消除由于 絮凝剂的使用对人类的造成的危害。 本课题的研究将会给水处理领域带来新的发展，并且生物絮凝剂与其它药 剂联合使用将缩短处理流程，减少絮凝剂的投加量。它可以带来巨大的社会效 益、经济效益和环境效益。 1 3 2 课题来源 本研究项目为国家9 7 3 计划项目( 2 0 0 4 c b 4 1 8 5 0 5 ) ，第三十四批博士后科 学基金，哈尔滨市科委科技攻关项目( 编号：2 0 0 4 a a 4 c s 0 4 8 ) 及哈尔滨工业 大学环保科技股份有限公司联合研发的项目的主要研究内容。 堕堡鎏三些查耋三耋至圭兰堡篁塞 1 4 课题研究内容 本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 利用微生物的混合效应，将分离出的有效菌株进行混合培养，取其发酵 液测定絮凝效果；将发酵液在高速离心机离心，将上清液及菌体分离，对发酵 原液、上清液及菌体悬液进行絮凝活性测定； ( 2 ) 利用生理生化实验、紫外扫描等方法测定复合型生物絮凝荆的成分分析 及热稳定性的定； ( 3 ) 利用红外光谱扫描确定复合生物絮凝剂大分子的结构中的功能团； ( 4 ) 利用凝胶色谱柱测其分子量分布，并确定大分子链的线性程度； ( 5 ) 利用生化实验确定复合型生物絮凝剂与颗粒之间的结合键； ( 6 ) 利用电位测定仪器确定絮凝反应前后的电动点位，利用原子力显微观察 絮体结构，利用x r d 确定絮凝反应前后的晶体结构变化，以此确定絮凝过程 中的作用机制： ( 7 ) 利用正交试验确定复合生物絮凝剂的最佳水力条件，并通过测定沉降中 颗粒的密度变化来确定生物絮凝剂絮凝动力学过程中的作用机制变化。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章复合型生物絮凝剂c b f 成分分析 寻找高效生物絮凝剂产生菌、提高絮凝活性、降低絮凝剂用量、降低絮凝 剂的生产成本是生物絮凝剂能否在工业上推广的关键所在。其中，寻找廉价或 废弃物质替代微生物的碳氮源是降低生物絮凝剂成本的有效途径之一，尤其是 在污水治理方面。在长期的实验和生产实践中，人们也不断发现很多重要的生 化过程是单株微生物不能完成或只能微弱地进行的。必须依靠两种或多种微生 物共同培养完成【3 引。微生物混合培养( m i x e dc u l t u r e ) 或混合发酵( m i x e d f e r m e n t a t i o n ) 已越来越被人们所重视。科学家们对混合培养微生物资源进行 了多方面的研究，不仅具有深远的理论意义，更具有重大的应用价值。已经发 现利用混合培养和廉价的培养基能够降低p h a 的生产成本 3 9 j 。 微生物的混合并不是简单地把几种微生物放在一起，而是要在充分了解有 关微生物的生态、遗传和生理生化特性以及代谢某些物质的机理的基础上，有 机地把几种微生物组合在一起，通过调节基础因子( 包括菌种的组成、接种时 菌与菌的比例、基质的性质及其与生物接触的程度、c n 比、负荷率等) 和环 境因子( 包括温度、p h 值、e h 值、抑制剂与促进剂等) ，使它们得以迅速生 长繁殖，从而使外界混入的微生物受到抑制，这样才能发挥出微生物的混合效 应【帅】。在微生物混合效应研究中最成功的要数日本琉球大学比嘉照夫教授等于 2 0 世纪8 0 年代初期研制出来的新型复合微生物制剂，国内外称之为“e m ” ( e x p e d i e n tm i e r o d s 的缩写) 。这种复合菌群e m 由5 科1 0 属8 0 多种微生物 培育而成，在工业、农业和环境保护等方面已获得了巨大的应用，显示出神奇 的混合效应。 在整个研究过程中我们采用的是由我们课题组研究开发的复合型生物絮凝 剂。复合型生物絮凝剂【4 “叫( c o m p o u n db i o f l o c c u l a n t ) 其内涵包括两个方 面，一是以廉价的秸秆类纤维素等多种有机废物作为制备生物絮凝帮的原料， 利用微生物混合效应把几种微生物进行恰当地组合。筛选和驯化产絮菌，构建 高效复合型产絮菌群，充分利用底物，实现絮凝物质产量最大化。二是根据处 理对象的不同，采用不同的复合方式，生产出高效、稳定的生物絮凝剂。 不同微生物产生的絮凝剂的化学性质、组成各不相同，现已报道的有多 糖、糖蛋白、蛋白质、核酸等不同性质的絮凝剂，表面带有大量的活性基团。 絮凝剂的化学组成及结构与其功能相一致，生物絮凝剂的分子组成、结构、活 性基团等直接影响絮凝活性p 2 j 。对于s a e c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ，蛋白质氨基酸 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的羧基在微生物的絮凝中起着重要作用，磷酸基团的作用不大，因此对磷酸基 团的破坏并未导致絮凝能力的下降。而在k l u y u v e r o m y c e sm a r x i a n u s 破坏磷酸 基团后，絮凝活性明显降低，表明了再起絮凝过程中磷酸基团的重要作用。 本章将复合微生物絮凝剂絮凝的主要成分及某些特性进行分析。 实验中所采用仪器见附录2 ，附录3 。 2 1 复合型生物絮凝剂的絮凝活性分布 2 i i 絮凝活性的测定方法 絮凝率的测定按照传统的k u r a n ee t 口一4 4 l 的方法，稍加修改：取5 9 高岭土 加至1 0 0 0 m l 的烧杯中，然后依次加入1 0 的c a c h 溶液和1 0 m l 待测样品，并 且调节溶液p h ，之后将烧杯溶液放在搅拌仪上搅拌( 快搅，慢搅) 使之充分混 合，静置2 0 m i n 后用7 2 1 分光光度计