（环境工程专业论文）微生物絮凝剂mbfgal与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究.pdf

1 眦y 吣4 眦9 0 5 7 骶0 7 l l s t u d i e do nt h ei n f l u e n c eo fc o m p o s i t ef l o c c u l a n to fm b f g a 1a n d p a co nr e s i d u a la l u m i n u m b y r o n g z o n g - g e n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gz h a o h u i m a y ， 2 0 1 1 2 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：倒晒k 日期：c l ol1 年石月纱日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：带虑志k 日期： 导师签名。祁 沙i ( 年莎月纱日 秒力年多月力e l 硕士学位论文 摘要 微生物絮凝剂( m b f ) ，又被称作第三代絮凝剂，是由微生物产生的具有絮凝 活性的有机物质。其形式可以是微生物细胞，也可以是细胞的结构物质或是其代 谢产物，主要成分是糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素，核酸等大分子物质，因其 特定结构和组合而形成了良好的絮凝性能。多粘类芽孢杆菌p a e n i b a c i l l u s p o l y m y x ag a l 为本实验室从土壤中筛选出来的一株高效产絮菌株，所产絮凝剂 m b f g a l 具有广泛的絮凝、脱色作用。以传统絮凝剂与m b f 配合使用可以提高 m b f 的絮凝效率、缩减投加量、降低二次污染。 本项研究将对m b f g a l 与p a c 复配处理过程进行优化研究，探讨m b f g a l 与p a c 复配对水中残铝浓度的影响。研究对象为p a c 与m b f g a l 复配处理过后 高岭土悬浊液的上清液中残铝浓度。采用中心复合设计法( c e n t r a lc o m p o s i t e d e s i g n ，c c d ) 对多粘类芽孢杆菌p a e n i b a c i l l u sp o l y m y x ag a l 所产絮凝剂 ( m b f g a l ) 与聚合氯化铝( p a c ) 复配对水中残铝浓度影响进行了优化，设定5 个影 响因子分别为p h 值、m b f g a l 投加量、p a c 投加量、吸附时间和吸附温度，响 应值为絮凝率和残铝浓度，并对吸附过程的热力学特征进行了研究。响应面实验 分别拟合出了关于絮凝率和残铝浓度的二次模型，决定系数( r 2 ) 分别为o 8 4 8 5 和 0 8 0 2 5 ，表明拟合情况良好。实验结果表明，影响水中残铝的显著性因素是 m b f g a l 投加量，p a c 投加量；获得较好絮凝率和低残铝的最佳条件为p h 值8 5 4 ， m b f g a l 投加量1 1 1 0 2m g l 一，p a c 投加量8 6 2 2m g l ，吸附时间8 1 9 4r a i n 和吸附温度2 3 5 1 ，在最佳条件下絮凝率和残铝浓度的预测值为9 7 9 8 和 1 3 4 3 2i x g l 一，实测絮凝率和残铝浓度分别为9 6 7 1 和1 3 6 4 5 p g l ，与预测值接 近；吸附9 0m i n 后m b f g a l 对a l ”吸附量为2 1 8 5 1 1m g g 一，而且吸附速率较 快，吸附5r a i n 时吸附量已达吸附9 0r a i n 时的8 0 以上，吸附6 0m i n 时基本达 到平衡。m b f g a l 对a l ”的吸附动力学符合l a g e r g r e n 准二级反应速率方程模型； 红外光谱分析表明，m b f g a l 对铝的吸附以化学吸附为主，起作用的基团主要是 o h 、c = o 及c o c 基团。 关键词：微生物絮凝剂；多粘类芽孢杆菌g a i ；聚合氯化铝；复配；响应面优化； 邻苯二酚紫分光光度法；残铝 广 一 a b s t r a c t b i o f l o c c u l a n t s ，h a v i n gg o o df o c c u l a t i n ga c t i v i t y , a r et h em e t a b o l i cp r o d u c t so f t h e m i c r o o r g a n i s m ， w h i c ha r e s a f e ， n o n - t o x i c ， e a s i l yc u l t i v a t e d a n dc a nb e b i o d e g r a d e d i t sm a i nc o m p o n e n t sa r e a m y l a s e s ，g l y c o p r o t e i n ，n u c l e i ca c i d ， p r o t e l n i c s u b s t a n c e s i n c et h e a d v a n t a g e s o f u s i n gb i o f l o c c u l a n t s i nb o t h e n v i r o n m e n t a ls a f e t ya n de c o n o m i co v e rs o m eo t h e ri n o r g a n i cf l o c c u l a n t sa n do r g a n i c f l o c c u l a n t s ，g r e a ta t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oe x p l o r et h eb i o f l o c c u l a n t sm e c h a n i s ma n d t oi n v e s t i g a t et h e i rc h a r a c t e r i s t i c s i n u s e a sa r e s u l t ，i ti so fg r e a tv a l u ei nt h er e s e a r c h o fb i o f l o c c u l a n t p a e n i b a c i l l u sp o l y m y x ag a1w a sab a c t e r i u mw i t h h i g hb i o f l o c c u l a n tp r o d u c i n g r a t ew h i c hw a ss c r e e n e do u tf r o ms o i l b yo u rl a b i tc o u l dp r o d u c eb i o f l o c c u l a n t m b f g a lw i t hs u p e ro r d i n a r yf l o c c u l a b i l i t ya n dd e c o l o r i z i n gp r o p e r t y t h ec e n t r a lc o m p o s i t ed e s i g n ，i n c l u d i n gf i v ef a c t o r s ：p h ，d o s a g e so fm b f g a l a n dp a c ，c o n t a c tt i m ea n dt e m p e r a t u r e ，w a se m p l o y e dt o s t u d yt h ei n f l u e n c eo f c o m p o s i t ef l o c c u l a n to fm b f g a1a n dp a co nr e s i d u a l a l u m i n u m 。w i t ht h e f l o c c u l a t i n gr a t ea n dr e s i d u a la l u m i n u mc o n c e n t r a t i o na st h et a r g e t sr e s p o n s e w i t ho f d e t e r m i n a t i o nc o e f f i c i e n t s ( r 2 ) e q u a lt o 0 8 4 8 5a n d 0 8 0 2 5 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i c h i n d i c a t e dt h a tt h e ya l lh a das i g n i f i c a n tp r o p e r t y t h er e s u l t ss h o w e d t h a tc o n t a c tt i m e a n dt e m p e r a t u r ew e r et h et w ok e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h e f l o c c u l a t i n gr a t e ，a n dt h a t d o s a g e s o fm b f g a 1a n dp a cw e r et h et w o k e yf a c t o r si n f l u e n c i n gr e s i d u a l a l u m i n u mc o n c e n t r a t i o n t h eo p t i m a la d s o r p t i o nc o n d i t i o n sw e r ep h 8 5 4 ，d o s a g eo f m b f g a l111 0 2m g l ，d o s a g eo fp a c 8 6 2 2m g l ，c o n t a c tt i m e81 9 4m i na n d t e m p e r a t u r e2 3 5 1 ，a n du n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ef l o c c u l a t i n gr a t ew a s9 7 9 8 a n dt h er e s i d u a la l u m i n u m c o n c e n t r a t i o nw a s136 4 5 p g l q f t i ra n a l y s i s d e m o n s t r a t e st h a tt h eg r o u po f - o h ，c = oa n dc 一0 - ca r em a i nf u n c t i o n a lg r o u p sf o r r e m o v i n ga 1 k e yw o r d s ：b i o f l o c c u l a n t ：p a e n i b a c i l l u sp o l y m y x ag a 1 ；p o l y a l u m i n i u mc h l o r i d e ； c o m p o s i t ef l o c c u l a n t ；r e s p o n s es u r f a c e m e t h o d o l o g y ；r e s i d u a l a l u m i n u m 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目蜀乏i i i 插图索引一v 附表索引i i 第1 章绪论1 1 1 水处理及絮凝法2 1 1 1 水处理方法简介2 1 1 2 絮凝法2 1 2 絮凝剂的种类3 1 2 1 无机絮凝剂3 1 2 2 有机高分子絮凝剂4 1 3 微生物絮凝剂的概况6 1 3 1 微生物絮凝剂产生茵的研究6 1 3 2 微生物絮凝剂的种类8 1 3 3 微生物絮凝剂的特点1 0 1 3 4 微生物絮凝剂的物质结构和组成1 1 1 3 5 微生物絮凝剂的合成及影响因素1 3 1 3 6 微生物絮凝剂絮凝性能的影响因素1 5 1 3 7 微生物絮凝剂的絮凝机理1 7 1 3 8 微生物絮凝剂的研究概况和进展1 9 1 3 9 微生物絮凝剂的应用概况一2 1 1 3 1 0 微生物絮凝剂发展趋势2 3 第2 章微生物絮凝剂m b f g a l 与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究2 5 2 1 引言2 5 2 2 材料与方法2 6 2 2 1 实验材料2 6 2 2 2 实验方法：2 7 2 3 实验结果与讨论2 8 2 3 1 标准曲线测定2 8 2 3 2 响应面实验设计结果2 9 h i 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究 2 3 3 响应面分析3 3 2 3 4 响应面优化结果3 9 2 4 小结4 2 第3 章微生物絮凝剂m b f g a l 对a 1 3 + 吸附动力学研究一4 3 3 1 引言4 3 3 2 材料与方法4 3 3 2 1 实验药品与设备4 3 3 2 2 吸附动力学实验4 4 3 3 实验结果与讨论4 4 3 3 1 单因素的影响4 4 3 3 2 吸附动力学4 7 3 4 小结4 9 第4 章基于傅里叶变化红外光谱研究m b f g a l 对a l ”吸附机理5 0 4 1 引言5 0 4 2 材料与方法51 4 3 实验结果与讨论一5 1 4 4 小结5 3 结语5 4 参考文献5 7 附录a 攻读学位期间发表学术论文目录6 6 致 谢6 7 i v 图1 1 微生物絮凝剂的吸附架桥絮凝的示意图1 9 图2 1 铝离子标准曲线2 9 图2 2p a c t i m e 对絮凝率影响的三维曲面图和等高线图3 5 图2 3t e m p e r a t u r e t i m e 对絮凝率影响的三维曲面图和等高线图3 5 图2 4p a c t i m e 对残铝浓度影响的三维曲面图和等高线图3 8 图2 5g a l t e m p e r a t u r e 对残铝浓度影响的三维曲面图和等高线图3 9 图3 1 吸附量随时间的变化4 6 图3 2 吸附量随时间的变化一4 8 图4 1m b f g a l 吸附铝前红外光谱图5 1 图4 2m b f g a i 吸附铝后红外光谱图5 2 v 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究 附表索引 表1 1 絮凝剂品种分类4 表1 2 微生物絮凝剂产生菌种类7 表1 3 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂及其提取物质8 表1 4 絮凝剂产生菌及所产絮凝剂主要成分1 2 表2 1c c d 设计及实验结果3 0 表2 2 絮凝率二次模型方差分析3 3 表2 3 絮凝率二次模型系数显著性检验3 4 表2 4 残铝二次模型方差分析3 6 表2 5 絮凝率二次模型系数显著性检验3 7 表2 6 响应面优化参数列表3 9 表2 7 响应面优化结果4 0 表3 1 吸附条件实验4 4 表3 2 各因子对吸附量的影响4 4 表3 3 不同m b f g a l 下的l a g e r g r e n 准二级反应动力学参数4 8 表4 1 红外观察到得m b f g a l 的主要官能集团5 2 硕士学位论文 第1 章绪论 水和空气一样，是人类乃至所有地球生物赖以生存的必要因素。在人类生活 和生产中水的作用是不言而喻的。有的人把水称作“工业之血液、生命之乳浆”。 没有足够的满足一定用途要求的水，工农业生产将无法正常进行；没有足够的清 洁干净的淡水，人类社会将无法继续生存下去。同时，水又是构成几乎一切生物 体的最基本的要素，是一切生命发生、发育和繁衍的物质基础。随着人类的进步 和工业、农业生产的发展，人们逐渐意识到，作为资源的水，并非取之不尽用之 不竭的，相反，水资源已然成为人类社会发展过程中的紧缺、稀缺资源。日益严 重的资源性缺水、尤其是水质性缺水困扰着世界各国，更令人担忧的是，水质性 缺水已然成为制约各国社会、经济的可持续发展主要因素。据不完全统计，目前 全世界有近三分之二的国家缺水，其中严重缺水的国家己达数十个之多。我国同 样面临着水资源紧缺的现实。据国家住房与建设部资料显示，我国拥有淡水资源 总量为2 8 万亿立方米，约占全球水资源的6 ，列世界第四位，是一个水资源大 国。然而，受我国人口众多影响，我国又是一个水资源小国，人均只有2 3 0 0 立方 米，仅仅相当于世界平均值的1 4 ；若扣除难以利用的洪水径流、散布在偏远地 区的地下水资源，实际可利用的淡水资源量就更少，可利用水资源仅1 1 0 0 0 亿立 方米，人均可利用水资源量仅9 0 0 立方米，并且其呈极不均衡分布。 国务院新闻办公室指出，城镇的空间布局与资源环境承载能力不相适应的问 题现在越来越突出，6 5 5 个城市中现在有近4 0 0 个城市缺水，其中约2 0 0 个城市 严重缺水。与此同时，水环境污染又使缺水形势变得更加严峻。据有关部门监测， 大多数城市地下水受到了一定程度的点状和面状污染，且呈现逐年加重的趋势。 日趋严重的水环境污染，不仅降低甚至使其丧失原本的使用功能，从而，进一步 加剧了水资源短缺与生活、生产日益增加的需水量的矛盾，城市用水将呈现水质 持续下降、可用水量日益减少的趋势。对我国的可持续发展战略带来了极其严重 的负面影响，而且还严重威胁到人民群众的饮水安全。 随着人口的持续增长，我国水资源承载能力将面临更为严峻的考验。据相关 部门估计，到本世纪中叶，我国总用水量将由目前的6 0 0 0 多亿立方米增加到8 0 0 0 多亿立方米，占我国实际可利用水资源的2 8 。在2 1 世纪，水资源危机俨然成 为了影响我国经济、社会可持续发展第一制约因素。 一方面是资源性缺水( 水资源匮乏) ；另一方面水质性缺水( 水环境受到的污染 而影响水或水体原本使用功能) 。2 0 10 年5 月31 日，环保部公布2 0 0 9 年中国 环境状况公报：2 0 0 9 年，我国工业和生活废水排放总量为5 8 9 2 亿吨，其中工 业废水排放量为2 3 4 4 亿吨，城市生活污水排放量为3 5 4 8 亿吨。废水中化学需 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究 氧量( c o d ) 排放量1 2 7 7 5 万吨，其中工业废水中c o d 排放量4 3 9 7 万吨，生活废 水中c o d 排放量8 3 7 8 万吨。我国主要河流、湖泊污染较为普遍，面源污染日益 突出。七大水系中黄河( 4 4 个国控监测断面中，劣v 类水质的断面比例2 5 o ) 、辽 河( 3 6 个国控监测断面中，劣v 类水质的断面比例3 6 1 ) 为中度污染，海河为重度 污染，6 4 个国控监测断面中劣v 类水质的断面比例达到4 2 2 ，湖泊( 水库) 富营养 化问题突出，2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中，水质劣v 类的共9 个，占3 4 6 ，主 要污染指标为总氮和总磷。 水资源匮乏和水环境污染已经成为我国乃至全球所面临的主要危机之一。为 解决水资源短缺问题，除进一步加强节约用水外，加强对污水的处理是目前目前 的出路之一l 1 2 】。 1 1 水处理及絮凝法 1 1 1 水处理方法简介 按原理可水处理方法分为物理法、化学法、物化联合法和生物处理等。物理 处理法是利用物理作用将污水中呈胶体状态、悬浮固体状态的污染物质从水体中 去除的污水处理方式。化学处理法是通过投加药剂或改变外部因素，促使其发生 化学反应，将污水中处于各类形态的污染物质( 包括悬浮状态的、溶解状态的、胶 体状态的等) 分离或回收。物理化学联合处理法时运用物理和化学的综合作用使 废水得到净化的方法。它是由物理方法和化学方法组成的废水处理系统，或是包 括物理过程和化学过程的单项处理方法【2 】。生物处理法是利用生物( 即细菌、霉以 及原生动物) 的代谢作用，对污水中的污染物质进行分解和转化，使污染物质从水 体中去除，并最终达标排放的污水处理方法，生物处理法好氧法和厌氧法。好氧 生物法是利用好氧微生物的作用去除污水中污染物质的方法，因其去除污染物效 果好，广泛应用于城市污水、各类有机污水处理；厌氧生物处理法是利用厌氧微 生物作用去除污水中污染物质的方法，因其处理负荷高，广泛应用于高浓度有机 污水、污水处理过程中产生的污泥处理。城市污水和工业废水中的污染物是多种 多样的，不同废水中污染物质含量也是千差万别的，往往需要采取多种处理方法 和多级处理相组合，才能有序、尽可能的去除不同性质的污染物质，以达到净化 水质的目的和排放标准【3 1 。 1 1 2 絮凝法 在生活污水、各类工业废水中，通常含有不同种类和数量的悬浮固体、气体 和胶体。如采矿工业废水中含有大量矿物质悬浮固体；炼焦煤气废水中含有大量 焦油和各类悬浮物质；机械加工废水中往往含有油脂及大量悬浮固体物质；而造 纸、制糖、印染工业废水和生活污水中则含有大量的悬浮有机微粒。这些悬浮物 2 硕士学位论文 和胶体的粒径大小在1 0 一1 0 母m 范围内，而且表面通常都带有相同的电荷， 浮颗粒间由于电荷排斥而稳定的分散于水体当中，又这类悬浮颗粒、胶体构成的 溶液属于热力学不稳定体系，悬浮颗粒不能自动凝聚成大颗粒，且其沉淀速度极 为缓慢。对于此类污水的处理，通常都最先考虑使这些胶体和悬浮体脱稳，颗粒 相互碰撞而絮凝成大颗粒，进而沉淀下来，以达到固液分离，该水处理方法为絮 凝法，是给水和排水处理中广泛应用的处理方法【2 j 。 絮凝法是水处理方法中最常用的重要方法之一。絮凝法属于物理化学方法， 是一种经济有效的水处理方法，越来越多地应用于给排水处理工程中 1 1 。絮凝处 理过程就是将一定量的絮凝剂( 絮凝剂主要是增加混凝固体的碰撞，使其水解产物 附聚、架桥絮凝形成可沉降的或可过滤的絮凝物) 加入到待处理的水体中，在一定 p h 、搅拌作用下，使水体中相对稳定的胶体体系脱稳，各颗粒相互接触、碰撞， 并凝集成聚集体，脱稳的聚集体由于进一步碰撞、化学黏结、网捕卷扫、共同沉 淀等作用而聚集成絮状体( 矾花) ，絮状体( 矾花) 借助重力的作用而沉淀，最终达到 固液分离的目的。絮凝处理方法能去除废水中的胶体和悬浮体物质( 可以是无机物 也可以是有机物) ，将其量化为污水指标，就是常用的浊度、色度、n h 4 + - n 、c o d 、 b o d ，甚至是各类金属离子；同时絮凝处理法也可以部分地去除某些溶解性的物 质。不仅如此，絮凝处理法还能有效改善污泥的脱水性能。在絮凝处理各类废水 的过程中，絮凝剂种类、性质的好坏是直接关系到絮凝效果的关键因素【1 4 j 。 1 2 絮凝剂的种类 絮凝剂分类方法很多，具体见表1 1 所示。 1 2 1 无机絮凝剂 根据絮凝剂起作用物质的不同无机絮凝剂可分为铁系和铝系两大类，铁系絮 凝剂以硫酸铁、氯化铁为主，而铝系絮凝剂以硫酸铝、氯化铝为主。根据分子量 大小不同又可分为低分子絮凝剂体系和高分子絮凝剂体系两类。 无机絮凝剂的应用历史悠久，我国早在明代就有了利用明矾进行水处理的记 录，在当今社会，无机絮凝剂更是广泛用于水的净化处理和污水处理、污泥处理 等领域。然而由于无机低分子絮凝剂用量大、成本较高，且腐蚀性较大，在有些 场合净水效果并不理想等局限，在这种情形下，无机高分子絮凝剂应运而生，主 要包括聚合硫酸铝( p o l y a l u m i r l i l l ms u l f a t e ，缩写为p f a s ) 、聚合氯化铝 ( p o l y a l u m i n i u mc h l o r i d e ，缩写为p a c ) 、聚合硫酸铁( p o l y f e r r i cs u l f a t e ，缩写为p f s ) 、 聚合氯化铁( p o l yf e r r i cc h l o r i d e ，缩写为p f c ) 等。这些絮凝剂中通常含有多羟基络 离子，以o h 作为架桥从而形成多核络离子，并生成巨大的无机高分子化合物。 由此可见，无机高分子聚合物絮凝剂往往具有絮凝能力强、絮凝效果佳，而且成 3 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究 本较低等优势，从而逐渐成为主流絮凝药剂而大规模生产。 2 0 世纪7 0 年代，随着聚合硫酸铁的问世，无机高分子絮凝剂的研制方向便朝 着引入其他离子以制备新型复合型絮凝剂的的方向发展。近年来，聚合铝、铁、 硅及各种复合型无机絮凝剂的研制和应用成为热点，丰富多样的无机高分子絮凝 剂的品种己然形成系列5 9 1 。 1 2 2 有机高分子絮凝剂 无机高分子絮凝剂对各种成分复杂、多变的污水具有较强的适用性，可以有 效除去污水中细微悬浮颗粒，然而其生成的絮体相较于有机高分子絮凝剂生成的 絮体要小一些，另外，受投药量大、成本较高、且腐蚀性较大、对某些污水处理 效果不佳等影响，无机絮凝剂目前已较少采用。 与无机絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂( o r g a n i cp o l y m e r i z e df l o c c u l a n t ) 因其用 量小、絮凝速度快、生成污泥量少，脱色效果好、不受或较少受介质、环境温度 等其他因子的影响，有机高分子絮凝剂受到研究者的青睐。有机絮凝剂可分为合 成有机高分子絮凝剂和天然有机高分子絮凝剂两类。 4 硕士学位论文 1 2 2 1 人工合成有机高分子絮凝剂 人工合成有机高分子絮凝剂一般为水溶性线性高分子物质，每个大分子有许 多包含带电基团的重复单元组成，因而亦称之为聚电解质。根据其所带的电荷不 同，可分为阳离子型絮凝剂、阴离子型絮凝剂、非离子型絮凝剂和两性型絮凝剂。 在水处理中，使用较多的是阳离子、阴离子和非离子型聚合物絮凝剂，包括聚丙 烯酰胺( p o l y a c r y l a m i d e ，缩写为p a m ) 、聚乙烯醚( p o l y v i n y l e t h e r ) 等系列，其中以 聚丙烯酰胺系列絮凝剂应用最为广泛1 1 0 棚】。 我国当前使用较多的絮凝剂聚是丙烯酰胺( 俗称三号絮凝剂) ，为非离子型高 聚物，常可与铁系、铝系絮凝剂合用。结合铁系、铝系絮凝剂对胶体颗粒的电性 中和作用与高分子絮凝剂优异的絮凝性能等优势，从而可以得到满意的处理效果。 1 2 2 2 天然有机高分子絮凝剂 合成有机高分子絮凝荆虽然被广泛地应用于污水处理中，但是其具有的生物 毒性较强、不易生物降解、成本偏高等局限性，因此在环保意识日益增强的今天， 研究人员把目光集中到天然有机高分子絮凝剂的研制、开发上来【z 耳。川j 。 天然有机高分子絮凝剂有纯天然的，但大多数需经化学改性而成。此类絮凝 剂较低毒性、原料来源广泛、价格低廉、易于生物降解和再生，具有巨大的开发 潜能。2 0 世纪7 0 年代以来，美、英、法、日和印度等过结合本国天然高分子物质 资源，重视化学改良有机高分子絮凝剂的开发研制，其研究为天然资源的开发利 用以及研制无毒、高效絮凝剂开辟了新途径。目前，此类改良絮凝剂的产量约占 高分子絮凝剂总产量的2 0 。 通常，又可将其分为碳水化合物类和甲壳素类两大类。 ( 1 ) 碳水化合物类 碳水化合物广泛存在于植物中，如淀粉、纤维素、木素等，分子量跨度大、 结构多样化、含有多种如羟基、酚羟基等的活性基团，通常表现出较活泼的化学 性质。为了提高絮凝效果而对该类碳水化合物进行改性，增加活性基团【l8 j 制得 淀粉类、纤维素类、植物胶改性高分子絮凝剂。大量的研究工作【1 9 3 3 1 发现其改良 碳水化合物高分子絮凝剂的絮凝沉降作用速度快、絮凝效果好，且接枝共聚物无 毒、低毒，易生物降解、无二次污染。 ( 2 ) 甲壳素衍生物 甲壳质是指存在于自然界中的低等植物菌类、藻类的细胞，甲壳动物虾、蟹、 昆虫的外壳，高等植物的细胞壁等，是从蟹、虾壳中应用遗传基因工程提取的动 物性高分子纤维素，被科学界誉之为“第六生命要素”。在自然界中，甲壳素的含 量丰富，是第二大类的天然有机高分子化合物。将乙酰基等功能集团从甲壳素分 子中脱除，便得到一种絮凝性能优良的阳离子絮凝剂，称之为壳聚糖。壳聚糖分 5 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究 子中通常含有大量的酰胺基、氨基、羟基等絮凝、吸附功能基团，所以从结构上 看，该类物质具有较强的絮凝和吸附功能。研究表明，在酸性条件下壳聚糖不仅 能螯合重金属离子，而且还能有效地吸附水体中带负电荷的悬浮微粒。 作为天然有机高分子絮凝剂，壳聚糖最大的优势在于食品加工废水的处理领 域的独特应用，可以有效减少各类食品加工废水的固体悬浮物幅度达7 0 9 8 。 近年来，许多学者对甲壳素与壳聚糖的应用进行了大量研究，且已经取得巨大进 展【3 7 38 1 。 1 2 2 3 微生物絮凝剂 微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物 技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和 安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂。2 0 世纪8 0 年代，各国科学家开始 研究和开发第三类絮凝剂，即微生物絮凝剂( m i c r o o r g a n i s mf l o c c u l a n t ) 。该类絮凝 剂是利用生物技术，通过微生物发酵、抽取、精制而得到的一种新型、高效、价 廉的水处理药剂。 1 。3 微生物絮凝剂的概况 微生物絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发酵、抽取、精制而得到的一种 具有生物分解性喝安全性的新型、无毒、高效、价廉的水处理药剂。可广泛应用 于废水处理、饮料工业、生物制药等方面。微生物絮凝剂近年来得到了研究者极 大的关注。 1 3 1 微生物絮凝剂产生菌的研究 能够产生絮凝物质的微生物极为繁多，常见的包括放线菌、细菌、霉菌及酵 母菌等，其中已有多达5 0 余种絮凝剂产生菌见诸报道【3 9 1 ，如表1 2 所示。这些已 鉴定的絮凝剂产生菌大部分从土壤、活性污泥和沉积物等分离、筛选而得，所产 微生物絮凝剂不仅可以用于处理各类废水和改良活性污泥的沉降性能，还可以用 在发酵工业后处理阶段的微生物细胞和产物分离、纯化。 絮凝微生物种群通常通过三个途径获得： ( 1 ) 来自天然土壤 土壤中微生物种类繁多，其中微生物絮凝剂产生菌亦极为丰富，菌种分离方 法相对简易，成本相对较低。目前研究的大部分微生物絮凝剂产生菌来源于土壤。 ( 2 ) 来自污水处理厂的活性污泥 活性污泥是由细菌、真菌、原生动物和后生动物等各种生物和金属氢氧化物 6 硕士学位论文 等无机物所形成的污泥状的絮凝物。有良好的吸附、絮凝、生物氧化和生物合成 性能。活性污泥中含有大量的以细菌、微型动物为主的微生物，其中不乏良好絮 凝性能的絮凝剂产生菌。从污水处理厂的活性污泥中分离、获得絮凝微生物的成 本较低，分离过程较为简易，所产生的微生物絮凝剂对城市污水的适应性较强， 且该类絮凝剂投入城市污水处理系统时，一般不会引起活性污泥的系统成分改变， 能够较好的保持投加前后的絮凝系统的稳定性。 ( 3 ) 直接购买纯种微生物絮凝剂产生菌 无论是从土壤还是从污水处理厂的活性污泥中分离获得絮凝剂产生菌，都是 较为耗时耗力的过程，这对于非微生物絮凝剂研究者是一个漫长而费力的过程， 然而经常出现的事情是此类非微生物絮凝剂研究者在自己的研究课题中常要用到 某种类型的微生物絮凝剂。为避免重复研究、节省资源，直接购买纯种微生物絮 凝剂产生菌就成为一个相当不错的方法。 7 微生物絮凝剂m b f g a l 与聚含氯化铝复配对水中残铝影响研究 此法避免了菌种筛选和菌种培养的繁复工作，而且所购买的菌种特性明了， 使用时容易把握。由于避免了微生物絮凝剂产生菌的筛选工作，使用者只需进一 步培养，获得微生物絮凝剂，直接应用于自己的研究课题或生产实践。 1 3 2 微生物絮凝剂的种类 1 3 2 1 按在培养基中的分布不同分类 微生物絮凝剂随由微生物产生，但由于不同的微生物菌产生的方式不同，有 不同分类，根据微生物絮凝剂在生物培养基中的分布可将微生物絮凝剂分为3 类 4 9 - 5 1 】： ( 1 ) 直接利用微生物细胞的絮凝剂 该类絮凝剂普遍存在于三种介质( 分别是土壤、活性污泥和沉积物) 之中，如 细菌、放线菌、酵母菌、霉菌。此类微生物菌体具备絮凝功能的原因有很多： a 此类菌体细胞表面通常带有荚膜层或粘液层，可以吸附溶液中的悬浮颗粒， 从而具备絮凝功能； b 此类菌体细胞表面的附属结构( 如纤毛) 具有吸附作用，从而具备絮凝功能； c 亦有研究者认为，可能是菌体细胞壁表面带有某些活性基团，可以吸附溶 液中的带电颗粒，从而具备絮凝功能。 ( 2 ) 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂 如表1 3 所示从酵母、丝状真菌的细胞壁的提取物质通常可用作絮凝剂。丝 状真菌表面多糖( 尤其是几丁质) 经碱水解后产生带正电荷、高效无毒的絮凝剂， 含有活性n h 2 和o h 基团。此类絮凝剂对许多菌体、带负电荷的颗粒都具有极强 的絮凝能力。此类物质还可以作为一种助凝剂，可以与其它阴离子絮凝剂配合使 用，并获得较好的絮凝效果。 表1 3 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂及其提取物质 微生物类型细胞壁提取物质 酵母 丝状真菌 葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和n 乙酰葡萄糖胺等 纤维素、甘露聚糖、葡聚糖、几丁质等 ( 3 ) 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂 微生物细胞所产生的具有絮凝功能的代谢产物有的可能贮藏在细胞之内的内 源代谢产物，有的则可能分泌到细胞之外或者黏附在微生物菌体表面亦或是脱离 菌体，而游离在培养液中。 k c r a b t r e e l 5 1 等人对菌胶团细菌z o o g l o e ar a m i g e r a 进行深入研究，结果表明， 菌胶团细菌胞内聚合物p h b 具有一定的絮凝性。另有研究人员发现，部分菌体细 8 硕士学位论文 胞内积累的物质多聚磷酸盐也可用作絮凝剂。 另一类絮凝剂为分泌到细胞外并黏附在微生物细胞外表面的物质，该物质主 要是指细菌的荚膜和粘液质，荚膜和粘液质的干物质主要由多糖、以及少量的多 肽、蛋白质、脂类等物质组成，而可用作絮凝剂的主要物质是多糖类。 目前国内外研究得较多的微生物絮凝剂为脱离菌体、游离于培养液中的物质。 如k u r a n e 开发的n o c 1 1 5 2 , 5 3 】、杨朝晖等研制的m b f g a l 、邓述波等研制的 m b f a 9 6 0 - 6 3 1 、马放等人研制的等【6 5 6 6 1 。 1 3 2 2 按化学成分不同分类 ( 1 ) 糖类物质 目前已发现的微生物絮凝剂种，大多主要有效成分通常含多糖类物质。经鉴 定，m b f g a l 有效成分为多糖。 ( 2 ) 多肽、蛋白质和d n a 类物质 在形形色色的微生物絮凝剂中，k u r a n e 开发的n o c 1 被认为是絮凝性能最 好的絮凝剂，其主要有效成分为蛋白质4 1 , 5 2 】，而且n o c 1 分子中含有大量的疏水 氨基酸，其最大相对分子质量可达7 5 0 0 0 0 。 ( 3 ) 脂类物质 除多糖、蛋白类微生物絮凝剂外，还有一类絮凝剂的主要有效成分为脂类物 质，而且该絮凝剂也是目前为止发现的仅有的脂类絮凝剂，它就是1 9 9 4 年由 k u r a n e 从培养液中分离出来的脂类微生物絮凝剂【5 6 】 1 3 2 3 按菌种的不同分类 ”。 各类微生物絮凝剂成分各异，絮凝剂产生菌亦有差别，依据絮凝剂产生菌的 不同，微生物絮凝剂还可以如此分类： ( 1 ) 纯种菌株及其产生的絮凝剂 絮凝剂产生菌种属千差万别，但目前研究的微生物絮凝剂多属于纯种菌株培 养、发酵产生的 5 1 , 5 7 】。 ( 2 ) 混合菌株及其所产生的微生物絮凝剂 a p r 3 絮凝剂产生菌r 3 就属此类，该混合菌株是k u r a n e 于1 9 9 4 年分离得 到的，在r 3 混合菌株的液体培养基中能分离获得高效的絮凝剂。该混合菌株由 4 个不同菌属的微生物组成。实验还证明任何单个菌属均不能产生a p r 3 絮凝剂， 只有4 个菌属微生物缺一不可的混合培养条件下，才能有效地产生a p r 3 絮凝剂 【5 7 】 0 ( 3 ) 基因复合型菌株 随着生物科技的不断发展，基因工程、遗传工程技术亦被引入到絮凝剂开发 领域。 。 9 微生物絮凝剂m b f g a l 与聚合氯化铝复配对水中残铝影响研究 首先，筛选出的具有絮凝性能的微生物菌株和只具有降解性能而不具有絮凝 性能的微生物菌株，然后，利用基因工程技术，通过遗传因子质体的移植，从而 构建形成新的基因复合菌株。这类菌株不仅能发酵、生产微生物絮凝剂，而且其 本身的新陈代谢又具有降解污染物的能力。若将该类微生物直接应用于污水处理 当中，这种分泌絮凝剂同时降解污染物的独特性能，可大大提高污水处理效率和 改善污水处理效果，具有相当高的应用前景和应用价值。 例如i s h i d av u j i ik