（环境工程专业论文）微生物絮凝剂的制备及其絮凝机理的研究.pdf

武设理工大学硕士学位论文 r 摘要 j 随着工业的发展和人们生活水平的提高，对水处理的质量要求越来越高，对水处 理荆韵使用要求越来越严格。但水处理中使用最为广泛的铁盐絮凝剂，铝盐絮凝剂和 聚丙烯酰胺类高分子絮凝剂无一例外的会带来二次污染。而且铝盐絮凝剂和聚丙烯酰 胺类高分子絮凝剂的使用会给人体健康带来潜在危害。这都限制了传统絮凝剂的应用 范围及其发展。 微生物絮凝剂是天然高分子絮凝剂的重要种类，它具有无毒，二次污染，产絮凝 剂的微生物种类多，生长快，易于采取生物方法实现产业化，在絮凝沉降的同时还具 有生化降解功能等优点。具有广阔的发展前途。】， 本课题的研究内容包括：从微生物样品来源中筛选出微生物絮凝剂：从中挑选具 有优良絮凝活性的微生物絮凝剂产生菌，对其产微生物絮凝剂的培养条件进行优化以 提高其产絮凝剂的絮凝活性；用该絮凝剂絮凝高蛉土悬液，并与聚合铝( p a c ) 和水 解聚丙烯酰胺( h p a m ) 进行比较，以考察其对废水的絮凝效果；在具有优良絮凝活 性的基础上，将该絮凝剂提取和纯化对其进行分析研究，并对其絮凝机理进行探讨。 微生物絮凝剂产生菌的富集培养以及分离和筛选研究表明：微生物絮凝剂产生菌 广泛存在于土壤和活性污泥中。总共从分离得到的4 4 株筛中筛选出1 3 株微生物絮凝 剂产生菌。从中挑选出一株微生物絮凝剂产生菌进行深入研究，将其命名为b f 3 3 ， 将其所产絮凝剂命名为m b f 3 3 。 i 通过实验获得b f 3 3 产絮凝剂的最佳培养条件为：培养基初始p h - 7 5 ，培养时 间瘟h ，培养温度3 0 ，摇床转速1 7 0 r r a i n ，培养基用量1 0 0 m l ( 2 5 0 m l 三角烧瓶中) 。 b f 3 - 3 产絮凝剂的培养基成份为：蔗糖4 0 9 、硝酸钠0 5g 、酵母浸膏2g 、七水硫酸镁 0 2 5 9 、磷酸二氢钾0 5 9 。 m b f 3 3 沉降高岭土悬液的研究表明：在高岭土悬液中先加入金属离子能显著提 高m b f 3 3 的絮凝效果，各金属离子对提高m b f 3 3 絮凝率的贡献大小分剐为；a i c l 3 m g c i ：p c a c l 2 n a c i k c i 。对高岭土悬液的絮凝效果：m b f 3 3 和i - i p a m 的最佳絮凝率 相当，明显优于p a c ：作用的口h 值范围上，b f 3 3 培养液在3 3 7 5 h p a m 在3 1 l ， p a c 在l n l l 5 ；实际用量上，m b f 3 3 最少，h p a m 其次，p a c 用量远大于前两者。y 关于m b f 3 3 絮凝机理的研究表明：m b f 3 3 的有效絮凝成分是酸性多耱，絮凝剂 中不含蛋白质和核酸该多糖中不舍- - c o o h ，而是以- c o o 一的形式存在。m b f 3 3 的絮凝机理为吸附架桥，- - c o o 一的存在能增加其水镕性和在溶液中豹有效分子长度， 有助于增强吸附架拼作用。 关键词：微生物絮凝女乳富集培养分离筛选，高岭土悬液，絮凝机理， 一 垂堡里三查兰堡主堂堡笙苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n d t h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i i l gs t a n d a r d ， 也e r eb e c o m em o t ea n dm o r es t r i c to nt h e1 l s eo fw a t e rt r e a t m e n tr e a g e n t b u ta l lt h em o s t p o p u l a rf l o c c u l a n t sn o wu s e di nw a t e rt r e a t m e n ti n c l u d i n gi r o ns a l t 、a l u m i n u ms a l ta n d p o l y a c r y l a m i d ef l o c c u l a mi n e v i t a b l yi n d u c et ot h es e c o n dp o l l u t i o n m o r e o v e r , t h eu s eo f a l u m i n u ms a l ta n d p o l y a c r y l a m i d ef l o c c u l a n tw o u l dl e a dt ol a t e o tt h r e a tt op e o p l e sh e a l t h a l lo f t h e s el i m i tt h e a p p l i c a t i o ns c o p ea n dt h ed e v e l o p m e n to f t h e s et r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t b i o f l o c c u l a n ti st h ei m p o r t a n ts o r to ft h ec r u d em a c r o m o l e c u l a rf l o c c u l a n t i th a ss u c h a d v a n t a g e s ：n ot o x i c i t y , n os e c o n dp o l l u t i o n ，m a n ys o r t so f m i c r o o r g a n i s mt h a tc a n p r o d u c e d b i o f l o c c u l a t u , b e e a s y t oa c h i e v ei n d u s t r i a l i z a t i o n t h r o u g hb i o l o g ye n g i n e e r i n g ，c a n b i o - d e c o m p o s eo r g a n i cp o l l u t a n tw h i l ef l o c c u l a t et h es u s p e n s i o na n dc o l l o i d t h ec o n t e n to ft h i sr e s e a r c h i n c l u d e ：s c r e e n i n gt h em i c r o o r g a n i s mt h a t c a r l p r o d u c e b i o f l o c c u l a n tf r o mt h em i c r o o r g a n i s ms a m p l e ，s e l e c tt h eb e s tm i c r o o r g a n i s mt oo p t i m i z ei t s c u l t u r ec o n d i t i o nt h a tc a ni n c r e a s e 吐l e f l o c c u l a t i n ga c t i v i t yt ot h eu t m o s t ；i no r d e rt o s e e a b o u th i sf l o c c u l a t i n ga c t i v i t y , t h e nu s i n gt h eb i o f l o c c u l a n tf l o c c u l a t et h ek a o l i ns u s p e n s i o n a n d c o m p a r e t h ef l o c c u l a t i n gr e s t l i t sw i t ht h ep a c 、h r a m ：o nt h eb a s i so f t h eb i o f l o c c u l a n t h a se x c e l l e n c ef l o c c u l a t i n ga c f i v i t y ，d i s t i l la n dp u r l 母t h eb i o f l o c e u l a n tf r o mt h ec u l t u r e m e d i u m 、o r eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f i t si n g r e d i e n ta n dr e a c hi t sf l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m t h es t u d i e si n c l o d et h ee n r i c h m e n tc u l t u r eo ft h em i c r o o r g a n i s m s 山a tc p r o d u c e b i o f l o c c u i a n ta n dt h e i rs c r e e n i n gs u g g e s tt h a tt h e ya r eb r o a de x i s ti nt h es o i la n da c t i v e s l u d g e s c r e e n i n g 1 3m i c r o o r g a n i s m st h a tc 锄p r o d u c e db i o f l o c c u l a n tf r o m4 4s t r a i n s i n o r d e rt od oi n - d e p t hr e s e a r c h s e l e c tl m i c r o o r g a n i s ma n dn a m e db f 3 3 i t sb i o f l o c c l a n t n a m e dm 旧f 3 3 t h es t u d i e so ft h eb e s tc u l t u r ec o n d i t i o oo f b f 3 3s u g g e s tt h eb e s tc u l t u r ec o n d i t i o no f b f 3 3i n c l u d i n g ：c u l t u r et i m ei s2 4 1 l , c u l t u r et e m p e r a t u r ei s3 0 ，r o t a t i o ns p e e d1 7 0 r m i n ， t h ed o s a g eo f t h ec u l t u r e ( i n2 5 0 m lf l a k e ) i sl o o m l t h eg r a d i e n t so f b f 3 - 3 sc u l t u r em e d i u m i s ：s u c r o s e4 0 9 ，s o d i u mn i t r a t e0 5 9 ，y e a s te x t r a c t 2 9 ，m g s 0 4 - 7 h 2 0o ，2 5 9 ，k h 2 p 0 40 5 9 ， i n i t i a lp h7 5 t h es t u d i e so f m b f 3 3f l o c c u l a t et h ek a o l i ns u s p e n s i o ns u g g e s tt h a tt h ea d d e dm e t a l i o nc a nr e m a r k a b l ei n l p r o v e 也ef l o c c u l a t i n ge f f e c t s t h ee f f e c to fd i f f e r e n ti o i l sa d d e di s ： a i c l 3 m g c l 2 c a c l z n a c l k c i b f 3 3 + m ”h a sg o o df l o c c u l a t i n gr e s u l t sa tp h ：3 3 7 5 ) a ma tp h ：3 1 1a n dp a c o n l ya tp h ：1 1 1 5w h i l e i t se f f e c t sf a rb e l o wt h ef 0 1 m d r t w o i na c t u a ld o s a g ea s p e c t ，b f 3 - 3i st h el e a s t ，h p a mi st h es e c o n d ，p a c si sf a rm o r et h a n t h ef o r i n e rt w o n l es t u d i e so f m b f 3 3 sf l o c c u l a t i n ga c t i v i t ys u g g e s tt h a tt h ee f f e c t i v ec o m p o n e n ti n 一一 武汉理工大学硕士学位论文 m b f 3 - 3i s p o l y s a c c h a r i d e t h i sp o l y s a c c h a r i d ed o e s n th a v e - - c o o h ，b u tm a i n l yh a s c o o 一t h ef l o c c u l a t i n gm e c h a n i s mo f m b f 3 - 3i sa b s o r p t i o n - b r i d g i n g m b f 3 3 s - - c o o i n c r e a s ei t s s o l u b i l i t y a n d l e n g t h e n i t s a v a i l a b l em o l e c u l a r l e n g t h ，t h u si n t e n s i f y i t s a b s o r p t i o n - b r i d g i n ge f f e c t k e y w o r d s ：m i c r o b i a lf l o c c u l a n t ，e n r i c h m e n tc u l t u r e ，s c r e e n i n g k a o l i ns u s p e n s i o n t f l o c c u l a t i n gm e c h a n i s m 苎堡里三查兰塑主兰垡丝兰 1 绪论 水是人类赖以生存的物资，大部分天然水源都必须经过处理后方可使用。工业化 一方面使人们的生活水平得以提高；另一方面带来的却是环境污染的加剧。这两者都 对水处理提出了越来越严格的要求。在水处理特别是给水处理中，向原水中加入絮凝 剂使其中的悬浮物和胶体混凝沉降是预处理中最主要的处理工艺。因此，关于絮凝剂 的研究就成为永处理中一个非常重要的课题。 在水处理中，絮凝荆的定义为：凡是用来使水溶液中的溶质、肢体或者悬浮物 颗粒团聚，产生絮状沉淀的物质都叫絮凝剂。 根据絮凝荆的来源，通常将絮凝剂分为人工合成絮凝剂和天然絮凝剂。传统的絮 凝剂主要是人工合成絮凝剂包括无机絮凝剂和有机台成高分子絮凝剂。天然絮凝剂 包括微生物絮凝荆和其他天然高分子絮凝剂。 1 1 关于人工合成絮凝剂的研究 1 1 1 关于无机絮凝剂的研究【o l 无机絮凝帮中应用较为广泛的有铝盐和铁盐絮凝剂。这两类絮凝剂的主要品种按 开发的时间顺序依次为：硫酸铝硫酸亚铁、氯化铁一聚合氯化铝( p a c 卜一聚合硫酸 铁( p f s ) - 复合型絮凝剂。其中，硫酸铝、硫酸亚铁和氯化铁属于无机低分子絮凝剂。 其余为高分子絮凝剂。 硫酸铝是世界上水和废水处理中使用最早、最多的絮凝剂。自1 9 世纪束美国首先 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荆。但它们对设备有强腐蚀性，能腐蚀混凝土，且出水的残余铁 含量易超标。 p a c 作为一种高效的无机高分子絮凝剂，早在3 0 年代就被德、目、荚等国科学家 发现6 0 年代末日本给水处理中聚氯化铝的使用量就超过了硫酸铝。与硫酸铝相比， 其适用p h 范围宽，受水温影响小，用量少，絮凝体大，有较好的絮凝脱色作用。p f s 是1 9 7 6 年由日本铁矿业株式会社首次研制成功并取得专利权。p f s 具有与p a c 相当 的净水性能，甚至在脱色及重金属离子的脱除等方面更优于后者。其腐蚀性较低分子 铁盐絮凝剂要小。 对无机新型高分子絮凝剂的研制是在8 0 年代末9 0 年代初发展起来的，主要以聚 台氯化铝、聚合硫酸铁为基础引入其他碱金属离子、s q 2 _ 、c i 一、p 吼3 - 等制各复合型 第1 页 武汉理工大学预士学位论文 絮凝剂。复合型絮凝剂大多数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 关于有机合成高分子絮凝剂的研究f 1 1 人工合成的高分子絮凝荆都是水溶性聚合物，重复单元中常包含有带电基团，根 据带电基团的电性，可将其分为阳离子型、阴离子型、非离子型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，平均年增长速度为1 2 15 。 其中，以聚丙烯酰胺口 m ) 系列应用得最为广泛，在美国、日本其市场占有率达8 0 以上。聚丙烯酰胺有阳离子型、阴离子型和非离子型三种，应用最为广泛的为阳离子 型。 同无机高分子絮凝剂相比，具有用量少、絮凝速度快、受盐类、p h 值及温度影响 小、生成污泥量少，并且容易处理等优点。目前，高分子絮凝剂已经广泛地应用在石 油工业、印染工业、食品工业、化工、造纸废水等的处理中。 当前，对高分子絮凝剂的研究有以下特点：一方面向超高分子量和低单体含量 发展，以达到用药省，提高絮凝效果和降低其毒性的目的。另一方面，絮凝剂的研究 正朝脱除水溶性污染物发展。以水溶性染料脱除为例：通过药剂的络合、螯合作用， 破坏染料亲水基，增强琉永性质能改变染料的水溶性环境。另外，两性絮凝裁兼有 阴、陬离子活性基团的特点适用于各种不同性质的废水处理，也是研究的重点。 1 2 人工合成絮凝剂的毒性研究 目前絮凝剂中应用最为广泛的是无机高分子铝盐和铁盐絮凝剂以及有机合成聚丙 烯酰胺类絮凝剂。但是，研究表明高分子铝盐和聚丙烯酰睦类絮凝剂都存在不同程度 的毒性。 1 2 1 铝盐絮凝剂的毒性研究”“1 有关铝的毒性作用机理作了许多实验和研究。动物实验表明：将a l c b 注入猫、海 马的脑内，一周后可产生明显的脑功能障碍，记忆力衰退、行为紊乱。生活在含有5 l o m l f l 铝的酸性水中的鱼类，它们的腮结构有明显损伤，并失去维持渗透平衡的能力。 生活在含有可利用量铝的酸性土壤中的植物，根部有明显损伤，发育受阻，极易折断。 生活在含铝环境中的动物，发育不良，易骨折，且神经功能紊乱。 铝对人体的毒害作用也是非常明显的。对患有肾功能衰竭的病人，由于肠壁功能 第2 页 武汉理工大学硕士学位论文 结构异常，通透性增如，大量吸收铝( 0 2 - 1 0 u m o d ，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。 1 菲缺铁性贫血症：由于铝吸收过多，铝与铁对转铁蛋白结合具有竞争作用，引 起非缺铁性小细胞低色素性贫血，这种贫血症用铁剂药物治疗无效。 2 骨疾：铝在肠道内与p 0 4 ”结合成a 1 p o 。，干扰钙的吸收，使人体含钙量减少， 骨质软化萎缩甚至致畸。 3 神经系统疾病：主要表现在对中枢神经系统的损害上。透析性脑病，即老年性 痴呆症这是一种特有神经原纤维缠结病变。病人脑组织中铝含量比正常人高出四倍。 病人语言记忆紊乱，双眼发呆，行动摇晃。其发病机理一般认为：铝的过量造成细胞 骨架缺陷，微管蛋白聚合蛋白质代谢紊乱：a l ”抻制g t p 水解和核苷酸交换，从而 使微管形成和解体的热力学动力学方面敏感性降低，被c a 2 + 调节的聚合和解聚作用灵 敏度减弱：a r 与f + 形成a 峨+ 或a i f 6 ”影响g t p 的调控作用使细胞内d n a 变异，导 致酶缺陷蛋白质结构改变。 最近研究还表明：血浆中铝水平升高时，锌水平降低，这是由于两者对蛋白质结 合部位的竞争的结果。锌是生命体最重要的微量元素，缺锌会引起多种疾病，其后果 不堪设想。 在正常情况下铝对机体可能是有益的，它可以拮抗铅的某些毒害作用。僵随着 水体环境污染的加剧，以及铝盐絮凝剂的使用，使处理后的自来水中铝离子含量大大 增加。1 9 8 3 年美国国家环保局对2 0 0 个水厂调查表明：用硫酸铝作混凝剂时，5 0 水 厂自来水中铝含量在0 11 2 m g i , 以下，未处理的水为o 9 6 m g l ，25 的水厂自来水铝 含量在0 2 m g l 以上。表l - l 为我国部分地区水体中铝的含量。由于水体中铝含量大大 增加。导致人体摄入铝过量给人体带来毒害作用。 表l _ l 中国部分地区几种水体中铝的含量 i地区福建重庆贵阳 i水体闽江水井水自来水地表水雨水 la 1 “含量m g _ f l o 1 6 40 0 5 6o 2 2 6o 3 2 20 3 7 3 近十年来随着对铝毒性发现，并引起了重视，一些国家制定了限值标准，但标准 间的差别较大，如苏联对铝的限值为0 5m g l 美国为0 0 5m g l ，世界卫生组织为0 2 m g l ，我国新制定的铝含量限值为0 2m g l 。 1 2 2 聚丙烯酰胺类絮凝剂的毒性研究“”1 第3 页 武汉理工大学硕士学位论文 聚丙烯酰胺类絮凝剂的毒性并不在高聚物本身，而是其台成单体丙烯酰胺，一般 认为丙烯酰胺有致癌作用。较权威的m c c o l l i s t e r 等人的研究表明：对猫和猴进行腹腔 注射、静脉注射或口服时不管是一次施用还是反复多次施用时只要在高剂量的情 况下就会出现神经系统的中毒现象。他们认为在连续吸收时，丙烯酰胺是一种毒性 相当高的物质，建议因工作需要接触丙烯酰胺时，总吸收量应不超过0 0 0 0 5 m g k g 日。 杨翠香和陈婉蓉所做丙烯酰胺对神经细胞的毒性作用研究表明：当丙烯酰胺浓度 低于6 0 u g m l ，细胞存活未受明显影响，相对存活率大于8 0 。当丙烯酰胺浓度大于 7 0 u g m l ，即出现明显的细胞毒性，其半数存活抑制浓度( i c 5 0 ) m t t 法为8 6 u g m l ，l o w i - y 氏法为9 0 u g m l 。具体实验结果见图1 1 。 1 0 0 2 5 02 04 06 0 9 01 0 0 丙烯酰胺浓度( u g 咖) “”为m r r 法“”为lo w r y 氏法 图1 - 1 丙烯酰胺对神经细胞的毒性 i 3 关于微生物絮凝剂的研究 1 3 1 微生物絮凝剂定义和分类 微生物的“絮凝”作用首先是7 0 年代l o u i sp a s t e u r 在酵母中观察到的。当时运用 该种“絮凝”作用从培养液中分离出微生物1 。1 9 8 1 年，欧洲生物技术联盟( e f b ) 将控制污染的微生物絮凝剂定为环境生物技术，随着8 0 年代生物基因工程领域许多重 大突破的取得环境工作者开始将生物技术和絮凝技术结合起来，微生物絮凝剂的研 制和开发迅速发展起来。我国也在生物技术中长期发展纲要中将开发微生物絮凝 剂作为明确的方向之”“。 第4 页 码 如 圈 武汉理工大学硕士学位论文 微生物絮凝剂“1 ( m i c r o b i mf l o c c u l a n t ) 是天然高分子絮凝剂的重要种类，它是 微生物在特定培养条件下其生长代谢至一定阶段产生的具有絮凝活性的代谢产物和 菌体。其主要括性成分是具有两性多聚电解质特性的蛋白质，多糖和核酸类生物高分 子化合物。微生物絮凝剂有阻下三种”1 ： 1 直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母菌它们大 量存在于土壤、活性污泥和沉积物中；表卜2 为些能絮凝酵母细胞的微生物。 表卜2 对酵母细胞具有较强絮凝活性的微生物”“” a s p e r g i t 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 j l t u sp a r a s t i c u s p s e u d o o n a sa e r u g i n o s a s t r a p h y l o c o c c u s8 u r e u s s t f e p t o m y c e sv i n s c e u s a c a l i g e n e sc u p i d u s r h o d o c o c c d se r y t h r o p o j i s a j 7 0 0 2 a j 7 1 8 4 a j 7 3 6 0 a 2 1 1 6 a j l 0 5 6 l t 9 0 5 2 k t 2 0 1 2 利用微生物细胞壁成分的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质 和n - 乙酰葡萄糖胺等成分均可用作絮凝剂。如酵母菌细胞壁的葡萄耱、甘露聚糖、蛋 白质和n 一乙酰葡萄糖胺等成份均可做絮凝剂；丝状真菌的细胞壁中含有几丁质，几丁 质是无然高分子絮凝剂的重要种类，该几丁质是由k 一乙酰一d 一氧基葡萄糖以b l ，4 糖 昔键连结的不分枝链他的碱水解产物( 壳聚糖) 含有活性氨基和羟基，对溶液中带 负电的粒子具有较强的絮凝能力；从某些藻类细胞的细胞壁中也能提取出具有絮凝性 能的物质，如目前以用作絮凝剂的褐藻酸就是褐色海藻细胞壁的成份。 3 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物主要 是细菌的荚膜和粘液质，除水分外，其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类 及其复合物，其中的多糖和蛋白质在某种程度上可用作絮凝剂。如日本的r k u r a n e 等 人“”从红平红球菌( 鼢d d 。c c e r y t h r o p o 脚、诺卡氏菌属( n o c a r d i a ) 、棒状杆菌属 ( c o r y n e b a c t e r i u m ) 、分枝杆菌属( m y c o b a c 把r i u m ) 、杆菌属( b a c i l l u s ) 、假单胞菌属 ( p s e u d o m o n a s ) 以及未鉴定过的革兰氏阳性细菌中，筛选出1 4 种具有絮凝效果的菌 株，并指出红平红球菌的效果最好。 1 3 2 关于微生物絮凝剂的应用研究 对于微生物絮凝剂的应用，国外研究较多的是日本的h t a k a g i “和 r k u r a n e _ “。h t a k a 毋用拟青霉素( p a e c i l o m y c e ss p i 1 ) 产生微生物絮凝剂p f l 0 1 ， 它对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、硅藻、纤维素粉、活 第5 页 武汉理工大学硕士学位论文 性炭、氧化铝等有良好的絮凝效果；r k u r a n e 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 l 的代谢产物制蔷微生物絮凝剂n o c 1 ，该絮凝剂对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、 粉煤灰水、活性炭粉东、黪胀污泥和纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果，被认为 是目前发现的最好的微生物絮凝剂。 国内对微生物絮凝剂絮凝的应用研究主要在废水处理方面，以中科院李智良等人 。”的工作为代表。他们用常规的细菌分离纯化方法从废水、土壤、活性污泥中筛选获 得六栋微生物絮凝剂产生菌，用各菌株离心去菌体的培养液对造纸黑液、皮革废水、 偶氮染料废水、硫化染料废水、电镀废水、彩印制版废水、石油化工废水、造币废水 以及蓝墨水，碳素墨水等进行的絮凝实验表明：废水固液分离效果良好，c o d 。去除率 5 5 9 8 ，悬浮物、色度和浊度去除率9 0 以上。 南开大学环境科学系的庄源益等人”“从天津市区和郊区土壤中筛选出6 株对水 中染料有较好的絮凝脱色作用的微生物絮凝荆产生菌。所获菌种培养液对直接深棕染 料脱色率可达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。 东北大学邓述波等人。”从土壤中分离得到一株高效絮凝剂产生菌a 9 。絮凝实验 结果表明：用该菌产生的絮凝剂处理高蛉土悬浮液，絮凝效果优于其它种类微生物絮 凝刺用量仅为一般生物絮凝剂用量的1 1 0 - q 1 0 0 ，且不需添加c 矿和a 1 3 + 等助凝剂； 对淀粉厂的黄浆废水处理实验表明：其处理黄浆废水的效果优于目前大量使用的p a c 和p a m 絮凝剂。 武汉城市建设学院陶涛，康建雄等人。”3 ”由黑酵母以淀粉水解或葡萄糖为原料发 酵产微生物絮凝剂普鲁兰。对普鲁兰进行废水絮凝的研究，结果表明：普鲁兰和p a c 台用对城市污水的一级强化处理，具有污泥沉降与脱水性能好处理费用低等优点； 对味精废水的处理效果优于硫酸铝和h p a m 。 总的看来，微生物絮凝剂在废水处理中的絮凝效果已经得到证明。在所处理的废 水中，微生物絮凝剂大都具有很好的絮凝活性，与传统絮凝剂相比，微生物絮凝荆具 有絮撮活性高用量少等优点。 1 4 关于微生物絮凝剂絮凝机理的研究 1 4 1 国外对微生物絮凝剂絮凝机理的研究 j n a k a m u r a 等人早在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 第6 页 武汉理工大学硕士学位论文 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 xl o 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 萄耱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“，研究了拟青霉属( p a e c i l o m y e e ss p i - 1 ) 微生物生产 的絮凝剂。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 x 1 0 5 含8 5 半乳糖胺，2 3 乙酰基和5 7 甲 酰基。太部分以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 - 脱酰基壳多糖的类似，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“1 从活性污泥中筛选出一株微生物絮凝剂产生菌，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，用胍盐酸溶液反 复提取，得到最终产物。其中含有r n a 、蛋白质，糖类和d n a 。但实验表明能将菌 体絮凝沉降的物质是双螺旋d n a ，其分子量大约为3 0 1 0 7 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 4 2 国内对微生物絮凝剂絮凝机理的研究 陶涛等人5 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 r a p 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，分子量在2 x1 0 l 1 07 之间，普鲁兰的具体结构见 图1 2 对絮凝机理的解释为高分子吸附架挢，多糖分子上含有大量的- - o i l 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。分离得到的微生物絮凝剂产生菌a 9 ，经鉴定为硅酸盐芽孢杆菌。该 絮凝剂的有效絮凝成份是由舍有糖醛酸中性糖和氨基耱组成的多糖其中，中性糖含 量4 - 7 4 糖醛酸含量1 9 1 氨基塘含量2 7 4 。多糖的分子量为2 5 9 4 1 0 5 。进一 步研究表明：该多糖的絮凝率和多糖中塘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 第7 页 武汉理工大学硕士学位论文 天然多糖。 l 图1 2 普鲁兰分子结构图 中国科学院刘紫鹃等人3 从活性污泥里筛选得到一株巨大芽孢杆菌( b a c i l l u s r a e g a t e r i z a n ) 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。分 析结果表明：b p 2 5 的有效絮凝成份为线性多糖平均分子量为t 1 0 6 ，由葡萄糖和甘 露耱组成，其摩尔比为4 ：】，糖苷键为a 型。其中主链是葡萄糖，而甘露塘位于侧链 上其可能的结构单元如图1 3 所示。他们认为：b p 2 5 的主要絮凝机理为吸附架桥， 井认为该絮凝剂分子量大，富含- - o h 以及多分支结构是其具有较强絮凝活性的原因。 a m 1 v 6 d g c n l y 6 ( 3 ) 1 - c l g c n l ，6 _ l a 一( 3 3 ( 6 ) 一l 一- - - c r ( 1 3 0 ) 6 ( n i ，n ，均为o 3 之间的整数。m 为0 2 之间的整数，且1 2 j + o ：+ n 3 - 3 ) g 一葡萄糖m 一甘露糖 图1 - 3b p 2 5 重复单元的结构示意图 综上所述，由于组成微生物絮凝和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，因而对微生物絮凝荆的絮凝机理做出的 第8 页 脚备帆一附 武汉理工大学硕士学位论文 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豹生化反应极其复杂，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。中科院李智良”和南开大学庄源益”。“所 敬的微生物絮凝 剂絮凝实验表明：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 1 5 本课题的研究意义、目的和研究内容 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，微生物絮凝剂的制各时间短。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蔼的生化降解功能，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荆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，但由于研究的时问较短， 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，其成本蒋非常高，避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。另方面，缺乏对微生物絮凝剂絮凝机理的研究，使得 对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括性的途径 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，更有意义的是：对于适宜用微生物絮凝 剂絮凝的有机废水，由于其絮凝沉降的污泥中c ，n 和p 元素的含量丰富，而且营养 元素之间比例往往符合微生物对营养成分的需求在添加少量无机盐和生长因子后， 可以作为微生物絮凝剂的培养基这将显著降低微生物絮凝剂的制冬成本，同时解决 了污泥的处置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荆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进行研究，在此基础上对其絮凝机理做出台理 第9 页 武汉理工大学硕士学位论文 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 本实验的目的包括从微生物样品来源中筛选出微生物絮凝剂产生菌；选取其中对 高岭土悬液絮凝率高的菌株优化其产微生物絮凝剂的培养条件：在确定其有优良絮凝 活性的基础上，将微生物絮凝剂从培养波中提取出来，通过各种测试手段，分析其有 效的絮凝成份：根据测试和分析的结果，解释其絮凝机理。 本课题的研究内容包括： ( 1 )微生物絮凝剂产生菌的筛选和分离研究。 ( 2 )微生物絮凝剂产生菌产絮凝剂培养条件的优化研究。 ( 3 )微生物絮凝剂对高岭土悬液沉降效果的研究。 ( 4 )微生物絮凝剂的提取和纯化研究。 ( 5 )微生物絮凝剂的成份分析和絮凝机理的研究。 第l o 页 茎坚墨三查茎堡主兰垡堡茎 2 微生物絮凝剂产生菌的富集培养 不问的微生物样品来源其中所含的微生物絮凝剂产生菌的种类和数量不同。对 于微生物絮凝剂产生菌含量少的样品，要对其进行富集培养。目的是使所需的微生物 絮凝剂产生菌的数量增加，同时淘汰不需要的微生物，以增大筛选出目的菌种的几率 和减少后续筛选分离的工作量。 2 1 微生物絮凝荆产生菌样品的采集 本实验的微生物样品来源最早是武汉市水质净化厂的二沉池活性污泥( 污泥放置 于地表成土壤状) ，取回后置于常温下敞开放置。一般说来微生物样品采集后，应立 即放入冰箱或放入保温瓶内使其保持和现场相同的温度、湿度等但这些措施并无充 分的根据1 。可以肯定的是，微生物样品在运输、储藏期间由于所处的温度、结构和 通气条件等不同肯定会使微生物区系发生变化。对于本实验来说，最重要的在于获取 有絮凝活性的菌株，而对其来源或者是否发生变异并不是十分重要。所以，在富集培 养前基本只是采取简单措施使微生物样品不致大量死亡或者变异。微生物样品之所以 取活性污泥，理由有两点： a 由于武汉市水质净化厂处理的主要是生活污水，其污泥中的有机物含量高，c 、 n 、p 、s 等元素的含量较丰富，适于微生物生长。因而微生物的的数量多，种类丰富， 有利于筛选出所需菌株： 藏层 图2 1 微生物细胞表面各层结构物之间的关系 b 在污水的生物处理中，菌胶团的形成就是微生物分泌于体表的粘液将微生物粘 合在一起，倒如荚膜和粘液层( 图2 一1 ) ，这些粘性物质的存在极大地改善了污水中活 性污泥的絮凝沉降性能使处理水质明显改善，实际上起着絮凝沉降的功能。因而， 第1 1 页 武汉理工大学硕士学位论文 有针对性地在活性污泥中筛选微生物絮凝剂产生菌，提高了筛出的可能性。 本实验采集的微生物样品见表2 1 。之所以还采集了三个微生物样品，原因如下： a 因为第一次筛选分离的微生物絮凝荆产生菌没有保藏好，全部发生变异，导致 絮凝活性消失： b 另一原因是想考察微生物絮凝剂产生菌存在的广泛性和筛选的难易程度。 表2 一l 不同来源的微生物样品 采集次数样品来源性状描述 武汉市水质净化厂的二沉池活污泥呈深褐色固体状，堆置于地面一 第一次 性污泥段时间取靠近表面的较湿润污泥。 武汉市水质净化厂的二沉池( 浓污泥经浓缩处理，呈深褐色，固体状。 第二次 缩后的) 活性污泥 武汉市水质净化厂污泥浓缩池土壤呈土黄色，弃其表面干燥土壤，取 第三次 附近的土黄色土壤靠近表面土壤。 第四次武汉水利电力学校附近藕田污泥呈褐色，半固体状。 2 2 富集培养条件的确定 富集培养时，要根据不同的需要设计和选用富集培养基，确定好富集培养的条 件如培养温度，通气量和单次培养时间等。 2 2 i 富集培养基的设计和选择 选用富集培养基是进行富集培养的关键所在。富集培养基也叫选择性培养基，后 面用到的菌种分离用培养基是在选择性培养基中加入一定量的琼脂使其固化，而浅层 发酵用培养基成分和富集培养基相同因而富集培养基的选择也可以说是能否筛选到 微生物絮凝剂产生菌的关键。 培养基是一种能满足微生物繁殖或积蒙代谢产物的营养物质及其生活环境，其中 包括c 源、n 源、能源、生长因子、无机盐和水六大要素物质。一般认为1 ：c 源和n 源是培养基中不可缺少的营养成分，它们直接提供给微生物各种营养和能源：水是万 物之源，微生物在生长过程中同样也不能离开它；每