（环境工程专业论文）微生物絮凝剂mbfga1与聚合氯化铝复配技术研究.pdf

微生物絮凝剂m b f g a l 与聚合氯化铝复配技术研究 摘要 本实验室采用常规平板稀释划线的细菌分离方法从岳麓山土壤中筛选出的1 株絮凝微生物，菌株编号为g a l ，经16 sr d n a 序列( g e n b a n k 序列登陆号 d q l 6 6 3 7 5 ) 分析鉴定为多粘类芽孢杆菌，命名为p a e n i b a c i l l u s p o l y m y x ag a l ，菌 种保藏号c c t c cn o ：m 2 0 6 0 1 7 ；经研究发现该菌株所产絮凝剂为高效产絮菌株。 采用响应面分析法( r s m ) 对多粘类芽孢杆菌( g a l ) 所产絮凝剂( m b f g a l ) 与聚合氯 化铝( p a c ) 配合处理高岭土悬浊液的过程进行了优化。设定的5 个影响因子分别为 m b f g a l 投加量、p a c 投加量、p h 值、c a c l 2 投加量、快搅速度。2 个响应值为 絮凝率和絮体粒径。响应面实验分别拟合出了关于絮凝率和絮体粒径的二次模型， 决定系数( r 2 ) 分别为o 7 4 4 9 和o 8 0 2 9 ，表明拟合情况良好。根据2 个响应值的分 布情况，推算出最适粒径为0 7 m m 。同时，以絮凝率1 0 0 、絮体粒径0 7 m m 为 目标值，确定了最佳复配絮凝条件：m b f g a l9 9 7 5 m g l ，p a c1 2 1 m g l ，p h7 3 ， c a c l 22 7 m g l ，快搅速度1 6 3 r p m 。通过对z e t a 电位和电镜扫描图片的分析，比较 不同絮凝条件下的特点及机理。从z e t a 电位的变化情况可以看出p a c 在改变胶体 表面电位使其脱稳聚沉方面有较强的能力，而从扫描电镜图片以及实验观察情况 分析m b f g a l 具有较强的吸附架桥及网捕作。运用荧光分光光度法，通过8 - h q 和m o r i n 试剂考察了m b f g a l 与p a c 复配处理过程对水中残留铝的影响和具体 的作用机制等。p a c 絮凝处理后的铝残留情况较严重，上清液总铝浓度达到了 9 0 1 2 m g l ，其中生物毒性最强的无机单核铝达到了0 3 9 2 m g l 。而p a c 与m b f g a l 复配絮凝处理后，上清液总铝浓度为p a c 单独使用时的5 9 1 ，无机单核铝的浓 度也只为p a c 单独使用的4 4 6 ，铝去除效果明显。2 种絮凝剂的复配对于提高 絮凝效率，降低微生物絮凝剂成本，减少传统絮凝剂二次污染都有很好的效果。 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；晌应面优化； 荧光分光光度法；残留铝 h a b s t r a c t ab a c t e r i a ls t r a i n ，n u m b e r e dg a l ，w h i c hc a np r o d u c eb i o f l o c c u l a n tw i t hh i g h f l o c c u l a t i n ga c t i v i t y w a ss c r e e n e df r o ms o i lb ym e a n so ft h ec o m m o nb a c t e r i a s c r e e n i n ga n dp u r i f i c a t i o nm e t h o da n dw a si d e n t i f i e da c c o r d i n gt oi t sm o r p h o l o g i c a l ， p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r s ，a sw e l l a s16 sr d n as e q u e n c eh o m o l o g y c o m p a r i s o n ，a n dd q 16 6 37 5i si t sg e n b a n ka c c e s s i o na n di t sn a m ei sp a e n i b a c i l i u s p o l y m y x ag a lc c t c cm 2 0 6 0 17 t h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( r s m ) ，i n v o l v i n gf i v ef a c t o r ss u c ha sd o s a g e o fm b f g a l ，p o l y a l u m i n i u mc h l o r i d e ( p a c ) a n dc a c l 2 ，p h ，t o ps p e e do fs t i r r i n ga n d t w or e s p o n s e ss u c ha sf l o c c u l e n tr a t ea n dg r a n u l a r i t yo ff l o c c u l e s ，w a se m p l o y e dt o s t u d yt h et r e a t m e n to fk a o l i ns u s p e n s i o n sb yt h ec o m p o u n df l o c c u l a n to fm b f g a 1a n d p a c ，w h i c hw a sp r o d u c e db yp a e n i b a c i l l u sp o l y m y x ag a 1 ，a n dp a c t h ec a m e r aw a s a p p l i e dt ot a k ep h o t o g r a p h so ft h ef l o e sw h i l et h e ym o v ed o w n w a r di nt h es e t t l i n g c o l u m n ，a n dt h e nm e a s u r e dt h eg r a n u l a r i t yo ff l o c c u l e sb y t h ei m a g ea n a l y s i ss o f t w a r e b yr e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s ，t h et w oq u a d r a t i cm o d e l s f o rt h ef i v ef a c t o r sw e r e e s t a b l i s h e dw i t hf l o c c u l e n tr a t ea n dg r a n u l a r i t yo ff l o c c u l e sa st h et a r g e tr e s p o n s e s t h ec o e f f i c i e n t so fd e t e r m i n a t i o n ( r 2 ) e q u a lt oo 7 4 4 9a n do 8 0 2 9r e s p e c t i v e l y , a n d i n d i c a t et h a tt h e ya l lh a v eas i g n i f i c a n tp r o p e r t y t h eo p t i m a lf l o c c u l e n t c o n d i t i o n o b t a i n e df r o mt h et w od e s i r a b l er e s p o n s e s ，f l o c c u l e n tr a t ea s 10 0 a n dg r a n u l a r i t yo f f l o c c u l e sa so 7 m m 。w h i c hd e d u c e df r o mt h ef r e q u e n c yo fr e s p o n s e s ，w e r em b f g a l d o s a g eo f9 9 7 5 m g l ，p a cd o s a g eo f12 1m g l ，c a c l 2d o s a g eo f2 7 m g l ，p h7 3a n d t o ps p e e do fs t i r r i n g a s16 3r p mr e s p e c t i v e l y t h ea p p l i c a t i o no fz e t ap o t e n t i a l m e a s u r e m e n ta n ds c a ne l e c t r o nm i c r o a n a l y s i sp r o v i d e dab e t t e ra p p r o a c ht oa n a l y s i s t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mu n d e rd i f f e r e n tf l o c c u l e n tc o n d i t i o n s ，a n d w ec a n g e t t h ec o n c l u s i o nt h a tp a ch a sm o r ec a p a b i l i t yo nc h a n g i n gt h ep o t e n t i a lo fc o l l o i da n d m b f g a1i sg o o da ta b s o r p t i o na n db r i d g ee f f e c t t h er e s i d u a la 1c o n c e n t r a t i o na n d s p e c i e sd i s t r i b u t i o no ft h ek a o l i ns u s p e n s i o nt r e a t e db yt h ec o m p o u n df l o c c u l a n tw a s m e a s u r e du s i n gf l u o r i m e t r y r e s u l t si n d i c a t e dt h a tp a ch a dt h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n o ft h er e s i d u a la 1w h i c hi n c l u d e dt h et o t a la 1c o n c e n t r a t i o na t9 012 m g la n dt h e i n o r g a n i cm o n o a 1 ，t h em a i nt o x i c i t y 1 e a d i n gs p e c i e s ，a t0 3 9 2 m g l h o w e v e r t h e c o m p o u n df l o c c u l a n tb e t w e e nm b f g a la n dp a cc a ne f f i c a c i o u s l yi m p r o v e t h i s s i t u a t i o n t h ec o n c e n t r a t i o no ft h et o t a la 1a n dt h ei n o r g a n i cm o n o - a ir e d u c e dt o i i i 微生物絮凝剂m b f g a l 与聚合氯化铝复配技术研究 5 9 1 a n d4 4 6 r e s p e c t i v e l yc o m p a r e dw i t hu s i n gp a co n l y t h ec o m p o u n do ft w o k i n d so fp r e d o m i n a n c em a k e sas i g n i f i c a n ts e n s eo n e n h a n c i n gf l o c c u l e n tr a t e ， r e d u c i n gf l o c c u l e n tc o s t sa n dd e c r e a s i n gs e c o n d a r yp o l l u t i o n 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 l ；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 em e t h o d o l o g y ；f l u o r i m e t r y ； r e s i d u a la l u m i n u m i v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 絮凝剂的分类3 表1 2 产絮凝剂的微生物种类5 表1 3 部分微生物产絮凝剂的最佳培养条件8 表3 1 中心复合5 因素水平设计2 7 表3 2 中心组合设计及实验结果3 0 表3 3 絮凝率二次模型方差分析3 3 表3 4 絮凝率二次模型系数显著性检验3 4 表35 絮凝率二次模型方差分析一3 6 表3 6 絮体粒径二次模型系数显著性检验3 7 i x 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配技术研究 插图索引 图1 1 吸附架桥絮凝示意图1 6 图2 1 絮凝剂产生菌g a l 的开发研究过程2 2 图3 1 絮体沉降分离示意及照片2 6 图3 2 不同m b f g a l 投加量下o d 5 5 0 随时间变化关系比较2 8 图3 3 不同p a c 投加量下o d 5 5 0 随时间变化关系比较一2 8 图3 4m b f g a l 与p a c 对絮凝率交互影响的响应曲面图3 4 图3 5m b f g a l 与p h 值对絮凝率交互影响的响应曲面图3 5 图36p a c 与p h 值对絮凝率交互影响的响应曲面图3 5 图3 7m b f g a l 与p h 值对絮体粒径交互影响的响应曲面图3 7 图3 8p a c 与p h 值对絮体粒径交互影响的响应曲面图3 8 图3 9m b f g a l 与c a c l 2 对絮体粒径交互影响的响应曲面图一3 8 图3 10c a c l 2 与p h 值对絮体粒径交互影响的响应曲面图3 9 图3 1 1 絮凝率分布频率柱状图4 0 图3 1 2 絮体粒径分布频率柱状图4 0 图3 1 3 絮凝过程z e t a 电位变化过程比较4 1 图3 1 43 种絮凝剂絮体扫描电镜照片4 2 图4 1 上清液残留铝浓度测定方法4 8 图4 28 - h q 拟合标准曲线5 0 图4 3m o r i n 拟合标准曲线5 0 图4 4 不同絮凝剂条件下各形态残留铝浓度比较图5 2 图4 5m b f g a l 上清液与菌体悬浊液对各形态残留铝浓度影响比较图5 3 v i i i 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：喜、哟已日期：加口多年年月如日 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 、不保密西。 ( 请在以上相应方框内打“”) 埘j 9t l 作者签名：谫、鼬日期：姗7 年争月加日 刷磁孙一7 醐呦户鲫知日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国水资源概况和水环境污染现状 水是人类的生命之源，是地球上一切生命发生、发育和繁衍的源泉。随着人 类的进步和工农业生产的发展，人们逐渐认识到水并不是取之不尽用之不竭的资 源。日益严重的水资源短缺和严重的水环境污染困扰着国计民生，而且也已成为 制约社会经济可持续发展的主要因素。据不完全统计，目前全世界有一百多个国 家缺水，其中严重缺水的国家己达四十多个。据估计，到2 0 2 5 年全世界2 3 的人 口可能生活在水资源紧张的环境中。 我国水资源主要呈现出以下几方面的特点：第一，水资源总量大，但人均占 有量少。中国人均水资源2 2 2 0 m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 。北方黄、淮、海三 个流域年人均水资源量则更低，仅为4 5 7 m 3 ，干旱缺水的程度十分严重。第二， 降水量年内、年际分布不均，变率大。北方少雨地区，丰水年的降水量一般为枯 水年的3 8 倍，全国大部分地区年最大4 个月的降水量占全年降水总量的6 0 - - 8 0 。第三，我国的年降水量和年径流深受海陆分布和地形等因素的影响，在地区 分布上极不均匀，年际、年内以及空间分布变异性大，总趋势为从东南沿海向西 北内陆递减，南、北方水资源条件有明显差异。全国水资源有8 0 4 分布在长江 流域及其以南的地区；长江流域以北地区人口占全国的4 4 3 ，但水资源仅占 1 4 7 【1 1 。 据2 0 0 7 年中国环境状况公报显示，2 0 0 7 年全国废水排放总量为5 5 6 7 亿 吨，年增长率3 7 ；化学需氧量排放量为1 3 8 1 8 万吨，年增长率3 2 ：氨氦排 放量为1 3 2 3 万吨，比2 0 0 6 年下降6 4 。全国地表水污染依然严重，七大水系总 体为中度污染，湖泊富营养化问题突出。1 9 7 条河流4 0 7 个断面中，i - - h i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 9 9 、2 6 5 和2 3 6 。2 8 个国控重点湖( 库) 中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的比例分别为2 8 5 、3 2 2 和3 9 3 ，主 要污染指标为总氮和总磷。全国近岸海域水质总体为轻度污染。与2 0 0 6 年相比， 水质略有下降。其中i i i 类海水比例为6 2 8 ，下降4 9 个百分点；1 3 i 类为1 1 8 ， 上升3 8 个百分点；类、劣类为2 5 4 ，上升1 1 个百分点1 2 】。 水质环境的持续恶化与人们对水资源需求量的不断增加形成了鲜明的对比， 水资源的匮乏和水环境污染已成为我国乃至全球所面临的危机之一。要解决水资 源短缺问题，除节约用水外，加强对污水的处理是目前亟待解决的问题。 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配技术研究 1 2 水处理技术及絮凝法 水处理方法按原理可分为物理处理法、化学处理法、物理化学法和生物处理 法。物理处理法是利用物理作用分离污水中呈悬浮固体状态的污染物质，包括筛 选法、沉淀法、上浮法、气浮法、过滤法和反渗透法等。化学处理法是利用化学 反应作用，分离回收污水中处于各种形态的污染物质( 包括悬浮的、溶解的、胶体 的等) 。主要有中和、混凝、电解、氧化还原、萃取、吸附、离子交换和电渗析等 方法。物理化学法包括吸附法、离子交换法、膜分离法、萃取法、电解法、吹脱 和气提、蒸发与结晶、磁分离法等。生物处理法是利用微生物的代谢作用，使污 水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的物质，包括好氧法和厌氧法。 城市污水和生产污水中的污染物是多种多样的，往往需要采取多种方法和多级处 理组合，才能去除不同性质的污染物和污泥，达到净化的目的和排放标准【3 】。 在水处理方法中，絮凝法是给水和废水处理中应用得非常广泛的方法。絮凝 沉淀法处理属于化学物理方法，作为一种新兴的经济有效的水处理手段，絮凝法 越来越多地使用于给排水处理工程中。絮凝处理过程就是向待处理的水体中加入 一定的絮凝剂，使水体中胶体体系在所加的絮凝剂作用下，相互接触、碰撞、脱 稳、凝集成一定粒径的聚集体，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) ，最终借助重力的作用而沉淀，以 达到固液分离的目的。絮凝处理方法既可以降低原水的浊度、色度等感官指标， 又可以去除多种有毒有害污染物；既可以自成独立的处理系统，又可以与其他单 元过程组合，作为预处理、中间处理和最终处理过程，还经常用于污泥脱水前的 浓缩过程【4 1 。在絮凝处理过程中，絮凝剂种类、性质、品种的好坏是关系到絮凝处 理效果的关键因素。 1 3 絮凝剂的简介 1 3 1 絮凝剂发展历程 凡是能够使水溶液中的溶质、胶体或者悬浮颗粒产生絮状沉淀物的物质即絮 凝剂。一直以来絮凝剂就被广泛应用与人们的生产和生活过程中。在人类文明的 发展史上，最早使用絮凝剂处理水的历史追溯到公元前1 6 世纪古埃及人采用甜扁 桃汁净化饮用水。我国明朝时就有用明矾 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 k 2 s 0 4 2 4 h 2 0 净水的记录。 1 8 8 4 年，美国人海亚特取得了以硫酸铝预处理滤池水的专利权。1 8 6 5 1 8 7 2 年， 氧化铁盐被推广应用，并在1 8 8 7 年取得对预分离出氢氧化铁沉渣的箱形过滤装置 的专利。2 0 世纪初，絮凝剂用于给水的快滤池处理中，并且显示其具有很好的消 毒能力。此后絮凝剂逐渐应用于污水处理中，1 9 1 2 年开始用氯化硫酸亚铁作为絮 凝剂，1 9 2 9 年开始用铝酸钠，2 0 世纪5 0 年代开始采用羟化氯化铝。近年来絮凝 2 硕十学位论文 剂广泛应用于工业和生活污水处理、沉渣的处置、给水的净化、食品和发酵行业 的物质分离过程等方面。由于絮凝在水处理中的重要作用，絮凝科学日渐发展成 为一门重要的学科，围绕絮凝剂的制备、优化及使用产生了一系列的研究成果， 并应用于实际。从最早天然絮凝剂到初级合成絮凝剂如f e s 0 4 7 h 2 0 、a 1 c 1 3 及硅 系列絮凝剂，再到现今的高聚合类絮凝剂如聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚硅硫酸铝( p a s s ) 、聚丙烯酰胺( p a m ) 等以及生物絮凝剂，人类使用絮凝剂的过程 经历了一个从天然到合成，再到天然的循环。絮凝方法也由简单的搅拌发展到精 确控制搅拌的各种边界条件，进而形成许多絮凝理论，在水的净化处理过程中起 着重要的指导作用【1 ，4 ，5 】。 1 3 2 絮凝剂的分类 目前广泛应用的絮凝剂按其分子组成，一般分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两 大类。根据分子量的高低、官能团的特性及官能团离解后所带电荷的性质，又可 将其进一步分为高分子和低分子，阳离子型、阴离子型和非离子型絮凝剂，具体 分类见表1 1 【。 表1 1 絮凝剂的分类 1 3 3 絮凝剂的发展趋势 随着工业和科学技术的发展，无机和有机合成高分子絮凝剂越来越广泛地应 3 微生物絮凝剂m b f g a i 弓聚合氯化铝复配技术研究 用于各种水源水和废水的处理过程中。与此同时，其使用过程中的不安全性和造 成环境二次污染的问题已经越来越引起人们的重视。无机絮凝剂在使用过程中存 在以下主要问题：( 1 ) 会给被处理液带入大量的无机离子，往往需要增加脱盐、去 离子等工序，而过量的无机粒子不仅影响产品的风味、口感，也不利于人体健康； ( 2 ) 铁盐类絮凝剂不仅具有很强的腐蚀性，对设备的选用有所限制，而且容易残留 铁离子，使被处理水带有颜色，影响水质。当处理诸如防治印染废水、石油工业 废水及酸法造纸废水等含有较多硫化物的工业废水时，f e ”会被还原为f e 2 + ，同时 生成f e s 和f e 2 s 3 的混合物，此混合物呈胶体状态，带有负电荷，很难形成絮凝沉 淀；( 3 ) 铝盐类絮凝剂由于沉淀物中含有大量铝的氢氧化物而导致污泥机械脱水困 难。此外排放于水体中残留的a 1 3 + 具有毒性，有资料显示，水中的a l ”浓度高于 0 2 0 5 m g l 即可使鲑鱼致死；在碱性条件下( p h 8 9 ) ，水中铝酸根离子浓度高于 0 5 m g l ( 以铝计) 也可使鲑鱼致死。另外，铝对人类的危害也应该引起注意。a 1 3 + 的摄入，与目前日益增多的老年痴呆症的引发有直接关系。对于有机合成高分子 絮凝剂聚丙烯酰胺多聚体而言，虽然其本身没有任何毒性，但其难降解性却易造 成二次污染，而且聚合单体的残留也是一个令人十分担忧的问题，有证据表明丙 烯酰胺单体是一种强致癌物，而且具有强烈的神经毒性，残留于环境中丙烯酰胺 单体易造成二次污染，现在许多国家和领域已经禁止或限量使用此类絮凝剂【6 8 】。 作为一类较新的水处理剂，近年来，利用蛋白质、多聚糖、木质素、壳多糖等生 物体分泌的天然有机高分子，通过化学改性制成的天然高分子絮凝剂，也被用于 水处理过程。它虽然具有无毒、能安全降解等特点，曾一度引起研究者的重视， 但絮凝活性却不高，且成本较高，从而限制了其广泛的开发应用。因此开发安全 无毒、絮凝活性、无二次污染的新型絮凝剂，对物质产品的生产工艺改进、人类 的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，伴随生物技术的 发展，第三类絮凝剂一微生物絮凝剂应运而生1 9 1 引。 1 4 微生物絮凝剂概况 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 ，m b f ) 是一类由微生物产生的具有絮凝活 性的有机物质，其形式可能是微生物细胞，也可能是细胞壁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沉淀性能。微生物絮凝剂安全、无毒、可生物 降解、无二次污染。此外还具有种类多、微生物生长快、易于扩大培养和实现工 业化生产等优点，因而具有广阔的应用前景。 1 4 1 微生物絮凝剂产生菌种类 能够产生絮凝物质的微生物种类繁多，包括细菌、放线菌、酵母菌及霉菌， 4 硕士学位论文 其中有文献报道的絮凝微生物种类已达5 0 余种【1 1 。这些已鉴定的微生物大量存在 于土壤、活性污泥和沉积物中，从这些微生物中分离出的絮凝剂不仅可以用于处 理废水和改进活性污泥的沉降性能，还能用在微生物发酵工业中进行微生物细胞 和产物的分离。表1 2 列举出了目前已研究过的可以产絮凝剂的具有代表性的微生 物菌种。 表1 2 产絮凝剂的微生物种类 絮凝微生物种类 a s p e r g i l l u sp a r a s i t i c u s n a c a r d i nr e s t r i c t a 寄生曲霉椿象虫诺卡氏菌 a s p e r g i l l u ss o j a e n a c a r d i nr b o d n i i s t r e p t o m y c e sg r i s e n s 灰色链霉菌 z o o g l o e ar a m i g e r a 酱油曲霉红色诺卡氏菌生枝动胶菌 b r o w n r o t f u n g i n a c a r d i nc a l c a r e p a e c i l o m y c e ss p 棕腐真菌石灰壤诺卡菌拟青霉属菌 c i r c i n e l l as y d o w ip s e u d o m o n a da e r u g u o n o s e a s o e r g i l l u so c h r a c e h 卷霉属铜绿假单胞菌 p h o r m i d i u m 赫曲霉 p s e u d o m o n a sf l u o r e s c e n sk l e b s t e l l as p 。s1 1 席藻属荧光假单胞菌 s o r d a r i af i m i c o l a p s e d o m o n a sf a e c a l i e 粪壳菌属粪便假单胞菌 克氏杆菌属 e n t e r o b a c t e rs p b y - 2 9 肠细菌 a r t h r a b a c t e rs p b r e v i b a c t e r i u mi n s e c t i o h i l u mx a n t h o m o n a s 节细菌属嗜虫短杆菌黄单胞菌属 a n a b a e n as p p c - 1p s e u d o m o n a s p s e u d o a l c a l l g e n e sa s p e r g i l l u ss p j s - 4 2 项圈藻产碱假单胞杆菌曲霉属 m a n a c u sa n k a s c h i z o s a c c h r o m y c e sp o m b e g e o t r i c h u mc a n d i d u m 赤红曲霉栗酒裂殖酵母白地霉 s t r e p t o m y c e sv i n a c e n s r h o d o c a c c u se r y t h r o p o l i s a l c a l l g e n e sl a t u s 酒红色链霉菌红平红球菌 1 4 2 微生物絮凝剂的特点 产碱杆菌属 与无机或有机高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有许多独特的性质，包括 产生菌易得、高效、无毒、无二次污染和絮凝范围广泛等。同时，由于微生物繁 殖速度快、絮凝菌来源广，使得微生物絮凝剂的生产周期短、效率高。但是，微 生物絮凝剂存在成本高的缺点，这也是目前微生物絮凝剂研发工作面对的首要问 题。总体而言，微生物絮凝剂包括如下几个方面的特点： 5 微生物絮凝剂m b f g a i 与聚合氯化铝复配技术研究 ( 1 ) 可生物降解，无二次污染目前使用的絮凝剂如铝盐、铁盐及其聚合物、 聚丙烯酰胺及其衍生物等，经过絮凝之后形成的废渣不能或难于被生物降解，严 重污染水体和土壤，造成二次污染，并且在水中积累达到一定浓度后，会对人体 健康造成危害。微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的高分子物质，主要成份 为多聚糖、多肽和蛋白质等，属于天然有机高分子絮凝剂，它安全无毒，具有可 生化性，易被微生物降解，不会影响水处理效果，且絮凝后的残渣可被生物降解， 对坏境无害，不会造成二次污染【l 卜1 4 j 。 ( 2 ) 无毒无害，安全性高微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的高分子物 质，属于天然有机高分子絮凝剂，相关毒理学实验证明其安全无毒。微生物絮凝 剂m b f a 9 的急性毒理学实验结果表明：小白鼠一次吞食1 9 k g 的该絮凝剂后，体 态、饮食、运动均无异常反应【l5 1 。给小鼠、豚鼠注射r e r y t h r o p o l i s 的细胞及培养 液，均不致病u6 。 ( 3 ) 用途广泛，脱色效果独特微生物絮凝剂絮凝处理对象较广，能够提高对 油和无机超微粒子的净化效果，具有良好的除浊性能。对于含有有胚体和釉料的 瓦场废水，投加微生物絮凝剂n o c 1 处理后，废水浊度大幅度下降，可得到几乎 透明的上清液1 1 6 , 1 7 】。马放等人采用复合型微生物絮凝剂m f h 处理强酸废水、泥浆 废水等，均有很好的净化效果【1 8 , 1 9 】。微生物絮凝剂对废水的脱色效果也很显著， 如用a l c a l i g - e n e sl a t u s 培养物处理某造纸厂的有色废水时，即可形成肉眼可见的絮 凝体浮于水面，脱色率可达到9 0 以上，而下层清水的透光率几乎与自来水相近 【2 0 】 o 1 4 3 微生物絮凝剂的种类 1 4 3 1 按来源不同分类 按照微生物絮凝剂来源不同，微生物絮凝剂可分为如下3 类【5 8 】： ( 1 ) 直接利用微生物细胞的絮凝剂某些细菌、霉菌、放线菌和酵母，它们普 遍存在于土壤、活性污泥和水体沉积物中。此类微生物的茵体细胞具有絮凝性的 原因有很多：有的是由于菌体细胞表面带有荚膜层或粘液层，能够吸附溶液中的 悬浮颗粒；有的是因为菌体表面的附属结构( 如菌毛、纤毛等) 的吸附作用；有的是 因为菌体细胞壁表面带有活性基团，能够吸附溶液中的带电颗粒。 ( 2 ) 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋 白质和n 乙酰葡萄糖胺等均可用作絮凝剂；丝状真菌的细胞壁多糖除了纤维素、 甘露聚糖、葡聚糖外，还含有一种重要的多糖为几丁质，几丁质经碱水解后产生 带正电荷、高效无毒的脱乙酰几丁质，含有活性n h 2 一和一0 h ，对许多微生物菌 体及其他带负电荷的粒子有极强的絮凝能力。它还可以作为一种助凝剂与其它阴 6 硕十学位论文 离子絮凝剂配合使用。目前用作絮凝剂的褐藻酸也是某些褐藻细胞壁的成分。 ( 3 ) 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂微生物细胞产生的具有絮凝性的代谢 产物有的贮藏在胞内作为内源代谢产物，有的则分泌到胞外或者黏附在菌体细胞 表面或者脱离菌体，游离于培养液中。k c r a b t r e e t s 】等人对菌胶团细菌z o o g l o e a r a m i g e r a 的研究证明，胞内聚合物p h b 具有絮凝性。许多菌体细胞内积累的多聚 磷酸盐也可作絮凝剂。分泌到细胞外并黏附在菌体细胞外表面的絮凝物质主要指 细菌的荚膜和粘液质，两者的干物质组成主要为多糖，以及少量的多肽、蛋白质、 脂类及其复合物。可用作絮凝剂的主要是多糖类物质。目前国内外研究的微生物 絮凝剂大多为游离于培养液中的絮凝物质。如r k u r a n e 开发的n o c 1 t 1 6 】，何宁 等研制对r e a 一1 1 的研究【2 1 2 3 1 。 1 4 3 2 按化学组成不同分类 根据化学组成的不同，微生物絮凝剂可分为如下3 类： ( 1 ) 糖类物质目前已发现的微生物絮凝剂主要有效成分多数含多糖类物质。 ( 2 ) 多肽、蛋白质和d n a 类物质根据文献报道，已知絮凝能力最好的微生 物絮凝剂n o c 1 【1 7 】的主要成分为蛋白质，而且分子中含有较多的疏水氨基酸，包 括丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸、天冬氨酸等，其最大相对分子质量为7 5 0 0 0 0 。 ( 3 ) 脂类物质目前发现的唯一的脂类絮凝剂是1 9 9 4 年r k u r a n e l 2 4 1 从r e r y t h r o p o l i ss 1 的培养液中分离出来的微生物絮凝剂。其分子中含有葡萄糖单霉 菌酸酯( g m ) 、海藻糖单霉菌酸酯( t m ) 、海藻糖二霉菌酸酯( t d m ) e 种组分，霉菌 酸碳链长度从c 3 2 c 4o 不等，其中以c 3 4 、c 3 6 和c 3 8 居多。 1 4 3 3 按菌种的不同分类 根据菌种来源不同，微生物絮凝剂可分为如下3 类： ( 1 ) 纯种菌株目前研究的微生物絮凝剂多属于此类【1 1 , 1 3 】。现公认的能产生微 生物絮凝剂的微生物有以下种属：n o c a r d i as p 、a s p e r g i l l u ss p 、p s e u d o m o n a ss p 、 c o r g n e b a c t e r i u ms p 、d e m a t i u ms p 、p a c e c i i m y c e ss p 、a c i n e t o b a c t e rs p 、a l c a l i g e n e $ s p 、a g r o b a c t e r i u ms p 等。 ( 2 ) 混合菌株r k u r a n e 分离出一组能够产生大量黏液的r 一3 的混合菌株，在 液体培养中能高效产生一种a p r 3 絮凝剂。菌株由厄氏菌属、不动杆菌属、土壤 杆菌和肠杆菌属组成。实验证明单个菌属均不能产生絮凝剂，只有四个菌属混合 培养才能有效地产生絮凝剂【2 4 1 。 ( 3 ) 基因复合型菌株利用基因工程技术，将筛选出的具有絮凝性能的菌株和 具有降解性能而没有絮凝性能的菌株，进行遗传因子质体的移植构建新的基因复 微生物絮凝剂m b f g a l j 聚合氯化铝复配技术研究 合菌株。这类菌株不仅能产生微生物絮凝剂而且有降解污染物的能力。若将其直 接应用于污水处理，这种既有絮凝性又有降解污染物的性能，可使污水处理效率 大大提高，具有相当高的应用价值。例如n o c a r d i ae r y t h r o p o l i s 可以在降解塑料生 产中的酞酸酯的同时，产生絮凝剂【25 1 。i s h i d af u i ik 等把s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e 3 9 6 9 6 v 的f l 0 1 基因导入一株无絮凝性的菌株的u r a 3 位点上，使其获得絮凝 性( f s c 2 7 菌株) ，再引入u r a 3 菌株f s c u 1 8 的絮凝性能及产率比原菌株都好【2 6 1 。 1 4 4 微生物絮凝剂的合成及影响因素 微生物絮凝及产生菌分布广泛，因此不同的絮凝微生物产絮凝剂的最适培养 条件存在很大的差异，主要影响因素包括：发酵培养基的组成、培养基初始p h 值、 培养温度、溶解氧水平及培养时间等。微生物絮凝剂的产量及分布都与培养条件 密切相关，这些因素的确定与最优化是非常重要的。表1 3 列举了部分微生物絮凝 剂的最佳培养条件【2 7 4 6 1 。 表1 3 部分微生物产絮凝剂的最佳培养条件 1 4 4 1 微生物絮凝剂合成培养基影响因素 对于微生物絮凝剂合成的培养基具体影响因素包括： 8 硕士学位论文 ( 1 ) 碳源研究表明微生物絮凝剂的合成和碳源有较大的关系。对于细菌来说， 富含单糖和营养丰富的培养基有利于絮凝剂的产生。因为单糖有利于菌体吸收和 利用，从而加快其生长繁殖和体内物质的积累，促进絮凝剂的产生。些霉菌利 用淀粉作为碳源生长和产生絮凝剂的情况也很好，有的甚至超过了葡萄糖和果糖。 这是由于这些霉菌可分泌各种淀粉酶，使淀粉水解，生成易于被吸收的糖类，而 细菌和其他微生物则不具备这种能力。在r e r y t h r o p o l i s 的培养中，用0 5 ( 质量 分数) 的葡萄糖及0 5 的蔗糖为碳源时，絮凝剂的产量较高【1 7 ；以果糖为碳源培 养a l c a l i g e n e sc u p i d u s ，其絮凝剂的产量超过其他所有的碳源。研究证明，使用葡 萄糖、半乳糖和果糖比用淀粉和麦芽糖对a l c a l i g e n e sc u p i d u s 分泌絮凝剂更为有 效；对细胞生长最适合的碳源不一定是对絮凝剂分泌最有利的碳源，用橄榄油为 碳源时，虽有利于细胞生长，但却不利于絮凝剂的合成1 8 j 。特别值得注意的是，在 a s p e r g i l l u ss o j a e 的培养中加入过量的葡萄糖会抑制其絮凝剂的形成。这是由于葡 萄糖分子导致p h 值下降所造成1 4 卜4 引。研究表明，r e r y t h r o p o l i s 可以利用乙醇作 为细胞生长和合成絮凝剂的碳源，其他醇类，如丙醇和丙三醇，对尺e r y t h r o p o l i s 也同样是良好的碳源【2 4 1 。这说明可以利用含有醇类的废水作为合成微生物絮凝剂 的培养基。同葡萄糖、山梨糖等水溶性糖类作为碳源得到的培养菌的数量较大及 絮凝活性较高，并且在稳定起的初期就观察到最高的絮凝剂。 ( 2 ) 氮源不同的微生物絮凝剂产生菌对氮源要求是不同的，即有机氮源、无 机氮源单独使用或是联合使用均能够成为微生物絮凝剂生产的最适氮源。 例如， 尿素、硫酸铵、酵母膏以及酪蛋白氨基酸等都是r e r y t h o p o l i ss p 合成絮凝剂所需 的很好的氮源【8 】。在各种受试氮源中以尿素和硫酸铵最佳；采用氯化铵和硝酸铵也 可刺激生长，但絮凝剂产量只有尿素和硫酸铵为氮源时的6 0 7 0 。有机氮源中， 酵母浸液和酪蛋白氨基酸最为有效。 ( 3 ) 碳氮比碳氮比对于某些微生物产生的絮凝活性成分有决定性的影响。例 如，在c ：n 为0 6 1 1 4 时，z o o g o l e as p 的絮凝活性较好，大于或小于此值时便 迅速下降【6 ，7 1 。 ( 4 ) 无机盐和金属离子微生物絮凝剂的产生受培养基中金属离子的影响较 大。据文献报道，培养基中f e 2 + 、c a 2