（环境工程专业论文）微生物絮凝剂的筛选及其在废水处理中的应用研究.pdf

摘要 微生物絮凝剂因其无毒、无害、易生物降解、不产生二次污染、絮凝效果好而成 为环境工程领域的研究热点。尽管国内外已经发现了多种微生物能产生絮凝剂，并展 开了微生物絮凝剂的化学组成、结构以及絮凝作用机理等相关的研究，但絮凝性能优 异、能在实际生产中得到推广应用的微生物絮凝剂却很少。此外，微生物絮凝剂种类 繁多，不同微生物产生的絮凝剂性质不同。因此继续筛选微生物絮凝剂产生菌，并进 行系统的基础研究，探索微生物产生絮凝剂的规律，揭示微生物絮凝剂的絮凝作用机 理，这些工作仍具重要意义。 本论文从望塘污水处理厂和合肥钢铁厂的活性污泥中筛选分离到具有絮凝性的 菌株5 l 株，经絮凝试验初步筛选出1 5 株，复筛得到4 株絮凝活性较高的菌株，命名为 j 1 、j 3 、w 1 、w 2 。对4 株菌进行菌种鉴定，定性为假单胞菌( b a c i l l u sm e g e t a r i u m ) 。 并确定了j 1 、j 3 、w 1 、w 24 种菌的最适生长条件包括最适生长时间、温度、酸度和 菌量，并研究了影响微生物絮凝剂絮凝效果的主要因素。试验如下： 1 微生物絮凝剂最佳培养条件研究。实验中对微生物生长必须的碳氮源进行优 选，经过对比实验，选用蔗糖、葡萄糖作为碳源，尿素、酵母膏作为氮源；培养条件 选取对微生物生长影响较大的p h 、通气量、培养温度，进行4 因素4 个水平的正交实 验，分别得到了j l 、j 3 、w 1 、w 24 种菌的最佳培养条件。 2 影响微生物絮凝剂絮凝效果的因子研究。试验选取了不同的c n 、不同的培 养时间、不同的p h 、不同的温度、不同金属阳离子、充氧量等因素。得到了一系列 数据，j 1 菌在c n = i 2 时，絮凝率达到最大7 5 以上；j 3 菌在c n = i 1 时，絮凝率 就达到最大8 5 ，其他比例的c n 效果也相差不大：w 1 菌在c n = i 3 时，絮凝率达 到最大；w 2 菌在c n = i 4 时，絮凝率达到最大。碳氮源比例对儿、j 3 菌的絮凝效果 影响不大，可能这类菌对碳源的需求较大。而w 1 、w 2 菌对氮源需求量大，在蔗糖 尿素中生长良好，分泌旺盛，培养液的絮凝效果较好；只要氮源充足，菌体就能生长 并分泌絮凝剂。 j l 、j 3 、w 2 在p h 为5 0 以下时，菌体的生长量很小，絮凝率接近为0 ；初始 p n 为5 o 1 0 0 时，菌体生长良好，絮凝剂分泌量大；尤其是在初始p h 值为7 5 1 0 0 时，菌儿、j 3 、w 2 生长旺盛，培养液很粘，絮凝率都高于8 0 。w 1 在酸性条 件下絮凝效果较碱性时好，当p h 7 时，w 1 的絮凝效果明显下降，p i t = 1 0 时，絮凝 率接近于0 。 高价离子如c a 2 + 、a 1 ”对絮凝有较为明显的促进作用，聚合物p a c 对絮凝活性 比单金属离子的效果好。 3 对产絮凝剂微生物的絮凝机理初探，儿、j 3 、w l 、w 2 的多糖含量分别为 8 4 - 3 、8 8 7 、8 4 8 5 、8 6 1 5 ，证明这4 种菌的有效成分主要是多糖。 4 单独使用j 1 、j 3 、w l 、w 2 菌和传统高分子絮凝剂p a c 、p a m 做对比试验， 处理效果相当。 5 选取了具有代表性的池塘水、望塘处理厂进厂废水、合肥啤酒厂废水、电镀 厂废水做模拟试验，w 2 对电镀废水的处理效果最好，对c u 2 十、z n 2 + 的去除率分别达 到3 0 6 0 、2 9 1 3 ，可能w 2 有一定的吸附金属阳离子的能力；对废水中的悬浮物 的去除效果最好的是j 3 。实验结果还表明：对于不同来源的废水，处理效果不同， 其原因有待进一步的研究。 关键词：微生物絮凝剂，絮凝，絮凝率，废水处理 i i a b s t r a e t b i o f l o c c u l a n th a sb e c o m eah o tr e s e a r c hr e s p e c ti nt h ef i e l do fe n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n gs i n c ei ti sn o n - p o i s o n o u s ，n o n h a r m f u l ，e a s i l yb i o d e g r a d e a b l e ，a n dd o e sn o t p r o d u c es e c o n d - h a n dp o l l u t i o na n dh a sg o o df l o c c u l a t i n ge f f e c t t h e r ea r eq u i t eal o t so f r e s e a r c h so nb i o f l o c c u l a n ta th o m ea n da b r o a d b i o f l o c c u l a n t sc a l lb ep r o d u c e db ym a n y t y p e so fm i c r o o r g a n i s m s h o w e v e r ，f e wb i o f i o c c u l a n t sh a v ev e r yg o o df o c c u l a t i n ge f f e c t a n dc a nb eu t i l i z e do nl a r g es c a l e b e s i d e s ，b i o f l o c c u l a n t sh a v em a n yt y p e sa n da r eo f v a r i o u sf l o c c u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，s y s t e m a t i cb a s i cs t u d ya r eu r g e n t l yn e e d e d s ot h a tt h ec o m m o nf e a t u r e so fb i o f l o c c u l a n t sc a nb es u m m a r i z e da n dt h ef i m c t i o n i n g m e c h a n i s mc a nb es t u d i e d c u r r e n t l y ，h i g hp r o d u c t i o nc o s th a sb e e nt h em a i no b s t a c l eo f b i o f l o c c u l a n t a p p l i c a t i o ni np r a c t i c e s c r e e n i n go f c h e a pc u l t u r em e d i ai st h e r e f o r eo n eo f u r g e n tp r o j e c t si nt h ef i e l do f b i o f l o c c u l a n tr e s e a r c h f i f t y - o n es t r a i n so fb a c t e r i aw e r e i s o l a t e df r o ma c t i v i t e ds l u d g eo fw a n g t a n g f a c t o r yo fw a s t e r w a t e rt r e a t m e n ta n dh e f e is t e e lf a c t o r yi nt h et h e s i s f i f l e e ns t a i n so f b a c t e r i ah a v eg a i n e db yp r i n c i p i u ms c r e e n f o u rs t a i n so fb a c t e r i ah a v eh i g h e s tf i o c c u l a n t a c t i v i t y ，w e r e n a m e dj 1 、j 3 、w i 、w 2 t h eb a c t e r i u mw a si d e n t i f i e da sb a c i l l u s m e g e t a r i u m 1 1 1 ee n v i r o n m e n t a lf a c t sa r em a n i p u l a t e dt oi n v e s t i g a t et h e i re f f e c t sd u r i n g d e g r a d a t i o nb a c t e r i a lc o l o n i e so fi n c u b a t i o n n ee f f e c t so ft i m e 、t e m p e r a t u r e 、a c i da n d c o n c e n t r a t i o no f b i o m a s so ng r o w t ho f t h ef o u rs t r a i n sh a v e b e e ns t u d i e d 1 s t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o nr a i s ec o n d i t i o no ft h em i c r o b i o f l o c c u l a n t i nt h e e x p e r i m e n tf i r s tc a r r i e so no p t i m a lt h ec a r b o n n i t r o g e nw h i c hi st h em i c r o o r g a n i s mn e e d t h ep r o c e s sc o n t r a s te x p e r i m e n tt h a ts e l e c t st h es u e r o s e 、t h eg l u c o s et ot a k ea sc a r b o n ；a n d t h eu r e a 、t h ey e a s tp a s t et ot a k ea sn i t r o g e n 1 1 1 er a i s ec o n d i t i o ns e l e c t sp h 、o x y g e n i z e m e n t q u a n t i t y 、r a i s et e m p e r a t u r e ；c a r r yo nt h e s ef o u rf a c t o r sa n df o u r1 e v e le x p e r i m e n t s c r o s s o b t a i n e dj 1 、j 3 、w la n dw 2f o u rk i n do f b a c t e r i ab e s tr a i s ec o n d i t i o n ss e p a r a t e l y 2t or e s e a r c ht h em i e r o b i o f l o c c u l a n ti n f l u e n c ef a c t o r s i nt h ee x p e r i m e n th a s s e l e c t e df a c t o r s ：c n 、d i f f e r e n tr a i s et i m e 、d i f f e r e n tp h 、d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 、d i f f e r e n t m e t a lp o s i t i v ei o n 、o x y g e n i z e m e n tq u a n t i t y o b t a i n e das e r i e so fd a t a ，t h ef l o c c u l a t i o n r a t eo f 儿b a c t e r i aa c h i e v e da b o v e7 5 w h e nc n = i 2 ；t h a to fj 3b a c t e r i aa c h i e v e d8 5 w h e nc 小= 1 1 ；t h a to f w lb a c t e r i aa c h i e v e db i g g e s tw h e nc 心= 1 3 ，n oe f f e c tu n d e ro t h e r p r o p o r t i o n sc n ；t h a to fw 2b a c t e r i aa c h i e v e sb i g g e s tw h e nc n = i 4 i n f l u e n c eo f d i f f e r e n tc ni sn o tb i gt o 儿、j 3b a c t e r i a t h i st w ob a c t e r i a sd e m a n dc a r b o nm u c hp o s s i b l y i l l b u tc a r b o n n i t r o g e nd e m a n d e dm o r et ow 1 、w 2b a c t e r i a ，t h et w ob a c t e r i a sg r o wg o o d u n d e rt h es u c r o s e - u r e a ，s e p a r a t ee x u b e r a n t ，a n dn u t r i e n tf l u i df l o c c u l a t i o ne f f e c tb e t t e r s o c a r b o n n i t r o g e ni ss u f f i c i e n t ，t h em y c e l i u mc a r lg r o wa n ds e p a r a t et h ef l o c c u l a n t j 1 、j 3 、w 2g r o wn o tw e l lw h e nl i t t l ep h 5 0 t h ef l o c c u l a t i o nr a t ei s0 w h e ni n i t i a lp h i s5 0 1 0 0 j 1 、j 3 、w 2g r o wg o o da n dt h ef l o c c u l a n ts e p a t a r eq u a n t i t yi sb i g w h e nt h e i n i t i a lp hi s7 5 1 0 0 ，j 1 、j 3 、w 2g r o we x u b e r a n t l ya n dt h en u t r i e n tf u i ds t i c k sm u c h ，t h e f l o c c u l a t i o nr a t e sa r eh i g h e r8 0 t h ew lf l o c c u l a t i o ne f f e c tu n d e rt h ea l k a l i n i t yc o n d i t i o n i sb e t t e rt h a nt h a tu n d e rt h ea c i d i cc o n d i t i o n ，w h e np h7 ，t h ew 1f l o c c u l a t i o ne f f e c t o b v i o u s l yd r o p so b v i o u s l y ，w h e np h = 1 0 ，t h ef l o c c u l a t i o nr a t ea p p r o a c h e s0 t h em o r eo b v i o u sp r o m o t e ra c t i o nt ot h ef l o c c u l a t i o ni nh i g hp r i c ei o nw h i c hi sc a ”、 a 1 3 + ，t h ef l o c c u l a t i o na c t i v i t yi np a ci sb e t t e ri nt h es i n g l em e t a l l i ci o n 3 s t u d yp r e l i m i n a r yo nt h ef l o c c u l a n tm i c r o o r g a n i s m ，p o l y s a c c h a r i d ec o n t e n t so f j 1 、j 3 、w 1 、w 2a r e8 4 3 、8 8 7 、8 4 8 5 、8 6 1 5 t h i sp r o v e dt h a tt h ee f f e c t i v e c o m p o n e n to f t h ef o u rb a c t e r i a sm a i n l yi st h ep o l y s a c c h a r i d e 4j 1 、j 3 、w l 、w 2a n dp a c 、p a ma r eo p e r a t ec o n t r a s te x p e r i m e n ti nt h es i n g l e ， p r o c e s s e de f f e c ti sn o td i f f e r e n c e 5s e l e c t e dt h er e p r e s e n t a t i v ep o n dw a t e r 、w a s t ew a t e ro fw a n g t a n gf a c t o r yo f w a s t e r w a t e rt r e a t m e n t 、w a s t ew a t e ro f t h eh e f e ib r e w e r y 、w a s t ew a t e ro ft h e g a l v a n i z a t i o nf a c t o r yp e r f o r m st h es i m u l a t i o nt e s t ，w 2t og a l v a n i z e st h ew a s t ew a t e rt h e p r o c e s s i n ge f f e c tt ob eb e s t ，t oc u ”，z n 2 + r e m o v e i n gr a t er e s p e c t i v e l ya c h i e v e d3 0 6 0 ， 2 9 13 ，p o s s i b l ew 2t oh a v et h ec e r t a i na d s o r p t i o nm e t a lp o s i t i v ei o nt h ea b i l i t y t oi nt h e w a s t ew a t e rs u s p e n s i o ni sj 3w h i c hr e m o v e st h ee f f e c tt ob eb e s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t a l s oi n d i c a t e dt h a t ，r e g a r d i n gt h ed i f f e r e n tw a t e rq u a l i t yw a s t ew a t e r ，t h ep r o c e s s i n ge f f e c t i sd i f f e r e n t ，i t sr e a s o nw a i t sf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：m i c r o b i o f l o c c u l a n t ，f l o c c u l a t i o n ，f l o c c u l a t i o nr a t e ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t 1 引言 1 1 我国水资源与水污染现状 中国是一个水资源短缺的国家，淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，人均只有2 3 0 0 立方米，扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，现实可利用的 淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿立方米左右，人均可利用的水资源量约为9 0 0 立方米。 近一半的中国人口u p 5 5 亿人生活在水资源极度匮乏的地区，包括中国东部季风地区 一北方的黑龙江、松花江、辽河、海河、淮河及黄河流域，每年人均水源拥有量少于 7 5 0 3 立方米q 中国不但水资源缺乏，在有限的可利用的水资源中还存在着严重的水污染。根据 全国水环境监测网2 0 0 1 年的水质监测资料和国家地面水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 8 8 ) t ”，对全国九大流域片的7 0 0 多条河流的水质进行了评价。在评价的1 2 1 万公里河长中，i 类水占5 0 ，i i 类水占2 7 6 ，i 类水占2 8 8 ，i v 类水占1 4 2 ，v 类 水占7 8 ，劣v 类水占1 6 6 随着人口剧增和经济高速发展，水的供求矛盾已成为制约我国工农业生产和城市 发展的瓶颈。2 0 1 0 年后，我国将进入严重缺水时期。根据水利部( 2 1 世纪中国水供 求分析，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及生态环境总需水量在中等干旱年为6 9 8 8 亿立方米，供水总量6 6 7 0 亿立方米，缺水3 1 8 亿立方米。这表明，2 0 1 0 年后我国将 开始进入严重的缺水期。这份报告还称，2 0 3 0 年，我国将缺水4 0 0 亿立方米至5 0 0 亿立方米，缺水高峰将会出现。从人口的增长上看，2 0 3 0 年左右，我国人口将达到 1 6 亿，人均占有水资源量将比目前减少1 5 ，降至1 7 0 0 立方米左右；从经济增长上看， 到2 1 世纪中叶，国内生产总值要增长1 0 倍以上，城市和工业用水将较大幅度增长， 污水排放量也将相应增加，开源节流保护任务十分艰巨；从城市发展看，2 1 世纪中叶， 我国的城市化率将达到7 0 ，城市水供求矛盾更加尖锐；从农业生产，特别是粮食生 产上看，2 0 5 0 年前，我国粮食产量要比现在增加1 4 0 0 亿公斤以上，这意味着农业灌 溉总用水量必须增加，北方地区的水资源形势将更加严峻。 1 2 絮凝法在水处理中的应用 把一种物质分散在另一种物质中所形成的体系被称为分散系，前者称为分散质， 而后者则称为分散剂。分散质被分散后可形成大小不等的微粒，微粒越小，分散度越 高。根据其微粒的尺度又将分散系分为二种类型，它们是真溶液、胶体分散系、悬浊 体系。 当微粒的粒径小于l n m 时，体系为真溶液；大于1 0 0 r a n 时为悬浊体系；介于1 1 0 0 n m 之间时为胶体分散系。根据上述界定，当微粒的粒径处于1 1 0 0 n m 的范围时，体系属 胶体分散系。天然水和工业废水、生活污水中处于该尺度范围内的微粒有两类，一类 是不溶性微粒如粘土矿物；另一类是溶解性大分了如蛋白质，它们均与水形成胶体分 散系。前者与水分散介质问存在相界面，因界面自由能的存在，属热力学不稳定的体 系，不可逆，沉析后不能再分散，称为憎液胶体；后者与水分散介质问不存在相界面， 属热力学稳定的体系，可逆，沉析后还可分散，称为亲液胶体。这两类胶体分散系既 有共性，也有不同之处，由几微粒尺度相近，因而与尺度有关的一些性质相近，如动 力性质、光学性质、流变性质等，而与界面有关的性质如电学性质等则不同。 悬浊体系中微粒的尺度大于胶体分散系中微粒的尺度。由于悬浊体系的分散质与 分散剂之间存在明显的界面及微粒粒径较大，许多性质与胶体分散系相似，因此也将 对它的研究归入胶体化学的研究范畴。 在饮用水、工业用水和工业废水的处理中，尤其是使用絮凝沉淀法处理用水和废 水时，都要涉及到胶体和悬浮物颗粒。选择最佳的絮凝剂，使净化效果满足对水质的 要求，我们有必要对絮凝剂的性质、悬浮物和絮凝剂之间的相互作用有所了解。表面 带有电荷和颗粒的大小不同，是胶体和悬浮物颗粒的两个重要特性，这两个特性与它 们的絮凝沉淀有着密切的关系。胶体和悬浮物颗粒表面都带电荷，当向胶体溶液中加 入电解质时，中和了颗粒表面上的电荷，减弱了胶体颗粒之间相同电荷的排斥力，碰 撞的次数增加，颗粒逐渐结合并变大，最后絮凝沉淀下来。胶体和悬浮物颗粒的大小 则对吸附作用和双电层都有影响，而中和颗粒表面电荷的目的就是使颗粒的体积和密 度变大，只有这样颗粒才能从水中絮凝沉淀下来。高分子絮凝剂处理水和废水的效果 好，其原因之一是高分子絮凝剂本身分子量和体积均较大，再加上胶体颗粒的结合使 颗粒变的更大更重，胶体和悬浮物颗粒就很容易从水中絮凝沉淀下来，因而颗粒的大 小起着重要的作用。用絮凝法处理水和废水的过程，就是使胶体和悬浮物颗粒变的更 大更重的过程。搅拌速度过快、水或废水自高位向低位流动时位差太大、水或废水的 流速过快而造成冲击力太大等做法，都能将固体颗粒破坏，粉碎成较小的颗粒，这些 做法对絮凝沉淀极为有害，应设法避免。 1 3 絮凝剂的分类 絮凝是水和废水处理的重要方法之一，该技术现己被广泛用于给排水、废水处理 和污泥脱水等领域。其目的是使水中胶体和悬浮物颗粒凝聚为大的絮凝体，以便从水 中分离出来，因此絮凝剂的好坏直接影响水质净化的效果。 根据絮凝剂的组成，将其分为无机絮凝剂和有机絮凝剂。再根据它们分子量的高 低、官能团的性质以及官能团离解后所带电荷的性质，将其进一步分为高分子、低分 子、阴离子型和阳离子型等。在一个水溶液中，使用两种和两种以上的物质使其产生 絮状沉淀时，可以把这两种和两种以上的物质称作复合絮凝剂。 1 3 1 无机絮凝剂 ( 1 ) 无机低分子絮凝剂： 常用的无机阳离子絮凝剂有：铝系如：硫酸铝 舢2 ( s 0 4 ) 3 1 8 h 2 0 ，氯化铝 ( a 1 c 1 3 - 6 h 2 0 ) 和铁系硫酸铁 f e z ( s 0 4 ) r n h 2 0 氯化铁口e c l 3 6 h 2 0 ) 两大类。硫酸铝是世 界上水和废水处理中使用最多的絮凝剂。自1 9 世纪末美国最先将硫酸铝用于给水处 理并取得专利以来，硫酸铝以其卓越的絮凝沉降性能而被广泛应用 3 。但是铝盐絮凝 剂在使用中对生物体有一定的影响，据报道水中铝含量高于0 2 - - 4 ) 5 r r l g l ，即可使蛙 鱼致死 4 。由于环境医学界关于铝对生物体影响的报道，铁系絮凝剂逐渐受到重视。 ( 2 ) 无机高分子絮凝剂： 无机高分子絮凝剂是6 0 年代后在传统的铝盐、铁盐的基础上发展起来的一类新 型的水处理剂【5 】，目前，在日本、俄罗斯、西欧以及中国，无机高分子絮凝剂的研究 与应用已有相当规模，种类繁多，聚合类药剂的生产占絮凝剂总产量的3 0 6 0 。 无机聚合物絮凝剂主要是铝盐和铁盐的聚合物，如聚合氯化铝、聚合硫酸铝( 二者简 称聚铝) ，聚合氯化铁、聚合硫酸铁( 二者简称聚铁) ，这些絮凝剂在水中存在多羟基络 离子，能够强烈吸附胶体微粒，通过粘附、架桥、交联以及卷扫作用，大量絮凝水中 的颗粒，表现出很高的絮凝能力。通过在聚合物的分子中引入某些高电荷离子以提高 电荷的中和能力，引入羟基、磷酸根等以增加配位络合能力，这些阴离子或阳离子可 以改变聚合物的形态结构及分布，从而可以大大改善絮凝剂的絮凝性f 掩t 6 1 。无机盐类 的共同特点是用量大、具有一定的腐蚀性和毒性、对环境有二次污染。如铝离子的环 境危掣”。对生物有毒性效应，铝离子可以阻碍生物的生长发育，甚至导致其死亡； 铝离子会影响人类的身体健康，如老年性痴呆病就是铝性脑病的一种，因此各国均 对饮用水中铝含量规定了限值；在废水生物处理过程中，由于微生物受到毒性影响 而使整体处理效果下降。而铁系絮凝剂对金属有腐蚀性，限制了所用设备，而且容易 残留铁离子，使被处理水带有颜色，影响水质。因此无机絮凝剂在应用方面有很大的 局限性。 1 3 2 有机絮凝剂 ( 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在6 0 年代己经在给水和废水处理及污泥调理中得到 广泛应用。人工合成有机高分子絮凝剂都是水溶性聚合物，重复单元中常含有带电基 团。目前主要使用的产品为聚丙烯酰胺( p a m ) 及其同系物、衍生物等线型高分子物 质。合成高分子絮凝剂由于分子量大，分子链官能团多的结构特点，在市场上占绝对 优势，如聚丙烯酰胺系列在美国、日本其市场占有率达8 0 以上，在我国年产近万吨。 目前对聚丙烯酰胺系絮凝剂的改性或提高性能方面的研究己取得了很大的进展【8 】。合 成高分子有机絮凝剂在废( 污) 水处理中占有重要位置，但是由于这些絮凝剂分子量 高，水溶液粘度大，在使用中常会遇到溶解速度慢，液体粘度高不易操作等问题。随 着石油产品价格不断上涨，这类絮凝剂价格普遍偏高，并且难生物降解，其单体毒性 大，如聚丙烯酰胺残留物不易被生物降解，单体丙烯酰胺( a m ) 具有强烈的神经毒 性和“三致”效应( 致畸、致突变、致癌) ，对环境造成二次污染。因此这类絮凝剂在给 水处理中、食品加工及发酵工业等方面应用的比较少。 ( 2 ) 天然有机高分子絮凝剂： 天然高分子絮凝剂在水处理中的应用历史可以追溯到2 0 0 0 年前的古代中国和古 代埃及。在近代水处理中，天然高分子絮凝剂仍然是一类重要的絮凝剂，但是它们的 使用远少于人工合成高分子絮凝剂，其原因是天然高分子絮凝剂电荷密度小，分子量 较低，易发生生物降解而失去絮凝活性。目前使用的天然有机高分子絮凝剂主要是碳 水化合物类( 多聚糖类、壳聚糖类、甲壳素类、微生物絮凝剂类) ，其产量约占高分子 絮凝剂总量的2 0 左右。改性天然高分子絮凝剂( 如淀粉衍生物类、纤维素衍生物类、 改性植物胶类以及蛋白质类等) 的原料只要来自植物，一般没有毒性，用于水和废水 处理可以防止出现二次污染。相对于传统的无机和有机絮凝剂而言，天然高分子絮凝 剂具有原料来源广泛，价格低廉，无毒，絮凝速度快，易于生物降解，对生态环境无 不良影响等特点，因而具有良好的开发价值和应用前景 9 。 在天然高分子絮凝剂中较为特殊的一类是微生物絮凝荆。微生物絮凝剂是一类由 微生物产生的有絮凝活性的代谢产物，主要有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和d n a 以及有絮凝活性的菌体等 1 0 12 1 。该类絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发酵、分 离提取而得到的一种新型、高效、廉价的水处理剂。与传统的无机和有机合成高分子 絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有许多独特的性质和优点e 1 3 q 1 】： a 易于固液分离。形成沉淀物少； b 易被微生物降解，无毒无害，安全性高； c 无二次污染； d 适用范围广； e 具有除浊和脱色性能： f ；l 自r 的微生物絮凝剂还具有不受p h 条件影响，热稳定性强，用量小等特点。 此外，产生絮凝剂的微生物绝大多数来自与人类关系十分密切的土壤中，资源极 其丰富，获得的方法也比较简单。因此，微生物絮凝剂作为一类高效安全的絮凝剂， 在人们亟待寻求一种新型絮凝剂代替传统絮凝剂的今天，己得到了诸多研究者的重视 和认可。尤其在研制和开发新型水处理剂已被提上议程的我国，将微生物絮凝剂作为 新一代高效无毒水处理剂进行研究并开发，确实是一个努力方向。 1 4 微生物絮凝剂的研究进展 1 4 1 微生物絮凝剂产生菌 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，种类较多，在霉菌、 4 酵母菌、放线菌、细菌中都有2 0 2 “。研究者用不同的培养条件、测试标准从环境中 分离絮凝剂产生菌见表1 - 1 。 表卜1 其有絮凝性的微生物种类 t a b l e l 一1 t h os p e c i e so f m i c r o o r g a n i s m p r o d u c i n g b i o f l o c c u l a m 1 4 2 微生物絮凝剂的种类 不同微生物在特定条件下产生絮凝剂的种类不同，主要为结构复杂的高分子物 质，按其化学组成分类，目前己知的微生物絮凝剂有蛋白质、多糖、脂类和d n a 类 等大分子物质。 ( 1 ) 蛋白质 早在1 9 7 6 年，j n a k a m u m 【1 8 2 8 1 在研究中就发现，a s p s o j a e a j 7 0 0 2 合成的絮凝剂 的主要活性成分是蛋白质和己糖胺。m t a k e d a 等【1 1 1 首先对r e r y t h r o p o l i s 产生的絮凝 剂n o c i 进行了分离纯化，发现其絮凝活性与蛋白质有重要关系，而与糖分无关， 经硫酸胺和正丁醇萃取精制后检验得知，n o c 1 的主要成分是蛋自质，而且分子中 含有较多的疏水氨基酸，进一步分析表明，其最大相对分子量为7 5 万，可溶于吡啶 等两性溶剂中，n o c 1 的氨基酸组成具体如表1 2 。 表卜2 微生物絮凝剂h o c - i 的氨基酸组成 1 i a b l e l 2t h e a m i n oa c i df u m l so f n o c - 1 ( 2 ) 多糖 目前已经鉴定的微生物絮凝剂多属于多糖类物质。a l c a l i g e n e sc u p i d sk t 2 0 1 3 1 1 代 谢产生的a i 一2 0 1 即是一种由葡萄糖、乳糖、葡萄醛酸和乙酸( 摩尔比为6 3 4 ：5 5 5 ：1 0 ) 组成的微生物絮凝剂，其中，乙酸以酯的形式存在 , e n t e r o b a c t e r s p b y 2 9 2 6 1 所产絮凝 剂为酸性多聚糖；p a c e c i l o m y c e ss pi - 1 3 2 所产的p f 1 0 1 是氨基半乳糖以a _ l ，4 糖苷键相 连而成的分子量大于3 1 0 5 的粘多糖，其分子中8 0 是n 一末取代的半乳糖胺残基， 8 为n 一端乙酰化。 纤维素作为一种多糖物质，也是某些微生物絮凝剂的主要活性组分，但微生物产 生的纤维索不像其他的微生物絮凝剂一样游离于细胞之外，而是紧紧附着于产生菌的 细胞壁上，直接引起菌细胞的絮凝沉降。由于该类絮凝剂主要引起菌细胞本身的絮凝， 因而使用范围较窄。 ( 3 ) 脂类 1 9 9 4 年，k u r a r t c 3 u 首次从r e r y t h r o p o l i ss - 1 的培养液中分离到了一种脂类絮凝 剂，这是此类生物絮凝剂的首例报道，也是目前发现的唯一的脂类絮凝剂。利用酸解、 酶解的方法结合h p l c 、t l c 、g c m s 等分析手段测定了其详细分子结构，发现分子 中含有葡萄糖单霉菌酸脂( g i 哪、海藻糖单霉菌酸脂( 1 m ) 、海藻糖二霉菌酸脂( ) m ) 三种组分，霉菌酸碳链长度从c 3 2 到c 4 0 不等，其中以c 3 4 、c 3 6 和c 3 8 居多。 ( 4 ) d n a k a z u os a k k a 和h a j i m et a k a h a s h i 用3 m o l l 盐酸胍处理p s e u d o m o n a $ s t r a i n c 1 2 0 菌细胞后，c 一1 2 0 失去了絮凝活性，当再加入分子质量大于6 1 0 6 u 的完整e c o l i 双链 d n a 或含有高分子d n a 的盐酸胍浸提液时，c 一1 2 0 重新恢复了絮凝活性，可见，高 分子量的天然双链d n a 是c 一1 2 0 菌体细胞凝集的直接原因。m w a t a n a b e 也报道了一 种d n a 类生物絮凝剂，他们从泰国的虾养殖厂的水底污泥中分离到一株光合细菌， 鉴定为r h o d o v u l u ms p p s 8 8 。研究发现，该菌在黑暗好氧和光照厌氧的条件下均有絮 6 凝活性，并且其絮凝活性与该菌分泌到胞外的d n a 有着直接关系。 从目前的研究成果来看，微生物产生的絮凝剂大多为机能性多糖类和机能性蛋白 质类物质，脂类、d n a 等其它类型的微生物絮凝剂较为少见。 表1 3 己鉴定的部分生物絮凝剂的结构与性质 t a b l e l - 3t h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t y o f i d e n t i f i e d b i o f l o c c u l a n t s 1 4 3 微生物絮凝剂的絮凝条件及其对絮凝活性的影响 微生物絮凝剂的絮凝活性不同程度地受到多种因素的影响，包括絮凝剂分子本身 的性质和絮凝时的外界条件。 ( 1 ) 絮凝剂分子对絮凝活性的影响 絮凝剂的分子大小、结构、形状和所带基团都极大地影响着絮凝剂的絮凝活性。 一般说来，分子量越大，絮凝活性越高。n a k a m u r aj 1 8 - 2 7 用不同浓度的蛋白酶处理 a s p 絮凝剂，其活性有不同程度的下降，最大的甚至降至原活性的5 0 ，而该絮凝剂 对蛋白质变性剂一8 m 0 1 l 的尿素不敏感。由此推断，絮凝剂a s p 的蛋白质组分仅仅 是提供多聚物的分子量，而非必要的活性组分。用蛋白酶处理后其活性下降就是由于 其中的对絮凝活性并非必要的蛋白质组分水解引起的多聚物分子量降低所致。 如果絮凝剂分子结构是交联的或支链结构，其絮凝效果就差，而线形大分子絮凝 剂则活性较高。絮凝剂分子中的一些特殊基团，由于在絮凝剂中充当颗粒物质的吸附 部位或维持一定的空间构象，对絮凝活性影响很大。n a k a m u r aj 等用高锰酸钾处理絮 凝剂的己糖胺多聚物部分，使其氧化而释放出氨，致使活性消失。这可能是由于絮凝 剂失去了活性部位一氨基所致。 ( 2 ) 絮凝条件对絮凝活性的影响 絮凝过程是胶体颗粒与絮凝剂大分子相互靠近、吸附并形成网状结构的过程，因 此絮凝剂分子与胶体颗粒的表面电荷对絮凝活性都有很重要的影响。体系的p h 赢接 影响絮凝剂大分子和胶体颗粒表面电荷，从而影响它们之间的靠近和吸附行为。不同 的絮凝剂对p h 的变化敏感程度不同，同一种絮凝剂对不同的被絮凝物存在不同的最 适p h 。 离子种类与离子强度对絮凝剂活性影响很大。一般来讲，大多数阳离子如c a 2 + 、 m n 2 + 、m 孑+ 、a 1 3 十等能提高絮凝活性。这可能是由于电解质的加入中和了絮凝剂分 子和悬浮颗粒的部分负电荷，减弱了彼此之间的排斥力，增加了悬浮颗粒对大分子的 吸附量，最终促进架桥形成。 温度对部分絮凝剂活性表达也有影响。高温可使某些高分了物质空间结构改变， 导致变性，因而表现出絮凝活性的下降。n o c 一1 在开放系统中1 0 0 处理1 5 m i n ，活 性即下降约5 0 。但是也有的絮凝剂对温度不敏感，这是由于其表现絮凝活性的主要 部分在高温处理后结构不改变，仍能与胶体颗粒结合，因此活性不随温度变化而变化。 温度对絮凝活性的影响还与体系p h 有关，即在不同p h 条件下絮凝剂的温度稳定范 围不同。 絮凝体系中絮凝剂和被处理物的浓度也是影响絮凝剂活性的重要因素。通常絮凝 剂都存在一最佳加入量，过多或过少均会使絮凝效果下降。据分析，絮凝剂的最佳加 入量大约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和时的一半吸附量，因为此时大分 子在固体颗粒上架桥几率最大。由于絮凝剂分子本身的结构性质不同，即使对同一处 理对象，不同絮凝剂最适加入量也不同。 胶体颗粒的表面结构对絮凝活性也有一定的影响。研究表明，虽然微生物絮凝剂 具有广谱的絮凝作用，但对不同的胶体颗粒表现出不同的絮凝沉降作用。处理对象不 同时，其活性相差可达2 0 以上。 1 4 4 微生物絮凝剂的絮凝机理 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 g i e l d 的粘质假说， c r a b t r e e 的利用p h b 聚合学说，f r i e d m a n 的菌体外纤维素纤丝学说等。目前解释微 生物絮凝机理较好的学说主要有以下几种 3 2 - 3 6 ： ( 1 ) “桥联作用”机理 对于微生物分泌的游离于细胞外的絮凝剂的絮凝机理，目前较为普遍接受的是 “桥联作用机理。该学说认为，大分子生物絮凝剂的絮凝过程是几个物理化学过程共 同作用的结果。 a 电中和作用：溶液中带有多个电荷的多价电解质能够与颗粒表面带的相反电荷 发生中和，从而减弱颗粒间彼此的相互排斥力，促进颗粒的絮凝沉降，为絮凝剂的架 桥提供了有利条件。在胶体颗粒的絮凝过程中，电中和效应也是不容忽视的。 b 吸附架桥作用：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 粒子，在颗粒间产生架桥现象，从而形成一种网状三维结构沉淀下来。大分子的吸附 作用是桥联机理的核心内容，也是促使胶体物质絮凝沉淀的最主要的作用力。 c 卷扫作用( 网捕作用) ：形成小粒絮体的絮凝剂在重力作用下的沉降过程中，犹如 一个过滤网下降，迅速卷扫水中胶粒产生沉淀。 ( 2 ) “类外源絮凝聚素”假说 “类外源絮凝聚素”假说很好地解释了酵母菌的絮凝机理：絮凝酵母细胞壁上的特 定表面蛋白与其他酵母细胞表面的甘露糖残基之间的专一性结合引起絮凝。絮凝的供 体对蛋白酶敏感，仅存在于絮凝细胞上；受体对蛋白酶不敏感，受甘露糖专一性控制， 存在于絮凝和非絮凝细胞上。 ( 3 ) “菌体外纤维素纤丝”学说 f r i e d m e n 的“菌体外纤维素纤