（矿物加工工程专业论文）微生物絮凝煤泥水的试验及絮凝机理研究.pdf

摘要 捅晏 煤泥水是选煤厂湿法加工过程中的工业废水。目前主要用有机高分子絮凝剂 和无机电解质凝聚剂来加速煤泥水的絮凝沉降，而微生物絮凝剂作为新一代安全 无毒无害的絮凝剂被应用于处理煤泥水具有十分深远重大的意义。 本论文主要研究球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌，并采用驯化、紫外诱变和 化学诱变育种方式，对煤泥水进行絮凝j 下交试验，系统研究煤泥水絮凝的各种因 素对絮凝率的影响，寻找微生物絮凝剂絮凝煤泥水的最佳工艺组合，同时研究菌 种的生长曲线和诱变育种的最佳条件。试验结果表明：不同的球红假单胞菌和黄 孢原毛平革菌对煤泥水都有絮凝效果。原始的球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌絮 凝率最高分别为9 3 4 和9 3 5 ；驯化后球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌絮凝率 最高分别为9 3 1 9 和8 8 6 8 ；紫外诱变的球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌絮凝 率最高分别为9 6 1 9 和9 5 0 4 ；化学诱变的球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌絮 凝率最高分别为9 5 6 6 和9 5 0 8 。紫外光诱变球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌 的最佳照射时间分别为l m i n 和4 0 s ；用亚硝酸盐对球红假单胞菌和黄孢原毛平革 菌进行化学诱变的最佳浓度都为0 0 3 3 m o l l 。紫外诱变和化学诱变这两种方式对 菌种的改良都可以提高该菌种对煤泥水的絮凝效果，驯化育种有助于提高絮凝煤 泥水的稳定性。 同时提取这两类微生物的生物大分子粗品粉末经过紫外扫描删、红外光谱 ( f t i r ) 、扫描电镜( s e m ) 分析，并对煤泥进行x 射线衍射( x r d ) 分析，探讨微生 物絮凝煤泥水的絮凝机理，结果表明：微生物絮凝剂分子和煤泥水颗粒之间可通 过“吸附架桥”作用发生絮凝并最终导致沉淀。 图【3 3 】表【1 2 】参【8 1 】 关键词：煤泥水：微生物絮凝剂；球红假单胞菌；黄孢原毛平革菌 分类号：( t d 9 2 5 5 ) a b s t r a c t a b s t r a c t c o a ls l u r r yi si n d u s t r i a lw a s t e w a t e rw h i c hi nt h ep r o c e s so fw e t - p r o c e s s i n gi nt h e c o a lp r e p a r a t i o np l a n t a tp r e s e n t ，t h eo r g a n i cp o l y m e rf l o c c u l a n ta n di n o r g a n i c c o a g u l a n ta r em a i n l yt ob eu s e dt oa c c e l e r a t et h ef l o c c u l a t i o na n ds e t t l e m e n ts p e e do f c o a l s l u r r y a n dt h em i c r o b i a lf l o c c u l a n t ( m b f ) a san e wg e n e r a t i o no fs a f e ， n o - p o i s o n o u s ，h a r m l e s sf l o c c u l a n th a sb e e na p p l i e di nt h ec o a ls l u r r yt r e a t m e n t , a n d h a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h e p a p e r ,r h o d o p s e u d o m o n a ss p h e r o i d e s ( r s ) ，p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m ( p c ) a n dn e wb a c t e r i u mb ym e a n so fd o m e s t i c a t i o n , u vi n d u c e d m u t a t i o na n dc h e m i c a li n d u c e dm u t a t i o na l s oh a v e b e e nu s e dt oo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h ee f f e c t so fv a d o u sk i n d so ff a c t so nc o a ls l u r r yf l o c c u l a t i o nh a v e b e e ns t u i e dt of i n d o p t i m u mc o m b i n a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h eg r o w t hc u r v e so ft h es t r a i n sw e r ea l s o t e s t e da n da n a l y s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed i f f e r e n c e so fr h o d o p s e u d o m o n a s s p h e r o i d e sa n dp h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u mh a v ee f f e c t i nc o a ls l u r r y t h eb e s t f l o c c u l a t i o nr a t eo fo r i g i n a lr s a n dp c a r er e s p e c t i v e l y9 3 4 a n d9 3 5 ，t h eb e s t f l o c c u l a t i o nr a t eo fd o m e s t i c a t e d1 l s a n dp c a r er e s p e c t i v e l y9 3 1 9 a n d8 8 6 8 ， t h eb e s tf l o c c u l a t i o nr a t eo fu vi n d u c e di l s a n dp c a r er e s p e c t i v e l y9 6 19 a n d 9 5 0 4 ，t h eb e s tf l o c c u l a t i o nr a t eo fc h e m i c a li n d u c e dr s a n dp c a r er e s p e c t i v e l y 9 5 6 6 a n d9 5 0 8 t h eb e s te x p o s u r et i m eo fr s a n dp c u n d e ru vi r r a d i a t i o ni s r e s p e c t i v e l ylm i na n d4 0 s ，t h eb e s td e n s i t yo f r s a n dp c w i t hn i t r i t ea r eo 0 3 3 m o l l u vi n d u e e dm u t a t i o na n dc h e m i c a li n d u c e dm u t a t i o nc a ni n c r e a s ef l o c c u l a t i o nr a t eo f c o a ls l u r r y ，a n dd o m e s t i c a t i o nm u t a t i o ni m p r o v et h es t a b i l i t yo fc o a ls l u r r y f l o c c u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h e s et w ot y p e so fm i c r o b i o l o g yo fb i o l o g i c a lm a e r o m o l e c u l e s c r u d ep o w d e rw e r ee x t r a c t e da n da n a l y s e db yu f t i i ls e m c o a ls l u r r yw a s a n a l y s e db yx r d t h ef l o c c u l a n tm e c h a n i s mo ft h em b f ( b ) w a sd i s c u s s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tm b fm o l e c u l ea n dc o a ls l u r r yp a r t i c l ec o u l df l o c c u l a t eb y ”a b s o r p t i o nb r i d g e ”，f m a l l yd e p o s i t e d 安徽理工人学硕士学位论文 f i g u r e 【3 3 】t a b l e 【12 】r e f e r e n c e 【81 】 k e y w o r d s ：c o a ls l u r r y , m i c r o b i a lf l o e c u l a n t , r h o d o p s e u d o m o n a ss p h e r o i d e s , p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：( t d 9 2 5 5 ) 一i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徵堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作粼：斗纽帆出j 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者张争厂堂霭签字日期5 7 年钿7 日 导师签名： 谁卑晨 签字日期： 冲6 月7 日 引言 引言 煤泥水是湿法选煤加工过程的工业废水，选煤厂煤泥水处理效果好坏对其他 环节的影响很大，甚至会决定全厂的经济效益和社会效益。煤泥水的主要特点是 粒度细、灰分高、颗粒表面多带负电荷。由于同性相斥，使得这些煤粒在水中呈 分散状态。通常用高分子絮凝剂来加速煤泥水中颗粒的沉降，但因其价格较昂贵， 或者使用量较大，不仅增加了企业的经济负担，而更为重要的是，这些絮凝剂的 大量使用，会造成一定的环境污染，危害人类生存环境。 微生物絮凝剂除了具有高效、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、筛选容易及其絮凝剂制备时间短，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的目的。目前微生物絮凝剂已经在许多领域得到应用， 但是微生物絮凝剂处理选煤厂煤泥水的研究报道却很少。 本课题选取两种微生物，并对其进行驯化、紫外和化学诱变育种，设计絮凝 煤泥水的正交试验，以期发现絮凝煤泥水最佳工艺条件，最后用现代分析测试技 术对微生物絮凝物质和煤泥水进行研究，探讨微生物絮凝煤泥水的絮凝机理。 安徽理：i ：大学硕十学位论文 1 1 煤泥水处理的意义 1 1 1 煤炭资源分析 l 绪论 能源是国家经济发展和人类赖以生存的物质基础。煤炭是我国的主要能源， 其生产量和消费量一直占能源的7 0 左右。我国煤炭资源丰富，品种齐全。到2 0 世纪末，煤炭的探明储量有l 万亿吨，其中已利用储量中尚有可采储量8 0 0 多亿 吨；我国的石油、天然气资源相对不足，其储量只可供开采几十年；水力资源虽 然丰富，但集中在西南地区，而且开发利用需要的投资很大；核能、太阳能、生 物能的开发利用则刚刚起步。所以，未来几十年内，煤炭仍是我国最可靠的能源， 煤炭的基础能源地位不会改变。我国是煤炭的生产和消费大国，每年生产和消费 煤炭都在十几亿吨以上。大量生产和消费煤炭，无论对区域经济，还是对全球气 候都造成很大的影响。为此，国家鼓励和提倡发展洁净煤技术【l 】。 1 1 2 煤炭加工 选煤是洁净煤技术的基础，也是煤炭深加工( 制水煤浆、焦化、气化、液化) 和洁净、高效利用的前提。选煤，可以除去原煤中的大部分矿物杂质，提高煤炭 质量，并把它分成不同等级，为用户合理利用创造条件。国家鼓励发展煤炭洗选 加工，原煤入选量不断提高，从1 9 4 9 年的几十万吨发展到现在的5 亿多吨。 1 1 3 煤泥水处理 原煤中含有一定数量的杂质，必须进行洗选加工。对于采用湿法分选的选煤 厂来说，经主选作业后会产生大量的煤泥水，煤泥水系统是实现洗水闭路循环， 确保清水选煤的关键环节。煤泥水系统运行状况的好坏直接影响到分选设备的分 选效果、重介质消耗、产品水分等指标。当煤泥水系统严重恶化时，会导致整个 选煤系统无法正常运行甚至停产。目前煤炭洗选的工艺和方法绝大多数是以水或 水的混合物作为洗选介质，如重介选、跳汰选、浮选等，通常入选i t 原煤要用3 5 m 3 水。随着机械化采煤量的增加，原煤中煤粉量急剧增加。这些煤粉和其他杂质 在洗选过程中悬浮于分选介质中成为煤泥水，其中除含有固体悬浮物外，还有因 洗选工艺需要而添加的药剂、油类等等。这些煤泥水必须经过一定的工艺处理后 才能够在选煤厂循环使用，以满足选煤厂各工艺环节对循环水的要求，或在必须 2 1 绪论 外排时满足国家环保法规的要求。将数量庞大的含有煤泥颗粒的煤泥水采用工业 上成熟的固液分离技术进行分离，从中回收不同品质的细粒产品和适合选煤厂的 循环用水，做到洗水闭路循环，在必须排放时能符合环境保护的排放要求，不污 染环境，这就要进行煤泥水的处理。 长期以来，煤泥水的净化一直难以解决，大多数选煤厂煤泥水处理系统都或 多或少的存在一些问题。主要原因是随着选煤机械化程度的提高，细粒煤所占的 比重越来越大。煤泥水集中了原煤中最细、最难处理的微细颗粒，由于这些颗粒 粒度细、灰分高、粘性大、难以沉降，因而极难用常规的沉淀、回收和脱水设备 处理，必须采取适当的絮凝或凝聚剂。因此，解决煤泥水的净化问题成为选煤厂 j 下常生产的首要前提，对于实现选煤厂洗水闭路循环具有重要的意义【2 】。 1 2 传统的煤泥水絮凝剂 1 2 1 絮凝剂的分类 絮凝剂的分类方法很多。按组成的不同，一般可将其分为无机絮凝剂、有机 絮凝剂以及近年来兴起的生物絮凝剂；若根据分子量的高低、官能团的特性及官 能团离解后所带电荷的性质，可将其进一步分为高分子、低分子、阳离子型、阴 离子型和非离子型絮凝剂等 3 1 ，如表1 所示。 表1 絮凝剂品种分类 t a b l e lc a t e g o r i e so ff l o c c u l a n ts p e c i e s 无机阳离子絮凝剂 无机低分子絮凝剂 无机阴离子絮凝剂 无机絮凝剂 铝盐无机高分子絮凝剂 无机高分子絮凝剂铁盐无机高分子絮凝剂 硅酸盐及各种复合絮凝剂 絮凝剂 有机阳离子絮凝剂 有机高分子絮 人工合成有机高分子絮凝剂 有机阴离予絮凝剂 凝剂 非离子有机絮凝剂 天然有机高分子絮凝剂 微生物絮凝剂 3 安徽理工人学硕十学位论文 1 2 2 无机低分子絮凝剂 目前，国内处理煤泥水采用的絮凝剂主要是铝盐、铁盐和含c a 2 + 的无机盐与聚 丙烯酰胺( p a m ) 联合使用。铝盐主要有硫酸铝、明矾、铝酸钠。铁盐主要有三氯 化铁、硫酸亚铁和硫酸铁。如庞庄选煤厂，采用硫酸铝与p a m 配合使用，使尾煤浓 缩机溢流水浓度从8 0 - - - 9 0 9 l 降至0 3 5 9 l 【4 】。柳迎红等采用投加f e s 0 4 7 h 2 0 和 p a m 两种絮凝剂，三点加药方式，即先投加p a m ，再投加f e s 0 4 7 h 2 0 ，最后投加p a m ， 使阜新清河门矿煤泥水从1 0 9 l 降至0 2 6 8 9 l ，实现洗水闭路循环【5 】。铁法地区成 煤时间短，煤质松软，成分复杂。李亚峰等发现c a 2 + 能使这种特殊煤泥水毛负电 位降低，提出用石灰+ p a m ，c a c l 2 + p a m ，电石渣+ p a m 处理这种高浓度废水，效 果良好【6 】。 1 2 3 无机高分子絮凝剂 无机高分子絮凝剂是2 0 世纪6 0 年代以来在传统的铝盐、铁盐絮凝剂基础上 发展起来的新型水处理药剂。它比传统的絮凝剂可成倍地提高絮凝效能，而价格 又相对较低。它包括聚合硫酸铁、聚硅硫酸盐、聚合氯化铝铁、聚氧硫酸根合高 铁、7 1 0 净水剂和无机高分子铁钙铝混凝剂等。沫江洗煤厂用聚铁处理煤泥水， 取得良好的处理效果，废水浓度从1 4 0 6 6 9 9 l 降至o 1 1 9 9 l ，如果和p a m 联用 效果更好【7 j 。宋永会等用聚硅硫酸铁( p f s s ) 处理肥城矿务局杨庄煤矿废水，除浊效 果好，只需加入2 0 m g l ，就可使煤泥水浊度从5 8 0 度降至1 0 度以下【8 】。对沙曲 选煤厂煤泥水进行处理，当投加聚合氯化铝铁絮凝剂2 9 9 m 3 ，聚丙烯酰胺3 9 m 3 时，浓缩机溢流浓度从1 2 0 9 l 降至l g l ，证明此工艺效果显掣9 1 。 1 2 4 有机高分子絮凝剂 有机高分子絮凝剂同无机高分子絮凝剂相比，具有用量少、絮凝速度快，受 共存盐类、p h 值及温度影响小，且易处理等优点。但是有机高分子絮凝剂普遍 存在未聚合的单体有毒性的问题，而且价格昂贵。目前使用的有机高分子絮凝剂， 主要有合成和改性两种。人工合成有机高分子絮凝剂多为聚丙烯、聚乙烯物质。 而天然有机高分子絮凝剂主要是将天然淀粉、纤维素、植物胶等经过醚化、酯化、 磺化、交联接枝等反应制得淀粉类、纤维素类、植物胶改性高分子絮凝剂。阳离 子聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物( p q 删和聚丙烯酰胺( p a m ) 联用处理庞庄煤 泥水，当p q a a m 与p a m 联合用量为6 m g l 时沉降速度为0 7 4 3 c m s ，透光率为 4 1绪论 8 7 【l o 】。m n 一5 絮凝剂是以多胺类阳离子絮凝剂为主体的复配药剂，当它p a m 联 合使用处理淮北石台选煤厂煤泥水，浓缩机溢流浓度从6 0 9 l 降至0 3 9 l ，达到了 洗水一级闭路标准【】。p a m a m 树形分子是一种内部具有树枝状结构的球形分子， 表面有很多- n h 2 基团。在对铁法小青矿煤泥水处理实验中效果优于传统方法，上 清液分离率为5 3 6 ，浊度降至4 4 3 度【1 2 】。 1 3 微生物絮凝剂 1 - 3 1 微生物絮凝剂的定义和分类 微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝活性的代谢产物。由于微生物 种类繁多，分布广泛，易于从环境中筛选到絮凝剂产生菌，如活性污泥、土壤、 河流底泥、各种工业废水、甚至下水道、厨房排水道污泥都可作为絮凝剂产生菌 的菌种来源【1 3 - 1 7 1 。此外，微生物还具有代谢活动旺盛、生长繁殖快、对环境适应 能力强、易产生变异等特点，可以通过优化培养条件使絮凝剂产生菌在短时间内 大量自我繁殖并产生絮凝剂，还可通过基因工程的手段，使絮凝剂产生菌同时获 得其它优良性状，如高效性，产生更多的微生物絮凝剂，对环境的适应能力增强， 对某种难降解污染物具有降解性等，以提高微生物絮凝剂的实用性【1 8 l 。由于上述 特点以及微生物絮凝剂的高效、安全无毒、无二次污染、易于生物降解等特点， 近年来微生物絮凝剂得到了各国研究者的广泛关注并成为新型絮凝剂研究开发的 热点【1 9 - 2 2 。 微生物絮凝剂的絮凝性是由产微生物本身或其在培养后期产生的次级代谢产 物所引起的。这种次级代谢产物结构特殊，分子量大，能够吸附一些悬浮物质， 主要包括蛋白质、多糖、脂类、纤维素、d n a 等物质。根据来源不同，微生物絮 凝剂可以分为三类【3 】： 1 ) 直接利用微生物细胞的絮凝剂：如某些细菌、霉菌、放射菌和酵母菌，它 们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。 2 ) 利用微生物细胞提取物的絮凝剂：如酵母细胞壁的葡萄糖、甘露聚糖、蛋 白质和n 乙酰葡萄糖胺等成分可以作为絮凝剂。 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活性的代 谢产物有的储藏在胞内作为内源代谢物，有的则分泌到胞外或者粘附在菌体表面， 或者脱离菌体，游离于培养液中。微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物主要是细 胞的荚膜和薪液质，除水分外，其主要成分为多糖及少量的多肤、蛋白质、脂类 5 安徽理工人学硕士学位论文 及其复合物，可用作絮凝剂的主要是多糖和蛋白质。 1 3 2 微生物絮凝剂产生菌 目前已报道的可产生絮凝性的微生物很多，包括细菌【2 3 埘】、真菌【2 5 - 2 s l 、放射 菌【2 9 。0 1 、酵母菌1 3 1 。3 】等。至今发现的具有絮凝性微生物广泛分布于各种土壤、污 水之中，其中细菌包括有粪产碱菌属、协腹产碱杆菌、渴望德莱氏菌、芽孢杆菌 属、棒状杆菌、暗色孢属、草分支杆菌属、红平红球菌、铜绿假单胞菌属、荧光 假单胞菌属、粪便假单胞菌属、发酵乳杆菌、嗜虫乳杆菌、金黄色葡萄糖菌、土 壤杆菌属、环圈项圈蓝细菌、厄氏菌属和不动细胞属等。真菌分别为酱油曲霉、 棕曲霉、寄生曲霉、赤红曲霉、拟青霉属、棕腐真菌、白腐真菌、白地霉和栗酒 裂殖酵母等。放射菌分别为椿象虫诺卡氏菌、红平诺卡氏菌、石灰壤诺卡氏菌、 灰色链霉菌和酒红链霉菌等。 1 3 3 微生物絮凝剂产生影响因素 有些研究者认为正是因为一些微生物絮凝剂是通过化学桥联作用将被絮凝物 质集聚在一起，所以其絮凝作用通常是广谱的，不易受微生物个体和颗粒物表面 特性的影响。能被絮凝的物质包括各种细菌、放线菌和真菌的纯培养物、活性污 泥、微囊藻、泥浆、土壤固体悬液、底泥、煤灰、血细胞、活性碳粉沫、硅胶粉 末、氧化铝、高岭土和纤维素粉【州7 】等，均具有较好的絮凝能力。但也有一些微 生物絮凝剂的絮凝作用面较窄，例如a s p e r g i l l u ss o j a e 4 9 产生的絮凝剂可以非常有 效地絮凝b r e v i b a e t e r i u ml a e t o f e r l l l e l l t u l i l 等微生物，絮凝率达到1 0 0 ，但对另一 些微生物絮凝效果较差，有的只有3 3 。这说明，微生物絮凝剂的絮凝能力受被 絮凝物质性质的极大影响。除此之外，除了被絮凝物质的性质外，影响微生物絮 凝剂絮凝能力的因素还包括絮凝剂的分子结构、分子量、投加剂量、温度、p h 、 无机金属离子、搅拌速度和时间等【协5 2 1 。 1 ) 絮凝剂的分子结构、分子量 一般来说，线性结构的大分子絮凝剂的絮凝效果较好，如果分子结构是交联 或交链结构，其絮凝效果较差。另外微生物絮凝剂分子量的大小对絮凝剂的絮凝 活性至关重要，分子量大，吸附位点就多，携带的电荷就多，中和能力也强，架 桥作用和卷扫作用明显。 2 ) 絮凝剂的投加量 一般情况下，絮凝的效果随着絮凝剂的用量增加而增加。但絮凝剂的用量达 6 l 绪论 到一定值时，会出现峰值，再增加用量时，絮凝效果反而下降，故在使用时，要 确定最佳效果的絮凝剂用量。据分析，最佳值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机率最大。当 絮凝剂过量时，有时会使所形成的絮体重新变成稳定的胶体。絮凝剂的用量与溶 液中悬浮物的含量有关。 3 ) 温度 温度对某些微生物絮凝剂的活性有较大影响，水溶液的温度过高或过低，对 絮凝作用皆不利。当水温过高时，化学反应速度加快，形成细小的絮凝体，并且 会使絮凝体的水合作用增加，因此产生的活性污泥含水量高、体积大、难处理。 更重要的是，如果将所处理的水加热升温，还会消耗大量的能源，提高成本。当 水温过低时，有些絮凝剂的水解反应慢，水解时间增加，影响处理的水量：若不 延长时间，还会影响处理的效果。温度过低也增加了水的粘度，粘度大时，增加 了水对絮凝体的撕裂作用，使絮凝体变得细小不易分离。 4 ) p h 值 絮凝剂的絮凝能力受p h 影响的原因是酸碱度的变化改变了生物聚合体的带 电状态和中和电荷的能力，以及被絮凝物质的颗粒表面性质( 如带电状态) 。一般 情况下，阳离子絮凝剂适合在酸性和中性的条件下使用。阴离子型絮凝剂适合在 中性和碱性的条件下使用。非离子型絮凝剂适合于从强酸到碱性的环境中使用。 选择p h 适当时，可以节省大量的絮凝剂，降低成本，并且能使絮凝作用进行的 完全，絮凝效果好；反之，如果絮凝p h 选择不恰当，轻者降低絮凝效果，重者 不能形成絮凝沉淀甚至使己经形成的絮凝体重新变成胶体溶液。 5 1 无机金属离子 有些微生物絮凝剂中含有金属离子，可以加强其架桥作用和中和作用，这对 其絮凝活性有重要意义，甚至是必需的条件。即使对于不含金属离子的微生物絮 凝剂，添加一些金属离子也能提高其絮凝活性。具体来说：c a 2 + 可以显著提高微 生物絮凝剂的活性5 3 科】，对于一些微生物来说，形成絮凝体必须有二价钙离子的 参与，但对于另一些微生物却不是这样。一般认为钙离子的作用是起化学桥联作 用，在絮凝微生物细胞之间联结细胞表面的蛋白质和多糖。 添加m 9 2 + 也能提高微生物絮凝剂的活性，但关于镁离子的作用，一些研究者 根据各自的研究结果得出的结论并不一样 5 5 4 6 】；钠离子可以增加絮凝剂的活性， 但达到一定浓度后，在提高钠离子的浓度对增加絮凝活性的意义不大。除了上述 三种离子之外，f e 3 + 和a l ”对絮凝活性也有作用。但这两种粒子在低浓度时可以 - 7 安徽理t 大学硕士学位论文 提高微生物絮凝剂的活性，达到一定浓度后，反而会抑制絮凝剂的形成1 5 7 鲻】。 6 ) 搅拌速度和时间对絮凝作用的影响 搅拌速度和时间选择的恰当，可以加速絮凝过程，有利于絮凝剂发挥作用， 提高絮凝效果。搅拌速度不能过快、搅拌时间不能过长。般来说蹬9 - 6 0 l ，搅拌速 度以4 0 1 0 0 r m i n 为宜，不要超过1 5 0 r m i r a 搅拌时间以2 - - - 4 m i n 为宜，不要超过 5 m i n 。搅拌的速度过快、时间过长时，会将大颗粒的固体绞碎变成小颗粒，将能 够沉淀的颗粒搅拌成不能沉淀的颗粒，这样就降低了絮凝效果。当然，搅拌速度 过慢，时间过短，也不利于絮凝作用。因为絮凝剂和固体颗粒不能充分接触，不 利于絮凝剂捕集胶体颗粒，而且絮凝剂的分布也不均匀，更不利于发挥絮凝剂作 用。 1 3 4 微生物絮凝剂的应用 1 ) 污水处理 邓述波等从土壤中分离筛选得到的硅酸盐芽孢杆菌产生的絮凝剂m b f a 9 絮 凝高岭土悬浮液的用量为o 1 舭，是一般微生物絮凝剂用量的1 1 0 1 2 0 0 ，且 絮凝率高达9 9 6 。用絮凝剂m b f a 9 处理高浊度河水，技术指标优于p a m 等常 规絮凝剂，处理后河水絮团大、沉降快、上清液浊度低，而且处理后c o d 值最 小【6 1 】。用n o c l 微生物絮凝剂加c a 2 + 处理粪尿污水，处理1 0 r a i n ，上清液接近透 明，t o c 、o d 6 6 0 值均有显著降低，t o c 去除率为7 0 1 ：浊度去除率达9 9 7 【吲。 况金蓉等从污泥中筛选出菌株b f 3 处理石化废水，结果表明絮凝效果优于p a c 、 h p a m ，浊度去除率达9 0 1 1 6 3 】。微生物絮凝剂可用于高岭土、泥水浆和粉煤灰 等水样的处理。陶瓷厂的废水添加n o c l 后5 m i n ，釉药废水中o d 6 6 0 值从1 7 2 下降到0 3 5 ，浊度去除率9 7 9 。坯体废水中o d 6 6 0 值从1 4 降到0 0 4 3 ，浊度 去除率9 6 6 1 c , 4 】。食品及餐饮行业产生的废水中往往含有大量可利用成分，需回 收。生物絮凝剂由于无毒、无二次污染，处理废水后可达满意效果。邓述波利用 筛选的菌株a 9 ，对淀粉废水处理，废水中s s 、c o d 去除率分别为8 5 5 、6 8 5 ， 效果明显优于化学絮凝剂，且可回收其蛋白质成分作饲料【6 5 1 。染料废水成分复杂， 水质变化大，色度高，含有难降解的有机物，是目前较难降解和处理的工业废水 之一。黄晓熊用红砖碎粒，自制多孔陶珠固定微生物细胞处理印染废水，脱色效 果良好1 6 6 j 。 2 ) 改善活性污泥 活性污泥膨胀是水处理工程中令人棘手的问题，用聚丙烯酰胺和海藻酸钠处 8 i 绪论 理悬浮污泥不易沉降，投入质量分数超过4 0 0 1 0 6 后污泥变粘，不易过滤。而生 物絮凝剂能有效地清除污泥膨胀，改善其沉降性能，加入质量分数为2 0 0 1 0 6 即可达到同样的絮凝效果【6 7 】。 3 ) 发酵液处理 由于许多发酵液呈胶体状态，给过滤带来困难，如采用絮凝技术与其他常规 方法结合，可有效地使生物细胞和发酵产物从发酵液中分离出来。例如，絮凝剂 p f l 0 1 发酵液稀释后仍可对e c o l i 细胞表现出高絮凝活性【6 8 1 。a s p e r g i l l u ss p j s 4 絮凝剂也可有效地絮凝水中微生物【6 9 1 。 4 ) 橡胶产业 j a y c h a n d r a n 等从天然橡胶乳液离心排出物中分离出a c i n e t o b a e t e r s p ，其分泌 物可有效地将脱脂橡胶从脱脂乳中凝结出来。实验发现，当投入6 4 9 l 的菌体时， 脱脂橡胶产出率为8 ，剩余液中c o d 为0 4 m g l ；而对照用化学絮凝方法的脱 脂橡胶产出率只有7 ，c o d 为2 2 m g l 1 7 们。 5 ) 食品工业 袁其朋研究了5 种絮凝剂对低聚木糖水解液絮凝脱色效果的影响。结果表明， 微生物絮凝剂n o c l 在用量为2 0 m l l ，p h 为6 5 ，温度为8 0 及5 0 m m o l a l ” 存在时，可除去约8 6 的色素。利用絮凝结合活性炭脱色比单纯用活性炭脱色低， 聚木糖的损失减少约3 9 ，活性炭用量减少9 0 1 7 1 1 。 6 ) 乳浊液中油水分离 a l c a l i g e n e sl a t u s 产生的絮凝剂质量分数为1 0 ，加入0 2 5 的棕榈油的乳浊 液，很快可以看到油滴上浮到表面形成一油层，从而容易达到油水分离。同时将 下层水中的c o d 的质量分数由原来的4 5 0 1 0 击降到最终的2 3 5 1 0 - 6 ，去除率为 4 8 ，而无机或有机絮凝剂都没有这种效果【7 2 l 。 1 4 课题研究概述 1 4 1 课题研究目的 微生物絮凝剂已经应用于许多领域，但是在煤炭加工领域，国内外研究的人 甚少，本论文研究了微生物絮凝剂对煤泥水的絮凝效果。选用球红假单胞菌和黄 孢原毛平革菌作为微生物絮凝剂，通过对其进行改性和改良，并对煤泥水进行絮 凝试验。找出球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌絮凝煤泥水的最佳工艺条件，探索 出微生物絮凝煤泥水的机理，进而为开发绿色环保型微生物絮凝剂，并达到商品 9 安徽理：r = 大学硕士学位论文 化生产和应用水平提供一些参考依据。 1 4 2 课题研究内容 根据当前微生物絮凝剂用于煤泥水处理的研究现状，确定以下几个方面作为 本论文的研究内容： 1 ) ，煤泥水的性质分析； 2 ) ，对微生物进行驯化和诱变育种试验； 3 ) ，原始球红假单胞菌和原始黄孢原毛平革菌絮凝煤泥水的试验研究； 4 ) ，驯化后的球红假单胞菌和驯化后的黄孢原毛平革菌絮凝煤泥水的试验研 究； 5 ) ，紫外诱变后的球红假单胞菌和紫外诱变后的黄孢原毛平革菌絮凝煤泥水 的试验研究； 6 ) ，化学诱变后的球红假单胞菌和化学诱变后的黄孢原毛平革菌絮凝煤泥水 的试验研究： 7 ) ，提取微生物絮凝剂的生物大分子物质，运用多种现代分析测试技术对其 进行检测，进而探讨微生物絮凝剂的絮凝机理。 1 4 3 课题研究解决的关键问题 1 ) ，对球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌进行驯化，紫外诱变以及化学诱变， 找出最佳诱变条件，验证菌种改良对煤泥水絮凝的影响条件。 2 ) ，通过试验找出影响絮凝煤泥水的因素，得出最佳絮凝率的工艺条件，进 而分析影响絮凝效果的因素和指标。 3 ) ，通过各种现代分析测试技术对煤泥和絮凝剂进行研究，探索出微生物絮 凝煤泥水的絮凝机理。 1 0 2 试验材料和研究方法 2 试验材料和研究方法 2 1 试验主要仪器及设备 2 1 1 煤泥水性质检测设备 1 ) 1 0 1 一l - - b s 电热恒温鼓风干燥箱( 上海跃进医疗器械厂) ； 2 ) 标准套筛，直径2 0 0 m m ，孔径o 5 、o 2 5 、o 1 2 5 、0 0 4 5 ，底盖一套； 3 ) 中号搪瓷盘，中号搪瓷瓮以及5 0 0 m l 烧杯，玻璃棒，扁毛刷若干； 4 ) 马弗炉； 5 ) 瓷灰f i l l ； 6 ) s a r t o r i u s 型电子分析天平( 精度为万分之一) 。 2 1 2 微生物培养及煤泥水絮凝试验设备 1 ) b c d - - 2 2 5 w b h 型格力电冰箱( 珠海格力电器股份有限公司) ； 2 ) d n p - - 9 0 8 2 型电热恒温培养箱( 上海跃进医疗器械厂) ； 3 ) h h b 1 l 3 6 0 一s 型电热恒温培养箱( 上海精宏实验设备有限公司) ； 4 ) 1 0 1 一l - - b s 电热恒温鼓风干燥箱( 上海跃进医疗器械厂) ； 5 ) v x o s g 4 1 2 8 0 手提式压力蒸汽灭菌器( 上海华线医用核子仪器有限公司) ； 6 ) 7 9 1 磁力加热搅拌器( 江苏国华仪器厂) ； 7 ) s p x - 2 5 0 b 一2 振荡培养箱( 上海跃进医疗器械厂) ： 8 ) o l y m p u so p t i c a l 型显微镜( j a p a n 公司) ； 9 ) d m b 5 数码生物显微镜( a n 拿大m o t i c 公司) ； 1 0 ) 血球计数板( x b k 一2 5 ) ： 1 1 ) l d 4 2 型低速离心机( 北京医用离心机厂) ； 1 2 ) 7 5 2 型紫外分光光度计( 上海精宏实验设备有限公司) ； 1 3 ) s k 2 2 0 0 h 型超声波破碎仪( 上海精宏实验设备有限公司) ； 1 4 ) b i o r a de x a l i b u rf t s 3 0 0 0 型傅立叶红外光谱仪( 美国伯乐公司) ； 1 5 ) m s a lx d 3 衍射仪( 北京普析通用仪器有限公司) ； 1 6 ) t u 1 9 0 1 双光束紫外分光光度计( 北京普析通用仪器有限责任公司) ； 1 7 ) s 3 0 0 0 n 扫描电子显微镜( 日本日立公司) ； 1 8 ) 酒精灯；载玻片；接种环；接种针以及试管；烧杯等玻璃器皿。 安徽理：r 大学硕士学位论文 2 2 试验研究方法 2 2 1 微生物形态研究方法 微生物形态包括群体形态和个体形态。微生物的群体形态特征包括菌落的大 小、形状( 表面状态、边缘状态、隆起状态) ，表面的光泽、质地、颜色、透明度、 厚度等等。个体形态特征是指在显微镜下观察细菌细胞的形状和细菌细胞间的排 列方式。 微生物通过纯培养，获得纯种，可以通过染色，在生物光学显微镜下观察微 生物的形态和结构，进行微生物的区分与鉴定工作。对于细菌可通过各种染色法 来进行辨别。本试验主要采取以下几种染色方法： 1 1 不染色镜检法 不染色镜检可用于观察细菌的生活状态，一般常用来检查细菌的动力。 以灭菌接种环取菌液2 环置洁净载玻片中央( 观察固体培养菌时，在载玻片 上滴加1 2 滴蒸馏水和生理盐水，再挑取菌落涂匀) ；取一洁净盖玻片，使盖玻 片一边接触菌液，缓慢放下覆盖于菌液上，勿使产生气泡，也不要使菌液外溢， 静置数分钟后镜检。 2 ) 革兰氏染色法 采用革兰氏染色法不仅可观察到细菌的形态、排列、和特殊构造，还可以鉴 别细菌的种类。革兰氏染色方法与步骤如下： 以灭菌接种环挑取生理盐水一环置载玻片中央或略偏右侧，从细菌固体培养基 平板上挑取单个纯菌落在盐水中轻轻磨匀，使呈轻度浮白浑浊，置室温下自然干 燥。 初染：在一固定的涂片上滴加结晶紫染液2 3 滴，染色一分钟后，流水冲洗干 净剩余染液，甩干； 媒染：滴加革兰氏碘液数滴，一分钟后，水洗、甩干； 脱色：在滴加数滴9 5 酒精脱色，轻轻摇动玻片，直至无紫色水酒精脱落为止， 时间约0 5 1 分钟，水洗、甩干； 复染：滴加稀释番红染液数滴，染色0 5 1 分钟，水洗，待干后镜检； 镜检：低倍镜下找到标本后，油镜观察并摄像。 通过革兰氏染色法可将细菌分成两大类：不被乙醇脱色仍保留紫色为革兰阳 性菌，用g + 表示；被乙醇脱色后再被番红复染成红色，为革兰氏阴性菌，用g 一 表示。 1 2 2 试验材料和研究方法 3 ) 芽孢染色 芽孢染色方法如下： 涂片：以灭菌接种环挑取生理盐水一环置载玻片中央或略偏右侧，从p d a 平板上挑取单个纯菌落在盐水中轻轻磨匀，使呈轻度乳白混浊，置室温下自然干 燥； 初染 脱色 复染 镜检 加石炭酸复红液，并以弱火加热，使染液冒蒸汽约5 m i n ，冷后水洗； 用9 5 酒精滴洗涂片处，脱色2 m i n ，水洗： 用碱性美兰复染3 0 s ，水洗。风干后镜检； 低倍镜下找到标本后，油镜观察并摄像。 2 2 2 微生物生长量的测量 描述不同种类、不同生长状态微生物的生长情况，需要选用不同的测定指标。 对单细胞生物，既可取细胞数，也可选取细胞重量作为生长的指标；而对多细胞 ( 尤其是丝状真菌) ，则常以菌丝生长的长度或菌丝的重量为生长指标。由于考 察的角度、测定的条件和要求不同，形成了许多微生物生长测定的方法：有的方 法直接测定细胞的数量或重量；有的方法通过细胞组分的变化和代谢活动等间接 的描述细胞的生长。本试验中主要采用直接法测定微生物的生长量，直接法包括： 1 ) 显微计数法通常采用血球计数板在显微镜下进行计数，具体方法如下： 稀释：将培养好的菌液适当进行稀释，菌液如不浓可不必稀释。 镜检：观察记数室内有无污染物，若有用酒精棉擦洗干净后再加样。 加样：在清洁干燥的血球计数器上盖上盖玻片，将无菌滴管由盖玻片边缘滴一 小滴( 不宜过多) ，则菌液自行渗入，注意不可有气泡产生。 计数：静置5 m i n 后，将血球计数器置于数码显微镜载物台上，先用低倍镜找 到计数室所在位置，然后换成高倍镜进行计数。借助d m b 5 型数码显微分析系统 中m o t i ci m a g e sa d a n c e d 3 0 分析软件的单色分割和自动计算功能代替人工计算， 具体方法是：首先用鼠标选取要计数的区域，进行拍片，然后单击“处理 下拉 菜单的“分割一子菜单中的“自动单色分割 ，最后单击“处理 菜单下的“自 动计算 子菜单，数秒中后显示出计数结果。大大提高了计数速度，而且减少了 常规显微镜下人工计数易造成误差，计数精度有了明显提高。 清洗：清洗血球计数器。 血球计数器计数室规格主要有两种：2 5 x1 6 和1 6 x 2 5 。试验中采用的希里格式 血球计数器的计数室规格为2 5 x 1 6 ，计数室容积为0 1 m m 2 。 1 3 安徽理工人学硕士学位论文 设五个大方格的总菌数为a ，菌液稀释倍数为b ，那么i m l 茵液中的总菌数 为 n = = 5 x 1 0 4 x a b ( - 个m l ) 2 ) 平板菌落计数法 平板菌落法主要用于真菌数目的测定，它的原理是根据在固体培养基上所生 长的菌落数来进行计数，每个菌落是由一个孢子繁殖而成，是肉眼可见的细胞群 体。根据菌落数可以计算出待测菌液中的活菌数。其操作步骤如下： 取菌液i m l ，用无菌水按l o 的倍数作系列稀释，要求稀释后菌液在平板上划 线后，长出的菌落数在3 0 - - , 3 0 0 个之间为宜( 稀释时应尽量使微生物细胞分散开，否 则易生长出片状菌苔) 。在p d a 培养基上进行平板划线，恒温培养若干小时，计数。 用下式计算每毫升菌液中活菌数： 每毫升菌液中活菌数= 同一稀释后的菌落平均数稀释倍数 2 2 3 微生物菌种的改良 1 ) $ 1 1 化育种：驯化是一种定向优育微生物的方法与过程，它通过人工措施使 微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和降解活性的菌株。驯化 方法有很多种，最普通的途径是以目标化合物作为唯一必需营养源或主要必需营 养源来培养微生物，在逐步提高该化合物浓度的条件下经多代传种而获得产生高 效絮凝剂的微生物。本试验主要不断提高微生物培养液中煤泥水的含量，提高其 适应煤泥水的能力，以提高对煤泥水的絮凝能力。 2 ) 紫外诱变育种：利用紫外射线诱变处理均匀分散的微生物细胞群或孢子体， 促进其突变率大幅度提高，通过筛选出具有高效絮凝煤泥水的变异菌株微生物。 3 ) 化学诱变育种：本试验采用亚硝酸盐药剂，处理均匀分散的微生物细胞群 或孢子体，促进其突变率