（环境工程专业论文）生物表面活性剂对城市污泥好氧堆肥过程的影响.pdf

硕士学位论文 【 a p p l i c a t i o no f b i o s u r f a c t a n ti na e r o b i cc o m p o s t i n go fs e w a g es l u d g e b y c h a oy a n g b e ( h e 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 fs c i e n c e e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g i n t 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 u a nx i n g - z h o n g m a y ，2 0 1 1 2 小1肌75 0引 删删y 硕士学位论文 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：湿p 日 日期： 7 年月弓日 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 孔伯 多叶 日期： 年歹月3 日 钐翡驯利鹏日 生物表面活性剂在城市污泥好氧堆肥中的作用研究 摘要 城市污水污泥是城市污水处理过程中的附属品。近年来，随着城市污水处理量 的提高，如何合理处置城市剩余污泥成为我国亟待解决的环境问题。城市污泥是固 体废弃物中的一类重要的可再生资源，而城市污泥的堆肥化处理具有良好的经济和 环境效益，是污泥处理处置的主要方法之一。高温好氧堆肥化工艺以其分解效率高、 周期短、运行费用低的优点成为广泛应用的有效处理手段。目前，城市污泥堆肥产 品主要存在一些问题如养分较低、重金属含量高，成为限制其农田利用的关键因素。 如何在污泥堆肥过程中缩短堆肥时间、加快发酵速度，减少氮素的损失，提高养分 含量，这些问题的解决对城市污泥堆肥农用有重要意义。 生物表面活性剂是在微生物代谢过程中分泌出的具有一定生物活性的代谢产 物。相比化学合成的表面活性剂，生物表面活性剂对生态系统的毒性较低，且可完 全生物降解。表面活性剂的两亲性可以改变固体颗粒表面固液界面的性质，改善微 生物生长的微环境，进而提高堆肥的效率。已有研究表明，添加适量的表面活性剂 能够促进发酵中微生物的生长代谢及产酶能力。而对于生物表面活性剂作为调理剂 在促进污泥堆肥化方面的作用研究，国内外还鲜有报道。 本研究以城市污泥为堆肥原料，在自制的静态强制通风好氧堆肥反应器中进行 了堆肥模拟试验，研究了生物表面活性剂鼠李糖脂对该堆肥过程的影响。结果表明， 在堆肥过程中，添加了质量分数为0 0 1 5 鼠李糖脂溶液堆制处理和空白对照堆制处 理的堆温变化都明显呈现出中温期o 5 d 、高温期5 1 2 d 和降温期1 2 2 8 d 三个阶段。 试验组比空白组的堆体升温快、高温期持续时间长、堆体的含水率高。鼠李糖脂的 添加，使试验组的微生物数量高于空白组。添加鼠李糖脂的堆体和空白堆体的种子 发芽指数( g i ) 在堆肥结束时分别为5 3 7 0 和5 0 8 0 ，说明鼠李糖脂促进了堆肥 的腐熟，但由于相对浓缩效应，堆肥产品的重金属含量略高于空白堆体。生物表面 活性剂的介入促进了堆肥中木质纤维素的初步降解。研究表明，添加鼠李糖脂能够 改善堆肥处理的微环境，促进有机质降解和堆肥的腐熟。 关键词：生物表面活性剂；城市污泥；好氧堆肥：鼠李糖脂 i l 硕十学位论文 a b s t r a c t s e w a g es l u d g ei ss c r a pi nt h ep r o c e s so fu r b a ns e w a g et r e a t m e n t i nr e c e n ty e a r s ， 、航t ht h ei n c r e a s e do ft h eu r b a nt r e a t m e n tc a p a c i t y , t h er e a s o n a b l ed i s p o s a lo fs e w a g e s l u d g eb e c a m et h eu r g e n tp r o b l e m u r a b ns e w a g es l u d g ei so n eo ft h em o s tr e n e w a b l e r e s o u r c e si ns o l i dw a s t e s e w a g es l u d g ec o m p o s t i n gw i t hg o o de c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t si sa l t l i m p o r t a n tm e t h o d f o rs l u d g et r e a t m e n ta n dd i s p o s a l h i g h t e m p e r a t u r ea e r o b i cc o m p o s t i n gi sw i d e l yu s e df o r i t sh i g he f f i c i e n c y ，s h o r tc y c l ea n d l o wo p e r a t i n gc o s t c u r r e n t l y , t h em a i nd i s a d v a n t a g e so fs e w a g es l u d g ec o m p o s t i n ga r e l o wn u t r i e n tc o n t e n ta n dh i g hh e a v ym e t a lc o n t e n tt h a tb e c o m ek e yr e s t r i c tf a c t o ro f i t s a p p l i c a t i o n i nf a r m l a n d s o ，h o wt or e d u c et h ep e r i o do fs e w a g es l u d g ec o m p o s t , a c e ：e l e r a tf e r m e n t a t i o ns p e e da n di n c r e a s et h en u t r i e n tc o n t e n ti ns e w a g es l u d g ea lev e r y i m p o r t a n tt ot h eu t i l i z a t i o n b i o s u r f a c t a n t sm a i n l ya r ep r o d u c t e db ym i c r o b i a lm e t a b o l i s mi nt h es e c r e t i o no f b i o l o g i c a l l ya c t i v em e t a b o l i t e s c o m p a r e dw i t hc h e m i c a ls u r f a c t a n t ，b i o s u r f a c t a n th a sa l o wt o x i c i t yt oe c o l o g i c a ls y s t e mo fe a r t ha n dc a nb eb i o d e g r a d e db ym i c r o o r g a n i s m t h eb i o s u r f a c t a n tc a nc h a n g es u r f a c ep r o p e r t i e so fs o l i d - l i q u i di n t e r f a c ea n da m e l i o r a t e t h em i c r o e n v i r o n m e n to ft h em i c r o o r g a n i s mt oi m p r o v et h ec o m p o s t i n ge f f i c i e n c y p r e v i o u ss t u d i e sh a v es h o w nt h a ta p p r o p r i a t es u r f a c t a n tc a np r o m o t et h eg r o w t ho f m i c r o o r g a n i s mf e r m e n t a t i o nm e t a b o l i ca n de n z y m ep r o d u c t i o na b i l i t y t h er e s e a r c h e so n t h ea p p l i c a t i o no fb i o s u r f a c t a n ti nc o m p o s t i n go fs e w a g es l u d g eh a v en o tb e e nr e p o r t e d t h es t u d yf o c u s e do nt h ee f f e c to fr h a m n o l i p i db i o s u r f a c t a n ta p p l i c a t i o no ns t a t i c f o r c e d a e r a t i o nc o m p o s t i n go fe x c e s sa c t i v a t e ds l u d g e d u r i n gt h e3 0 一d a yc o m p o s t i n g t e s t s ，s i g n i f i c a n tc h a n g e s o ft h et e m p e r a t u r ec a u s e db yt h et w ot r e a t m e n t sw e r ed e f i n e da s t h r e es t a g e si n c l u d i n gam e s o p h i l i cp e r i o d ，at h e r m o p h i l i cp e r i o da n dam a t u r i n gp e r i o d f o rt h ec o m p o s tp r o c e s s t h ew a r m i n gr a t eo ft h et r e a t m e n tw i t hr a h m n o l i p i da t0 015 嬲w e l la si t sm o i s t u r ec o n t e n tw a sh i g h e rt h a nt h a to ft h ec o n t r 0 1 t h er h a m n o l i p i d a d d i t i o ni n c r e a s e dt h em i c r o b i a lp o p u l a t i o n a tt h ee n do f t h e c o m p o s t i n g ，t h e g i ( g e i m i n a t i o ni n d e x ) r e a c h e d5 3 7 0 a n d5 0 8 0 r e s p e c t i v e l y , i n d i c a t i n g t h a ta d d i t i o n o fr a h m n o l i p i da c c e l e r a t e dt h ed e c r e a s i n go ft h ec o m p o s tr h a m n o l i p i d h o w e v e r ，d u et o i i i t h ee n r i c h m e n te f f e c t ，t h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o nw a ss l i g h t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h e c o n t r o lo n e t h ee x p e r i m e n t a l i n d i c a t e dt h a tt h ea d d i t i o no fr a h m n o l i p i dc a r li m p r o v e t h em i c r o e n v i r o n m e n to fc o m p s t i n g ，a n da sar e s u l t ，a c c e l e r a t et h ec o m p o s t i n gp r o c e s s a n di m p r o v et h eq u a l i t yo fc o m p o s t i n gp r o d u c t s k e y w o r d s ：b i o s u r f a c t a n t ；s e w a g es l u d g e ；a e r o b i cc o m p o s t i n g ；r h a m n o l i p i d 硕上学位论文 口三； i = 1 爿弋 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要。i i a b s t r a c t i i i 附表索引v i i 插图索引v i i i 第一章绪论l 1 1 生物表面活性剂1 1 1 1 概念与分类l 1 1 2 来源2 1 1 3 性质及应用5 1 1 4 分离纯化方法概述，8 1 1 5 鼠李糖脂9 1 2 污泥好氧堆肥技术1 1 1 2 1 城市污泥现状，1 1 1 2 2 好氧堆肥技术原理概述一15 1 2 3 污泥堆肥添加剂1 9 1 3 本研究的背景和内容2 l 1 3 1 研究背景和意义2 l 1 3 2 主要内容2 2 第二章试验材料和流程2 4 2 1 前言2 4 2 - 2 堆肥材料2 4 2 2 1 试验仪器2 4 2 2 2 堆肥原料2 5 2 3 鼠李糖脂的制备2 5 2 3 1 菌种2 5 2 3 2 培养基2 7 2 3 3 发酵培养2 8 2 3 4 鼠李糖脂的分离提纯2 8 2 4 堆肥装置及流程2 9 2 5 分析方法3 0 2 5 1 理化指标分析3 0 2 5 2 微生物参数分析3 0 2 5 3 毒理学参数分析3l 第三章鼠李糖脂对堆肥污泥理化性质的影响3 3 3 1 堆肥温度的影响一3 3 3 2 含水率的变化一3 4 3 3p h 值的变化3 5 3 4 污泥碳氮比变化3 6 3 5 小结一3 7 v 生物表面活性剂在城市污泥好氧堆肥中的作用研究 第四章鼠李糖脂对堆肥微生物种群的影响3 8 4 1 细菌数量变化一3 8 4 2 真菌数量变化3 8 4 3 放线菌数量变化3 9 4 4 小结4 0 第五章鼠李糖脂对堆肥毒理学参数的影响4 l 5 1 堆肥物料腐熟表征4 1 5 2 种子发芽率4 l 5 3 重金属含量4 2 5 4 d ) p l 含量差异4 3 5 5 小结4 4 结论4 6 参考文献4 8 附录a 攻读学位期间发表的学术论文5 3 致谢5 4 v i 硕士学位论文 附表索引 表1 1 生物表面活性剂及产生菌种2 表1 2 生物表面活性剂的主要生物合成方法4 表1 3 部分生物表面活性剂的表面张力值5 表1 4 生物表面活性剂的应用领域6 表1 5 鼠李糖脂在模拟地层水中4 0 下的表面活性和界面活性1 0 表1 6 污泥的主要来源1 2 表1 7 城市污水处理厂污泥的基本性质1 3 表2 1 堆肥原料的基本性质3 0 表3 1 堆体的温度变化比较3 4 v h 生物表面活性剂在城市污泥好氧堆肥中的作用研究 插图索引 图1 1 鼠李糖脂的两种分子结构式一1 0 图1 2 生物表面活性剂作用下堆肥介质问液膜形成示意图2 2 图2 1 堆肥装置示意图一2 9 图3 1 堆肥过程中温度的变化3 3 图3 2 含水率的变化3 5 图3 3p h 值的变化3 6 图3 4c n 比的变化3 6 图4 1 堆肥中细菌数量变化3 8 图4 2 堆肥中真菌数量变化3 9 图4 3 堆肥中放线菌数量变化4 0 图5 1 堆肥过程中种子发芽指数变化4 2 图5 2 堆肥过程中p b 和c d 含量4 3 图5 3 堆肥过程中a p p l 的含量变化4 4 v i i i 硕十学位论文 1 1 生物表面活性剂 1 1 1 概念与分类 第一章绪论 生物表面活性剂是天然表面活性剂的一种，主要是指微生物在特定条件下生长 代谢过程中所分泌的具有一定表面活性的代谢产物【l 】，如糖脂、多糖脂、脂肽、脂 蛋白及中性类脂衍生物等，其中大部分具有良好的降低两相界面的表面张力和界面 张力的性能。随着现代生物技术的进步以及人们环保意识的增强，生物表面活性剂 工业的发展也受到了极大的推动，发展越来越迅速，逐步有取代化学合成表面活性 剂的趋势，有着广阔的应用前景。 化学合成表面活性剂主要根据极性基团来分类，而生物表面活性剂主要是依据 化学组成和微生物来源分类【2 3 1 。生物表面活性剂是含有亲水基和疏水基的两性生物 分子，其中疏水基由各种脂肪烃组成，亲水基则包括离子形式或非离子形式的单糖 二糖、多糖、羧基、氨基或肽链等。根据生物表面活性剂分子结构形态的区别，可 将其分为六类：羟基化和交联化的脂肪酸( 地衣酸) 、糖脂、磷脂、脂多糖、脂肽和 脂蛋白以及细胞整体 4 1 。生物表面活性剂也可以按分子大小分为两类：低分子量分 子如糖脂、磷脂、脂肽和脂肪酸和大分子多聚物如脂多糖和脂蛋白等【5 】。根据亲水 基的不同，生物表面活性剂也可分为糖脂、脂肽、磷脂和脂肪酸、聚合表面活性剂 和微粒表面活性剂五大类 6 1 。其中，糖脂和脂肽是目前研究最广泛的两大类生物表 面活性剂。 糖脂是生物表面活性剂中最常见最主要的一类，主要由糖基连结长链脂肪酸或 羟基脂肪酸组成【7 卅。常见的糖脂类生物表面活性剂包括槐糖脂、鼠李糖脂、海藻糖 脂、纤维二糖脂、蔗糖酯和甘露糖赤藓糖醇脂。其中槐糖脂、鼠李糖脂和海藻糖脂 研究较多，又以鼠李糖脂的研究最为深入。鼠李糖脂是由铜绿假单胞菌( p s e u d o m o n a s a e r u g i n o s a ) 利用水溶性底物或烷烃发酵产生的。早在1 9 4 6 年b e r g s t r o m 等人就发 现铜绿假单胞菌可利用葡萄糖为碳源来产生鼠李糖脂0 1 。研究显示，铜绿假单胞菌 的发酵产物中含有四种主要的鼠李糖脂，分别为r h a c i o c l o ( r 1 ) 、i 池a 2 c i 0 c 1 0 ( i 毪) 、 r h a c l o ( r 3 ) 和r h a 2 c l o ( r 4 ) 。 脂肽类生物表面活性剂的分子多由亲水端的肽键和疏水端的脂肪烃链两部分组 成【l l 】，一般为革兰氏阳性芽孢杆菌的发酵产物。a r i m a 等人于1 9 6 8 年首次发现枯 草芽孢杆菌能够产生脂肽类生物表面活性剂，同时也是是目前报道的效果最好的生 生物表面活性剂存城市污泥好氧堆肥中的作用研究 物表面活性剂之一【1 2 】。 1 1 2 来源 生物表面活性剂大多是由细菌和酵母菌产生的，也有报道称真菌也可以产生生 物表面活性剂。这些微生物菌种可以利用不同的培养基质作为营养源来合成生物表 面活性剂。多数菌种生长在非水溶性的介质中，如二甲苯、凡士林、甲苯、聚苯乙 烯、石油烃等，并以其为营养来源进行生长繁殖，并在代谢过程中合成生物表面活 性剂。也有些菌种可以利用水溶性的碳源如葡萄糖、蔗糖、甘油、淀粉等来生产生 物表面活性剂。生产生物表面活性剂的铜绿假单胞菌对碳源的选择性很弱，可以利 用葡萄糖、橄榄油、甘油、果糖，柠檬酸盐、丙酮酸酯盐、琥珀酸盐、c l l 和c 1 2 的 链烷烃以及甘露醇等多种物质为碳源合成鼠李糖脂【l3 1 。近年来研究表明，多种微生 物能够利用廉价碳源或工业废料，如各种农业废物、皂角、酿酒厂废乳液、蔬菜水 果加工废料、动植物油脂及其它原料，来发酵产生生物表面活性剂1 4 1 7 1 。 表1 1 生物表面活性剂及产生菌种 2 硕上学位论文 3 生物表面活性剂在城市污泥好氧堆肥中的作用研究 生物表面活性剂的种类虽多，但在合成途径上都有一些共同的原则。如糖脂类 生物表面活性剂的生物合成途径主要包括以下四种：( 1 ) 类脂基和糖基均由全程合 成；( 2 ) 类脂基的合成由烃基质的链长而定，糖基由全程合成；( 3 ) 类脂基由全程 合成，糖基合成由烃基质而定；( 4 ) 类脂基和糖基的合成均视烃基质而定。生物表 面活性剂的具体生产方法主要取决于微生物和合成产物的性质，表1 2 为生物表面 活性剂的一些主要生物合成方法。 表1 2 生物表面活性剂的主要生物合成方法 生物表面活性剂的主要合成方法 1 与细胞生长相关的方法 用优选介质组成达到增产 用优选环境影响因素( 如p h 、温度、通气、搅拌、速度等) 达到增产 加入能引起细胞壁通透性变化的试剂( 如青霉素、乙胺丁醇、e d t a 等) 增产 加入能促进胞壁结合生物表面活性剂与胞壁分离，从而使该生物表面活性剂介质中 的试剂( 如烷烃、煤油、e d t a 等) 增产 2在控制下由生长细胞生产 限氮生长 限多价阳离子生长 在控制下改变p h 或温度等条件增产 3由休止细胞生产 由游离休止细胞生产 由固定化休止细胞生产 4 由固定化休止细胞经随程提取法生产 4 由生产细胞游离休止细胞，固定化休止细胞经加入前提法生产 1 1 3 性质及应用 1 1 3 1 物化性质 生物表面活性剂的功能是由它的分子结构决定的。同一般化学合成的表面活性 剂一样，生物表面活性剂分子也由两部分组成，一部分是亲水的极性基团，包括多 种形式如中性脂的酯或醇功能团、脂肪酸或氨基酸的羟基、磷脂中含磷的部分以及 糖脂中的糖基，另一部分是疏水的非极性基团，如饱和或未饱和的脂肪醇和脂肪酸 等【i s 。这两部分分别处于生物表面活性剂分子的两端，为不对称结构。因此，生物 表面活性剂分子能在两相界面定向排列形成分子层，从而降低表面张力和界面张力。 几类主要生物表面活性剂的表面张力值见表1 - 3 。 表1 3 部分生物表面活性剂的表面张力值 生物表面活性剂具有显著降低表面张力和界面张力的作用，兼有渗透、润湿、 乳化、增溶、发泡、消泡、洗涤去污等一系列表面性能。 1 1 3 2 特殊性 研究发现，大部分化学表面活性剂都对降解微生物表现出了一定的毒性【1 9 1 ，而 生物表面活性剂对微生物的毒性却鲜见报道，尽管它们也可能存在对污染物降解过 生物表面活性剂在城市污泥好氧堆肥中的作用研究 程的抑制作用【2 0 1 。化学表面活性剂能够溶解微生物细胞酶、细胞受体和蛋白，导致 细胞膜的生理功能紊乱或者细胞膜损伤，从而改变细胞膜的性能，使胞内物质外泄 并引起细胞死亡，因此对微生物存在毒害作用【2 1 1 。而生物表面活性剂对降解过程的 抑制作用主要是因为它们的物化作用造成了负面影响或本身作为碳源物质优先被其 它微生物利用，而这些微生物的增殖抑制了降解微生物的生长而造成的。在八种化 学表面活性剂和九种生物表面活性剂的毒性考察研究中，总体水平上较化学合成表 面活性剂而言，生物表面活性剂的毒性更低并且更容易被生物降解1 2 引。 与化学合成表面活性剂相比较，生物表面活性剂有更良好的表面和界面活性、 热稳定性、离子强度的稳定性、生物可降解性和对细菌的抑制作用，这些性能是一 般化学合成的表面活性剂难以匹敌的。如日本的i t o h 实验室利用p s e u d o m o n a ss p p 产生的鼠李糖脂具有一定的抗菌、抗病毒和抗支原体的性能。地衣芽孢杆菌 ( b 1 i c h e n i f o r m i s 肛2 ) 产生的脂肽在7 5 时可耐热1 4 0 h 。生物表面活性剂在 p h 5 5 1 2 范围之间保持稳定，p h 小于5 5 时，会逐渐失去活性l 刀j 。有些生物表面 活性剂可以耐强酸强碱环境，如p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s as 7 8 1 产生的类蛋白活化剂 在p h 为1 7 1 1 4 范围内都具有稳定的性质【2 4 1 。由于人们对生物表面活性剂的研究 开展较晚，因此关于各种生物表面活性剂的性质测试报告还不多。但在应用中一些 生物表面活性剂也存在着反面作用，例如中性环境下，低浓度的阴离子型表面活性 剂与烃结合形成的复合物带有负电荷，与同样带负电荷的细胞壁产生静电排斥，从 而抑制细胞与烃的亲和，影响微生物的生长。另外，生物表面活性剂分子与细胞长 期接触，有可能对细胞的膜结构造成一定的破坏，还将引起膜活性的改变，干扰细 胞正常的摄取同化机制。 总之，生物表面活性剂与合成表面活性剂性能相似，但另具有许多优势：良好 的生物可降解性；毒性较低，对环境较为温和；对油水的乳化更加稳定；一般不致 敏，可用于化妆品甚至作为食物添加剂；结构多样，有可能适用于特殊领域。 1 1 3 3 生物表面活性剂的应用 生物表面活性剂发展至今，各方面相关的研究已经越来越多。由于它具有诸多 优点，在纺织、医药、化妆品和食品等工业领域都起到了重要作用( 见表1 4 ) 。例 如槐糖脂及其衍生物可用作化妆品、医药、食品、农药等方向的乳化剂，也可用来 处理沥青，促进沥青析出等。 表1 4 生物表面活性剂的应用领域 应用行业作用 化妆品、涂料、轧辊表面润滑用乳化液 清洗、药物 涂料 家庭用品、农产品、高科技产品 乳化剂和分散剂 增溶剂和微型乳化剂 增稠剂 去垢剂 6 硕上学位论文 采矿 化妆品、给药系统 下水道淤泥油质处理、发酵 废物处理 煤一油混合物、煤一水淤浆分离 管道运输 油类的三级回收 清洗、化妆、矿石浮选 金属多价螯合剂 成泡物质 微生物生长促进剂 破乳剂 分散剂 减粘剂 资源回收剂 起泡剂 与化学表面活性剂相比，生物表面活性剂对环境系统影响较小，且有原位生长 的可能性，因而十分适合应用于环境保护领域，特别是在石油工业和环境工程等一 些特殊领域汹 2 引。研究表明，鼠李糖脂加入到沙土或沙壤土中后，烷烃的去除率分 别提高2 5 - - 7 0 和4 0 8 0 【2 7 1 。o l i v e r a 2 s 】等从污染底泥中分离出一种细菌s u b t i l i s 0 9 ， 所合成的枯草菌表面活性剂加入污染底泥后，降解效果大大提高。生物表面活性剂 同样也被用于修复被重金属、多氯联苯污染的土壤1 2 圳。 1 1 3 4 发展方向与趋势 目前，生物表面活性剂的生产成本限制了它的大规模工业化生产与利用，其成 本较化学表面活性剂的成本高出3 1 0 倍【3 0 1 。为了降低生物表面活性剂的价格成本， 今后关于生物表面活性剂的工作研究重点包括三个方面：( 1 ) 通过菌种改良提高产 量；( 2 ) 确定可生产高质生物表面活性剂的廉价底物；( 3 ) 改进生物反应器的设计。 多数生物表面活性剂的研究工作还停留在实验室阶段，大范围的现场操作处理很少。 为了研究和发展生物表面活性剂在生物补救中的现场应用技术，需要加强对生物表 面活性剂对污染物的增溶和增流作用、调节污染物分布作用的研究。 在环境领域，生物表面活性剂是一种具有巨大应用潜力的物质，目前主要的问 题是如何将具有特定代谢功能的微生物接种于污染现场，并保证其能产生有效增强 生物降解效果的生物表面活性剂。毒理学数据表明，生物表面活性剂分子对淡水、 海洋和地球生态系统的毒性比合成表面活性剂低得多，能够被快速而完全的生物降 解。因此，生物表面活性剂由于无毒、环境友好性、较好的降低表面张力等优势， 被尝试用于堆肥中，来改善堆肥微环境，提高堆肥效率。 生物表面活性剂在生物补救方面的作用受到很多因素的影响，如地面下生物表 面活性剂对电荷的表面吸着作用，由于不同离子或p h 变化所造成的沉淀作用，地下 环境中生物表面活性剂的稳定性，以及在生态系统中的毒性或持久性等。研究表明， 在任何采用表面活性剂进行的生物补救处理工作中，选择适用于污染场地的物理条 件和有机污染物的化学性质的生物表面活性剂都是应用成功的关键。另外，生物表 面活性剂的特性主要取决于制备过程中对微生物的培养方法，包括培养基质中碳源 7 d 。a 士 生物表面活性剂在城市污泥好氧堆肥中的作用研究 和氮源的化学性质。总之，为使生物表面活性剂技术成功应用于环境保护领域，建 立一个全面的数据库以更精确地确定各种生物表面活性剂的物化性质是有必要的。 1 1 4 分离纯化方法概述 迄今为止，生物表面活性剂工业规模与合成表面活性剂相比差距甚远，主要是 由于生物表面活性剂的生产费用高导致的。生物表面活性剂的生产流程中，产物提 取纯化的处理占了总生产费用的6 0 0 , - - 7 0 ，因此选择合适的提取方法是改进批量生 产工艺的一个重要环节。生物表面活性剂在发酵产物中的低浓度和本身具有的两亲 性常妨碍其分离过程。随着研究的不断深入，不仅传统的方法得到了完善，新的方 法也不断出现。 生物表面活性剂的提取、纯化方法由待分离物的性质( 水溶剂或非水溶剂、阴 离子或非离子、胞外结合或胞壁产物) 而定别。分离生物表面活性剂存在一定的方 法：，首先将发酵液中的菌体细胞同培养液分离，如果目标产物为胞外物，可直接利 用培养液来进行分离纯化操作，如果目标产物为胞内物，则要对菌体或细胞进行适 当破壁处理，以释放目标产物，然后除去细胞或碎片后再进行产物分离纯化副。因 此从发酵液分离糖脂时，一般需先确认它是胞外产物还是胞壁结合型产物。离子性 糖脂一般是胞外产物，主要由细胞分泌进入培养基质中；非离子性糖脂主要是胞壁 结合型产物，但某些糖脂类生物表面活性剂在过量生产时也会在胞外蓄积。 生物表面活性剂的分离纯化方法主要包括萃取、结晶沉淀、泡沫层析法、超滤、 柱色谱、薄层色谱、高效液相色谱的方法。 1 1 4 1 萃取 溶液萃取是利用物质在不同溶剂中的溶解度和分配系数的差异，使物质相互分 离和浓缩的方法，是生物表面活性剂经典提取方法之一，特别是对于亲油性的生物 表面活性剂。萃取方法经济可行，操作简便，广泛应用于生物表面活性剂的提纯工 作。 实验室中使用的最多的是氯仿和甲醇的混合溶剂，这种萃取剂的极性很容易调 整到萃取目标物所需的极性，但容易导致有毒废水的产生和排放口4 i 。如萃取鼠李糖 脂时，一般首先将离心后发酵上清液的p h 值调为2 0 ，加入等体积的氯仿甲醇( 2 ：1 ) 体积混合的萃取剂，振荡后静置，上层液多次萃取，合并收集下层液，用旋转蒸发 器挥发后即可得到粗制的鼠李糖脂。尽管氯仿甲醇萃取剂有较好的萃取效果，但基 于费用较高、对环境存在毒性等原因，在工业上大量使用是不经济的。分离具有较 低亲水亲油平衡性的非离子型糖脂类表面活性剂需要极性较低的溶剂。国外对生物 表面活性剂的萃取剂进行了研究，认为甲基一叔丁基醚( m t b e ) 溶剂可以取得较高的 产品萃取产率，同时产品具有良好的表面活性( 表面张力和界面张力分别为2 9 m n m 8 硕 ：学位论文 和0 9 r a n m ) 1 。甲基一叔丁基醚具有低毒、可生物降解、易回收、不易燃及不易爆 炸等优良特性，对于大规模的生物表面活性剂生产也具有良好的应用价值 1 1 4 2 结晶与沉淀 结晶沉淀是利用样品中各组分在溶剂中的溶解度差异，将某些特定组分生成结 晶进而分离出来，是纯化物质的一种有效方法，如有必要可将沉淀所得物再次溶解 后，用重结晶或重沉淀进一步纯化哺1 。有些糖脂类生物表面活性剂可用无机酸将上 清液酸化至p h 值为2 o 3 0 后结晶沉淀，离心分离得到产物；类蛋白化合物如 e m u l s m 口7 1 生产的蛋白质乳化剂可由在上清液中加入( n h 4 ) ：s o 。后沉淀得到。另外，枯 草芽孢杆菌分泌的生物表面活性剂也可以通过将上清液的p h 值调至酸性后在4 c 时 形成沉淀结晶物。 1 1 4 3 泡沫层析法 提纯生物表面活性剂还有“随程提取”的方法，运用此方法可在培养微生物同 时从培养液中连续转移如产物。泡沫层析法就是“随程提取”的方法之一，已被成 功的用于提取浓缩表面活性剂。微生物的发酵过程中会产生泡沫现象，表面活性剂 的生产过程尤其显著。泡沫不仅会使发酵产品、营养成分及细胞流失，还占据一定 的容器空间，降低了生物反应器的利用效率和系统的出产率。抑制泡沫产生需要加 入化学抑泡剂，增加了生产费用，还会对微生物产生负面影响。如果利用泡沫回收 表面活性物质，将是一种既经济又合理的方法。d a d a v is 等啪3 利用泡沫分离法对 一类生物表面活性剂s u r f a c t i n s 进行了提取和浓缩，证明了泡沫分离是一种有效的 生物表面活性剂分离方法，并且使发酵过程同分离过程相结合，建立了连续的生产 流程。 1 1 4 4 柱色谱 柱色谱法又称柱层析，通常指经典的常压柱色谱。它是基于混合物组分在固定 相和流动相之间分配平衡的差异而实现的。柱色谱法在分离生物表面活性剂时常用 硅胶填料，且多与萃取和薄层色谱( t l c ) 配合使用。如分离鼠李糖脂时，将离心后 的上清液p h 值调为酸性后，用氯仿甲醇( 2 ：1 ) 溶剂萃取，萃取的下层液用旋转蒸 发器浓缩，将所得物质再用来作柱色谱。用湿法( 加入氯仿) 装柱，用不同配比的 氯仿和甲醇溶剂淋洗，每2 0 m l 淋出液为一管，各组分按吸附能力由弱到强的顺序流 出柱外，用t l c 检验成分，将管中含有鼠李糖脂的液体浓缩处理，即可得到较纯的 鼠李糖脂。 1 1 5 鼠李糖脂 1 1 5 1 产生 鼠李糖脂是一类应用广泛的生物表面活性剂。铜绿假单胞菌( p s e u d o m o n a s e ) 9 生物表面活性剂在城市污泥好氧堆肥中的作用研究 可利用葡萄糖、果糖、甘油等不同碳源生成鼠李糖脂。它的亲水基团一般由1 - 2 分 子的鼠李糖构成，疏水基团则由具有不同碳链长度的饱和或不饱和脂肪酸构成。在 生物合成过程中，基团之间有可能发生相互链接生成多种化学结构相近的同系物。 研究表明，铜绿假单胞菌的发酵产物中一般含有四种不同形式的鼠李糖脂 ( r h a n m o n l i p i d ，缩写为r l ) ，分别是r _ h a co c l o ( r 1 ) 、r h a 2 c l o c l o ( r 2 ) 、r h a c l o ( r 3 ) 和i 也a 2 c l o ( r 4 ) 。图1 1 中给出了鼠李糖脂的两种分子结构式p 圳。 一0 墨廿甚一咎洲一是o 甚一咎渊 蛳 i 砒 图1 1 鼠李糖脂的两种分子结构式 1 1 5 2 鼠李糖脂性质 鼠李糖脂具有一般表面活性剂的两亲性，是一种阴离子性的生物表面活性剂， 能够增高有机物在水溶液中的溶解度。表1 5 中列出了p s e u d o m o n a sd s m2 8 7 4 产生 的四种鼠李糖脂的表面活性和界面活性。同时含两个脂肪酸残基的鼠李糖脂能溶于 氯仿、甲醇、乙酸乙酯、乙醚和n a h c 0 3 溶液，但不溶于正己烷。 表1 5 鼠李糖脂在模拟地层水中4 0 下的表面活性和界面活性 注：组成：n a c l l o o g l ，c a c l 2 2 8 9 l ，m g c i 2 1 9 9 l 水正十六烷界面 鼠李糖脂具有很好的乳化性能，p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a 菌体在产生鼠李糖脂 时，还分泌类蛋白物质，进一步提高鼠李糖脂的乳化能力。同时，鼠李糖脂具有一 定的抗菌、抗病毒和抗支原体的作用。 l o 硕十学位论文 1 2 污泥好氧堆肥技术 1 2 1 城市污泥现状 随着我国城市化进程的加快和人民生活质量的提高，城市工业废水和生活污水 的排放量日益增多，城市污水处理需求越来越大，城市污水处理厂的数目和污泥产 量也在急剧增加。据估算，目前我国城市污水处理厂每年排放的干污泥量约为1 3 0 万吨，并以年增长率1 0 的速率增长。如果城市污水全部得到处理，将会产生污泥 8 4 0 万吨( 干重) ，占我国总固体废弃物的3 2 t 4 0 l 。 在我国现有的污水处理设施中，有污泥稳定处理设施的污水处理厂还不到2 5 ， 具备完善处理工艺和配套设施的不到10 。多数污水处理厂的处理办法是将污泥经 适当浓缩后运至垃圾填埋场填埋或直接露天堆放，这种做法容易导致二次污染，污 泥不加利用