（环境科学专业论文）菲律宾蛤仔黏附污泥制备生物絮凝剂及其应用研究.pdf

大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m a r i n eb i o l o g i c a lr e s o u r c e sa r eat r e a s u r eo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n21c e n t u r y a n dt h ei n v e s t i g a t i o no fa c t i v ee x t r a c t sf r o mm a _ d n eb i o l o g i c a lh a sa l r e a d yb e c o m et h e r e s e a r c hf o c u si na l lo v e rt h ew o r l d f o rt 1 1 eh a r mo ft r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t st oh u m a nh e a l t h a n de n v i r o n m e n t , f m d m gn e wk i n do fb i o f l o c c u l a n t sw h i c ha r eb i o d e g r a d a b l ea n dh a r m l e s s h a sb e c o m i n gf o c u si s s u eo fw a t e rt r e a t m e n tr e s e a r c hf i e l d n 抢a d h e r e ds l u d g eo fam a r i n es h e l l r u d i t a p e sp h l i p p i n a m mw a ss e l e c t e df r o m z h u a n g h ed a l i a ns e aa r e a 嬲t h er e s e a r c h i n go b j e c tb yc o n t r a s t i n gf o u rd i f f e r e n tk i n d so f m a r i n es h e l lc o n g l u t i n a t i o nm u dw h i c hc o m ef r o md i f f e r e n t h a b i t a t s i nb o h a ib a y ，t h e m e a r s u r e m e n ti n c l u d i n gt h ef l o c c u l a t i n g e f f i c i e n c y t ok a o l i n c l a ys u s p e n s i o na n d t h e d e c o l o u r a t i n ge f f i c i e n c y t o s y n t h e t i cd y e s n 玲c o n g l u t i n a t i o nm u do fr u d i t a p e s p h l i p p i n a r a mw a sg a t h e r e d ，a n d6 2a e r o b i cb a c t e r i aw e r ec u l t u r e df r o mt h em u ds a m p l e b y m e a s u r i n gt h ef l o c c u l a t i n gr a t eo ft h es t r a i n s ，17s t r a i n sw e r es e l e c t e do u t , w h o s ec e l l so r f e r m e n t a t i o nb o n hh a v et h ef l o c c u l a t i n ga b i l i t y t h e17s t r a i n sw e r ec o n s e r v e di nt h ei n c l i n e d m e d i u mi nt h ef r i d g eo f4 1 1 1 es t r a i no fz h t 4 - 13w a ss c r e e n e do u ta st h eb i o f l o c c u l a n tp r o d u c i n gm i c r o o r g a n i s m i tw a si n d e n t i f i e da sr o t h i as p a c c o d i n gt 0i t sm o r p h p l o g i c a lo b s e r v a t i o n , p h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da n dt h er e s u l to fs e q u e n c e sa l i g n m e n to f16 sr d n a a n o r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt 0o p t i m i z et h ec u l t u r ec o n d i t i o n so fz 】m r 4 - 1 3 r n l ec e l l s y i e l d ，c e l l sf l o c c u l a t i n ga b i l i t i e s ，m i c m b i o f i o c c u l a n t ( m b f ) y i e l d ，m b ff l o c c u l a t i n ga b i l i t i e s w e r es t u d i e dw i t hd i f f e r e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o i l s 们舱o p t i m u mm b fp r o d u c i n gc o n d i t i o i l s 0 fz h t 4 13a r e ：c a r b o ns o u r c e s u c r o s e ，n i t r o g e ns o u r c e - a m m o n i u ms u l p h a t e + p r p t o n e ，p h - 8 ， c u l t u r i n gt i m e - 4d a y s ，a n dt h er e s tm e d i u mc o m p o n e n t sa r e ：n a c io 5 ，m g s 0 4 7 h 2 00 1 ， k h 2 p 0 40 5 ，k 2 皿0 4o 2 ，3 0 ，1 5 0 f r a i n , a n dt h ei n o c u l a t i o na m o u n ta r c1 0 嚣c e l l s 1 0 0 加l f 4 - 1 3w a se x t r a c t e df r o mt h ef e r m e n t a t i o nb o n ho fs t r a i nz h t 4 - 1 3 b y e t h a n o l - s e d i m e n t a r ym e t h o d 硼舱m i c r o c o s m i ca n ds p e c t r u mc h a r a c t e r so fm 旧f 4 _ 1 3w e 佗 s t u d i e dp r e l i m i n a r i l yb ys e m ，u v v i s ，f t - i ra n dn - m r p o l y s a c c h a r i d ec h a r a c t e r i s t i c g r o u p sw e r ef o u n di nt h o s es p e c t r a s ot h em a i nc o m p o n e n to f m 旧f 4 - l3w a sd e d w 棚a s p o l y s a c c h a r i d e ，w h i c hc a i l ef r o mt h eo u t s i d eo fz h t 4 - 1 3c y t o d e r m m b f 4 1 3i sh a r dt o d i s s o l v e di nw a t e ro rc o n l l n o no r g a n i cs o l v e n t , a n di th a sas t r o n gf l o c c u l a t i n ge f f i c i e n c yf o r k a o l i nc l a yi np h1 - 1 3 ，a n dt e m p e r a t u r e4 - 1 0 0 c t i l ef l o c c u l a t i n gr a t ef o r5 9 lk a o l i nc h y c a nc o m eu pt 08 6 2 2 w h e np h - - - 9a n d2 0 u 摘要 t h ef o u rm a i na p p l i c a t i o n so fm b f 4 - 13i nd e c o l o u r a t i o no fs y n t h e t i cd y e s ，a d s o r p t i o n a n dw i p eo f fo fh e a v ym e n t a li o n s ，i m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fa c t i v a t e ds l u d g ea n d c o m p a r a t i v et h ef l o c c u l e n ta c t i v i t yf o r5 9 lk a o l i nc l a yw i t ht h et r a d i t i o n a lf l o c c u l a n t sw e r e r e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tm b f 4 - 13h a si n f i n i t ee c o n o m y a n da p p l i c a t i o nv a l u ea san e wk i n do fm i c r o b i o f l o c c u l a n t k e yw o r d s ：r u d i t a p e sp h l i p p i n a r a mc o n g l u t i n a t i o nm u d ：b i o f l o c c u l a n tp r o d u c i n g b a c t e r i u m ：m i e r o b i o f l o c c u l a n t ：w a t e rt r e a t m e n t i i i 大连交通大学学位论文独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通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已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 高嘭 日期：刀滔 年1 2 月，罗日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蔓銮通太堂有关保护知识产权及保 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 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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应遵守此规定) 学位论文作者签名： 高确 日期：砒年，2 月，尹日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱：g a o q i _ _ x c l 9 8 3 1 6 3 c o r n 导师签名：抹雪午 日期：醐年 ，矿月ff 穸日 电话：1 5 8 0 4 2 6 2 1 5 1 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 海洋生物资源是2 1 世纪新资源研究开发和利用的巨大宝库，在获取营养元素、制 备工业原料、开发利用新能源等方面都有着非常可观的潜力。海洋贝壳类生物作为人类 的蛋白质营养源已经有相当长的历史，国内即可上溯至石器时代。近年来各国加大了开 发贝壳类生物用途的力度，除了传统的食用和装饰价值外，提取活性成分已成为研究和 开发利用的热点。 水资源是人类乃至地球的生命之源，当今社会进步、发展，研究如何利用好有限的 水资源，尤其是淡水资源，是关乎人类生死存亡的头等大事。我国又是一个缺水的国家， 淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大， 名列世界第四位。但是，我国的人均水资源量只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的 1 4 ，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。然而，中国又是世界上用水量最多的国家。 仅2 0 0 2 年，全国淡水取用量达到5 4 9 7 亿立方米，大约占世界年取用量的1 3 ，是美国 1 9 9 5 年淡水供应量4 7 0 0 亿立方米的约1 2 倍。水资源将是我国2 1 世纪经济发展的重要 制约因素，因此，正确利用好现有的水资源，并且治理好被污染的水资源，是未来发展 中关系我们国计民生的重大问题。 本文旨在从海洋生物中提取的活性大分子物质，对其特性及应用范围进行研究，使 其可作为生物絮凝剂应用于水处理及各种污废处理中，提高水处理过程中的环保性能， 减少化学合成物质对生态的破坏和对人体健康的威胁。 1 1 1 水处理及絮凝剂 水处理技术按照其原理主要包括物理处理法、化学处理法、物理化学联用处理法、 生物处理法等。物理处理法是利用筛选、沉淀、气浮、过滤、渗透及反渗透等物理作用 分离污水中呈悬浮固体状态的污染物质。化学处理法是利用化学反应作用，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，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) 的方法。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【l 】。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，主要包括好氧及厌氧处理法。由于水处理中要面对的污染物是多种多样的， 单个处理方法往往不能达到要求，需要采取物理化学生物等方法和多级处理组合，才能 达到净化的目的和排放标准1 2 j 。 大连交通大学工学硕士学位论文 絮凝剂是水处理最常用的重要药剂之一，絮凝沉降法多用于污水前期处理中浊度、 色度等的去除，被广泛地应用于工业废水处理、给水处理、食品生产和发酵等工业中， 而絮凝剂的优劣则是絮凝沉淀法效果好坏的决定性因素，因此新型絮凝剂的开发与利用 对人类经济的健康发展、对地球环境的改善有着极为重要的意义。 1 1 2 絮凝剂的分类 传统絮凝剂按其分子组成主要分为无机絮凝剂、人工合成高分子有机絮凝剂和天然 高分子絮凝剂三大类。无机絮凝剂主要以铁盐和铝盐为代表，人工合成高分子有机絮凝 剂主要以目前用于最为广泛的聚丙烯酰胺为代表，天然高分子絮凝剂常见的有淀粉、壳 聚糖、微生物絮凝剂等。微生物絮凝剂作为天然高分子絮凝剂的一种，其定义为：是一 类由微生物产生的有絮凝活性的次生代谢产物，可以使水中不易降解的固体悬浮颗粒和 胶体颗粒等絮凝、沉淀的特殊高分子代谢产物。与常见的传统絮凝剂相比，微生物絮凝 剂具有以下独特的优点：( 1 ) 无毒无害，安全性高；( 2 ) 在环境中易于被微生物分解利用， 无二次污染；( 3 ) 适用范围广，并具有脱色、吸附重金属离子等多种用途；“) 热稳定性好； ( 5 ) 来源广泛，生产周期短，成本低p j 。 微生物絮凝剂的种类，按照来源，微生物絮凝剂主要可分为三大类1 4 j ：微生物细胞 体，如有一些细菌、霉菌、放线菌以及酵母；微生物细胞壁提取物，如酵母菌细胞壁的 葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质等成分均有絮凝作用；微生物细胞代谢产物，主要指细菌的 荚膜和粘液质，其有效成分主要是多糖，同时一些少量的多肽、脂类及其复合物。目前 研究最多的为细胞外多糖。 能够产生微生物絮凝剂的微生物种类多、来源广，于土壤、活性污泥、生活污水及 其沉积物等环境中均有发现絮凝剂产生茵的报道，其中研究较多的有红平红球菌、酱油 曲霉、拟青霉菌属和协腹产碱杆菌等【5 l 。目前已发现能产生絮凝剂的主要微生物种类见 表1 1 。 2 第一章绪论 表1 1 产生微生物絮凝剂的微生物种类f 岳踟 t a b l e1 1t y p e so fb i o f l o c c u l a n t sp r o d u c i n gm i c r o o r g a n i s m s 另外，按照化学成分微生物絮凝剂又可分为蛋白质、多糖、脂类、核酸等【4 】。目前 报道的微生物絮凝剂以聚多糖类物质居多，其次为蛋白质类，多为分子量2 0 万以上的 生物大分子物质。表1 2 列出了部分微生物絮凝剂的化学组成及来源。 大连交通大学工学硕士学位论文 表1 2 部分微生物絮凝剂的化学组成、适宜条件及其菌种来源 t a b l ei 2c h a r a c t e r s ，c u l t u r ec o n d i t i o n sa n ds o u r c eo fs o m em i c r ob i o f l o c c u l a n t s 4 第一章绪论 1 1 3 传统絮凝剂存在的问题 有机合成高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺本身虽然没有毒性，但难于降解，容易在环境 中积累，造成二次污染，同时其单体丙烯酰胺具有剧毒。有机高分子絮凝剂往往需要进 行化学改性，而且其絮凝效能大都不如合成高分子絮凝剂，在研究和应用上有较大的局 限性p j 。近年来不断有报道称很多常见病如老年痴呆症、癌症等可能与用于处理水的无 机絮凝剂聚氯化铝等有关【4 】。由于传统化学絮凝剂存在各种潜在的威胁生态环境和人类 健康的问题，为此，寻找一种可降解、环境友好并对人类健康无害的新型絮凝剂己引起 越来越多专家和学者的关注，研究与开发新型的絮凝剂已经成为水处理研究的热点。 1 2 国内外微生物絮凝剂的研究发展现状 微生物絮凝剂o m f ) 是利用生物技术，通过微生物发酵、提取、精制而得到的一种 新型、高效、廉价的水处理药剂。m b f 具有对人体无毒无害、易于被生物降解、不破坏 生态环境、絮凝活性高等优点，因此而成为新型絮凝剂研究的热点和突破口。微生物的 絮凝活性早在上世纪八十年代就已被发现，但是未有大范围的开发应用。上世纪7 0 年代， 日本学者在研究酞酸酯生物降解过程中发现了具有絮凝作用的微生物培养液，并相继制 备出多种微生物絮凝剂，从此日本在生物絮凝剂这一领域的研究工作一直处于世界领先 的地位1 2 m 2 3 1 。我国关于微生物絮凝剂的研究工作始于9 0 年代后期，目前相关报道日渐增 多，但大部分仍处于实验室研究阶段1 2 4 啪j 。 1 2 1 国外微生物絮凝剂的研究发展现状 微生物的絮凝作用首先是由路易斯帕斯特于1 8 7 6 年在酵母菌中观察到的，两年后类 似现象亦在细菌中发现【2 7 】。1 9 7 6 年，j n a k a m u r a 等【2 8 ，2 9 】从霉菌、细菌、放线菌和酵母 茵等2 1 4 种菌株中筛选出1 9 种具有絮凝能力的微生物，其中以酱油曲霉( a s p e r i l l u s s o j a e ) a j 7 0 0 2 产生的絮凝剂效果最好。1 9 8 5 年，h t a k a g i 等 3 0 1 研究了拟青霉属 ( p a e c i l o m y c e ss p i 1 ) 微生物产生的絮凝剂，精制获得p f - 1 0 1 絮凝剂。1 9 8 6 年r k u r a n e 等【3 i 】从能降解酞酸酯的微生物中筛选出日本旱田土壤中常见的红平红球菌( r h o d o c o c c u s e r y t h r o p o l i s ) ，并利用该菌研制开发了絮凝剂n o c 1 。该絮凝剂对大肠杆菌、酵母、泥浆 水、河水、粉煤灰水、活性碳水、膨胀污泥、纸浆废水均有良好的絮凝和脱色效果幽】。 w uj t 等【j 3 】由菌株b a c i l l u ss u b t i l i sd y u l 制备的高分子微生物絮凝剂d y u 5 0 0 在适宜条 件下絮凝率达到9 7 。c g a n e s hk u m a r 等【 】从土壤样品中筛选的嗜盐碱古生菌种1 - 4 5 0 ， 并制备研究了其产生的细胞外多糖微生物絮凝剂的特性。s p v i j a y a l a k s h m i l j 刈等研究利 大连交通大学工学硕士学位论文 用菌株b a c i l l u ss u b t i l i s 作为絮凝剂处理粉煤灰，发现煤灰具有亲水性，而细胞则具有疏 水性，把细胞黏附在粉煤灰表面可以加速粉煤灰的絮凝沉降。 1 2 2 国内微生物絮凝剂的研究发展现状 邓述波掣2 5 】从土壤中分离筛选得到一株能产生高效微生物絮凝剂的硅酸盐芽孢杆 菌m b f a 9 。m b f a 9 的培养实验表明，培养基的碳源、氮源、初始p h 值是影响m b f a 9 絮凝特性的主要因素。絮凝实验结果表明，用m b f a 9 处理高岭土上悬浮液，效果明显 优于其它种类的m b f ，且不需添加c a 2 + 及砧弘助凝剂，用量也仅为一般m b f 用量的1 1 0 - - 1 1 0 0 ：处理含泥河水、硫化染料废水、淀粉厂黄浆废水、悬浮物及c o d 的去除率明显 高于聚丙烯酰胺等传统的化学絮凝剂 2 6 】。 进入2 1 世纪，微生物絮凝剂的研究成果更是大量的见诸报端，有s i q i n gx i a 等【3 3 】从 活性污泥中采选的菌株产生的微生物絮凝剂t j f 1 ，w 钮x i no o n g 等 3 4 】从土壤中筛选的 絮凝活性的菌株s e r r a t i a f i c a r a i a ，具有对多种污水废水，如河流污水、下水道废水、屠 宰废水等都具有较高的絮凝活性。s h u - g u a n gw a n g t l 6 j 等由菌株胁瓠招肠m o b i l i s 培养液 制备的微生物絮凝剂在适宜条件下絮凝率达到9 5 4 。赵晓祥1 3 5 】等研究了菌种的培养条 件对微生物絮凝剂的合成产生的影响，主要包括培养基组成、初始p h 值、温度、金属离 子及阴离子、通气量和菌种的混合培养等，都对菌种产絮凝剂有不同程度的影响。马放 p 6 j 等利用两株芽孢杆菌复配制的复合型生物絮凝剂c b f ，并对其成分进行了深入的分析， 通过紫外扫描分析、生化反应分析、红外光谱扫描分析、凝胶色谱分析等手段，得出该 絮凝剂为大分子多糖类物质，为长链线性分子，含有大量的c o o - 集团，存在羧基等 基团有助于增加其水溶性，可通过离子键与水中悬浮物质结合，形成较强的吸附作用。 并推测该生物絮凝剂的作用机理为“吸附架桥 作用。杨朝晖【37 j 等研究了一株筛选自土 壤的产絮凝剂菌株多粘类芽孢杆菌g a l ，优化了产絮凝剂培养基及培养条件，针对其 产絮凝剂和菌体生长的关系，采用了分段培养工艺，在缩短培养周期的同时保证了絮凝剂 的产量，具有一定的实际应用价值。王曙光【3 8 】等研究了土壤杆菌( a g r o b a c t e r i u ms p ) l g s 1 。 该菌株能利用酱油酿造废水生产微生物絮凝剂，该生物絮凝剂不仅具有较高的产量和絮 凝活性，并且在4 c 条件下存储2 0 0 天仍保持7 6 以上的絮凝活性。周礼【3 9 j 等从某自来水 厂的活性污泥中筛选得到了一株稳定高效的微生物絮凝剂产生菌m b f - 3 3 ，对高岭土悬浊 液的絮凝率达至u 9 5 。陶然m j 等从土壤中筛选出一株具有高效絮凝活性的菌株b 6 ，经鉴 定为恶臭假单胞菌，对4 9 l 的高岭土悬浊液的絮凝率达到9 2 以上。李旭1 4 1 等利用含苯 酚、邻苯二甲酸二丁酯和硫酸铅的分离培养基筛选出一株对苯酚有一定耐受性的絮凝剂 6 第一章绪论 产生菌b 2 ( s e r r a t y as p ) ，并实验证实在有毒物质存在的状况下，对多种悬浊液的絮凝 活性高于硫酸铝、p a c ，且热稳定性好。 1 2 3 微生物絮凝剂的絮凝机理及影晌因素 传统意义上，认为絮凝剂加入水中后，主要是通过双电层压缩、电荷中和、吸附架 桥和网捕等作用使颗粒间排斥力降低、胶体系统脱稳，从而发生凝聚和絮凝。但由于微 生物絮凝剂种类及其组成的多样性和不确定性，对于目前微生物絮凝剂的絮凝机理还不 是很清楚，为此曾有很多的假说被先后提出，如体外纤维素丝学说、荚膜学说、疏水学 说、类外源絮凝聚素”假说等f 2 2 , 2 7 , 4 2 】。目前人们普遍接受的是“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吸附架桥作用、电中和作用和网捕作用等几个物理 化学过程共同作用的结果。l e v y 等【4 3 】以吸附等温线和( 电位测定表明，环圈项圈藻 p c c 6 2 7 0 所产絮凝剂对膨润土的絮凝过程确实是以“桥联”机制为基础的，类似于高分 子聚合物的吸附架桥作用，其机理见图1 。 妙+ 一赴n 高分子聚合物 肢体 脱稳胶体 + 厣一 脱穗胶体 絮凝体 图1 1 吸附架桥机理示意1 2 2 】 f i g 1 1e x a m p l eo fh e a d e r ss e r i a ln u m b e r 由于微生物种类繁多、易变异等特性决定了生物絮凝作用的机理也必然是一个错综 复杂的过程，生物絮凝过程中的颗粒组成、电荷等环境条件都会对絮凝作用产生影响， 要得到一个较为完善的生物絮凝机理理论还需要更为深入的研究与探索。 1 3 国内外微生物絮凝剂的应用研究 目前国内外关于微生物絮凝剂的研究主要还局限于实验室，大规模应用的还不多。 关于应用的研究已经有不少见于报到，主要几种在以下几个方面：污水处理、活性污泥 的改善及污泥脱水、与传统絮凝剂的复合使用、垃圾填埋场浸出液的处理及煤的浮选和 絮凝精炼等。这其中主要以污水处理为主，包括废水脱色、重金属离子的富集与去除、 含油废水的处理等。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 1 3 1 污水处理 微生物絮凝剂的絮凝范围广，作用条件温和，在污水处理中应用前景广阔。目前已 有研究表明，微生物絮凝剂在处理畜产废水、被污染河水、印染废水、城市生活给排水 等领域时c o d 去除率多在7 0 以上。 ( 1 ) 废水脱色。人造染料废水脱色的一般的方法有混凝沉降、磁分离法、吸附与萃 取、高温深度氧化、光化学催化等m 】，但由于运行费用高和处理效果欠佳等问题成为难 于处理的废水。而传统絮凝剂中铁盐虽然无毒无害，但是其颜色一直是限制其广泛应用 的主要因素。张本兰【】9 j 用p a l c a l i g e n e s8 7 2 4 菌株产生的絮凝剂对纸浆黑液和氯霉素等颜 色较深的废水进行脱色处理，脱色率分别达9 5 和9 8 以上。r k u r a n e l 4 5 j 等用 a l c a l i g e l i e sl a t u s 培养液和1 5 m ll 聚氨基葡糖( 助凝剂) 处理化妆品厂排放的蓝色废 水，脱色率可达9 4 6 。由a s p e r g i l l u sp a r a s i t i c u s 制得的微生物絮凝剂对蓝色4 号和黄 酸2 5 号染料的脱色率达到9 2 4 和9 2 9 【。李风琴【4 6 l 等用微生物絮凝剂m h x g s 2 处理靛蓝印染废水，得出在p h 值为l o 5 ，投加1 的c a c l 2 作为助凝剂的条件下，靛蓝 印染废水脱色率可达到9 6 5 。s h u g u a n gw a n g 1 6 】等用奶品厂废水作为营养源培养菌株 k l e 1 ，处理四种染料r g f l 黄、h f r l 紫、k - 4 g 浅黄、k n g 土耳其玉蓝，均有很好 的脱色效果，其中h f r l 紫的脱色率达到了9 1 。洪义国【47 】等从印染活性污泥中分离 到1 株高效广谱偶氮还原茵c i t r o b a c t e rs p a z o r - 2 ，能够在碱性厌氧条件下利用多种有 机物和氢气作为电子供体还原多种偶氮化合物，具有光谱还原特性，这是到目前为止第 一个从环境中分离的具有偶氮还原能力的柠檬酸菌。 ( 2 ) 重金属离子的富集与去除。工业废水中含有大量的c ，+ 、c u 、h 矿+ 、c d 2 + 、 n i 2 + 等重金属离子，对环境及动植物的危害相当巨大，在食物链中容易积累，极大的危 害到人的健康。目前的处理方法主要有化学还原、电解、离子交换等，但一般处理费用 较高。研究表明有的微生物本身或是经过驯化对重金属有一定的耐受性，而且能与水中 的一些重金属作用从而达到去除的目的【2 4 1 。肖锦【4 】等报道陶颖等以觑砌脚嬲 s p g - x 4 - 1 菌胞外高聚物发酵液制得的絮凝剂对水中的c r ( v i ) 进行絮凝吸附实验，吸附过 程极快，5 m i n 内即可达总吸附量的7 5 ，测得对c r ( v i ) 的最大吸附量( q ) 为8 0 m e , g ， c r ( v 1 ) 去除率为5 1 。h s a l e h i z a d e h l 4 8 等报道了b e n d e r 等以一种藻青菌o $ c i l l a t o r i as p 能够去除m n 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 、c 0 2 + 、c 2 + 和f e 3 + 等多种污水中的常见 金属离子。 ( 3 ) 含油废水的处理。石油开采、机械加工、肉类食品工业生产都会排放大量的含 油废水。破乳、消化是微生物絮凝剂处理含油废水的主要手段【4 j 。其中机械加工工业对 乳化液的用量很大，由于乳化液成分较复杂，油水两相乳化程度高，含有较多金属碎屑 第一章绪论 及微生物杂质，对水环境污染较为严重，因此研究废弃乳化液的处理及回收利用具有很 大的现实意义及经济价值。用a l c a l i g e n e sl a t u s 培养液可以很容易地将棕榈酸从乳化液 中分离出来，向l o o m l 含o 2 5 棕榈酸的乳化液中加入l o m l a l c a l i g e n e sl a t u s 培养液和 l m l 聚氨基葡糖( 助凝剂) 后，在细小均一的乳化液中立即形成明显可见的油滴，这些油 滴浮于废水表面，形成明显的分层，下清液的c o d 值从原来的4 5 0 r a g l 降为2 3 5 m g l ，去除率为4 8 【4 9 1 。林俊岳 s o l 等在处理高浓度洗毛废水的实验中，使用微生物絮凝 剂代替化学絮凝剂，使得c o d 去除率达到8 5 ，出水由灰黑色悬浊液变为红褐色透明 液体，减少了后续处理的负荷。 1 3 2 活性污泥性能的改善与污泥脱水 活性污泥法是一种应用最为广泛的污废水处理方法，但运行中时常发生活性污泥膨 胀，严重影响出水质量及处理效果，是目前水处理工程中的一大棘手难题而生物絮凝剂 则能有效地清除污泥膨胀，改善其沉降性能及污泥脱水效果1 5 1 。由a s o j a ea j 7 0 0 2 产生 的絮凝剂用于处理工业废水时，去除活性污泥中的微生物细胞体效果良好【4 引。 r k u r a n e 5 2 】等将r e r y t h r o p o l i s 产生的絮凝剂n o c 1 加入已发生膨胀的活性污泥 中，可以使污泥沉降指数( s v i ) 从2 9 0 下降到5 0 ；用2 m l 的r e r y t h r o p o l i s 培养液和5 m l 浓度为1 的c a 2 + 溶液复配处理9 5 浓缩污泥，可以使污泥体积在2 0 m i n 内浓缩到原 来的9 2 ，上清液的o d 5 5 0 值小于o 0 5 。 1 3 3 微生物絮凝剂与传统絮凝剂的复合使用 有关研究表明，微生物絮凝剂与传统絮凝剂的复合使用不仅可以节约絮凝剂的用 量，减小传统絮凝剂对环境的二次污染，同时又弥补了微生物絮凝剂在某些特殊环境条 件下的不足，是目前微生物絮凝剂推广的重要过渡方法。余莉萍【5 3 】等的研究表明，在相 同处理效果的情况下，采用微生物絮凝剂j m b f 2 5 和无机絮凝剂复合使用，对含藻微污 染水进行处理，无机絮凝费t j p a c 的用量降低了5 0 - 6 0 。杨桂生 5 4 1 等的研究也表明， 微生物絮凝剂浓度y 9 5 m g l 时，聚合硫酸铁浓度为5 - - 6 m g l 时，对含藻污水的处理效果 达到最佳，浊度去除率为9 8 6 ，色度去除8 2 。曹建平【5 5 】等利用微生物絮凝剂m 2 5 与聚合硫酸铝复合使用后，可提高酱油废水的处理效率，絮凝率和c o d 去除率分别达到 7 7 2 和7 9 8 。李学翔【5 6 】等将从土壤中筛选出的两株微生物絮凝剂产生茵进行了复合 优化培养，其产生的分泌物在! j l ：1 3 m g lc a c l 2 助凝剂的条件下，0 4 9 l 的高岭土悬浊液的 絮凝率达到7 7 。1 5 以上。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 1 3 4 垃圾填埋场浸出液的处理 固体废弃物是三废处理中最难处理的，目前最为有效的处理方法是焚烧，但是焚烧 工艺费用高，在我国难以推广。填埋是另一种较为安全合理的处理方式，但是垃圾填埋 场浸出液一直是难以解决的问题，其c o d 值高、有毒有害物质含量高、一般处理方法都 难以解决。a n a s t a s i o si z o u b o u l i s 等【5 7 】研究指出，使用2 0 r a g 1 的明矾处理垃圾浸出液c o d 处理率仅为3 8 ，而加入4 m g 1 的生物絮凝剂后处理率增大为9 1 ；与传统无机絮凝剂 相比，c o d 去除率同为9 5 时，聚合氯化铝类的最佳投加量为3 6 0 r a g 1 ，而微生物絮凝 剂的投加量仅为5 0 m g 1 。可见，使用生物絮凝剂不仅对环境友好，而且还可以大大的节 省絮凝剂用量，节约运行成本。康建雄1 5 8 】等研究表明生物絮凝剂( 普鲁兰) 在与无机絮凝 剂硫酸铝复合处理垃圾填埋场渗滤液方面应用前景广阔，其c o d 去除率达到8 0 ，浊度 去除率在9 5 以上。 1 3 5 煤的浮选和絮凝精炼 a m r a i c h u r 等蟑9 j 指出，使用传统的有机高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺和聚环氧乙烷 等进行煤的浮选与精炼常常效率极低，通过微生物与煤微粒的交互作用，可以提高煤中 矿物微粒的沉降速率，从而实现矿物质的分离。s p v i j a y a l a k s h m i 等【6 0 】的研究表明，微 生物絮凝剂b a c i l l u ss u b t i l i s 茵体与煤微粒具有相似的表面电荷数，其原理是疏水的煤颗 粒与亲水的微生物菌体通过交互作用结合，使得絮状体形成并沉淀，并且加入电解液有 助于沉淀的形成，该絮凝作用不受溶液p h 的影响。上述研究表明微生物絮凝剂在煤的 精炼中也有开发应用的可能。 此外，微生物絮凝剂还可以应用于发酵液的处理及对生物细胞的絮凝、橡胶产业用 于提高脱脂橡胶的产量、食品工业产品的脱色等方面。 1 4 课题的目的、意义及研究内容 1 4 1 课题的目的及意义 尽管微生物絮凝剂以其独特的性质而具有巨大的开发潜力，然而到目前为止还仅限 于实验室研究阶段，离大规模推广应用还相差较大。影响其推广应用的主要原因是生产 成本高，产量低、絮凝活性低。要解决目前的问题，就要开发价廉高效的新型微生物絮 凝剂，深入的研究微生物絮凝剂的作用机理，系统的了解絮凝剂的分子特性及结构组成， 从而达到控制絮凝剂的最佳使用条件，使絮凝达到较佳的效果，并最终达到降低使用成 本的问题。 微生物絮凝剂开发研究的发展方向主要为： l o 第一章绪论 ( 1 ) 开发廉价高效的微生物絮凝剂产生菌种，寻找廉价简易的营养源及培养条件， 探索适于推广的发酵方式及生产工艺，为工业化推广创造条件。 ( 2 ) 通过深入研究微生物絮凝剂的结构组成和絮凝机理，扩大微生物絮凝剂的应用 范围，寻找合适的絮凝体系。 ( 3 ) 利用生物技术，找到控制产生絮凝剂的微生物的功能基因，定向驯化或采用基 因工程的方法强化絮凝作用，培养适合不同废水处理要求的高效絮凝工程菌。 ( 4 ) 研究微生物絮凝剂与传统絮凝剂的高效复合使用问题。 ( 5 ) 研究剩余污泥的妥善安置与处理工作。 本课题利用大连渤海海湾地区地理位置的优势，研究利用常见的广泛的分布于各地 沿海滩涂的海洋贝壳类生物菲律宾蛤仔，初期研究发现其黏附污泥具有较强的絮凝 沉淀及使染料脱色的活性，认为具有开发生物絮凝剂的潜力。本课题的研究利用海洋这 个巨大的生物资源宝库，丰富微生物絮凝剂产生菌的筛选范围，可利用廉价的天然海水 进行发酵培养，具有巨大的经济价值和社会价值。 1 4 2 课题的研究内容及实验方案 本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 研究菲律宾蛤仔黏附污泥的絮凝剂脱色活性； ( 2 ) 筛选出黏附污泥中起絮凝作用的微生物絮凝剂产生菌； ( 3 ) 对微生物絮凝剂产生菌的发酵产絮凝剂条件进行培养条件的优化，确定最佳产 絮凝剂培养条件； ( 4 ) 对筛得的高效微生物絮凝剂产生菌进行细菌分类学和传统生理生态学鉴定； ( 5 ) 制备微生物絮凝剂，并研究其作用的最佳环境条件； ( 6 ) 初步研究制得的微生物絮凝剂在染料脱色、重金属吸附及膨胀活性污泥处理方 面的应用； ( 7 ) 初步分析制得的微生物絮凝剂的活性成分，利用傅立叶红外光谱、紫外光谱扫 描和核磁共振分析其结构。 大连交通大学工学硕士学位论文 本实验流程如下： 取样( 菲律宾蛤仔黏附污泥) 泥 筛选菌种染料脱色絮凝活性测定 上 上清液 染料脱色絮凝活性测定 ( 若有较高脱色或絮凝活性，则进 行成分分析、分离活性物质) 增殖培养( 做涂片染色，观察细菌形态和有无荚膜等特征) 上 选择性培养( 筛选絮凝、脱色活性较高的菌株，得到m b f 产生菌) 上 絮凝活性分布的测定( 确定絮凝活性成分为胞外多糖或菌体蛋白质等物质) 上 培养条件的优化，设计正交实验( 影响因素：培养温度，培养时间，培养基初始p h 值，金属离 i子，碳源及其浓度，氮源及其浓度) 菌种生理生化性质研究，菌种鉴定_ 微生物絮凝剂的制备及其特性、结构分析 上 应用实验( 染料废水脱色、重金属离子去除、 膨胀活性污泥性能改善、与传统絮凝剂絮凝活性比较) 第二章菲律宾蛤仔黏附污泥絮凝及脱色活性研究 第二章菲律宾蛤仔黏附污泥絮凝及脱色活性研究 1 1 引言 目前已报道的微生物絮凝剂产生菌大部分都筛选自各种活性污泥和土壤，本研究发 现菲律宾蛤仔黏附污泥具有很好的絮凝沉降活性，并且对多种人造染料具有较强的脱色 活性，经试验证实此絮凝及脱色活性来自于黏附污泥中生长的微生物细胞。因此，本课 题对扩展产微生物絮凝剂菌种的筛选范围具有现实意义。 菲律宾蛤仔通常又称杂色蛤，是贝壳类海产品，隶属帘蛤科，中( 英) 文名菲 律宾蛤仔( r u d i t a p e sp h i l i p p i n a r u m ) ，南方俗称花蛤( h u a g e ) ，辽宁称蚬子( x i a n z i ) ， 山东称蛤蜊( g a l a ) ，日文名：丁廿l j 【南芒哆】a s a r i 。花蛤广泛分布在我国南北海区， 其中以辽宁、山东产量最大。它生长迅速，养殖周期短，适应性强( 广温、广盐、 广分布) ，离水存活时间长，是一种适合于人工高密度养殖的优良贝类，是我国 四大养殖贝类之一。 本课题通过比较山东烟台、大连庄河、旅顺三个产地的四种菲律宾蛤仔黏附污 泥对高岭土絮凝活性和染料脱色活性，选用产于辽宁省庄河市的野生菲律宾蛤仔 黏附污泥进行试验研究。该贝壳小而薄，呈长卵圆形，壳顶稍突出，于背缘靠前 方微向前弯曲，放射肋细密，位于前、后部的较粗大，与同心生长轮脉交织成布 纹状，贝壳表面为深褐色的斑点或花纹，内面淡灰色，从壳顶到腹面有2 3 条浅 色的色带。其黏附污泥为深灰色，絮状，经半小时静置后含水率约为5 0 。 本试验选用三种常见的染料配制成模拟染料废水用于脱色研究，分别为亚甲 基蓝、结晶紫和孔雀石绿。其结构式如图2 1 ( 从左往右依次为亚甲基蓝、结晶紫、 孔雀石绿) 。 i c h 3 h 3 c 、，吼 幽3由3 图2 1 亚甲基蓝、结晶紫、孔雀石绿结构式 f i g 2 1s t r u c t u r eo fm e t h y l e n eb l u e ，c r y s t a