微生物絮凝剂的研究及应用.doc

微生物絮凝剂的研究及应用摘要水处理混凝剂的发展速度很快，新产品层出不穷。第一代絮凝剂为以铝离子为代表的无机盐及其高分子聚合物，第二代为以聚丙烯酰胺为代表的有机高分子絮凝剂，这两代絮凝剂(有机和无机类1均存在不同的缺点。近年来，人们开发出了一类由微生物产生的、具有高效混凝作用的天然高分子有机物(生物树脂)，称为微生物絮凝剂，应用效果好、适用范围广、易生物降解、安全可靠。处理后的污水最终能实现无污染排放等特点而被称之为第三代絮凝剂。关键词 微生物，絮凝剂，絮凝机理，水处理引言 微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂，利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂。微生物产生的絮凝剂物质为糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子化合物，相对分子质量在105以上。微生物絮凝剂的研究者早就发现，一些微生物如酵母、细菌等有细胞絮凝现象，但一直未对其产生重视，仅是作为细胞富集的一种方法。近十几年来，细胞絮凝技术才作为一种简单、经济的生物产品分离技术在连续发酵及产品分离中得到广泛的应用。微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物。主要有糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等。能产生微生物絮凝 剂的微生物种类很多，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。从其来源看，也属于天然有机高分子絮凝剂，因此它具有天然有机高分子絮凝剂的一切优点。同时，微生物絮凝剂的研究工作已由提纯、改性进入到利用生物技术培育、筛选优良的菌种，以较低的成本获得高效的絮凝剂的研究，因此其研究范围已超越了传统的天然有机高分子絮凝剂的研究范畴。具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌。最早的絮凝剂产生菌是Butterfield从活性污泥中筛选得到。1976年，Nakamura j.等人从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中，筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中以酱油曲霉AJ7002产生的絮凝剂效果最好。1985年，Takagi H等人研究了拟青霉素微生物产生的絮凝剂PF101。PF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土、氧化铝等有良好的絮凝效果。1986年，Kurane等人利用红平红球菌研制成功息生物絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物絮凝剂。1 微生物絮凝剂的理化性能1微生物絮凝剂主要是在菌细胞外分泌的， 是一种具有絮凝功能并且可以被自然降解的高分子有机物，主要含糖蛋白、多糖、多肽、蛋白质、纤维素和DNA等高分子化合物，其分子量一般在10s以上。有些则是直接利用微生物细胞起絮凝作用比如大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中的细菌、霉菌和放线菌等。还有一些是从细胞壁提取的，像葡聚糖、甘露聚糖和蛋白质等。至今发现的具有絮凝性的微生物至少有17种 。此外，有的微生物絮凝剂中还有无机金属离子。改性后的天然高分子絮凝剂与人工合成的有机高分子絮凝剂相比有以下特点： 比其他絮凝剂产生的絮团大，易于分离，而且形成沉淀物少； 微生物絮凝剂具有可生化性，易被微生物降解，无毒无害等安全性，不会导致二次污染，且有絮凝广泛、脱色、除浊效果独特的特点，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、畜产废水、染料废水等有极好的絮凝和脱色效果；有的微生物絮凝剂还有不受pH条件影响、热稳定性强、用量小等特点； 比表面积大、转化能力强、繁殖速度快、易变异、分布广等特点。微生物絮凝剂的生产周期短，效率高，投放量相对较少，能实现大面积污水的净化作用。但是微生物絮凝效果易受到有毒物质的干扰，也有一些微生物絮凝剂受絮凝体系pH条件和水体所含金属离子的影响。2 微生物絮凝剂的絮凝机理2目前较为人们所接受的微生物絮凝剂的絮凝机理，大多还沿用DLVO理论来解释，主要有架桥作用、电性中和作用、网捕作用和化学反应作用，其中架桥作用最易被人们接受。21 架桥作用该学说可解释大多数微生物絮凝剂引起的絮凝现象，认为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颗粒，在颗粒间产生“架桥”现象，从而形成一种网状三维结构而沉淀下来 。但絮凝是一个复杂的过程架桥作用并不能解释所有现象，絮凝剂的广谱活性也证明絮凝机理不是单一的。22 电性中和作用电性中和作用是指胶体粒子的表面带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近胶粒表面或被吸附到胶粒表面时，将会中和胶粒表面上的一部分负电荷减少静电斥力，从而使胶粒间能发生碰撞而凝聚沉淀23 网捕作用当微生物絮凝剂投量一定且形成小的粒絮体时，可以在重力作用下迅速网捕、卷扫水中胶粒，而产生沉淀分离。这种作用基本上是一种机械作用，所需絮凝剂量与原水杂质含量成反比。原水胶体杂质含量少时，所需絮凝剂量大，反之亦然。24 化学反应作用生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学反应，聚集成较大分子而沉淀下来，通过对生物大分子改性处理使其添加或丧失某些活性基团，其絮凝活性大受影响。这些絮凝剂的絮凝活性大部分依赖于活性基团E9 3。除上述4种机理外，国内外学者还先后提出过很多学说：如类外源絮凝聚素假说、Grabee的PHB酯合学说、Friedman的菌体外纤维素纤丝学说等|10j。但是这些学说不能解释大部分絮凝现象，因此不为人们所接受。由此可见关于微生物絮凝剂的絮凝机理很难用一种理论来解释，各种引起絮凝的作用都有可能发生。为了更好地解释絮凝机理，需对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构象及各种反应条件的影响做更深入的研究。3影响微生物絮凝活性的因素1,231 影响絮凝活性的内因1)絮凝剂分子量。絮凝剂分子量的大小对絮凝活性有很大影响。通常，絮凝剂分子量越大，其分子链越长，所带电荷和活性吸附位点越多，电荷中和能力就越强，架桥作用和卷扫作用越明显，其絮凝活性就越高。2)絮凝剂分子构型。絮凝剂分子在水中的伸展状态直接影响絮凝活性。一般认为，絮凝剂分子呈现无规则线团时，分子的有效长度变短，不利于吸附架桥；而分子充分伸展，呈现柔性线状则有利于絮凝。3)絮凝剂中活性基团的数量与类型。一些特殊基团在絮凝剂中充当颗粒物质的吸附部位或维持一定的空间结构，对絮凝活性有很大影响。大多数MBF的红外光谱表明，在其结构中存在着羧基、羟基、氨基和磷酸根。4)细胞表面疏水性。絮凝活性也与细胞表面疏水性有关，处于对数生长后期的细胞，表面疏水性增强，其絮凝活性升高。处理污水可降低MBF的细胞表面疏水性，其絮凝性能会明显下降。而聚合阳离子却可增强细胞表面疏水性，故能提高其细胞的絮凝活性。32 影响絮凝活性的外因1)絮凝剂的投加剂量。每一种絮凝剂都有一个最佳投加剂量，过多或过少絮凝效果均会下降。2)温度。有些微生物絮凝剂易受温度的影响，主要是因为高温可使某些生物高分子(如蛋白质絮凝剂)变性及空间结构改变，某些活性基团不再与悬浮颗粒结合，因而表现出絮凝活性下降。3)絮凝环境的pH值。微生物絮凝剂的絮凝能力与絮凝环境的pH值有关，主要是因为酸碱度的变化影响微生物絮凝剂及其被絮凝物表面电荷的性质、数量及中和电荷的能力。不同的微生物絮凝剂对不同的被絮凝物具有不同的初始pH值要求，这种差异主要是由絮凝剂的化学成分决定的。4)金属离子的种类和浓度。金属离子的种类和浓度对微生物絮凝剂的影响很大。一定浓度的金属离子可以使微生物絮凝剂分子与悬浮颗粒以离子键结合，从而促进絮凝，因此对于提高微生物絮凝剂的絮凝活性有重要意义。5)通气量。通气量对絮凝活性有一定影响。MBF产生菌的培养是好氧过程，当其他条件确定时，氧气的供应速度明显影响絮凝率，加大通气量可提高絮凝活性。6)胶粒表面电荷和表面结构。胶粒表面电荷亦影响絮凝活性，同一絮凝剂对不同胶粒会表现出不同的絮凝活性。MBF所带电荷多数为负电荷，在处理阳离子型废水时，加入的生物高聚物吸附在带电胶粒上，将中和胶粒的表面电荷，这就降低了胶粒的Zeta电位而使其聚沉，提高了絮凝活性。4 微生物絮凝剂的应用3,441 给水处理在用含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖絮凝剂处理河水和湖泊水时发现，絮凝后所形成的胶团大、密实度高、沉降快，上清液的剩余浊度低，对COD的去除率比海藻酸钠明胶絮凝剂高得多。在给水的生物氧化预处理时，原水经微生物氧化分解后，在后续的加药混凝中，矾耗量减少，去除色度的能力增强，形成的絮凝颗粒大且密实，沉降陕42 废水处理(主要是印染废水的脱色)有人在80ml废水中加入2ml Alcaligenes latus培养物和15ml 1聚氨基葡萄糖，即可在废水中形成肉眼可见的絮凝体，脱色率为946，下层清液的外观与自来水相近。微生物絮凝剂对废水中的悬浮颗粒也有相当好的去除效果。在含有大量极细微的悬浮固体颗粒的焦化废水悬浮液中，加入2的Alcaligenes latus培养物，并加入钙离子，即形成肉眼可见的絮凝体，ss去除率达78，比聚合铁有效得多(47) 。43 应用于活性污泥法在浓缩后的污泥中加入Rerythropolis培养物和1的钙离子溶液，可使污泥体积在20rain内浓缩为原来的92，上清液的OD 值小于005。不少工业废水在采用活性污泥处理时，形成的活性污泥容易发生膨胀，从而影响处理效率，若添加微生物絮凝剂，会取得良好的效果。44 处理建材废水含有高悬浮物的建筑材料加工废水也较难处理，例如陶瓷厂废水，主要包括胚体废水和釉药废水，前者含较多的黏土颗粒，后者除含黏土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添加NOC1后5min。胚体废水的0D鲫从原来的14下降到0043；釉药废水的0D枷从l72下降到035；浊度去除率分别为966和979，可得到几乎透明的上清液。45 用于乳化液的油水分离用Alcaligenes latus培养物可以很容易地将棕榈酸从其乳化液中分离出来。试验表明，向100ml的025乳化液中加入10ml Alcaligenes latus培养液和1ml聚合氨基葡聚糖，乳化液中形成明显可见的油滴并浮于表面，下清液的COD去除率为48，远好于无机絮凝剂和人工合成的高分子絮凝剂。46 对畜产废水的处理畜产废水是含有BOD较高的难处理有机废水，采用合成有机絮凝剂虽然有较好的效果，但存在二次污染。畜类粪便废水使用NOC 1加钙离子处理10min后，废水的上清液几乎透明，TOC去除率达到637；OD660由原来的l57降为086，浊度去除率达到945。Rerythropolis培养物与一定浓度的钙离子溶液混合后，对该种废水的TOC去除率将会更高，同时对总氮也有显著的去除作用。5 生物絮凝剂的发展方向5生物絮凝剂以其安全无毒、无二次污染、絮凝效果好等优良特性，在水处理中有着广阔的应用前景。今后的发展方向是：(1)对生物絮凝剂絮凝机理作深入研究。生物絮凝剂具有独特的高分子结构，能否取得优良絮凝效果与许多因素有关。因此采用现代测试方法检测生物絮凝剂结构和理化性质，对其在絮凝过程中胶体化学研究、控制条件及水力条件研究还有待于进一步深入；(2)加强复合型生物絮凝剂的研制。生物絮凝剂与传统絮凝剂复合，能够发挥各自的性能优势。在生物和传统絮凝剂的结合应用方面有必要进行更多的研究和探讨，以开发出能广泛应用的新型产品；(3)进行微生物絮凝剂的应用研究，探索优化工业化生产条件。由于微生物产生絮凝剂的性状可以稳定遗传，所以微生物絮凝剂日益受到研究人员的关注。培养微生物絮凝剂的营养成分有碳源、氮源、无机离子、水、生长因子及其他物质。不同菌对培养基中的营养成分要求不一样。目前研究焦点集中是降低培养基成本，提高菌产率，以便能推广至工程实际应用。此外，利用基因和生物工程技术提高微生物絮凝剂的絮凝性能也是研究的重要方向。6 结语微生物絮凝剂以其无毒、高效、无二次污染、使用方便等特点展示了广阔的应用前景，大有取代传统絮凝剂的趋势。因其具有超强的絮凝性能，可使一些难处理的高浓度废水得到絮凝，并明显降低、色度等指标，是一种有着良好发展前景的新型絮凝剂。随着人们环保意识的不断加强，微生物絮凝剂的应用将会越来越广，尤其是在食品、医药和生物制品领域。同时，水处理技术本身受到环境资源以及能源的制约和挑战，也存在着生产成本高、活体絮凝剂保存困难、絮凝剂处理功能单一等难题。尽管微生物絮凝剂独特的优越性已经显示了其广阔的应用前景，但到目前为止，微生物絮凝剂在实际生产中尚未得到推广应用。生产成本过高一直成为障碍其推广的主要原因。1薛广雷，王 龙，等.微生物絮凝剂絮凝机理及絮凝效果影响因素J.水科学与工程技术,2009,23(5):36-38.2 高孟臣 张馨予 曲东旭. 浅谈微生物絮凝剂(MBF)物质组成和应用J.山西建筑,2010,6(2):36-16.3 陈义春.微生物絮凝剂在水处理中的应用研究J.北京电力高等专科学校学报,2010,(4):70-71.4贾玲.微生物絮凝剂的研究及其应用J.河北化工,2010