第7章微生物絮凝剂的作用机理-07-2014

1、第第七七章章 生物絮凝生物絮凝剂剂 的生的生产与应产与应用用 絮凝沉降法是目前国内外普遍用来提高水质处理效率的一种既经济又简便的水质处理方法，其处理效果的好坏很大程度上取决于絮凝剂的性能。絮凝剂分类絮凝剂分类:无机絮凝剂有机絮凝剂高分子型、低分子型 阳离子型、 阴离子型、 非离子型按其分子组成按其分子量的高低按其官能团的性质及官能团所带电荷的性质开发开发生物絮凝生物絮凝剂剂的必要性的必要性有机合成高分子絮凝有机合成高分子絮凝剂剂 v 合成高分子絮凝剂投加量少，一般在合成高分子絮凝剂投加量少，一般在2以下，效果以下，效果好，形成的絮体大，而且强度大，不易破碎，不增加好，形成的絮体大，而且强度大，

2、不易破碎，不增加泥量，降低热值，无腐蚀性它分非离子型、阳离子泥量，降低热值，无腐蚀性它分非离子型、阳离子型、阴离子型和两性四种常用有机絮凝剂有：聚丙型、阴离子型和两性四种常用有机絮凝剂有：聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸盐等，其烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸盐等，其中聚丙烯酰胺的应用最多，占合成高分子絮凝剂的中聚丙烯酰胺的应用最多，占合成高分子絮凝剂的80左右然而这一类絮凝剂由于存在着一定量的左右然而这一类絮凝剂由于存在着一定量的残余单体丙烯酰胺，不可避免的带来毒性，所以限制残余单体丙烯酰胺，不可避免的带来毒性，所以限制了它的应用。高分子量聚丙烯酸钠属阴离子型絮凝剂了它的应用

3、。高分子量聚丙烯酸钠属阴离子型絮凝剂，有强烈的絮凝作用而且无毒；对悬浮于水中的细微，有强烈的絮凝作用而且无毒；对悬浮于水中的细微粒产生非离子性吸附，使粒子之间产生交联；对具有粒产生非离子性吸附，使粒子之间产生交联；对具有金属氢氧化物这类金属氢氧化物这类 正电荷的胶体粒子更显示出其优良正电荷的胶体粒子更显示出其优良性能性能有机絮凝有机絮凝剂剂在在实际应实际应用中存在的用中存在的问题问题:v 有机合成高分子絮凝剂丙烯酰胺多聚体虽有机合成高分子絮凝剂丙烯酰胺多聚体虽然本身没有任何毒性，但其难降解性却易造成然本身没有任何毒性，但其难降解性却易造成二次污染，而且聚合单体丙烯酰胺的残留也是二次污染，而且聚

4、合单体丙烯酰胺的残留也是一个令人十分担忧的问题，它不仅具有强烈的一个令人十分担忧的问题，它不仅具有强烈的神经毒性，而且是强致癌物，现在许多国家和神经毒性，而且是强致癌物，现在许多国家和领域已禁止或限量使用此类絮凝剂，如美国批领域已禁止或限量使用此类絮凝剂，如美国批准使用的聚丙烯酰胺最大容许浓度为准使用的聚丙烯酰胺最大容许浓度为1mg/mL1mg/mL；英国规定英国规定PAMPAM的投加剂量平均不得超过的投加剂量平均不得超过0.5mg/mL0.5mg/mL，最大投加剂量不得超过，最大投加剂量不得超过1mg/mL1mg/mL。 无机絮凝无机絮凝剂剂v无机盐类絮凝剂主要分为铝盐和铁盐无机盐类絮凝剂主

5、要分为铝盐和铁盐，它们有很大的缺点：残留在水中的，它们有很大的缺点：残留在水中的铝离子会导致二次污染；铁离子本身铝离子会导致二次污染；铁离子本身有颜色，并对设备有腐蚀作用，提高有颜色，并对设备有腐蚀作用，提高成本；投加量大，产泥量高，运行费成本；投加量大，产泥量高，运行费用高无机盐聚合物类絮凝剂效果好用高无机盐聚合物类絮凝剂效果好，残留在水中的铝、铁离子少，而且，残留在水中的铝、铁离子少，而且易生产、易生产、价廉价廉、使用范围广使用范围广，在我国，在我国实际用量占絮凝剂总量的实际用量占絮凝剂总量的80以上以上存在的存在的问题问题:v 无机絮凝剂在实际应用中存在的问题无机絮凝剂在实际应用中存在的

6、问题:v (1)会给被处理液带入大量无机离子，需增加脱盐、会给被处理液带入大量无机离子，需增加脱盐、去离子工序，过量的无机离子不仅影响产品的风味、去离子工序，过量的无机离子不仅影响产品的风味、口感，也不利于人的健康尤其是口感，也不利于人的健康尤其是Al3+的摄入，与目的摄入，与目前日益增多的老年痴呆症的引发有直接关系。前日益增多的老年痴呆症的引发有直接关系。v (2)铁盐类絮凝剂不仅具有很强的腐蚀性，限制了铁盐类絮凝剂不仅具有很强的腐蚀性，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。色，影响水质。v (3)当处理含有较多硫化物

7、的工业废水当处理含有较多硫化物的工业废水(如纺织印如纺织印染废水，石油工业废水，酸法造纸废水等染废水，石油工业废水，酸法造纸废水等)时，时，Fe3+会会被还原为被还原为Fe2+，同时生成，同时生成FeS和和Fe2S3的混合物，此的混合物，此混合物呈胶体状态，带负电荷，很难形成絮凝沉淀。混合物呈胶体状态，带负电荷，很难形成絮凝沉淀。天然高分子絮凝天然高分子絮凝剂剂v 天然高分子絮凝剂作为一类较新的水处理剂，天然高分子絮凝剂作为一类较新的水处理剂，是利用蛋白质、多聚糖、木质素、几丁质等生物体是利用蛋白质、多聚糖、木质素、几丁质等生物体分泌的天然有机高分子，通过化学改性制成。分泌的天然有机高分子，通

8、过化学改性制成。v 由于天然有机高分子物质具有无毒，能安全降由于天然有机高分子物质具有无毒，能安全降解的特点，但天然有机絮凝剂较弱的絮凝活性解的特点，但天然有机絮凝剂较弱的絮凝活性. 开发一种安全无毒、絮凝活性高、无二次污染开发一种安全无毒、絮凝活性高、无二次污染的新型絮凝剂对物质产品的生产工艺改进，人类的的新型絮凝剂对物质产品的生产工艺改进，人类的健康和环境保护都有很重要的现实意义。健康和环境保护都有很重要的现实意义。 20世纪世纪80年代后期，伴随生物技术的发展，年代后期，伴随生物技术的发展，第三类絮凝剂第三类絮凝剂生物絮凝剂应运而生生物絮凝剂应运而生。天然高分子絮凝天然高分子絮凝剂剂 v

9、 天然高分子絮凝剂易生物降解，本身或中间降解产物对天然高分子絮凝剂易生物降解，本身或中间降解产物对人体无毒，具有选择性大、价廉、产泥量少等优点若人体无毒，具有选择性大、价廉、产泥量少等优点若在生化系统中投加该类絮凝剂，可为城市污水处理后的在生化系统中投加该类絮凝剂，可为城市污水处理后的 回用提供符合要求的水质另外淀粉磷酸酯和淀粉黄原回用提供符合要求的水质另外淀粉磷酸酯和淀粉黄原酸脂也是良好的絮凝剂壳聚糖、甲壳素类絮凝剂作为酸脂也是良好的絮凝剂壳聚糖、甲壳素类絮凝剂作为水处理剂在工业上已大量应用，美国主要用于给水及饮水处理剂在工业上已大量应用，美国主要用于给水及饮用水处理；日本主要用于水处理及污

10、水处理，其中用于用水处理；日本主要用于水处理及污水处理，其中用于水处理的壳聚糖每年达水处理的壳聚糖每年达500500吨之多；我国改良了工艺，絮吨之多；我国改良了工艺，絮凝剂除了对水中的固体悬浮物凝剂除了对水中的固体悬浮物(ss)(ss)有较好的絮凝作用外有较好的絮凝作用外，还对水中的，还对水中的CODCOD、 色度和重金属离子等有较好的去除色度和重金属离子等有较好的去除效果由于该类聚合物具有无毒无味、抗菌、可生物降效果由于该类聚合物具有无毒无味、抗菌、可生物降解等优点使其被大解等优点使其被大 量应用于食品工业废水处理中，壳聚量应用于食品工业废水处理中，壳聚糖可使各种食品加工废水的固形物减少糖可

11、使各种食品加工废水的固形物减少7070 9898v生物絮凝剂生物絮凝剂(MBF ) 微生物絮凝剂微生物絮凝剂(Microbial flocculants 是由微生物产生的生物大分子，是一类由微生是由微生物产生的生物大分子，是一类由微生物产生的絮凝代谢产物，主要有糖蛋白、多糖物产生的絮凝代谢产物，主要有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和、蛋白质、纤维素和DNA等等,具有使其他物质具有使其他物质凝聚沉淀的性能。凝聚沉淀的性能。 一般利用生物技术，通过细一般利用生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、抽提、精炼而得到。菌、真菌等微生物发酵、抽提、精炼而得到。目前对微生物絮凝剂的研究多局限于实验室水目前对微

12、生物絮凝剂的研究多局限于实验室水平的菌种筛选及其特性研究。平的菌种筛选及其特性研究。 生物絮凝剂生物絮凝剂v 生物絮凝剂是一类由微生物产生的可使液体中生物絮凝剂是一类由微生物产生的可使液体中不易降解的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体粒子等不易降解的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体粒子等凝集、沉淀的特殊高分子代谢产物。凝集、沉淀的特殊高分子代谢产物。v 该类絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发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处理剂。与传统的无机和有机合成高分子絮凝剂相比

13、，生物絮凝剂具有许多独特的性质和优点：比，生物絮凝剂具有许多独特的性质和优点：v (1)易于固液分离，形成沉淀物少；易于固液分离，形成沉淀物少；v (2)易被微生物降解，无毒无害，安全性高；易被微生物降解，无毒无害，安全性高；v (3)无二次污染；无二次污染；v (4)适用范围广；适用范围广；v (5)具有除浊和脱色性能等。具有除浊和脱色性能等。v (6)有的生物絮凝剂还具有不受有的生物絮凝剂还具有不受PH条件影响，条件影响， 热稳定性强，用量小等特点。热稳定性强，用量小等特点。微生物絮凝微生物絮凝剂剂v 微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物

14、产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微 生物发酵、提生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂、无二次污染的水处理剂v 能产生微生物絮凝能产生微生物絮凝 剂的微生物种类很多，它们大量存在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在适宜条件下迅速形成网状于土壤、活性污泥和沉积物中在适宜条件下迅速形成网状结构而沉积，从而表现出很强的絮凝能力微生物絮凝性与结构而沉积，从而表现出很强的絮凝能力微生物絮凝性与 分子结构、分子量、活性基团等多

15、种内部环境因素有关，分子结构、分子量、活性基团等多种内部环境因素有关，v 另外，外界环境因素如另外，外界环境因素如pHpH值、温度、离子种类、离子值、温度、离子种类、离子 强强度等对微生物絮凝剂的活性也有度等对微生物絮凝剂的活性也有 影响影响 微生物絮凝剂广泛微生物絮凝剂广泛应用于应用于畜产畜产废水处理、废水处理、染料废水染料废水的脱色、的脱色、高浓度高浓度 无机物悬无机物悬浮液废水浮液废水的处理、的处理、活性污泥活性污泥的沉降性能的改善、污泥脱水、的沉降性能的改善、污泥脱水、浮化液的油水分离等方面浮化液的油水分离等方面复复合絮凝合絮凝剂剂v 复合型絮凝剂是近年才开始研制的新型絮凝剂，复合型絮

16、凝剂是近年才开始研制的新型絮凝剂，能克服使用单一絮凝剂的许多不足，适应范围广能克服使用单一絮凝剂的许多不足，适应范围广，对低，对低 浓度或高浓度水质、有色废水、多种工业浓度或高浓度水质、有色废水、多种工业废水都有良好的净水效果，脱污泥性好，废水都有良好的净水效果，脱污泥性好，pH使使用范围大然而复合在用范围大然而复合在 有机合成制备上手续复杂有机合成制备上手续复杂，成本较高，并有可能存在二次污染，成本较高，并有可能存在二次污染v 目前还未见复合絮凝剂有工业化生产和使用的报目前还未见复合絮凝剂有工业化生产和使用的报道污水或活性污泥中，有机固体颗粒带负电荷道污水或活性污泥中，有机固体颗粒带负电荷，

17、无机固体颗粒带正电荷，混合固体颗粒呈电中，无机固体颗粒带正电荷，混合固体颗粒呈电中性。所以有机污水或污泥加阳离子型絮凝剂，对性。所以有机污水或污泥加阳离子型絮凝剂，对无机污水或污泥加阴离子型絮凝剂，对混合污水无机污水或污泥加阴离子型絮凝剂，对混合污水或污泥加非离子型絮或污泥加非离子型絮 凝剂凝剂微生物絮凝剂简介微生物絮凝剂简介微生物絮凝剂的絮凝机理微生物絮凝剂的絮凝机理复合型微生物絮凝剂 马放马放1876197619862003NakamuraRhodococcus erythropolis KuraneLevure casseeuseLouis Pasteur分类分类细胞代谢物生物絮凝剂生物

18、细胞壁生物絮凝剂微生物细胞生物絮凝剂基因工程菌的代谢产物糖蛋白多糖蛋白质脂肪纤维素DNA絮凝剂胶体稳定的原因胶体稳定的原因两胶团的扩散层重叠，破坏反离子和双电层的静电平衡，导致产生渗透性斥力和静电斥力水化外壳的存在势必增加溶胶聚合的机械阻力当布朗运动足够强时, 粒子热运动能够克服重力场的作用而不下沉凝聚从作用机理来看，是指胶体和分散系双电层压缩、电位破坏、电性中和而脱稳并聚集为絮粒絮粒的过程絮凝从工艺上看，是指絮粒通过吸附、交联、网捕，聚结为大絮体絮体沉降的过程。凝聚和絮凝统称为混凝凝聚和絮凝统称为混凝未絮凝高岭土未絮凝高岭土絮凝后高岭土吸附电中和作用高分子絮凝剂的桥联絮凝剂网罗卷带压缩双电层

19、，减少表面电荷胞外产物菌体表面胞内产物a： 絮凝 可逆Emax：势垒 极大值b： 聚沉 不可逆桥联作用桥联作用压缩双电层压缩双电层电性中和电性中和卷扫作用卷扫作用晶晶 核核悬浮物悬浮物化学反应化学反应酯合假说酯合假说电荷中和电荷中和离子键离子键-酸性酸性氢键氢键-中性中性桥联作用桥联作用生物絮凝生物絮凝剂剂的的应应用用v 生物絮凝剂的应用范围十分广泛，而且处理效生物絮凝剂的应用范围十分广泛，而且处理效果特别明显。以下主要介绍生物絮凝剂在消除污泥果特别明显。以下主要介绍生物絮凝剂在消除污泥膨胀、脱色、城市污水处理以及特殊废水处理应用膨胀、脱色、城市污水处理以及特殊废水处理应用情况。情况。v1.消

20、除污泥膨胀消除污泥膨胀: 工业废水在采用活性污泥法处理的过程中工业废水在采用活性污泥法处理的过程中,活性活性污泥易发生膨胀污泥易发生膨胀,影响处理效果影响处理效果,若加入微生物絮凝若加入微生物絮凝剂剂,会消除膨胀会消除膨胀,收到良好的效果。如甘草制药废水收到良好的效果。如甘草制药废水生化处理过程的污泥膨胀生化处理过程的污泥膨胀,添加添加NOC21微生物絮凝微生物絮凝剂后剂后,污泥的污泥的SVI值很快从值很快从290下降到下降到50,消除了污消除了污泥的膨胀泥的膨胀,恢复了污泥的沉降能力。恢复了污泥的沉降能力。v2.水的脱色水的脱色 活性污泥法除去废水中的活性污泥法除去废水中的BOD并非难事并非

21、难事,但对但对于脱色几乎还没有特效的方法于脱色几乎还没有特效的方法,特别是对于那些可溶特别是对于那些可溶性色素很难处理性色素很难处理,使用微生物絮凝剂使用微生物絮凝剂NOC-1对造纸对造纸黑液黑液,颜料废水处理后上清液几乎变为无色透明。颜料废水处理后上清液几乎变为无色透明。v3.城市污水处理城市污水处理 城市污水处理通常采用强化一级处理工艺城市污水处理通常采用强化一级处理工艺,通通过化学絮凝沉淀作用、生物絮凝与不完全氧化作用过化学絮凝沉淀作用、生物絮凝与不完全氧化作用,可以提高和保证可以提高和保证SS,COD,BOD,TP的去除效果，的去除效果，去除率一般为去除率一般为COD:60%80%、B

22、OD5:60%80%、SS:80%90%、TP:75%90%、TN:25%左右。左右。v微生物物法生产甲壳素与壳聚糖：微生物物法生产甲壳素与壳聚糖：v从真菌细胞壁中提取甲壳素与壳聚糖的方法，酶从真菌细胞壁中提取甲壳素与壳聚糖的方法，酶法生产甲壳素与壳聚糖。法生产甲壳素与壳聚糖。v几丁质酶的介绍：几丁质酶的介绍：v几丁质酶的生化性质、生理学、分子生物学、转几丁质酶的生化性质、生理学、分子生物学、转基因的研究进展。基因的研究进展。v几丁质酶的研究前景及存在问题。几丁质酶的研究前景及存在问题。 展望展望v1.1.降低生产成本降低生产成本 筛选高产菌株、优化培养条件选择替代性培养筛选高产菌株、优化培养

23、条件选择替代性培养基、降低培养基成本、基、降低培养基成本、, ,降低生产成本的研究。降低生产成本的研究。 KuraneKurane对红平红球菌的优化培养中选用了多种自然对红平红球菌的优化培养中选用了多种自然界中广泛存在的物料作培养基的替代成分界中广泛存在的物料作培养基的替代成分, ,已取得了已取得了很大的进展。很大的进展。 v2.2.应用现代测试方法应用现代测试方法 微生物絮凝剂结构和理化性质的测定微生物絮凝剂结构和理化性质的测定, ,将现代测将现代测试方法引入微生物絮凝剂检测中试方法引入微生物絮凝剂检测中 C.R.ThomasC.R.Thomas认为显认为显微操纵术可以测量细胞的变形及破裂等

24、微操纵术可以测量细胞的变形及破裂等, ,可以比较清可以比较清楚地观察和研究絮凝过程、生物细胞的凝结和自絮楚地观察和研究絮凝过程、生物细胞的凝结和自絮凝过程。另外凝过程。另外, ,计算机模拟絮凝过程方法也是一个很计算机模拟絮凝过程方法也是一个很好的研究手段好的研究手段, ,可为我们的研究和实验提供思路和方可为我们的研究和实验提供思路和方向向. . v3. 3.絮凝机理的深入研究絮凝机理的深入研究 4 4株高效絮凝菌中株高效絮凝菌中,F2,F2和和F6F6菌株按照菌株按照1:11:1比例混合培养比例混合培养所得发酵液絮凝率可达所得发酵液絮凝率可达9311%,9311%,优于各个单菌优于各个单菌,

25、,同时优于同时优于其他双菌组合。复合型生物絮凝剂其他双菌组合。复合型生物絮凝剂HITM02HITM02的絮凝机的絮凝机理包括蛋白质等两性电解质的电中和作用；蛋白质、理包括蛋白质等两性电解质的电中和作用；蛋白质、多肽、多糖等高分子物质和纤维素等的代谢残留物共多肽、多糖等高分子物质和纤维素等的代谢残留物共同具有的吸附架桥作用。同具有的吸附架桥作用。v4. 4.复合型生物絮凝剂的研究复合型生物絮凝剂的研究 复合型生物絮凝剂的概念是哈尔滨工业大学马放教复合型生物絮凝剂的概念是哈尔滨工业大学马放教授率先提出的，是以稻草、秸秆等廉价生物质材料为授率先提出的，是以稻草、秸秆等廉价生物质材料为底物，利用纤维素降解菌群和絮凝菌群组成的复合型底物，利用纤维素降解菌群和絮凝菌群组成的复