微生物絮凝剂在废水处理中的应用现状研究

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摘要：微生物絮凝剂是一种天然高分子絮凝剂，因其无毒、可生物降解、无二次污染等独特的性质而被广泛的应用于污水处理、给水工艺以及食品和发酵工业等。本文综述了产生絮凝剂的微生物种类、微生物絮凝剂的主要成分及性质、微生物絮凝剂的絮凝机理、微生物絮凝剂的合成条件及微生物絮凝剂在水处理中的应用现状。

关键词：微生物絮凝剂；水处理；应用

中图分类号：X505 文献标识码：A

文章编号：1005-913X（2013）02-0112-02

絮凝沉降是广泛应用于给水、工业废水、城市污水及污泥脱水等处理过程中的一种水处理方法。用于将水中的溶质、胶体或悬浮物颗粒形成絮状物沉淀的物质为絮凝剂。絮凝剂可除去水中的悬浮物、胶体粒子，降低COD，还可除去水中的细菌、病毒，并兼有除磷、脱色、除臭，减轻水体富营养化。

絮凝剂的种类包括：无机絮凝剂、有机合成高分子絮凝剂、天然生物高分子絮凝剂。[1]在这些絮凝剂中有机合成的高分子絮凝剂因其良好的絮凝效果和低廉的价格而被广泛的应用。但是人工合成的絮凝剂如聚丙烯酰胺的单体有神经毒性和“三致”效应（致畸、致癌、致突变），[2]铝盐具有毒性，会影响人类的健康，铁盐会造成处理水中带颜色，高浓度的铁也会对人类健康和生态环境产生不利。[3]微生物絮凝剂克服了无机絮凝剂和合成高分子絮凝剂的上述缺点，它不仅可以被生物降解，对生态环境无害，能快速絮凝各种颗粒物质，而且很容易从发酵的培养基中获得。[4]

一、微生物絮凝剂的研究概况

（一）微生物絮凝剂的研究进展

关于微生物絮凝剂的最早报道是Louis Paste [4]的酵母菌（Levure casseeuse）。1935年，Butterfield从活性污泥中分离出一株细菌，该菌的培养液具有一定的絮凝能力。1971年Knetting[5]从煤油中分离出一株棒状杆菌。1975年Nakamura[6]对214株微生物进行了分离筛选，最终得到19株产絮凝剂的微生物，包括细菌5株、放线菌5株、霉菌8株、酵母菌1株，其中以酱油曲霉（Aspergillus sojae）产生的絮凝剂AJ7002效果最佳。20世纪80年代，日本的仓根隆一郎从日本的旱土土壤中分离筛选到红平红球菌S-1 （Rhodococcus erythropolis sp.-1），并将菌株产生的微生物剂命名为NOC-1。1985年，Hironki Takagi等[7]对拟青霉菌I-1（Paecilomyces sp.I-1）产生的微生物絮凝剂PF101的特性研究表明，该絮凝剂对各种微生物细胞都有絮凝沉淀作用，并且可以除去溶液中几乎所有的悬浮颗粒，包括有机物和无机物，如血红细胞、炭粉、纤维素、硅藻土等。1986年，Ryuichiro Kurane等研究了微生物絮凝剂对家畜废水的处理情况，发现红平红球菌产生的絮凝剂能很有效的去除猪尿和粪便。

我国对微生物絮凝剂的研究起步较晚。山东大学的王镇从污泥中分离出四种高絮凝性菌株，并对其进行了一定的条件实验。中科院成都生物研究所张本兰从活性污泥中分离到P. alcaligenes 产生的絮凝剂，武汉城市建设学院康健雄、陶涛由黑酵母以淀粉水解或葡萄糖为原料发酵产生了普鲁兰絮凝剂。另外，台湾的邓德丰从废水处理厂分离到C-62细菌产生的微生物絮凝剂。目前，国内微生物絮凝剂的研究主要停留在实验室阶段，尚未大规模的工业化生产。

（二）产生絮凝剂的微生物类群

能产生絮凝剂的微生物有细菌、放线菌、真菌以及藻类都可以产生絮凝剂等。它们大量存在于土壤、活性污泥中，从这些微生物中分离出的絮凝剂不仅可以处理废水和改进活性污泥的沉淀性能，还可以在微生物发酵工业中进行微生物细胞和产物的分离。下面列出几种主要的产生絮凝剂的微生物：[8]协腹产碱杆菌、酱油曲霉、棕曲霉、寄生曲霉、嗜虫短杆菌、棕腐真菌、棒状杆菌、白地霉、赤红曲霉、椿象虫诺卡氏菌、石灰壤诺卡氏菌、红色诺卡氏菌、铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、产碱假单胞菌、红平红球菌、施氏假单胞菌栗洒裂殖酵母、金黄色葡萄糖球菌及白腐真菌等。

（三）微生物絮凝剂的主要成分及其性质

由微生物产生的絮凝剂是一种生物高分子化合物，包括机能性蛋白质或机能性多糖类物质，Micknney发现了积累在细胞外的多糖类物质和细菌絮凝作用之间的关系，随后Buch、Pavoni也从废水中发现了絮凝物质，[9]这就决定了微生物絮凝剂具有生物可分解性的独特性质。一般说来微生物絮凝剂的相对分子质量多在1.0×105以上，如假单胞菌C-120 （Pseudomonas sp.C-120）产生的絮凝物质是相对分子质量大于2×106的天然双链DNA。微生物絮凝剂对多种细微颗粒以及可溶性色素物质都具有良好的凝聚效果。微生物絮凝剂具有较高的热稳定性，将C-62菌株产生的絮凝剂煮沸10 min后，其活性仍然存在。[10]

（四）微生物絮凝剂的特点

与无机或有机高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有许多优势与特点。

一是微生物具有比表面大、转化能力强、繁殖速度快、易变异、分布广等特点。

二是高效。同等用量下，与现在常用的铁盐、铝盐、聚丙烯酰胺相比，微生物絮凝剂对活性污泥的絮凝速度最高，而且絮凝沉淀物容易过滤。

三是无毒。微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体外分泌的生物高分子物质，属天然生物高分子絮凝剂，它安全无毒。

四是可消除二次污染。微生物絮凝剂是微生物的分泌物，絮凝后的残渣可被生物降解，不会影响水处理效果，对环境无害，不会造成二次污染。

五是应用范围广泛，脱色效果独特。微生物絮凝剂能处理的对象有活性污泥、粉煤灰、木炭、墨水、泥水、河底沉积物、高岭土、印染废水等。而且，微生物絮凝剂对悬浊液絮凝速度快、用量少，对胶体、溶液均有较好的絮凝效果，对富含有机物的屠宰废水和血水也有较好的去色效果。

三、影响絮凝活性的因素

（一）pH值

环境的pH 值直接影响微生物絮凝剂表面的Zeta电位。由于酸碱度的变化影响微生物絮凝剂及悬浮颗粒表面电荷的性质、数量和中和电荷的能力，从而影响它们之间的靠近和吸附行为。有些微生物絮凝剂的适用pH值范围窄，如JIM-127[11]在pH值为3.5左右时絮凝活性较高；而有些微生物絮凝剂具有广泛的pH值适应性，BD-4在pH值为5～11时絮凝率均可达80%以上。

（二）温度

高温可使某些生物高分子物质空间结构改变，导致变性，使某些活性基团不再与悬浮颗粒结合，因而表现出絮凝活性的下降。也有的絮凝剂对温度不敏感，如Paecilmyces sp. I-1产生的絮凝剂，其絮凝活性不随温度变化，这是由于该絮凝剂主要是由多聚糖构成，其表现絮凝活性的主要部分在高温处理后结构不改变，仍能与胶体颗粒结合，活性不随温度改变。

（三）金属离子

一定浓度的金属离子可以加强絮凝剂分子与悬浮颗粒以离子键结合而促进絮凝，即加强其架桥作用和中和作用。大多数阳离子如Ca2+、Mn2+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Na+等作为助凝剂能提高絮凝活性。但加入的金属离子浓度不宜太高，大量的离子会占据絮凝剂分子的活性位置，把絮凝剂分子与悬浮颗粒隔开而抑制絮凝。此外，各种金属离子对于絮凝机理不同的微生物絮凝剂的影响并不一致，比如BD-4以Al3+、Fe3+为助凝剂的促进作用较好。此外，微生物絮凝剂的絮凝性能还与絮凝体系中絮凝剂和被处理物的浓度、胶体粒子的表面结构、细胞表面的疏水性、絮凝剂的用量、分离方法和工艺设计等有关。

四、微生物絮凝剂的应用现状

（一）畜产、屠宰废水的处理

畜产废水是BOD较高的难处理的一类有机废水，含有较高的TOC和TN。有研究表明，猪粪尿废水采用微生物絮凝剂NOC-1处理10 min后，废水的上清液变成几乎透明的液体。废水的TOC由处理前的1420 mg/L变成425 mg/L，TN从425mg/L降至215 mg/L，去除率分别达70%和40%，OD660由处理前的15.7变成0.86，浊度去除率达94.5%。

（二）膨胀活性污泥的处理

工业废水在采用活性污泥法处理过程中，形成的活性污泥容易膨胀，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。如甘草制药废水生化处理过程中形成的膨胀活性污泥。当在其中添加NOC-1微生物絮凝剂，污泥的SVI很快从290降到50，消除了污泥膨胀，恢复了污泥的沉降能力。

（三）染料废水的脱色

染料废水难以生物降解，一般的化学絮凝剂处理效果又不佳，但用微生物絮凝剂处理可以达到理想的目标。张本兰等用协腹产碱杆菌（P.alcaligenes）菌株产生的絮凝剂在实验室对纸浆黑液和氯霉素等颜色较深的废水进行脱色处理，其脱色率分别可达95%和98%以上。宋文华用NXT絮凝剂在4 h内，使100 mg/L蒽醌染料KNR脱色率达93%。

（四）建材废水的处理

含高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水。例如，瓦厂废水主要有坯体废水和釉药废水两种。添加红平红球菌产生的NOC-1絮凝剂5 min，坯体废水的OD660从1.40降为0.043，釉药废水的OD660从17.20降为0.35，处理后的上清液几乎是透明的。

（五）其他方面的应用

由陶涛等人开发的普鲁兰（短梗霉多糖）微生物絮凝剂对味精废水具有较好的处理效果，浊度去除率可达99%左右，COD去除率可达30%～40%，SS去除率可达40%左右。邓述波等利用一株硅酸盐芽孢杆菌新变种产生的絮凝剂MBFA9处理生活污水，产生的絮团大、沉降快、上清液浊度低，而且处理后COD值较低；MBFA9絮凝剂处理淀粉废水，SS和CODCr去除率分别为85.5%和68.5%。

五、发展趋势

目前，微生物絮凝剂的研究大多处于菌种的筛选阶段，且成本较高，要从实验室研究阶段转化到大规模工业化生产，并在实际工程上应用还须对微生物絮凝剂进行深入的研究。今后的研究方向为：筛选高产菌株、降低培养基成本、优化培养条件；絮凝机理的深入研究，利用基因和生物工程技术提高微生物絮凝剂的性能；复合絮凝剂的研究，将微生物絮凝剂与传统的其他絮凝剂复合，研究复合后的絮凝作用机理和絮凝效果等；同时还要进行微生物絮凝剂的应用研究，对工业化生产条件进行优化。

参考文献：

[1] 马青山，贾 瑟，孙利珉.絮凝化学和絮凝剂[M].北京： 中国环境科学出版社，1990.

[2] 尹 华. 微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势[J]. 云南环境科学，2000，（8）：226-229.

[3] Kurane R， Takeda K， Suzuki T. Screening for and characteristics of microbial flocculants [J]. Agric biolchem， 1986， 50 （9）： 2301-2307.

[4] Salehizadeh H， Shojaosadati S. A. Extracellular biopolymeric flocculants recent trends and biotechnogical importance [J]. Biotechnology advances，2001 （19）： 371-385.

[5] Zajic J E， Knetting E. Developments in industrial microbiology [M]. Washington D.C.： American institute of biological science，1971.

[6] Nakamura J， Miyashiro S， Hirose Y. Screening isolation and some properties of microbial cell flocculants [J]. Agric biolchem， 1976，40 （2）：377-383.

[7] Takagi H， Kadowaki K. Flocculant production by peacilomyces sp. taxonomic studies and culture conditions for production [J]. Agric. biolchem.， 1985，49 （11）：3151-3157.

[8] 胡勇有，高 健.微生物絮凝剂的研究与应用进展[J].环境科学进展，1999（4）： 24-29.

[9] 朱晓江.微生物絮凝剂的研究和应用[J].中国给水排水，2001（6）：19-22.

[10] 鲁玉菱，翟素军.微生物絮凝剂的研究进展[J].山东环境，1997（6）：12-16.

[11] 陆茂林，施大林，王蕾，等. 微生物絮凝剂的制备及絮凝条件的研究[J]. 食品与发酵工业，1996（3）： 26-29.