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微生物絮凝剂及其应用

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高新技术

微生物絮凝剂及其应用

王兆慧

(南通大学生命科学学院江苏南通226007)

摘要:/文章阐述了在污水处理中传统化学絮凝剂的缺陷以及微生物絮凝剂的优越性,综述了近几年国内外微生物絮凝剂的研究现状、微生物絮凝剂的种类、絮凝机理及影响因素,分析了微生物絮凝剂的应用概况,针对当前国内微生物絮凝剂研究中存在的问题指出今后的发展趋势。关键词:微生物絮凝剂絮凝能力污水处理中图分类号:Q93文献标识码:A文章编号:1672—379l(2006)10(c)一0022—02絮凝剂是一类可使永体中不易沉降的溶质、胶体或者悬浮颗粒凝聚沉淀的物质,在食品生产、发酵工业和工业废水处理,尤其在各种污水的预处理中发挥着重要作用。

素粉末等具有良好的絮凝效果【5l,表明微生物絮凝剂不仅能去除体系中的细胞体,对污水中的许多颗粒都有去除作用。1986年,R.Kurane等从自然界分离到红平红球菌RhodococcuSerythropolis的sl菌株,用特定的培养基和培养条件研制成了絮凝剂NOC—l,对畜产废水、酵母菌、大肠杆菌、粉煤灰水、膨胀污泥、泥浆水、河水、纸浆废水等有良好的絮凝和脱色效果【6l。

二十世纪九十年代国外开始了微生物絮凝剂的商业化生产,.在日本和美国的市场上已有多种生物絮凝剂粉末制品和生物活液销售,可快速清除下水道淤塞,解决污泥膨胀问题。

2.2国内的研究动态

我国对微生物絮凝剂的研究起步较晚,从二十世纪九十年代开始,相关的科研工作者也筛选出了不少产絮凝剂的优良微生物菌株。黄民生等用GcI培养基从底泥中分离出3株产生高絮凝活性的微生物,所研制出的微生物絮凝剂对高岭土及土壤悬浊液和碱性染料废水均有良好的净化效果【7l。程金平等经实验得出培养液中絮凝活性分布及活性菌产生絮凝剂时的最佳条件,并指出微生物絮凝剂是由菌产生的而不是培养液具有絮凝作用【8】。尹华等的实验证明,絮凝剂GS7的絮凝活性与菌生长量有一定的相关性。由此推测,GS7絮凝剂是由菌生物合成的,而不是由菌细胞自溶产生的,这与程金平等的结论一致。他们认为,在废水中加入一定量的二价金属阳离子有利于提高GS7的絮凝效率,显示离子参与了絮凝过程中的凝聚和絮凝作用{9J。刘紫娟等从活性污泥中分离筛选到一株产絮凝剂的巨呔芽胞杆菌BacillusmegateriuIn。絮凝剂的形成与菌体生长同步,主要分布在发酵液中,另外还有一部分存在于菌体上,对供试的各种悬浮液和菌悬液都具有良好的絮凝

效果‘1…。

壁的葡聚糖、丝状真菌细胞壁的壳聚糖有较强的絮凝作用;③利用微生物代谢产物作絮凝剂。如细菌的荚膜和黏液质,主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物。其中可用作絮凝剂的主要是多糖类物质。④利用基因克隆技术所获得的絮凝剂。是利用基因工程技术,将高效絮凝基因转移到便于发酵的菌体中,构造高效遗传菌株,从而生产出来的微生物絮凝剂。

3.2微生物絮凝剂的特性

微生物絮凝剂属于天然生物高分子,结构较复杂。从化学组成上看,主要是微生物代谢过程中产生的各种多聚糖类、蛋白质或是由糖类和蛋白质形成的高分子化合物,其中的多聚糖有些是由一种糖单体聚合而成,有些则是由多种糖单体聚合而成。还有的微生物絮凝剂含有Ca2+、M92+、Fe3+、A13+等金属阳离子。

1污水处理中使用的絮凝剂概况

1.1絮凝剂的分类

絮凝剂通常分为3类:①无机絮凝剂,主要为铝系和铁系絮凝剂;②有机高分子絮凝剂,又分为合成有机高分子絮凝剂和天然有机高分子絮凝剂;③微生物絮凝剂。1.2絮凝剂的应用现状

广泛应用的无机絮凝剂,常常会给人体

的健康带来危害,而且因

其在水处理中一般用量较大,也容易产生二次污染。天然高分子絮凝剂因絮凝活性低且易发生生物降解而失活,应用也受到限

制¨】。

合成有机高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺也存在着安全和环境等方面的隐患,完全聚合的聚丙烯酰胺较安全,但其合成材料单体丙烯酰胺有强烈的神经毒性,是致畸、致癌、致突变因子,能诱发膀胱癌【2】,同时,在其生产和降解过程中所释放的污染物也严重危害人类健康,所以大大限制了这类絮凝剂的使

用。

4微生物絮凝剂的絮凝机理

到目前为止,微生物絮凝剂的絮凝机理并不是十分清楚,以下是几种常见的理论【3】。4.1桥联作用机理

该理论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,在颗粒间起中间“桥梁”的作用,使悬浮物形成一种网状的三维结构而沉淀下来。这是目前被普遍接受的一种理论。4.2电性中和机理

该理论认为水中胶体一般带有负电荷,

微生物絮凝剂(MicrobialFlocculant,MBF)是利用生物技术,从微生物体或其分泌物中提取、纯化而获得的具有絮凝活性的代谢产物,可使水体中的悬浮颗粒,胶体粒子及菌体细胞凝聚、沉淀,是一类特殊的高分子聚合物,属于现代生物化工产品。与传统化学絮凝剂相比,微生物絮凝剂具有易分离,沉降效率高,应用范围广,除浊和脱色效果良好,可生物降解且降解产物对环境安全、无毒,不会产生二次污染等特点,而且能产絮凝剂的微生物种类多、分布广、繁殖迅速、易实现工业化,所以微生物絮凝剂是一类有广阔发展前途的新型絮凝剂【3l。

2微生物絮凝剂的国内外研究动态

国外的研究动态

1935年美国科学家Butterfield首次从活性污泥中分离出一株絮凝剂产生菌,此后有代表性的研究有:1976年J.Nakamura等从214株微生物菌株中筛选出19株具有絮凝能

2.1

目前国内对微生物絮凝剂的研究尚处于对菌种的常规选育及絮凝性能的实验室评价阶段,在絮凝机理、产絮凝剂的基因控制、絮凝剂的纯化、性质及在工业上的大规模生产与应用方面还有待深入研究,要使微生物絮凝剂在我国真正用于污水处理还需要做大量的研究工作。

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这种胶粒时,就会中和其表面部分电荷,使胶粒之间、胶粒和絮凝剂分子之间发生互相碰撞而凝聚、沉淀下来。4.3化学反应机理

该理论认为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变化,进而聚集成较大分子而沉淀下来。4.4卷扫作用机理

该理论认为当微生物絮凝剂的投加量一定且形成小颗粒絮体时,可以在重力作用下,迅速网捕、卷扫水体中一些胶粒,从

而产生沉淀。

力的微生物,发现其中以酱油曲霉AspergmussojaeAJ7002产生的微生物絮凝剂对面包酵母絮凝效果最好【“。1985年,H.Takagi等研究了拟青霉属Paecilomycessp.I—l产生的絮凝剂PFlol,发现该絮凝剂对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活

性污泥、活性炭、氧化铝、硅藻土、纤维

3微生物絮凝剂的种类及特性

3.1微生物絮凝剂的种类

根据近几年对微生物絮凝剂的研究报道【3】,可将其分为4大类:

①直接利用微生物菌体作为絮凝剂。如某些细菌、放线菌、酵母菌和霉菌;②从微生物细胞壁提取的絮凝剂。如酵母菌细胞

以上这些学说,只能从不同的角度部分地解释微生物絮凝剂的絮凝机理,对有些现象却无法解释。例如,不同的微生物混合培养时能产生絮凝现象,但将其单独培养时却不能产生絮凝现象。所以,微生物絮凝剂的絮凝机理还有待进一步完善。

5影响微生物絮凝剂产生的因素

主要包括絮凝剂产生菌的种类、培养基成分、培养条件等。微生物的种类不同,其

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