微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势

第28卷第6期

2009年　12月

四　川　环　境

SICHUANENVIRONMENT

Vol128,No16December2009

综　述

微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势

刘丽琼,张艳敏

(西南大学资源环境学院,重庆　400715)

摘要:相对于传统絮凝剂而言,微生物絮凝剂具有絮凝效果好、应用范围广、易生物降解、对环境安全、无二次污染

的特点。文章综述了微生物絮凝剂的类型和特点,详细阐述了其絮凝机理,分析了影响微生物絮凝剂絮凝性能的因素以及微生物絮凝剂在水处理中的应用。。关　键　词:微生物絮凝剂;絮凝机理;影响因素;应用及发展趋势

中图分类号:X172　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:2)062PresentStatusQuoandialFlocculants

Li2Yan2min

(SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

traditiflocculants,microbialflocculanthasadvantagesofhighremovalefficiency,wide

appsafetyforenvironmentandnosecondarypollution.

Inthispaper,theclassification,

featuresandflmechanismofmicrobialflocculantswereintroduced.Thefactorsaffectingflocculationandtheapplicationofmicrobialflocculantsforwatertreatmentwereanalyzed.Theexistingproblemsinthestudieswerepointedoutaswell.Moreover,thedevelopingtrendswerepreviewed.

Keywords:Microbialflocculant;flocculatingmechanism;affectingfactors;developingtrendsandapplications

絮凝是废水处理的一个重要方法,用于去除水

中细小的悬浮物和胶体污染物质。絮凝剂是一种可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒凝聚沉降的物[1]

质。传统的絮凝剂主要有两类,一类是无机型的,如铁盐、铝盐等;另一类是有机型的,如聚丙烯酰胺等。这两类絮凝剂的絮凝效果都比较好,尤其是聚丙烯酰胺类絮凝剂,由于其具有高絮凝性和低生产成本而得到广泛应用。80年代,日本这类

[2]

絮凝剂的年产量已达2400吨。但是,近年来人们发现,无机絮凝剂用量较大易产生二次污染,更为严重的是,经常饮用以铝盐为絮凝剂的水会引起

[3]

老年性痴呆症。而聚丙烯酰胺类物质不易被降解,且单体有致突变性

[4]

禁止或限量使用。

微生物絮凝剂(MBF)是利用生物技术,从微生物或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效,且能自然降解的新型水处理剂,包括糖

[5]

蛋白、多糖、纤维素、蛋白质和DNA等。微生物絮凝剂不但没有传统絮凝剂的上述缺点,而且还具有安全、高效、可生物降解、不污染环境等特[6]

点。因此其越来越受到人们的重视,呈现出逐步取代传统絮凝剂的趋势。

1　微生物絮凝剂的种类和优点

111　微生物絮凝剂的种类

,现在在许多领域已被

收稿日期:2009205220

作者简介:刘丽琼(1984-),女,四川德阳人,西南大学资源环境学

院环境工程专业2008级硕士研究生,研究方向为污染控制化学。

从来源来看,MBFs主要有4种类型:直接利用微生物细胞、微生物细胞壁提取物、微生物细胞

[7]

代谢产物以及通过克隆技术所获得的絮凝剂。

目前产生微生物絮凝剂的种群主要通过从土壤和活性污泥提取或直接购买纯微生物菌株获得。能产生絮凝剂的微生物种类很多,迄今为止,已发现

110　　　　　　　　　　　　　　　　　　四川环境

[8]

28卷

的具有絮凝性的微生物多达50种以上。现将其中一些具有代表性的絮凝剂产生菌归纳整理,见下表。

表　具有絮凝性的微生物种类

Tab1　Thespeciesofflocculatingmicrobes

絮凝剂产生微生物

细　菌

Aeromonas气单胞菌属Agrobacteriumsp1土壤杆菌属Alcaligenescupidus壳产碱杆菌Alcaligeneslatus协腹产碱杆菌

Bacillus芽孢杆菌Bacillussubtlest枯草杆菌Corynebacteriumbrevicale棒状杆菌

Dematiumsp1暗色孢属Enterococcus肠球菌属Enterobacteraerogenes产气肠杆菌

Lactobacillus乳酸杆菌属KloeckeraapiculatasSerratia沙雷氏菌Staphylococcus葡萄球菌属Streptococcus链球菌Verticillium轮枝孢属Zoogolearamigera生枝动胶菌

絮凝剂产生微生物

放线菌

Nocardiacalcarca石灰壤诺卡氏菌Nocardiarestriea椿象虫诺卡氏菌Streptomycesvinaceus酒红色链霉菌Streptomycesgriseus灰色链霉菌

真　菌

AspergillusfumigatusAspergillus酱油曲霉albidusvaraeriu酵母菌

Paecilomycessp1拟青霉属Penicilliumcyclopium圆弧青霉Penicilliumpurpurogenum产紫青霉Phanerochaetechrysosporium白腐真菌Saccharomycescerevisiae酿酒酵母

藻　类

Anabaenopsiscircularis环圈项圈蓝细菌

Gyrodiniumimpudicum螺旋藻Phormidiumsp1席藻属

ShihIL等

[9]

在含有柠檬酸、谷氨酸、并用甘

油作为碳源的有氧培养条件下,从地衣芽孢杆菌CCRC12826中提取出了一种效果很好的絮凝剂。SiqingXia等

[10]

与上述传统的絮凝剂相比,微生物絮凝剂具有

许多优点:(1)易于固液分离;(2)易被生物降解,无毒、无害,安全性高,不会造成二次污染;(3)具有除浊和脱色性能;(4)使用范围广;(5)有的生物絮凝剂还具有不受pH条件影响,热稳定性强,用量小等特点。

鉴于此,研究和发展微生物絮凝剂成为必然,而且微生物絮凝剂可以采取生物工程的手段实现产业化。

从一种混合活性污泥中的奇异变形

[11]

杆菌TJ-1中提取出了一种叫TJ-F1的絮凝剂,并研究了它的特性。Jane2YiiWu等特性。

112　微生物絮凝剂的优点

研究了一种

从枯草芽孢杆菌DYU1中提取的胞外聚合物的絮凝

目前被广泛应用的絮凝剂有如下几类:

(1)无机盐类絮凝剂(如硫酸铝、氯化铁等),处理效果不太理想。

(2)聚合无机盐型絮凝剂(如聚合氯化铝、聚合硫酸铁等),处理效果虽然良好,但用量很大,易造成二次污染,其应用受到了限制。

(3)有机高分子絮凝剂(如PAM),具有用量少、絮凝速度快的优点,但其残留物不易被生物降解,易造成二次污染,且其单体具有强烈的神经毒性和“三致”效应,使得其应用也受到限制。

2　微生物絮凝剂的絮凝机理

微生物絮凝剂是生物大分子,考虑到其化学组成,可以认为微生物絮凝剂絮凝作用的本质是有机

高分子(如多聚糖、纤维素、蛋白质等)与目标

[12]

物之间发生的相互作用。近年来,各国学者对微生物絮凝剂的絮凝机理进行了不断研究,理论也获得了不断的发展,先后提出了许多假说,如pHB酯学说,Buterrfield黏质假说,电中和作用以

及菌体外纤维素纤丝学说等。主要的机理如下。

6期　　　　　　刘丽琼等:微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势111

211　“架桥作用”机理215　卷扫作用

絮凝剂借助离子键、氢键,同时结合多个颗粒

分子,因而在颗粒间起“中间桥梁”的作用,把这些颗粒联结在一起,从而使之形成网状结构沉淀

[13]

下来。朱艳彬等得到的复合微生物絮凝剂HITM0有效成分为蛋白质、多糖和多肽类物质,絮凝机理包括蛋白质等两性电解质的电中和作用以及蛋白质、多肽、多糖等高分子物质和纤维素等的

[14]

代谢残留物共有的吸附架桥作用。王曙光等从土壤中筛选出一株产气肠杆菌(Klebsiellamobilis),认为该菌株微生物絮凝剂分子中所含阴离子基团较多,并且含有较多的吸附活性基团,所以其絮凝机理与一般阴离子型高分子化学絮凝剂类似(以吸

[15]

附架桥作用为主)。212　“离子键、氢键的结合”学说

[16]

该学说认为:通过离子键悬浮物结合,下,,从而表现出很强的

[17絮凝能力。物絮凝剂(CBF)和高岭土的絮凝过程中存在架桥作用,但主要还是靠离子键结合的。阿根廷某研究机构从Agentinian酒中提取出柠檬克勒克酵母(KloecKeraapiculata)菌株,研究发现其絮凝作用是通过蛋白质与碳水化合物之间的内部键作用而产

[18]

生的。

但是,离子键、氢键学说并不能很好地解释某

[19]

些絮凝反应机理,如张永奎等认为由菌Z267产生的微生物絮凝剂MBF233与高岭土颗粒之间既非离子键结合也非氢键结合。213　“电性中和”机理

水中胶粒一般带负电荷,当带有正电荷的生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时,将中和其表面上的部分电荷,使胶粒脱稳,从而胶粒之间、胶粒与絮凝剂分子间易发生相互碰撞,通过分子间作用力凝聚而沉淀。214　“化学反应”机理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作用,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,其絮凝活性就大受影响。有学者认为这些絮凝剂的絮凝活性大部分依赖于活性基团。温度影响絮凝效果,主要是通过影响其化学基团活性从而影响其化学反应的。

当微生物絮凝剂投量一定且形成小粒絮体时,可以在重力作用下迅速网捕,卷扫水中胶粒,从而产生沉淀分离,称为卷扫或网捕作用。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。

由此可见,关于微生物絮凝剂的机理很难用一种理论来解释,各种引起絮凝的作用都可能发生。总之,絮凝过程是一个复杂的过程,为了更好地解释机理,、结构、电荷、深入、,主要包括温度、pH、絮凝剂投加量、助凝剂、絮凝剂的分子量等。311　温度

温度对微生物絮凝剂的影响较大。主要是因为高温可使生物高分子变性,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的下降。我国气候寒冷,冬季地表水温有时低至0℃～2℃,尽管絮凝剂投加量大也很难获得良好的

[20]

絮凝效果。SalehizadehH等从活性污泥中分离出一株絮凝剂产生菌As2101,经鉴定为Bacilluscoagulants。加热时,该菌株的絮凝活性随加热时间呈线性下降,加热8min后,絮凝剂失活。312　pH值

pH值影响絮凝剂的絮凝活性主要是由于酸碱度的变化会影响微生物絮凝剂及悬浮颗粒表面电荷的性质、数量及中和电荷的能力。不同的絮凝剂对pH的变化敏感程度不同,同一种絮凝剂对不同的被絮凝物有不同的初始pH要求。如Aspergillusso2jae产生的絮凝剂在pH为4～715时,絮凝能力最强,当pH为3或8时,其絮凝活性急剧下降为[21][22]

零。张旭等从土壤中分离出一株具有较强絮凝作用、高产量的细菌菌株W721,经初步鉴定为Klesiellasp1。该菌株对絮凝体系中pH的变化适应较宽,在pH为5～10的范围内都适应絮凝剂的产生,但pH为810时絮凝活性最高。313　絮凝剂投加量

每种絮凝剂都有一个最佳投加量,过多或过少,都会导致絮凝效果下降。据分析,絮凝剂的最

112　　　　　　　　　　　　　　　　　　四川环境28卷

佳投加量约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到1/2饱和时的吸附量,此时大分子在固体颗粒上架

污泥膨胀在添加NOC21微生物絮凝剂后,污泥的SVI值很快从290下降到50,消除了污泥膨胀,污

桥机率最大。马放等研究了絮凝剂投加量、

pH值、温度、助凝剂CaCl2溶液对复合型微生物絮凝剂处理松花江源水和强酸性废水的影响。研究表明:对于松花江源水,絮凝剂的最佳投加量在14mL/L左右;对于酸性废水,最佳投加量要稍高一些。314　助凝剂

助凝剂一般为金属离子。金属离子的种类和浓度对微生物絮凝剂活性的影响很大。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,对提高微生物絮凝剂的絮凝活性有

[20]

重要意义。SalehizadehH等的研究表明:当3+3+2a+

Al,Fe,Ca的投加量分别为012mL0125mL/L和8mL/L时,此外,2+

。+2+

絮凝剂的活性,Na、Mn也可增强絮凝剂

2+3+

的活性。Fe、Al在低浓度时可以提高微生物絮凝剂的活性,但达到一定浓度后,反而会抑制絮体的形成。315　微生物絮凝剂的分子量

微生物絮凝剂的分子量大小对其絮凝活性非常重要。分子量大,活性位点多,絮凝效率高。目前已分离纯化的絮凝剂都是多聚糖和蛋白质之类的生物大分子,除少数外,分子量大都在几十万到几百万。分子量的减小会降低絮凝剂的絮凝活性,例如絮凝剂的蛋白质絮凝成分降解后,分子量减小,絮凝活性明显下降。

此外,碳源和氮源种类也会影响其絮凝效[25]

果。

[23][24]

泥的沉降能力得到了恢复。412　污泥脱水

微生物絮凝剂可用于污泥脱水。有研究表明,用R1erythropolis产生的培养物2mL和5mL质量分数为l%的Ca溶液处理95mL浓缩后的污泥,可使污泥体积在20min内浓缩为原来的92%,而

[26]

且上清液的OD560值小于0105。413　有机废水的处理

有机废水的BOD高,,用高分子絮凝剂处理,,但存在二次污染TNC[27]

,96%。、脱色印染废水成分复杂,水质变化大,色度高,并含有难降解表面活性剂,是目前难处理的工业废水之一。用白腐真菌处理染料废水是目前研究热点之[28]一,其作用分为染料的吸附、富集阶段和生物降解三个阶段。染料的细菌降解又包括两个步骤,首先是染料透过细菌细胞壁进入质膜,其次是在膜上的传递,并通过细菌的生命活动,使其降解成简单的无机物或转化成细菌所需要的营养物质。周本

[29]

军等进行了利用微生物絮凝剂MNb21处理靛蓝

[30]

废水的研究。陈月华等从活性污泥中分离提纯出可应用于处理印染废水的微生物絮凝剂。415　电镀废水及含重金属离子废水的处理

电镀废水中的铬和氰对人体的危害很大,是重点处理对象。以硫酸盐还原菌为净化剂,可使原水

3+

中的Cr含量由44111mg/L下降为51365μg/L。壳聚糖生物絮凝剂具有高效、无污染等优点,特别是对含有重金属离子的废水具有独特的处理效[31]

果。416　给水处理

用分离筛选得到的硅酸盐芽孢杆菌产生的絮凝剂MBFA9(由多糖组成),絮凝高岭土悬浮液的用量为011mL/L,是一般微生物絮凝剂用量1/10～1/200,且絮凝率高达9916%。有关试验表明,用该絮凝剂处理高浊度河水,技术指标优于PAM等

[32]

常规絮凝剂,处理后河水浊度降至018NTU。417　重金属的富集

Bacilluscereus已被成功地用于黄金、白钨矿

2+

4　微生物絮凝剂在水处理中的应用

与无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂相比,微生

物絮凝剂絮凝效果好、易生物降解、无二次污染、对环境安全、应用范围广。因此,可以广泛应用于给水和污水的处理。411　活性污泥的处理

活性污泥的处理是水处理工程中比较棘手的问题。在活性污泥中加入微生物絮凝剂,污泥容积指数很快下降,消除污泥膨胀状态,从而恢复活性污泥沉降能力。例如:甘草制药废水生化处理过程的

以及其他矿物质等贵重稀有金属类化合物的富集提

6期　　　　　　刘丽琼等:微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势113

取。除此之外,很多絮凝剂产生菌都具有吸附重金属离子的能力,如处于非生长状态的Zoogloea115

2+2+3+

能吸附高浓度重金属(Co,Cu,Fe等);P1denitrificans和Z1filipendula也具有吸附多种重金

微生物絮凝剂要实现大规模产业化,可从以下几方面入手:

(1)加强微生物絮凝剂絮凝机理的研究。从物理、化学和生物等不同角度深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理,研究微生物絮凝剂的成分对不同水质废水的作用机制,找出其中的规律,根据不同的废水水质开发出具有针对性的高效微生物絮凝剂。

(2)寻找廉价碳源、氮源,优化选育条件,降低生产成本。利用廉价原料或废弃物(有机质丰富的污水废水、纤维素、秸秆等)培养微生物,同时优化培养条件,。这是推进微(3)。应确定更,找到快速准确地筛,以提高(4)进行各种絮凝剂联用技术的研究。开发复合型微生物絮凝剂,包括多株菌作用产生的絮凝剂以及在应用过程中与一定量的无机絮凝剂或有机高分子絮凝剂配合使用,以达到更好的絮凝效果。还可利用生物技术(如:原生质体融合技术)和克隆技术等基因工程手段构建工程菌等。

(5)研究微生物絮凝剂与其他废水处理方法(如生物滤池、膜技术等)的结合途径,提高絮凝效果,优化废水处理技术。

属离子的能力

2+

[33]

;利用真菌制备的生物吸附剂对

[34]

Cu的吸附率为92122%;甲壳素作为水处理

2+

剂在较大pH值变化范围内,对Ni有较高的吸附容量

[35]

。

5　存在的问题及发展趋势

511　存在的问题

微生物絮凝剂在处理废水方面有着突出的优越性,它的大规模生产和应用具有广阔的市场前景

[36]

。但是从规模化生产和废水处理角度看,目

方面的问题。51111　研究水平低

目前,凝剂产生菌,,而缺乏对优良的絮,而且工作量大、周期长。

51112　制备成本高,絮凝剂产量低

绝大多数研究按照食品发酵和生物制药的思路制备微生物絮凝剂,制备成本偏高。

51113　测定絮凝剂活性的指标单一并存在一定误

差

目前,国内外只用微生物絮凝剂处理高岭土悬浊液的能力来表征其活性。对于性质和种类千差万别的工业废水而言,此指标显然不能全面衡量。有研究表明,培养基中PO

3-3-4

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ws5q.html