微生物絮凝劑產生條件與應用分析

武賢智，張森媛，郭安劍

微生物絮凝劑是由微生物產生的有絮凝作用的高分子次生代謝產物。主要成份為多聚糖、糖蛋白、糖脂、脂蛋白、DNA、RNA、纖維素等，其中以多聚糖蛋白類物質占絕大多數［1］。這些物質有很好的可生化性，不像無機絮凝劑和有機合成高分子絮凝劑對環境造成二次污染。由于微生物絮凝劑無毒無害、安全性高、適用范圍廣、來源廣泛、生產周期短的特點，它的研究和應用越來越受到人們的重視。

1 微生物絮凝劑產生菌及絮凝劑產生條件

1.1 微生物絮凝劑產生菌

微生物絮凝劑產生菌來源廣泛，存在于土壤、水體、污水處理廠和一些底泥中。目前發現的有32種，其中細菌18種，真菌9種，放線菌5種［2］，具體種類見表1。

1.2 微生物絮凝劑產生菌的培養條件

微生物生長受環境因素影響很大，環境因素細微的改變就可能影響絮凝劑的產量和絮凝率。影響產絮凝劑微生物的培養條件有培養基成份、培養溫度、培養基初始pH值、通氣量等。

1.2.1 培養基成份

產絮凝劑微生物的培養基成份復雜，通常含有碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水六大營養要素。一般來說，營養豐富的培養基利于絮凝劑的產生，但不同微生物對營養的要求差別較大。例如，彭輝用不同碳源和氮源培養黑曲霉菌TH6，發現用蔗糖做碳源、NaNO3做氮源所產絮凝劑絮凝效果最好［3］。崔鈳從土壤中分離的絮凝劑產生菌MB-7，最佳碳源和氮源分別為可溶性淀粉和(NH4)2SO4［4］。

表1 能產生絮凝劑的微生物

1.2.2 培養溫度

培養溫度對微生物的生長有顯著影響，過高會造成微生物蛋白質變性，過低會使微生物代謝變緩，生長受到抑制。不同微生物有各自最適合的生長溫度。柴曉利在20℃～40℃培養微生物絮凝劑產生菌，發現培養溫度為30℃時最有利于絮凝劑產生，在35℃時菌株生長快，但絮凝活性降低［5］。

1.2.3 培養基初始pH值

培養基初始pH值決定細胞所帶電荷、影響營養吸收及酶反應的氧化反應電位［6-7］。張志強將奇異變形桿菌TJ-F1放在不同初始pH值下培養，用高嶺土測其絮凝劑活性，發現在培養基初始pH= 7.0時絮凝活性最高［8］。劉暉，周康群等研究微生物絮凝劑產生菌HHY-7培養條件時發現，初始pH= 4.5～6.0時所產發酵液對濁度的去除率最高，當pH＞8.5時，該菌的生長量和對濁度的去除率都明顯下降［9］。

1.2.4 通氣量

微生物絮凝劑產生菌大部分為好氧菌，通氣量直接影響培養液中溶解氧含量。搖床轉速太慢，培養液中的通氣量小，溶解氧不足會使微生物絮凝劑產生菌的生長受到抑制。搖床轉速太快，不利于營養物質在細菌表面吸附，同時會影響微生物在穩定期胞外聚合物的分泌。黎忠對X14菌株采用可變速140～160 r/min進行培養時，絮凝劑活性最高，過低或者過高的搖床轉速都會導致絮凝活性下降［10］。

2 微生物絮凝劑作用機理

微生物絮凝劑的成分隨細菌的種類不同而存在差異，不同微生物產絮凝劑性質和絮凝作用過程各有特點。許多研究者針對微生物絮凝劑的絮凝機理進行了大量研究，提出多種理論學說，例如，Butterfield的黏質假說、Grabtree的利用PHB(polyhy-βdroxybutyric acid)酯合假說、Friedman的菌體外纖維素絲學說、莢膜學說、疏水學說、電性中和學說、胞外聚合物架橋學說等［11］。目前普遍被人們接受的作用機理有三個。

2.1 吸附架橋作用

吸附架橋學說認為微生物絮凝劑為鏈狀高分子聚合物，可被膠體顆粒強烈吸附。因其線性長度比較大，當它的一端吸附某一膠粒時，另一端又吸附另一膠粒，在相距較遠的兩膠粒間進行吸附架橋，使顆粒逐漸變大，形成肉眼可見的粗大絮體。其強大的吸附力源于它鏈狀結構上能與膠粒和懸浮物發生吸附的活性部位，能通過靜電引力、范德華力、氫鍵等作用與水中細小顆粒緊密結合在一起［12］。

2.2 卷掃作用

微生物絮凝劑投到水體中會形成細小絮體，這些絮體在下降過程中與水中膠體和懸浮顆粒物接觸，膠體和懸浮顆粒物會被其網狀結構捕獲，在重力作用下沉于水底。這種作用基本上是一種機械作用，所需絮凝劑量與原水雜質成反比［13］。

2.3 電荷中和作用

水中膠體粒子一般都帶有電荷，帶同種電荷的膠粒在靜電斥力作用下處于動態穩定。加入帶相反電荷的微生物絮凝劑后，會中部分和膠粒所帶電荷，使靜電斥力減小，從而脫穩，膠粒之間，膠粒和微生物絮凝劑發生踫撞，在分子間作用力下凝聚沉淀。

3 微生物在水處理中的應用

隨著國內外研究者對微生物絮凝劑研究的不斷深入，赿來赿多優良的微生物絮凝劑被應用到水處理當中，其中有很多微生物絮凝劑具有很好的處理效果。

3.1 淀粉廢水的處理

淀粉加工過程中會產生大量的高濃度酸性有機廢水，主要是溶解性的淀粉和少量蛋白質，一般沒有毒，但COD很高，通常為1 000～30 000 mg/L，SS為 1 500 mg/L。有研究者發現MBFA9菌產的微生物絮凝劑用于處理淀粉廢水可以達到很好的COD和SS的去除率，其中COD的去除率為68.5%，SS的去除率為85.5%［14］。

3.2 造紙廢水的處理

廢紙再生造紙過程中產生大量廢水，主要來源于制漿部分的洗滌廢水。該廢水不僅SS含量高、色度大，且還含有大量成份復雜的物質。應用微生物絮凝劑可以有效地去除廢水中大部分SS和部分COD。劉彬彬利用從土壤中分離出來的M-2菌所產絮凝劑對造紙廢水進行處理，取得較好效果。通過優化絮凝條件，最終可以使 COD去除率達70.6%，濁度去除率達91.7%，且經過與傳統絮凝劑做對比，發現該絮凝劑處理效果優于傳統絮凝劑［15］。

3.3 印染廢水的處理

印染廢水有污染濃度高、種類多、含有毒有害成分及色度高等特點。一般 COD為 400～ 1 000 mg/L，BOD5為 100～400 mg/L，SS為 100～200 mg/L，色度為100～400倍。目前用活性污泥法去除廢水中的COD并不是一件難事，但對于脫色還沒有太多辦法，特別是可溶性的色素更難處理。楊勁峰利用從活性污泥中篩選出的M-127菌產的微生物絮凝劑，能有效地去除印染廢水中的色素，在最佳絮凝條件下對染料廢水的脫色率可以達93.8%［16］。

3.4 建材廢水的處理

建材廢水中含有大量SS，COD比較小，但水體濁度較高，利用絮凝方法能達到很好的處理效果。黃曉武分別研究了絮凝劑產生菌HHE-P7、HHEP8、HHE-P21、HHE-P24、HHE-A26所產絮凝劑對高濁度建材廢水的絮凝效果。結果表明，每1L建材廢水(濁度為2 227 NTU)中，投加8～10 mL含菌培養液，濁度去除率均在92%以上，通過與常規絮凝劑做比較，具有用量少、絮凝速度快等優點［17］。

4 微生物絮凝劑存在的問題

微生物絮凝劑的研究和應用都取得了很大進步，但也還存在一些問題，導致其沒能被廣泛應用，甚至取代化學絮凝劑。

(1)生產成本太高。首先微生物絮凝劑產生過程中給微生物提供的營養物質比如:蔗糖，葡萄糖，牛肉膏，蛋白胨等價格都比較高，另外微生物絮凝劑的提取目前用的是無水乙醇，而無水乙醇的價格也非常高這使微生物絮凝劑很難在市場競爭中占有優勢。

(2)應用研究存在局限性。目前微生物絮凝劑的應用研究還處于實驗室小型燒杯階段，還沒有中試實驗報道，大規模的應用效果如何還不清楚。

(3)產量低。微生物絮凝劑的產量普遍偏低，1L發酵液只能產幾克絮凝劑。作為微生物的次生代謝產物，微生物分泌絮凝劑受到體內酶和基因的控制。目前還很少從分子生物學角度去研究其代謝過程。通過改變微生物生長的外界環境來提高產量效果不明顯。

(4)所帶電荷單一。目前研究的微生物絮凝劑基本帶負電，污水中的膠體顆粒也大部分都帶負電，它需要借助帶正電荷的助凝劑才能對污水中膠體顆粒產生較好的絮凝作用。這在很大程度上制約其應用。

5 結論與建議

微生物絮凝劑的研發和應用都取得了一些成果，但還停留在實驗室階段，要對微生物絮凝劑進行工業化生產并應用到規模化廢水處理中還有很多工作要做。傳統培養條件的研究已經不能滿足其發展的需要，我們要應用更多的高科技手段進行研究，對前面的幾方面問題有以下建議:

(1)尋找廉價培養基。高濃度有機廢水營養物質豐富，作為微生物的培養基不但可以降低微生物絮凝劑生產成本而且可以達到廢水資源化利用的目的。

(2)利用基因技術改良絮凝劑產生菌。微生物產絮凝劑受其基因控制，利用分子生物學技術可獲得高效產絮凝劑基因。將其轉接到繁殖速度快，生命力旺盛的工程菌上，定向產絮凝劑，從而提高絮凝劑的產量和質量。

(3)開發復合微生物絮凝劑。將幾種產絮凝劑菌共同培養，如果它們能夠共生，那么它們產絮凝劑的絮凝能力有可能超出單獨一株菌所產絮凝劑。

(4)與其它絮凝劑復配。將微生物絮凝劑與其它絮凝劑進行復配使用，充分發揮多種絮凝劑的優勢，擴寬微生物絮凝劑的應用范圍。

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