微生物絮凝劑產(chǎn)生條件與應(yīng)用分析

武賢智，張森媛，郭安劍

微生物絮凝劑是由微生物產(chǎn)生的有絮凝作用的高分子次生代謝產(chǎn)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(zhì)占絕大多數(shù)［1］。這些物質(zhì)有很好的可生化性，不像無機(jī)絮凝劑和有機(jī)合成高分子絮凝劑對環(huán)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(chǎn)周期短的特點(diǎn)，它的研究和應(yīng)用越來越受到人們的重視。

1 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌及絮凝劑產(chǎn)生條件

1.1 微生物絮凝劑產(chǎn)生菌

微生物絮凝劑產(chǎn)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(fā)現(xiàn)的有32種，其中細(xì)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(chǎn)生菌的培養(yǎng)條件

微生物生長受環(huán)境因素影響很大，環(huán)境因素細(xì)微的改變就可能影響絮凝劑的產(chǎn)量和絮凝率。影響產(chǎn)絮凝劑微生物的培養(yǎng)條件有培養(yǎng)基成份、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基初始pH值、通氣量等。

1.2.1 培養(yǎng)基成份

產(chǎn)絮凝劑微生物的培養(yǎng)基成份復(fù)雜，通常含有碳源、氮源、能源、生長因子、無機(jī)鹽和水六大營養(yǎng)要素。一般來說，營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基利于絮凝劑的產(chǎn)生，但不同微生物對營養(yǎng)的要求差別較大。例如，彭輝用不同碳源和氮源培養(yǎng)黑曲霉菌TH6，發(fā)現(xiàn)用蔗糖做碳源、NaNO3做氮源所產(chǎn)絮凝劑絮凝效果最好［3］。崔鈳從土壤中分離的絮凝劑產(chǎn)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(chǎn)生絮凝劑的微生物

1.2.2 培養(yǎng)溫度

培養(yǎng)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(zhì)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(yǎng)微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)溫度為30℃時最有利于絮凝劑產(chǎn)生，在35℃時菌株生長快，但絮凝活性降低［5］。

1.2.3 培養(yǎng)基初始pH值

培養(yǎng)基初始pH值決定細(xì)胞所帶電荷、影響營養(yǎng)吸收及酶反應(yīng)的氧化反應(yīng)電位［6-7］。張志強(qiáng)將奇異變形桿菌TJ-F1放在不同初始pH值下培養(yǎng)，用高嶺土測其絮凝劑活性，發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)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(chǎn)生菌HHY-7培養(yǎng)條件時發(fā)現(xiàn)，初始pH= 4.5～6.0時所產(chǎn)發(fā)酵液對濁度的去除率最高，當(dāng)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(chǎn)生菌大部分為好氧菌，通氣量直接影響培養(yǎng)液中溶解氧含量。搖床轉(zhuǎn)速太慢，培養(yǎng)液中的通氣量小，溶解氧不足會使微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的生長受到抑制。搖床轉(zhuǎn)速太快，不利于營養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)菌表面吸附，同時會影響微生物在穩(wěn)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(jìn)行培養(yǎng)時，絮凝劑活性最高，過低或者過高的搖床轉(zhuǎn)速都會導(dǎo)致絮凝活性下降［10］。

2 微生物絮凝劑作用機(jī)理

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

2.1 吸附架橋作用

吸附架橋?qū)W說認(rèn)為微生物絮凝劑為鏈狀高分子聚合物，可被膠體顆粒強(qiáng)烈吸附。因其線性長度比較大，當(dāng)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(yuǎn)的兩膠粒間進(jìn)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(qiáng)大的吸附力源于它鏈狀結(jié)構(gòu)上能與膠粒和懸浮物發(fā)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(xì)小顆粒緊密結(jié)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(xì)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)捕獲，在重力作用下沉于水底。這種作用基本上是一種機(jī)械作用，所需絮凝劑量與原水雜質(zhì)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(tài)穩(wěn)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(wěn)，膠粒之間，膠粒和微生物絮凝劑發(fā)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(yīng)用

隨著國內(nèi)外研究者對微生物絮凝劑研究的不斷深入，赿來赿多優(yōu)良的微生物絮凝劑被應(yīng)用到水處理當(dāng)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(chǎn)生大量的高濃度酸性有機(jī)廢水，主要是溶解性的淀粉和少量蛋白質(zhì)，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(fā)現(xiàn)MBFA9菌產(chǎn)的微生物絮凝劑用于處理淀粉廢水可以達(dá)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?jiān)偕旒堖^程中產(chǎn)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(fù)雜的物質(zhì)。應(yīng)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(chǎn)絮凝劑對造紙廢水進(jìn)行處理，取得較好效果。通過優(yōu)化絮凝條件，最終可以使 COD去除率達(dá)70.6%，濁度去除率達(dá)91.7%，且經(jīng)過與傳統(tǒng)絮凝劑做對比，發(fā)現(xiàn)該絮凝劑處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)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(diǎn)。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(chǎn)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(dá)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(dá)到很好的處理效果。黃曉武分別研究了絮凝劑產(chǎn)生菌HHE-P7、HHEP8、HHE-P21、HHE-P24、HHE-A26所產(chǎn)絮凝劑對高濁度建材廢水的絮凝效果。結(jié)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(yǎng)液，濁度去除率均在92%以上，通過與常規(guī)絮凝劑做比較，具有用量少、絮凝速度快等優(yōu)點(diǎn)［17］。

4 微生物絮凝劑存在的問題

微生物絮凝劑的研究和應(yīng)用都取得了很大進(jìn)步，但也還存在一些問題，導(dǎo)致其沒能被廣泛應(yīng)用，甚至取代化學(xué)絮凝劑。

(1)生產(chǎn)成本太高。首先微生物絮凝劑產(chǎn)生過程中給微生物提供的營養(yǎng)物質(zhì)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(yōu)勢。

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

(3)產(chǎn)量低。微生物絮凝劑的產(chǎn)量普遍偏低，1L發(fā)酵液只能產(chǎn)幾克絮凝劑。作為微生物的次生代謝產(chǎn)物，微生物分泌絮凝劑受到體內(nèi)酶和基因的控制。目前還很少從分子生物學(xué)角度去研究其代謝過程。通過改變微生物生長的外界環(huán)境來提高產(chǎn)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(fù)電，污水中的膠體顆粒也大部分都帶負(fù)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(chǎn)生較好的絮凝作用。這在很大程度上制約其應(yīng)用。

5 結(jié)論與建議

微生物絮凝劑的研發(fā)和應(yīng)用都取得了一些成果，但還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，要對微生物絮凝劑進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)并應(yīng)用到規(guī)模化廢水處理中還有很多工作要做。傳統(tǒng)培養(yǎng)條件的研究已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要，我們要應(yīng)用更多的高科技手段進(jìn)行研究，對前面的幾方面問題有以下建議:

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

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

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

(4)與其它絮凝劑復(fù)配。將微生物絮凝劑與其它絮凝劑進(jìn)行復(fù)配使用，充分發(fā)揮多種絮凝劑的優(yōu)勢，擴(kuò)寬微生物絮凝劑的應(yīng)用范圍。

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