微生物絮凝剂在废水处理中的应用

Posted 2023-01-13 微生物

篇首语：饱带饥粮，晴带雨伞。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了微生物絮凝剂在废水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1 前言微生物絮凝剂是一类由微生物产生的有絮凝活性的代谢产物〔1〕，有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等。它是利用生物技术得到的具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒、无二次污染的水处理剂。它克服了无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身的一些缺陷，不仅能快速絮凝各种颗粒物质，而且在废水脱色、高浓度有机物去除等方面有独特效果。J.Nakamura〔2〕等人早在1976年已对能产生絮凝效果的微生物进行了研究。文献〔3〕中介绍了该方面知识，该项技术日益受到国内同行重视〔4-7〕。
2 微生物絮凝剂的主要来源
2.1 土壤土壤是人类最丰富的“菌种资源库"，因为土壤中具有微生物所需要的一切营养和微生物生长繁殖和生命活动的各种条件〔8〕，平均1000m2土壤，微生物可达500kg～700kg。至今从土壤分离得到的微生物絮凝剂已达20种〔4〕～〔7〕。
2.2 废水处理厂程金平等〔9〕从活性污泥中获得8株微生物絮凝剂产生菌，以高岭土悬浊液为处理样筛选出1株絮凝活性较高的絮凝剂产生菌，初步鉴定为酵母菌。刘紫鹃等〔10〕也从活性污泥中分离筛选到一株产絮凝剂的细菌A25，鉴定为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)，产生的絮凝剂BP-25具有絮凝活性高、絮凝范围广、对热稳定等优点。从1976年，J.Nakamura〔2〕等人开始研究和筛选具有絮凝能力的微生物至今，环境科学工作者已研制和开发絮凝剂已有30多种，见表1。

3 微生物絮凝剂的种类与组成微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂、利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆技术所获得絮凝剂等。微生物产生的絮凝剂物质主要是糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子化合物，分子量多在105以上，研究者的〔4〕曾利用多种手段对微生物絮凝剂的组成和结构进行分析。叶晶菁等〔12〕经过对自己提取的BD-4研究分析，认为该品中含质量分数为56.66%的多糖、质量分数为2.93%的蛋白质、另有质量分数为40.41%的未知成分，并推测该物质是一种糖蛋白。进一步分析得知，其多糖组分是葡萄糖的聚合物，该提取物中含分子量约3万～5万的3种分子。邓述波等〔13〕等经提纯分析硅酸盐芽孢杆菌产生的絮凝剂，发现含有糖醛酸、中性糖和氨基糖的多糖。
4 影响微生物絮凝剂絮凝效果的因素及絮凝机理同一般的化学絮凝剂一样，微生物絮凝剂效果的好坏主要受絮凝剂和胶体颗粒的本身特性及反应条件的影响。
4.1 微生物絮凝剂本身特性的影响微生物絮凝剂的主要成分中含有亲水的活性基团，如氨基、羟基、羧基等，故其絮凝机理与有机高分子絮凝剂(利用其线性分子的特点起到一种粘接架桥作用而使颗粒絮凝)相同。其絮凝效果会受分子形状、分子量等因素影响。一般说来，线形结构有利于絮凝，如果分子结构是交联的或支链结构，其絮凝效果就差〔14〕；分子量越大，絮凝剂活性越高〔15〕。文献〔16〕对硅酸盐芽孢杆菌产生的絮凝剂方面指出该絮凝剂絮凝效果好的主要原因是分子量较大。除此之外，细胞的年龄对絮凝作用也有影响，在培养早期，一般絮凝性不好，随发酵进行，因絮凝活性细胞壁中的甘露聚糖、葡聚糖和蛋白质组合，故而絮凝剂效果提高。
4.2 胶体颗粒表面电荷的影响由“桥连作用"理论和“电荷中和"理论知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，在颗粒间产生“架桥"现象，形成一种三维网状结构而沉淀下来。故胶体颗粒表面电荷对絮凝有重要影响，相反电荷的聚合电解质能减少颗粒表面电荷密度，以至颗粒可以彼此充分紧密接近，使吸引力变得有效。
4.3 反应条件文献〔12〕中指出微生物絮凝剂的絮凝效果受加样量、pH值、金属离子、温度、搅拌速度、水质等多种反应条件的影响。例文献〔17〕用自己提取的微生物絮凝剂处理染料废水时，发现Ca2+有促进絮凝物生成，加大沉降速度的协同作用。也有的文献中认为体系中盐的加入会降低微生物的絮凝活性，这可能由于Na+的加入破坏了大分子与胶体之间氢键的形成。因絮凝的形成是一个复杂的过程，为了更好地解释机理，需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构象及各种反应条件对它们的影响作更深入的研究。
5 微生物絮凝剂实际应用作为一种新型的水处理技术，微生物絮凝剂已广泛应用于高浓度有机废水的处理、染料废水的脱色、活性污泥的处理等废物处理中，并显示了强大的生命力。微生物絮凝剂已成为环保中的新研究方向。
5.1 高浓度有机废水处理高浓度有机废水主要包括畜产废水及其它一些食品加工厂废水，此类废水虽然其BOD较高但一般不宜采用直接生化法处理，在生化处理之前一般加絮凝等预处理过程。大量实验研究了微生物絮凝剂在此类废水处理中的应用。文献〔18〕用微生物絮凝剂加Ca2+处理畜产废水发现其浊度去除率达94.5%，同时TOC也有显著降低，不但处理效果优于合成高分子絮凝剂，而且不存在二次污染。孟琴等〔16〕用自制的微生物絮凝剂处理蛋白质溶液和果汁原汁，也发现其处理效果明显优于阳离子聚丙烯酰胺。沈荣辉〔19〕通过用微生物絮凝剂和SPA对味精废水预处理后指出：微生物絮凝剂比SPA的絮凝效果更好，还指出如果同时将微生物絮凝剂和少量SPA混合后，对味精废水的预处理效果可进一步提高，且药剂的总投加量明显减少。
5.2 印染废水的脱色印染废水因其色泽深，组分复杂，含有染料、浆料、助剂、纤维、果胶、蜡质、无机盐等多种物质，仍为国内现行工业废水治理上的几大难题之一。其处理难点一是COD高，而B/C值较小，可生化较差；二是色度高且组分复杂〔20〕。处理印染废水关键在于脱色，在各种处理方法中以絮凝法因其投资费用低、设备占地少、处理容量大、脱色率高而被普遍采用。以前广泛用于印染废水脱色的絮凝剂主要有无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂，自从微生物絮凝剂引起广泛的水处理工作者的重视后，微生物絮凝剂用于印染废水处理的报道〔21～23〕已很多，如NOC-1，是利用红平红球菌能产生强烈的絮凝作用的原理而研制的，经明胶过滤、色谱精制、各种酶处理后而最终制得。采用NOC-1对含有可溶性着色物质、黑墨水、染料废水进行处理后，发现上清液为无色透明。南开大学庄源益〔20〕等，筛选出6株对水中染料有较好的絮凝作用的菌株(NAT-1到NAT-6)，直接处理黑染料生产废水其脱色率可达60%。南京理工大学化工学院的柴晓利〔24〕等利用从活性污泥中筛选得到的微生物絮凝剂产生菌Azomonoassp.进行发酵培养，并对其产量絮凝剂进行了提纯和应用试验。实验结果表明，染料废水用微生物絮凝剂处理后，COD、色度去除率分别为32.2%、54%。最近，黄民生〔25〕等人采用GCL培养基，从活性污泥中分离的几株微生物而研制的絮凝剂，对碱性染料废水的色度去除率分别可达92.0%、91.2%、94.7%。从上面的研究不难看出：同聚铁类絮凝剂类相比微生物絮凝剂不仅具有良好的絮凝沉淀性能，而且具有良好的脱色效果，在印染废水中有着一般絮凝剂不具有的优势。
5.3 高浓度无机物悬浮废水的处理高浓度无机悬浮废水是一类不可生化降解的废水，传统工艺一般采用化学絮凝及处理法。文献〔26〕中指出微生物絮凝剂也可用于高岭土、泥水浆、粉煤灰等水样处理中，在试验中通过用微生物絮凝及处理陶瓷厂废水，釉药废水和坯体废水OD660和浊度去除率高达96.6%。文献〔16〕用微生物絮凝及处理高浊无机废水时指出，其沉降率是阳离子聚丙烯酰胺的2.5倍，是阴离子聚丙烯酰胺的4倍。
5.4 活性污泥活性污泥的收集和处理是水处理工程中令人头痛的问题，活性污泥处理系统的效率常因污泥的沉降性能变差而降低，在活性污泥中加入微生物絮凝剂时，可使污泥容积指数能很快下降，防止污泥解絮，消除污泥膨胀状态，从而恢复活性污泥沉降能力，提高整个处理系统的效率。文献〔27〕由红平红球菌制得的微生物絮凝剂NOC-1加入已发生膨胀的活性污泥中，可是污泥的SVI从290降到50。
6 前景展望作为一种新型的絮凝剂，微生物絮凝剂有着良好的应用前景，在过去的几十年里已经引起广大水处理工作者的重视，但研究大多处于菌种筛选阶段，与其它方面微生物的应用相差甚远，今后应重点在以下几方面进行研究。
(1)加强对微生物絮凝剂结构、理化特性、作用机理等方面的基础性研究；
(2)利用现代生物技术进行微生物絮凝剂的基因控制与表达，絮凝质粒的提取与组合研究；
(3)实现微生物絮凝剂工业化生产和应用，并探索其最佳应用条件。