微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀與開展趨勢、744刖百：絮凝是廢水處理的一個重要方法,用于去除水中細小的懸浮物和膠體污染物質(zhì).絮凝劑是一種可使液體中不易沉降的固體懸浮顆粒凝聚沉降的物質(zhì).傳統(tǒng)的絮凝劑主要有兩類,一類是無機型的,如鐵鹽、鋁鹽等；另一類是有機型的,如聚丙烯酰胺等.這兩類絮凝劑的絮凝效果都比擬好,尤其是聚丙烯酰胺類絮凝劑,由于其具有高絮凝性和低生產(chǎn)本錢而得到廣泛應用.80年代,日本這類絮凝劑的年產(chǎn)量已達2400噸.但是,近年來人們發(fā)現(xiàn),無機絮凝劑用量較大易產(chǎn)生二次污染,更為嚴重的是,經(jīng)常飲用以鋁鹽為絮凝劑的水會引起老年性癡呆癥.而聚丙烯酰胺類物質(zhì)不易被降解,且單體有致突變性,現(xiàn)在在許多領(lǐng)域已被

2、禁止或限量使用.微生物絮凝劑(MBF)是利用生物技術(shù),從微生物或其分泌物中提取、純化而獲得的一種平安、高效,且能自然降解的新型水處理劑,包括糖蛋白、多糖、纖維素、蛋白質(zhì)和DNA等.微生物絮凝劑不但沒有傳統(tǒng)絮凝劑的上述缺點,而且還具有平安、高效、可生物降解、不污染環(huán)境等特點.因此其越來越受到人們的重視呈現(xiàn)出逐,步取代傳統(tǒng)絮凝劑的趨勢.微生物絮凝劑(MBF)是某些種類的微生物在特定培養(yǎng)條件下,其生長代謝至一定階段產(chǎn)生的具有絮凝活性的代謝產(chǎn)物.其主要活性成分是具有兩性多聚電解質(zhì)特性的蛋白質(zhì),多糖、核酸類生物高分子化合物,具有可生化性,即能夠自行降解.它們通過其電荷性質(zhì)和高分子特性在液體介質(zhì)中起電荷中

3、和、吸附、橋聯(lián)、網(wǎng)捕等作用,使膠體脫穩(wěn)、絮凝沉淀、固液別離.它克服了常規(guī)的無機絮凝劑和有機絮凝劑對人體有害和易產(chǎn)生二次污染的缺點,被廣泛地應用于各類廢水的生物處理、去除污泥膨脹、食品及餐飲業(yè)廢水中可利用成分的回收利用等.1微生物絮凝劑的種類和特點1.1微生物絮凝劑的種類根據(jù)近些年對微生物絮凝劑的研究與報道,可把它分為4大類：1從微生物細胞壁提取的絮凝劑,如酵母細胞壁葡聚糖、蛋白質(zhì)和N一乙酰葡萄糖胺等成分均可作絮凝劑使用.2從微生物細胞代謝產(chǎn)生絮凝劑,這類絮凝劑主要是細菌的莢膜和粘液質(zhì),其主要成分為多糖及少量的多肽、蛋白質(zhì)、脂類及其復合物等.3直接利用微生物細菌作為絮凝劑,如某些細菌、霉菌、放線

4、菌和酵母等,它們大量存在于土壤、活性污泥和沉積物中.4利用克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑.這類絮凝劑是用基因工程技術(shù)和現(xiàn)代分子生物學,把高效絮凝基因轉(zhuǎn)移到便于發(fā)酵的菌中,構(gòu)造高效遺傳菌株,克隆絮凝基因能在多種降解中產(chǎn)出有效的微生物絮凝劑.從組成上看,微生物絮凝劑是屬于生物分子系列結(jié)構(gòu)的復雜物質(zhì),主要含多糖、糖蛋白、纖維素、DNA、蛋白質(zhì)及脂肪等.1.2微生物絮凝劑特點微生物絮凝劑與其他絮凝劑相比,具有許多獨特的性質(zhì).1來源廣、生產(chǎn)周期短；2高效,同等用量下,與常用的鐵鹽、鋁鹽、聚丙烯酰胺相比,微生物絮凝劑對活性污泥的絮凝速度最高,而且絮凝沉淀物容易過濾；3無毒,微生物絮凝劑為微生物菌體或菌體外分泌的生

5、物高分子物質(zhì),屬于天然有機高分子絮凝劑,平安無毒；4消除二次污染,微生物絮凝劑是微生物的分泌物,自然不會危害他自身,不會影響水處理效果,且絮凝后的殘渣可被生物降解,對環(huán)境無害,不會造成二次污染；5應用范圍廣泛,脫色效果獨特,微生物絮凝劑處理對象有活性污泥、粉煤灰、木炭、墨水、泥水、河底沉積物、高嶺土、印染廢水等,且對懸濁液絮凝速度快、用量少,對膠體、溶液均有較好的絮凝效果,對富含有機物的屠宰廢水和血水也有較好的去色效果；6價格較低.無論從生產(chǎn)本錢還是處理技術(shù)總費用,微生物絮凝劑的價格都低于化學絮凝劑的價格.缺乏之處是,生物絮凝劑的效果容易受到有毒物質(zhì)的干擾,因此,被處理的廢液中必須無妨害菌體生

6、長的因素.2微生物絮凝劑的絮凝機理微生物絮凝劑實際上是帶有電荷的生物大分子,對絮凝物質(zhì)的絮凝機理,已有一些研究,目前認為其絮凝機理與高分子絮凝劑相似,主要有以下幾種：2.1 “架橋絮凝機理這一機理認為,絮凝劑借助離子鍵、氫鍵、同時結(jié)合了多個顆粒上的分子,在顆粒間起了“中間橋梁的作用,從而使懸浮物形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮凝物而沉淀下來.通常認為合成的高分子絮凝劑都是通過這種機理產(chǎn)生絮凝作用,微生物絮凝劑的絮凝機理與合成的高分子絮凝劑的作用機理是一致的.這種機理最為人們所認可.2.2 "離子鍵、氫鍵的結(jié)合學說該學說認為：通過離子鍵、氫鍵的作用與懸浮物結(jié)合,由于絮凝劑的分子量較大,一個絮凝劑分子可

7、同時與幾個懸浮顆粒結(jié)合.在適宜條件下,迅速形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而沉積,從而表現(xiàn)出很強的絮凝水平.但是,離子鍵、氫鍵學說并不能很好地解釋某些絮凝反響機理.2.3 “電性中和機理這一機理認為膠體粒子的外表一般帶有負電荷,當帶有一定正電荷的鏈狀生物大分子絮凝劑或其水解產(chǎn)物靠近這種膠粒時,會中和膠體外表上的局部電荷,使靜電斥力減少,從而使膠粒間發(fā)生磁力碰撞而凝聚,向溶液中參加金屬離子或調(diào)節(jié)pH值可影響其絮凝效果.2.4 “化學反響機理這一機理認為生物大分子中某些活性基團與被絮凝物質(zhì)相應基團反響,進而聚集成較大的分子而沉淀下來.通過對生物大分子進行改性處理,使其添加或喪失某些活性基團,絮凝活性發(fā)生變化而起作用.

8、某些學者指出絮凝劑的活性主要是依賴于活性基團,即活性基團決定了絮凝劑的活性.2.5 “卷掃作用機理這一機理認為,當微生物絮凝劑的投加量一定且形成小顆粒絮體時,可以在重力作用下,迅速網(wǎng)捕,卷掃水中一些膠粒,從而產(chǎn)生沉淀.這種作用可看成是一種機械作用,實踐證實,所需絮凝劑的量與原水中雜質(zhì)懸浮體含量成正比.除上述5種機理外,還有粘質(zhì)學說、酶合學說等絮凝機理,這些機理可解釋局部絮凝現(xiàn)象.實際上,隨微生物絮凝劑作用對象的不同,其作用機理也不完全相同.總之,絮凝過程是一個復雜的過程,為了更好地解釋機理,需要對特定絮凝劑和膠體顆粒的組成、結(jié)構(gòu)、電荷、構(gòu)象及各種反響條件對它的影響進行更深入的研究.3影響產(chǎn)生微

9、生物絮凝劑及其絮凝水平的因素3.1 影響產(chǎn)生微生物絮凝劑的因素為獲得微生物絮凝劑,必須研究了解產(chǎn)生這種絮凝劑的各種因素,如培養(yǎng)基的組成、pH值、通氣情況、溫度等.實踐證實,各種微生物絮凝劑產(chǎn)生的最正確條件是不一致的,在此僅闡述有共性的幾種因素：1培養(yǎng)基的組成.培養(yǎng)基包括硫源、氮源、能源生長因子、無機鹽和水等六大營養(yǎng)物質(zhì),各種微生物絮凝劑要求營養(yǎng)成分不同,因此,應靈活限制培養(yǎng)基組成,選擇適宜的最正確配方.2） pH值.初始pH值可影響產(chǎn)生微生物絮凝劑的生長和絮凝物質(zhì)的分泌,通常作為絮凝用的細菌和放線菌的適宜pH值在中性至弱堿性范圍內(nèi),對于不同的微生物絮凝劑,具適宜生長pH值是不相同的.3培養(yǎng)溫度

10、和通氣量.一般認為,最適宜的溫度在2535c之間,溫度太低,菌體生長速度變慢,溫度太高,會使菌體產(chǎn)生的絮凝活性降低.通氣量也是影響絮凝劑產(chǎn)生菌體的重要因素,且在不同生長期通氣量應是不同的,應通過試驗選擇不同生長期的最正確通氣量.3.2 影響微生物絮凝劑絮凝水平的因素影響微生物絮凝劑絮凝水平的因素較多,主要包括溫度、pH、絮凝劑投加量、助凝劑、絮凝劑的分子量等.1溫度溫度對微生物絮凝劑的影響較大.主要是由于高溫可使生物高分子變性,空間結(jié)構(gòu)改變,某些活性基團不再與懸浮顆粒結(jié)合,因而表現(xiàn)出絮凝活性的下降.2pH值pH值影響絮凝劑的絮凝活性主要是由于酸堿度的變化會影響微生物絮凝劑及懸浮顆粒外表電荷的性

11、質(zhì)、數(shù)量及中和電荷的水平.不同的絮凝劑對pH的變化敏感程度不同,同一種絮凝劑對不同的被絮凝物有不同的初始pH要求.3絮凝劑投加量每種絮凝劑都有一個最正確投加量,過多或過少,都會導致絮凝效果下降.據(jù)分析,絮凝劑的最正確投加量約是固體顆粒外表吸附大分子化合物到達1/2飽和時的吸附量,此時大分子在固體顆粒上架橋機率最大.4助凝劑助凝劑一般為金屬離子.金屬離子的種類和濃度對微生物絮凝劑活性的影響很大.一定濃度的金屬離子可以增強絮凝劑分子與懸浮顆粒以離子鍵結(jié)合而促進絮凝,對提升微生物絮凝劑的絮凝活性有重要意義.5微生物絮凝劑的分子量微生物絮凝劑的分子量大小對其絮凝活性非常重要.分子量大活性位點多,絮凝效

12、率高.目前已別離純化的絮凝劑都是多聚糖和蛋白質(zhì)之類的生物大分子,除少數(shù)外,分子量大都在幾十萬到幾百萬.分子量的減小會降低絮凝劑的絮凝活性,例如絮凝劑的蛋白質(zhì)絮凝成分降解后,分子量減小,絮凝活性明顯下降.4微生物絮凝劑的應用與無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑相比,微生物絮凝劑絮凝效果好、易生物降解、無二次污染、對環(huán)境平安、應用范圍廣.因此,可以廣泛應用于廢水處理和其他方面.4.1廢水處理1活性污泥的處理活性污泥的處理是水處理工程中比擬棘手的問題.在活性污泥中參加微生物絮凝劑,污泥容積指數(shù)很快下降,消除污泥膨脹狀態(tài),從而恢復活性污泥沉降水平.2污泥脫水微生物絮凝劑可用于污泥脫水.主要利用其3有機廢水的

13、處理有機廢水的BOD高,處理困難,用高分子絮凝劑處理,雖有較好的處理效果,但存在二次污染.用微生物絮凝劑可以有效地去除有機廢水中的TN和TOC.4印染廢水的降解和脫色印染廢水成分復雜,水質(zhì)變化大,色度高,并含有難降解外表活性劑,是目前難處理的工業(yè)廢水之一.用白腐真菌處理染料廢水是目前研究熱點之一,其作用分為染料的吸附、富集階段和生物降解三個階段.染料的細菌降解又包括兩個步驟,首先是染料透過細菌細胞壁進入質(zhì)膜,其次是在膜上的傳遞,并通過細菌的生命活動,使其降解成簡單的無機物或轉(zhuǎn)化成細菌所需要的營養(yǎng)物質(zhì).4.2重金屬的收集和發(fā)醉工業(yè)微生物絮凝劑成功地用于黃金、白鴇礦以及其它礦物質(zhì)等貴重稀有金屬類化

14、合物的富集提取.除此之外,很多絮凝劑產(chǎn)生菌都具有吸附重金屬離子的水平.微生物絮凝劑表現(xiàn)出的對微生物細胞廣譜良好的絮凝沉降效果為其在發(fā)酵工業(yè)后處理中的實際應用奠定了根底.利用絮凝劑來沉降菌體細胞可使能耗大大減少,而且操作簡單,因而可望成為取代傳統(tǒng)的離心或過濾方法的新手段.5存在問題及開展趨勢5.1 問題盡管微生物絮凝劑獨特的優(yōu)越性已顯示了其廣闊的應用前景,但微生物絮凝劑在實際生產(chǎn)中尚未得到推廣應用.主要原由于：1原材料價格過高,葡萄糖和果糖是絮凝劑合成的最正確碳源,酵母膏和牛肉膏、酪蛋白、酪氨酸往往是絮凝劑合成的最適氮源,這些為高價值原材料.2絮凝劑產(chǎn)量低,絮凝活性弱是導致其生產(chǎn)本錢過高的根本原

15、因.主要原由于菌株自身潛力差,產(chǎn)絮凝劑水平弱,菌株絮凝劑合成的最正確營養(yǎng)條件主要指培養(yǎng)基組成卜合成的最正確發(fā)酵條件通氣量、溫度等及最正確的絮凝條件均未到達.5.2 開展趨勢綜合分析微生物絮凝劑的研究和應用,今后微生物絮凝劑領(lǐng)域的開展：1研究微生物絮凝劑與無機、有機絮凝劑的配合使用,也是微生物絮凝劑開展的另一方向.三者配合使用不僅可以提升絮凝效率,而且還可降低投加量.目前在水處理領(lǐng)域,都傾向于生物處理.假設(shè)把水處理工程中的微生物與可產(chǎn)生絮凝作用的微生物配合使用,既可縮短處理流程,也可減少絮凝劑的投加量.2隨著微生物絮凝劑工業(yè)化生產(chǎn)的應用和推廣,優(yōu)選原料和優(yōu)化生產(chǎn)路線,降卑微生物絮凝劑的生產(chǎn)本錢將

16、成為打破生物絮凝劑開展的重要手段.3生物技術(shù)的飛越猛進,給微生物絮凝劑的開展提供了一個更為廣闊的開展前景,今后,應充分利用生物技術(shù)大力開展對生物絮凝劑高產(chǎn)菌株條件優(yōu)化、生物絮凝劑結(jié)構(gòu)和絮凝機理的深入研究,并充分利用克隆技術(shù)研究生物絮凝劑的基因限制與表達.培養(yǎng)出高效的絮凝劑微生物MJDN.把限制絮凝劑產(chǎn)生的基因片斷導入特定的微生物細胞內(nèi),并使其大量表達,可滿足人們對其量的需求.參考文獻：1袁宗宜,楊懷禮,舒型武.絮凝科學與技術(shù)的進展J.鶯慶大學學報,2001,242:1432147.2倉根隆一郎彳散生物的研究狀況及應用前景J.日本化學會志(),1992,5:4532463.3茹志剛.廢水治理工程技術(shù)M,北京:中國環(huán)境科學出版社,1989.4李為群.高分子絮凝劑開發(fā)應用新動向J.環(huán)境污染與防治,1997,19(3):32236.5王鎮(zhèn),王孔星,謝玉敏.幾株絮凝荊產(chǎn)生菌的特性研究J.微生物學報,1995,35(2):121129.6湛含輝,張曉琪,湛雪輝,等.水處理中微生物絮凝劑的研究進展及方法J.株洲工學院學報,2002,16(4):103104.7董曉斌.新型生物絮凝劑的研究與應用J.甘肅聯(lián)2合大學學報：自然科學版,2006,20(1):52254.8陶然,楊朝暉,曾光明,等.微生物絮凝劑及其絮凝微生物的研