環(huán)境生物技術(shù)課件生物技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用

環(huán)境生物技術(shù)課件生物技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日內(nèi)容提示本章概要介紹酶、微生物制劑、生物表面活性劑、生物絮凝劑和沉淀劑等制備技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景；可以提高處理效率，而且符合環(huán)保，愈來愈受到關(guān)注。利用生物質(zhì)能的微生物發(fā)酵產(chǎn)氫，提供清潔能源很有希望，有應(yīng)用的可能性和實用性。第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日微生物學(xué)新技術(shù)

遺傳誘變育種基因工程酶工程微生物制劑生物表面活性劑等的技術(shù)生物絮凝劑和沉淀劑此處簡單介紹適宜在環(huán)境工程領(lǐng)域應(yīng)用的幾種。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)固定化酶和固定化細(xì)胞在環(huán)境工程中的應(yīng)用

第二節(jié)微生物細(xì)胞外多聚物的開發(fā)與應(yīng)用

第三節(jié)優(yōu)勢菌種與微生物制劑的開發(fā)與應(yīng)用

第四節(jié)微生物能源的開發(fā)與應(yīng)用

第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)固定化酶和固定化細(xì)胞

在環(huán)境工程中的應(yīng)用

酶在微生物體內(nèi)的一切生物化學(xué)反應(yīng)中起著極其重要的催化作用，將它提取出在體外也能發(fā)揮其作用。故能將酶制成酶制劑，在食品加工、印染中棉布退漿、生絲脫膠，制革、制茶、化妝品、發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)療、洗滌劑、污（廢）水生物處理、廢氣生物凈化等均可應(yīng)用。根據(jù)各行業(yè)的需要可使用不同劑型的酶制劑。

第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

一、酶制劑劑型

（一）干燥粗酶制劑將用麩曲或深層發(fā)酵的培養(yǎng)液除菌（或不除菌）后，與淀粉等惰性填料混合、干燥制成粗酶。

（二）稀液體酶制劑將培養(yǎng)液過濾除去菌體等雜質(zhì)后，直接加穩(wěn)定劑(甘油、乙醇、氯化鈉等的復(fù)合物)和防腐劑作為商品出售。國內(nèi)許多白酒廠用此種液態(tài)糖化酶制劑糖化淀粉。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

（三）濃液體酶制劑

將培養(yǎng)液過濾除去菌體等雜質(zhì)、濃縮后再加穩(wěn)定劑和防腐劑成商品。

（四）干燥粉狀酶制劑

我國多數(shù)生產(chǎn)此種酶制劑。其制備工藝為：

（五）結(jié)晶酶結(jié)晶酶是經(jīng)過高度純化而結(jié)晶的固體酶制劑。在酶溶液中緩慢加入硫酸銨或氯化鈉而使溶液接近過飽和狀態(tài)時，靜置于低溫（0～4℃）下就可析出結(jié)晶酶。酶結(jié)晶的條件：酶蛋白濃度在3～50mg/mL,酶的純度大于50％。不同的酶的pH穩(wěn)定范圍不同。（六）固定化酶

將酶和酶菌體固定在載體上，制成不溶于水的固態(tài)酶，可較長時間使用。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

二、酶的提取

（一）預(yù)處理

在提取酶之前要作預(yù)處理。不同的酶有不同的預(yù)處理方法。

1.

胞外酶的預(yù)處理和制備

存在培養(yǎng)液中，只需將菌體過濾或離心去除，所得的清液即為粗酶液。如果是固態(tài)發(fā)酵麩曲，用水或緩沖液浸泡，再離心或過濾去菌體及雜物后所得清液即粗酶液。粗酶液再經(jīng)提純即酶精制品。

2.

胞內(nèi)酶的預(yù)處理

胞內(nèi)酶需要破碎細(xì)胞壁和質(zhì)膜，然后制成無細(xì)胞提取液，再提純。

破碎細(xì)胞的方法有：干燥法(空氣干燥、真空冷凍干燥、溶劑脫水干燥)、機械法(研磨法、機械搗碎)、超聲波破碎、反復(fù)冷凍法、自溶法、溶菌酶法。

第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日(二)酶的提取

酶是比較脆弱的物質(zhì)，處理不當(dāng)容易變性，提取前要對目的酶的等電點、pH、溫度的穩(wěn)定性、氧化還原劑對酶的影響有所了解。

1.水溶液提取法

用稀的鹽溶液、緩沖液或水提取。稀鹽、緩沖溶液和水溶液對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性好、溶解度大、是提取酶常用的溶劑，提取液的用量是培養(yǎng)液體積的1～5倍。在提取時要均勻地攪拌，以利于蛋白質(zhì)的溶解。同時根據(jù)不同酶的性質(zhì)控制好提取溫度。多數(shù)蛋白質(zhì)的溶解度隨著溫度的升高而增大，因此，適當(dāng)提高溫度，但時間不宜過長，需縮短提取時間。避免溫度過高導(dǎo)致酶蛋白質(zhì)變性失活，一般在5℃以下操作。為了避免提取過程中酶被蛋白水解酶降解，可加入二異丙基氟磷酸和碘乙酸抑制蛋白水解酶活性。特別注意提取液的pH和鹽的濃度。

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（1）pH：酶是具有等電點的兩性電解質(zhì)，提取液的pH應(yīng)選擇在偏離等電點兩側(cè)的pH范圍內(nèi)。用稀酸或稀堿提取時，防止過酸或過堿而引起酶蛋白可解離基團變化，而導(dǎo)致酶蛋白構(gòu)象的不可逆變化。堿性酶用偏酸性的提取液提取，而酸性酶用偏堿性的提取液提取。

（2）鹽濃度：稀濃度鹽溶液可促進酶蛋白的溶解度，同時稀鹽溶液因鹽離子與蛋白質(zhì)部分結(jié)合，具有保護酶蛋白不易變性的優(yōu)點，在提取液中加入少量NaCl（0.15mol/L）或其他中性鹽。緩沖液常采用0.02～0.05mol/L磷酸鹽和碳酸鹽等滲鹽溶液。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2.表面活性劑提取法

表面活性劑有天然的膽酸鹽、磷脂，合成的有十二烷基硫(磺)酸鈉(SDS、陰離子型)、二乙氨基十六烷基溴(陽離子型)、非離子型的有吐溫(Tween)及三通－X(Triton－X)。

3.有機溶劑（丁醇）提取法

對不溶于水、稀鹽溶液、稀酸或稀堿中的，和脂質(zhì)結(jié)合比較牢固或分子中非極性側(cè)鏈較多的酶，可用乙醇、丙酮和丁醇提取，以丁醇最佳。丁醇親脂性強，特別是溶解磷脂的能力強；丁醇兼具親水性；pH及溫度選擇范圍較廣，在溶解度范圍內(nèi)（注：0℃時其溶解度為10%，40℃時其溶解度為6.6%）不會引起酶變性失活。故需在低溫下操作。

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工業(yè)化生產(chǎn)蛋白酶（胞外酶）的提取操作步驟如圖12-1。200m3酶活力為200u/mL的發(fā)酵原液,經(jīng)過一系列提取步驟后制成了200kg酶活力為165000u/mL的成品固體酶，或制成1m3酶活力為330000

u/mL的成品酶液，其總收率為82%。

圖12-1蛋白酶（胞外酶）工業(yè)提取流程圖第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

三、酶的純化步驟

提取的酶要先濃縮、去雜質(zhì)再純化。

（一）濃縮

濃縮的方法有葡聚糖凝膠-分子篩濃縮法、聚乙二醇(PEG)濃縮法、超濾膜濃縮法、冰凍法、鹽析或乙醇沉淀后分離。

（二）去雜質(zhì)去雜質(zhì)的方法有：pH沉淀法、利用蛋白質(zhì)熱變性的溫度差異、蛋白沉淀劑法。

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（三）純化

1.

鹽析法

鹽析法是用中性的硫酸銨(NH4)2SO4、MgSO4、NaCl、Na2HPO4純化酶。絕大多數(shù)用(NH4)2SO4。

2.有機溶劑沉淀法在酶溶液中緩慢加入相當(dāng)于酶溶液濃度的兩倍的有機溶劑（乙醇或丙酮），以降低酶溶液的電解常數(shù)，以增加酶蛋白分子電荷間的引力，導(dǎo)致酶蛋白的電解度下降而沉淀。

3.層析法

層析法有吸附層析法、離子交換層析法、分子篩過濾層析(凝膠過濾層析)法及等電點沉淀法。

（四）結(jié)晶當(dāng)酶達到一定的純度后，在適當(dāng)?shù)臏囟?、pH條件下，逐漸加入(NH4)2SO4溶液中，酶可慢慢析出結(jié)晶，也可加入某些有機溶劑析出結(jié)晶。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

二、固定化酶和固定化微生物的固定化方法

(一)固定化酶和固定化微生物

1.固定化酶

從篩選、培育獲得的優(yōu)良菌種體中提取活性極高的酶，再用包埋法(或交聯(lián)法、載體結(jié)合法、逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng))等方法將酶固定在載體上，制成不溶于水的固態(tài)酶，即固定化酶。

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固定化酶的研究始于1910年，正式研究于20世紀(jì)60年代，70年代全世界普遍開展。至目前取得很多成果，但多限于簡單的胞外酶?水解酶類、少數(shù)胞內(nèi)酶。固定化水解酶類對大分子降解能力強，對小分子無分解能力。胞內(nèi)的氧化還原酶類利用很少，發(fā)現(xiàn)2100種酶中，有1/5的脫氫酶需要NAD+和NADP+輔酶同時存在才能充分發(fā)揮酶的作用。而酰胺類(NAD+和NADP+)輔酶的再生和固定化方法尚未解決。所以,多酶體系的固定化尚有待于研究開發(fā)。

第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日2.固定化微生物

將酶活力強的微生物體固定在載體上，即成固定化微生物。

微生物體本身是多酶體系的固定化載體，將整個細(xì)胞固定化更有利于保持其原有活性，甚至可提高活性。有死細(xì)胞固定化和生長細(xì)胞固定化兩種。

3.固定化酶和固定化微生物的特性固定化酶和固定化微生物普遍比未固定化的微生物性能好，穩(wěn)定、降解有機物性能強、耐毒、抗雜菌，耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點。制成酶布和酶柱后用于連續(xù)流運行，酶不會流失。

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（二）固定化酶和固定化微生物的固定方法

1.載體結(jié)合法

以共價結(jié)合、離子結(jié)合和物理吸附等將酶固定在非水溶性載體上。載體有葡聚糖、活性炭、膠原、瓊脂糖、多孔玻璃珠、高嶺土、硅膠、氧化鋁、羧甲基纖維素等。

2.交聯(lián)法

酶與兩個和兩個以上官能團的試劑反應(yīng)形成共價鍵的固定方法。交聯(lián)劑有：戊二醛、雙重氮聯(lián)苯胺和六甲撐二異氰酸酯。

3.包埋法

將酶包埋在凝膠微小格子(格子型)中，或?qū)⒚赴诎胪感缘木酆衔锬?nèi)(微膠囊型)的固定方法。格子型的包埋材料：聚丙烯酰胺(PAM)凝膠、聚乙烯醇(PVA)、瓊脂、硅膠、角叉菜膠(紅藻提取物－凝膠)等。微膠囊型的包埋材料有尼龍、乙基纖維素和硝酸纖維素。

第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日4.逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng)

表面活性劑的兩性分子在有機溶劑中自發(fā)形成聚集體，其親水性一端連接成逆膠束的極性核，水分子插入核中，其疏水性的一端進入主體有機溶劑中，酶分子溶于逆膠束中，組成逆膠束酶系統(tǒng)。

以上四種固定化方法見圖12-2。除上述四種單獨的固定化方法外，還可將兩種方法結(jié)合使用，能防止酶泄漏。

圖12-2酶固定化的模式圖A.載體結(jié)合法B.交聯(lián)法C1.包埋法(格子型)C2.包埋法(微膠囊型)D.逆膠束酶反應(yīng)系統(tǒng)第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

對微生物細(xì)胞的固定化最適合用凝膠包埋法。

固定化酶的酶型：顆粒狀的固定化微生物細(xì)胞，在連續(xù)流工藝中容易會流失。制成酶布和酶柱，解決了酶流失問題。

酶和微生物的載體:

多糖、纖維蛋白、水凝膠、空心纖維、多孔酚醛樹脂。無機載體有多孔玻璃、氧化鋁、羥基磷灰石、硅氧化鋁、多孔陶瓷、不銹鋼和砂等。

第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

五、固定化酶和固定化微生物在環(huán)境工程中的應(yīng)用及前景

（一）固定化酶和固定化微生物在廢水生物處理中的研究現(xiàn)狀

鑒于固定化酶技術(shù)只限于水解酶類和少數(shù)胞內(nèi)酶研制成功和應(yīng)用，多酶體系的固定化技術(shù)尚未解決；又由于廢水的組分很復(fù)雜，而且經(jīng)常變化。因此，要用多種單一的固定化酶，包括胞外酶和胞內(nèi)酶組合處理，才能完成某一物質(zhì)的多步驟反應(yīng)，才能使有機物完全無機化和穩(wěn)定化。固定化酶可以制成酶膜、酶布、酶管（柱）、酶粒、酶片。處理動態(tài)廢水用酶管為好。廢水中若含有多種毒物，可按分解毒物成分的次序，沿著廢水流動方向，依次按順序?qū)⑴c各種毒物相對應(yīng)的酶固定在塑料管內(nèi)壁不同位置上，制成塑料酶管。見圖12-3中所示。

第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

廢水中的氰化物被氰水解酶、甲酰胺酶、甲酸脫氫酶催化作用下，分解為CO2、H2和NH3。其中的酚被酚氧化酶催化氧化為CO2和H2O，結(jié)果氰和酚兩種毒物能被同時清除，廢水得到凈化。德國將9種降解對硫磷農(nóng)藥的酶共價結(jié)合固定在多孔玻璃珠、硅膠珠上，制成酶柱處理對硫磷廢水，獲得95%以上的去除效果。連續(xù)工作70d，酶的活性沒有變化。說明多種酶的作用大于單一種酶的作用。

圖12-3四種固定化酶在酶管中排列順序示意圖1.氰水解酶2.甲酰胺酶3.甲酸脫氫酶4.酚氧化酶第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

日本用固定化-淀粉酶處理淀粉廢水和造紙白水。美國將固定化酚氧化酶處理含酚廢水，固定化酶活性只達到游離細(xì)胞的90％。從這個意義講，用游離細(xì)胞處理廢水的效果比用單一固定化酶的好。一個微生物體本身就是多酶體系的載體。在廢水生物處理中已知：單一種微生物并不能將某一種廢水凈化徹底。需要多種微生物混合生長組成微生態(tài)系，依靠食物鏈凈化廢水。同理，制備多種混生的固定化微生物對提高處理效果無疑是有益的。

第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

(二)固定化酶和固定化微生物在廢水生物處理中應(yīng)用的可能性

城市生活污水和工業(yè)廢水的水量大，用固定化酶或固定化微生物處理有難度，但應(yīng)用于小水量的特種工業(yè)廢水處理有可能實現(xiàn)。

廢水處理中的生物膜實質(zhì)是在各種材質(zhì)的填料上被固定化了的混生微生物群體。這種固定化不是被包埋在載體內(nèi)部，而是固定在載體的表面，類似于圖12-1，A所示的載體結(jié)合法。因固定在載體表面，直接與廢水接觸，相對上述的固定化酶和固定化微生物，在耐毒和耐沖擊負(fù)荷方面可能要差些。但相對于活性污泥其抗性則要強許多。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日(三)固定化微生物在廢氣生物處理中的應(yīng)用前景

廢氣的組分沒有廢水的復(fù)雜，而且將廢氣由氣相轉(zhuǎn)化為液相所產(chǎn)生的廢水量不大，其處理難度相對較小。惡臭含硫污染物和揮發(fā)性有機污染物均有固定化酶和固定化微生物處理的可行性試驗，可望在生產(chǎn)中應(yīng)用。

第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

可選用的生物膜載體有：

生物膜載體有鵝卵石、煤渣、陶粒、活性炭(顆粒狀、粉狀、碳纖維)、紙質(zhì)蜂窩、塑料波紋板、塑料空心球、軟性的和各種構(gòu)型的半軟性塑料填料。

固定化（掛膜）方法有：自然掛膜、優(yōu)勢菌種掛膜和生物工程菌和遺傳工程菌掛膜。在大量生產(chǎn)中，目前仍然是自然掛膜和優(yōu)勢菌種掛膜。

生物膜法是廢水生物處理和廢氣生物處理的重要方法之一。與活性污泥法比，在耐毒和耐沖擊負(fù)荷方面優(yōu)于活性污泥法，沒有活性污泥絲狀膨脹問題。與經(jīng)純化而制成的固定化酶和固定化微生物比，其培養(yǎng)、固定化(掛膜)的方法簡單，成本低，實用性強。

第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)微生物細(xì)胞外多聚物的開發(fā)與應(yīng)用

微生物的胞外多聚物(extracellularpolymers,縮寫ECP)是微生物在一定的環(huán)境條件下，在其代謝過程中分泌的、包圍在微生物細(xì)胞壁外的多聚化合物。包括莢膜、黏液層及其他表面物質(zhì)。這些多聚物經(jīng)分析得知其成分為脂、脂肽、多糖脂、中性類脂衍生物等。

微生物細(xì)胞外多聚物可應(yīng)用于石油開采工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護和環(huán)境工程等方面，主要用作表面活性劑、絮凝劑或助凝劑和沉淀劑。微生物細(xì)胞外多聚物在廢水生物處理方面的應(yīng)用已有報道。在石油煉廠廢水和油脂廢水的生物處理可考慮應(yīng)用。微生物的胞外多聚物還可應(yīng)用于破乳、潤濕、發(fā)炮和抗靜電。第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

一、生物表面活性劑和生物乳化劑的

開發(fā)與應(yīng)用

生物表面活性劑(biosurfactant)和生物乳化劑（bioemulsifier）是20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來的，它們是具有親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于一體的兩親化合物，但兩者有區(qū)別。

生物表面活性劑具有表面活性，它的相對分子質(zhì)量小，分子中具有脂肪烴鏈構(gòu)成的非極性疏水基和有極性的親水基，如磷酸根或多羥基基團。它可改變兩相界面的物理性質(zhì)，如降低空氣-水、油-水或固體-水的表(界)面張力，故稱為生物表面活性劑。研究和應(yīng)用較多的是石油開采工業(yè)，因為生物表面活性劑有益于改善稠油油品，使之易于開采。

第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

生物乳化劑不能顯著降低兩相表(界)面張力，但對油-水界面有很強的親和力，能夠吸附在分散的油滴表面，防止油滴凝聚，從而使乳狀液得以穩(wěn)定。生物表面活性劑和生物乳化劑一般都能生物降解?？蓪⑵浞譃榱?，見表12-1。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日分類產(chǎn)物類型生產(chǎn)菌1.糖脂

海藻糖脂

鼠李糖槐糖脂節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、分枝菌屬（Mycobacteria）、諾卡氏菌屬（Nocardia）、棒桿菌屬（Corynebacteria）、紅球菌屬（Rhodococcus）假單胞菌屬（Pseudomonas）2.中性脂/脂肪酸

甘油酸，脂肪酸，脂肪醇，蠟脂蛋白、脂肽、Torulopsis不動桿菌屬（Acinetpbacter）、梭菌屬（Clostridium）3.含氨基酸類脂

脂氨基酸（Surfactin,PolymixinB）

芽孢桿菌屬（Bacillus）、諾卡氏菌屬（Nocardia）、棒桿菌屬（Corynebacterium）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、分枝桿菌屬（Mycobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、(Agrobacteria)、葡糖桿菌屬（Gluconobacter）4.磷脂

磷脂酰乙醇胺紅球菌屬（Rodococccus）、硫桿菌屬（Thiobacillus）不動桿菌屬（Acinetobacter）、地霉屬（Candida）5.聚合物

脂雜多糖（Emusan）脂多糖復(fù)合物,

蛋白質(zhì)－多糖復(fù)合物紅球菌屬（Rodococccus）、硫桿菌屬（Thiobacillus）不動桿菌屬（Acinetobacter）、地霉屬（Candida）6.細(xì)胞表面本身

生物破乳劑脂肽諾卡氏菌屬（Nocardia）、紅球菌屬（Rodococcus）不動桿菌屬（Acinetobacter）表12-1生物表面活性劑和生物乳化劑的分類第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

二、微生物自身絮凝和沉淀作用

根據(jù)單一菌種微生物（純種）細(xì)胞表面的解離層（胞外多聚物）性質(zhì)不同而劃分兩種類型，即疏水性的R型（菌落為粗糙型）和親水性的S型（菌落為光滑型）。凡具有R型解離層的微生物表現(xiàn)疏水性而自身發(fā)生絮凝、聚集而沉降，R型細(xì)菌適合應(yīng)用于廢水處理。

R.kurane等人從沉降性能良好的活性污泥中篩選出紅平紅球菌（Rodococcuserythropols），將它用于處理酞酸酯廢水，處理效率高，沉淀性能良好，處理水透明。用于糖蜜廢水、紙漿黑夜、顏料等廢水懸浮液的絮凝、沉淀與脫色，效果也好。還可用于改善膨脹污泥的沉淀效果。具有S型解離層的微生物表現(xiàn)親水性，均勻分散于水中，不易絮凝，不易沉降。

第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

活性污泥中的微生物是混合菌種，活性污泥可能全由R型細(xì)菌組成，也可能由R型細(xì)菌和S型細(xì)菌共同組成，這種活性污泥是親水性還是疏水性，取決于兩者的比例及它們的表面電荷。由此也使活性污泥的吸附能力，活性污泥與水之間的表（界）面張力各異，加上活性污泥表面吸附各種廢水成分后所表現(xiàn)出來的總體帶電性不同，通常為-10～-20mV，會引起活性污泥與水之間的表面張力及它們的表面電荷改變，影響它們對廢水中成分的吸附力。因此，其沉淀性能有良好和不好的結(jié)果。另外，還可能全由S型細(xì)菌組成。它們的比例及它們的表面電荷，與廢水成分的關(guān)系都有密切關(guān)系。若要搞清它們之間的關(guān)系，需要用化學(xué)測定，但很不容易。

第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

三、微生物絮凝劑和沉淀劑的開發(fā)與應(yīng)用

在廢水生物處理中，二沉池的泥水分離好與壞，取決于活性污泥的絮凝性能和沉降性能。有些活性污泥盡管去除有機物能力強，但它本身的絮凝性能差，需要投加絮凝劑，強化絮凝效果，改善出水水質(zhì)。

絮凝劑有三類:

第1類為有機高分子絮凝劑或是助凝劑，如聚丙烯酰胺，其投加用量為400mg/L，還有甲殼素。

第2類為無機絮凝劑如硫酸鋁、硫酸亞鐵、三氯化鐵，堿式氯化鋁等。投加三氯化鐵效果不錯，但用量大，達3000mg/L。

第3類為微生物絮凝劑。第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

微生物絮凝劑是從微生物體提取的的細(xì)胞分泌物，它是具有良好的絮凝作用和沉淀效果的水處理絮凝劑。它的成分是糖蛋白、多糖、纖維素、蛋白質(zhì)等。它易被生物降解，不會引起二次污染，使用安全，其用量較少，只需200mg/L。但目前生產(chǎn)成本較高，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，可望降低成本，利于在生產(chǎn)中推廣使用。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

具有絮凝作用的微生物

將有絮凝作用的微生物經(jīng)擴大培養(yǎng)而制成的微生物細(xì)胞制劑直接用作絮凝劑。或從具有絮凝作用的菌株提取其表面的有效絮凝成分做成制劑用作絮凝劑。

1976年Nakamura等人從214株菌中篩選出19種具有絮凝作用的微生物，其中的醬油曲霉（Aspergillussojae）的A.J7002菌株生產(chǎn)的絮凝劑效果很好。1985年H.Takagi等人培養(yǎng)擬青霉屬（Paecilomycessp.1-1），用乙醇沉淀和凝膠色譜法精制成PF101絮凝劑，它的相對分子質(zhì)量為3×105。其主要成分為半乳糖胺。PF101對枯草桿菌、大腸桿菌、啤酒酵母、活性污泥、纖維素粉、羧甲基纖維素、活性炭、硅藻土及氧化鋁均有良好的絮凝作用。

具有絮凝作用的微生物細(xì)菌放線菌霉菌原生動物第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日物理方法：高速離心、超聲波和均化處理?；瘜W(xué)方法：酸水解、熱堿法和有機溶劑析出。提取分五個步驟：

提取步驟提取微生物胞外多聚物的方法

①微生物(活性污泥)的濃縮和洗滌②剝?nèi)CP③用有機溶劑析出④富集⑤純化第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

四、微生物絮凝劑和沉淀劑的作用原理ECP（胞外多聚物）和活性污泥絮凝的機制尚沒定論，一般認(rèn)為：ECP的酸性多糖通過離子鍵與活性污泥發(fā)生絮凝，ECP的中性多糖通過氫鍵和活性污泥發(fā)生絮凝，ECP起了橋梁作用。ECP具有陰離子基團，可和二價陽離子結(jié)合構(gòu)成三維空間結(jié)構(gòu)，維持絮體完整性。

ECP是生物表面活性劑，可以降低活性污泥和水之間的表面張力，降低兩者的親和性，增加微生物之間及微生物絮團之間的親和性。增加微生物絮團和活性污泥的疏水性，再加上微生物絮凝劑自身絮凝成大顆粒就變得更易沉淀，達到泥水分離的目的。從這意義講ECP又成了沉淀劑。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)優(yōu)勢菌種與微生物制劑的開發(fā)與應(yīng)用

在污（廢）水、有機固體廢棄物和廢氣等的生物處理過程中，在自然界的江、河、湖、海及土壤中，存在許多降解天然物質(zhì)和有機污染物性能良好的菌種。微生物工作者為了開發(fā)微生物資源，從各種運行性能良好的活性污泥、生物膜、堆肥及廢氣處理裝置中及自然界中篩選出優(yōu)良微生物菌種，制成微生物制劑，備各種用途使用。

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一、優(yōu)勢菌種

目前已篩選的菌種有：①降解有毒、有害有機污染物的微生物，如食酚菌、分解氰化物、苯系化合物、萘、菲、蒽、瀝青等的微生物。②適應(yīng)極端環(huán)境的微生物，如嗜熱菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜堿菌、嗜鹽菌、耐壓菌。③降解農(nóng)藥：如2,4-D、對硫磷、樂果等的微生物。④分解難降解污染物(如廢塑料、尼龍)的微生物。⑤降解染料的脫色菌。⑥除臭菌。第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

二、優(yōu)勢菌種的篩選步驟與菌劑制備

（一）采集樣品

從土壤、水體或污水、堆肥取樣，在實驗室用目的污水曝氣馴化培養(yǎng)微生物。

（二）分離培養(yǎng)

從馴化培養(yǎng)物中取少量培養(yǎng)物，用稀釋平板分離法分離出單個菌落，將長在平板上的單個不同菌落分別挑取接種在斜面保存。

（三）純化

將培養(yǎng)出的各種微生物進行多次平板劃線分離、純化，再將純化的各菌種接入斜面保存。

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（四）進行菌種性能測定

用各種目的污（廢）水對各種微生物進行性能測定。

（五）保存菌種

取性能良好的菌種接斜面，于4℃冰箱保存；或真空冷凍干燥保存。

（六）制成成品制劑

最后按廢水、廢物和廢氣的化學(xué)組分與需要量，將多種菌種合理搭配。經(jīng)擴大培養(yǎng)后用板框壓濾或離心、干燥，制成干活菌制劑。或漿狀活菌制劑或液體活菌制劑。

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三、微生物制劑的應(yīng)用

微生物制劑可應(yīng)用于：

①生物膜掛膜。

②污（廢）水活性污泥法處理過程的添加劑，初沉池、曝氣池均可投加，可提高廢水處理效率。

③有機固體廢棄物堆肥的菌種和添加劑，可加速堆肥腐熟。

④家庭便池、公廁的除臭劑。

⑤禽畜糞便處理的菌種。

⑥污染嚴(yán)重的河道進行生物修復(fù)，疏浚河道底泥。⑦降解和清除海面浮油和煉油廠的廢棄物。

⑧土地生物修復(fù)和河床底泥的生物修復(fù)。

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四、微生物制劑的用法

（一）

液體活菌制劑

直接使用。

（二）

漿狀菌劑稀釋成一定濃度（107～1010個/mL）的菌液后使用。

（三）干的活菌制劑

需用30℃左右的溫水浸泡若干小時使軟化成漿狀，加水調(diào)成含菌量為107～1010個/mL的菌液再投加。

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日第四節(jié)微生物能源的開發(fā)與應(yīng)用

自然界中存在許多生物能源物質(zhì)，如水稻、小麥等農(nóng)作物的秸稈、果實，以及由它衍生出的工業(yè)產(chǎn)品：纖維素、半纖維素、淀粉、葡萄糖等。以上這些均是生物能源的原料。而在生產(chǎn)上述產(chǎn)品所產(chǎn)生的工業(yè)廢水中還殘留著許多生物能源物質(zhì)。如酒精廢水、味精廢水、淀粉廢水中殘留的葡萄糖、蔗糖、糖蜜和淀粉。廢水處理中利用微生物進行生物能源的開發(fā)，在能源危機的今天，利用廢物生產(chǎn)能源是相當(dāng)有意義的。

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一、微生物能源的種類

微生物能源的種類有甲烷能源、乙醇能源和H2能源。前兩種能源研究歷史較久。H2能源是新型能源，因它燃燒后變成CO2

和H2O，沒有污染，是最清潔、最環(huán)保的能源，倍受人們的重視和青睞。

（一）甲烷能源

利用產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用將高濃度有機廢水發(fā)酵，產(chǎn)生CH4氣體作能源。詳見第二篇第九章第三節(jié)。

（二）乙醇能源

利用酵母菌對葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。詳見第一篇第四章第三節(jié)。

（三）H2能源

產(chǎn)生H2能源的方法有多種，利用微生物產(chǎn)生H2是重要方法之一。即利用微生物的脫氫酶和氫化酶將糖類脫氫產(chǎn)生H2的能源。

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二、產(chǎn)H2微生物

（一）不產(chǎn)氧光合細(xì)菌

不產(chǎn)氧光合細(xì)菌在光照條件下，利用低分子有機物作供氫體，還原CO2構(gòu)成自身細(xì)胞，產(chǎn)生分子更小的有機物和H2O。然而，有的光合細(xì)菌（即紫色非硫細(xì)菌）卻能放出H2

，例如，具有固氮作用的莢膜紅假單胞菌（Rhodopseudomonascapsulatus）能持續(xù)產(chǎn)氫10d以上。它產(chǎn)氫率45ml/（L·h）。深紅紅螺菌（Rhodospirillumrubrum）的一種突變株在NH3存在條件下固N2產(chǎn)H2。

產(chǎn)生H2的微生物不產(chǎn)氧光合細(xì)菌藍(lán)細(xì)菌和綠藻專性厭氧細(xì)菌兼性厭氧細(xì)菌古菌

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1.不產(chǎn)氧光合細(xì)菌產(chǎn)氫的機制

不產(chǎn)氧光合細(xì)菌利用有機廢水生產(chǎn)H2，是不產(chǎn)氧光合細(xì)菌與水解產(chǎn)酸菌混合生長，依靠水解產(chǎn)酸菌對大分子的有機物水解作用，并降解為小分子的有機酸后，再由光合細(xì)菌對有機酸的光解作用而產(chǎn)生H2的。如果是工業(yè)化生產(chǎn)，可直接用有機酸作基質(zhì)，不產(chǎn)氧光合細(xì)菌就可以直接光解有機酸產(chǎn)氫，不需要與其他細(xì)菌混生。

2.不產(chǎn)氧光合細(xì)菌產(chǎn)氫的條件需要低分子有機碳化合物，如三羧酸循環(huán)的中間代謝產(chǎn)物和甲酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸、己酸、辛酸等。需要一定光照強度、溫度30℃左右、

pH=5.5～7、嚴(yán)格厭氧。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期日

3.利用不產(chǎn)氧光合細(xì)菌產(chǎn)氫的優(yōu)點

不產(chǎn)氧光合細(xì)菌的產(chǎn)氫速率高于其他類型的微生物，每克菌體每小時可獲得最大產(chǎn)氫量為51mL/（gh）。有的不產(chǎn)氧光合細(xì)菌的產(chǎn)氫率甚至高達260mL/（g·h）。由于不產(chǎn)氧光合細(xì)菌的光合作用不放O2

，故氣體中H2的純度高。在我國，已有實例利用豆腐制品廢水為原料，通過不產(chǎn)氧光合細(xì)菌的固定化細(xì)胞產(chǎn)氫，在運行93h時，平均產(chǎn)氣率為120.7～140mL/（L·d），氣體中含氫量在75%以上。在連續(xù)運行260h，平均產(chǎn)氣率146.8～351.4mL/（L·d），氣體中氫的含量在60%以上。目前利用有機廢水產(chǎn)氫的產(chǎn)量不夠高，有待進一步研究，提高其產(chǎn)氫率和產(chǎn)量。

目前已有國家建立“光合細(xì)菌工廠”，每天可生產(chǎn)10t液態(tài)氫，作為飛機燃料，試飛取得成功。

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（二）藍(lán)細(xì)菌和綠藻

在通常情況下，藍(lán)細(xì)菌和綠藻在光照條件下，利用H2O作供氫體，光解H2O為2H+和O2

。H+

將CO2還原為有機物構(gòu)成自身細(xì)胞，放出O2

。1974年，Benemann觀察到柱孢魚腥藍(lán)細(xì)菌（Anabaenacylindrica）在光解H2O產(chǎn)生O2的同時，還能固N2放H2。Gaffron也報道了珊藻（Scenedesmus）光解H2O產(chǎn)H2。此外，聚球藍(lán)細(xì)菌（Synechococcus）、顫藍(lán)細(xì)菌（Oscillatoria）、萊因哈德衣藻（Chlamydomonasreinhardtii）等均具有產(chǎn)氫能力，其產(chǎn)氫量可達到理論值的15%，它們均可實行大規(guī)模生產(chǎn)獲得氫能。在德國和美國建立了“藻類農(nóng)場”、“藻類工廠”，為未來開發(fā)無污染的潔凈氫能源開辟一條重要途徑。

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（三）其他產(chǎn)氫細(xì)菌

兼性厭氧菌大腸桿菌（Escherichiacoli）產(chǎn)氣腸桿菌（Enterobacteraerogenes）中間檸檬酸桿菌（Citrobacter

intermedius

）嚴(yán)格厭氧菌丁酸梭菌（Clostridiumbutylicum）巴氏梭菌（Clostridiumpasteurianum）克氏梭菌（Clostridiumkluyveri）拜氏梭菌（Clostridiumbeijerinckii）丙酮