微生物絮凝劑制備和應(yīng)用研究進(jìn)展

微生物絮凝劑制備和應(yīng)用研究進(jìn)展

凝懸浮液技術(shù)作為一種重要的水處理技術(shù)，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。然而，近年來，由于化學(xué)聚吡咯溶液的廣泛應(yīng)用，新的環(huán)境和人類健康問題變得越來越受到重視。新聚吡咯的制備、選擇和應(yīng)用研究越來越受到重視。與傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑相比,微生物絮凝劑是從土壤、活性污泥或廢水中提取純化的一類天然高分子有機(jī)物,其主要成分為蛋白質(zhì)、多糖、纖維素、糖蛋白、DNA等生物高分子物質(zhì)。由于生物絮凝劑具有絮凝沉降效果好、安全無毒、可生物降解、綠色環(huán)保等特點(diǎn),國內(nèi)外對微生物絮凝劑的制備及其應(yīng)用研究越來越關(guān)注。1微生物聚吡咯理論的研究1.1其他新型機(jī)理近年來國內(nèi)外研究者通過多種分析技術(shù)研究了微生物絮凝劑的成分以及結(jié)構(gòu),并結(jié)合絮凝過程中的影響因素提出了多種絮凝機(jī)理,目前普遍接受的有吸附架橋理論、電性中和理論、卷掃作用理論和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。此外,還有一些絮凝機(jī)理,如酯合假說、莢膜學(xué)說、疏水學(xué)說等也可用于解釋部分絮凝現(xiàn)象。關(guān)于絮凝機(jī)理的最新研究及相關(guān)參數(shù)見表1。鑒于微生物絮凝劑種類的多樣性和被絮凝物質(zhì)的差異性以及各種環(huán)境因素對絮凝過程影響較大,因此需加強(qiáng)對微生物絮凝劑、懸浮顆粒和膠體顆粒的組成、結(jié)構(gòu)、電性以及絮凝條件等因素研究,以獲得最佳絮凝效果。1.2同向絮凝、異向絮凝及差降絮凝絮凝動力學(xué)條件決定了微小顆粒的碰撞幾率和如何控制它們進(jìn)行有效的碰撞,水處理工程中應(yīng)用最多的是速度梯度理論,該理論指出顆粒之間發(fā)生碰撞接觸是由3種物理傳輸過程造成的,即同向絮凝、異向絮凝及差降絮凝。Sam等首次系統(tǒng)地研究了微生物絮凝劑EPSs的絮凝動力學(xué),利用光度色散分析儀研究了絮凝劑在幾種模擬廢水中的絮凝行為及其影響因素。對微生物絮凝劑絮凝動力學(xué)的研究有助于人們利用現(xiàn)有的分析鑒定手段更深入地研究絮凝機(jī)理。2影響微生物聚集制備的因素2.1關(guān)于菌體生長的影響微生物絮凝劑是菌體生長到一定時期的代謝產(chǎn)物,在不同的生長階段和培養(yǎng)條件下,菌體產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物不同,其絮凝活性又各不相同,所以制備高效微生物絮凝劑不僅需要優(yōu)化菌體的培養(yǎng)條件,還需要研究絮凝劑的產(chǎn)生與菌體生長的相關(guān)性。如楊朝暉等鑒于絮凝劑產(chǎn)量和菌體生長的關(guān)系,首次將分段工藝應(yīng)用于菌種GA1產(chǎn)絮凝劑中,在培養(yǎng)初期采用菌體最佳培養(yǎng)條件,在培養(yǎng)后期采用菌體產(chǎn)絮凝劑的最佳培養(yǎng)條件,結(jié)果既能保證GA1絮凝劑的產(chǎn)量又能縮短培養(yǎng)周期。Fujita等在對TKF04的絮凝實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)絮凝物質(zhì)產(chǎn)生于菌體生長的對數(shù)期,菌體在一些有機(jī)酸和糖類作為碳源的條件下均能正常生長,然而僅在醋酸鹽和乙酸鹽存在時絮凝劑產(chǎn)量最高。2.2培訓(xùn)條件對制備微生物聚凝劑的影響2.2.1培養(yǎng)基的篩選微生物生長需要的營養(yǎng)物質(zhì)有水、碳源、氮源、無機(jī)鹽及生長因子。不同的微生物產(chǎn)絮凝劑所需要的培養(yǎng)條件各不相同,營養(yǎng)物質(zhì)的種類及濃度都會對微生物絮凝劑的合成產(chǎn)生影響,所以對微生物培養(yǎng)基的優(yōu)化有利于提高絮凝劑產(chǎn)量。黃衛(wèi)紅等研究了一株名為EB-8的產(chǎn)堿假單胞菌的最佳培養(yǎng)條件,通過實(shí)驗(yàn)得出,葡萄糖為良好的碳源,酵母膏和硫酸銨為良好的氮源,無機(jī)鹽為磷酸二氫鉀或磷酸氫二鉀,對高嶺土懸濁液的絮凝率均在90%以上。He等采用響應(yīng)面分析法(RSM)得出最有利于微生物絮凝劑HBF-3合成的培養(yǎng)基方案為:葡萄糖16.14g·L-1,七水硫酸鎂2.73g·L-1,氯化銨1.97g·L-1?？轮ヌm等對高效絮凝劑產(chǎn)生菌B212進(jìn)行了培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)條件的正交實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)菌B212產(chǎn)絮凝劑的培養(yǎng)基最佳方案是:蔗糖25g·L-1,尿素0.5g·L-1,氯化鈉0.5g·L-1,硫酸亞鐵0.01g·L-1,該條件下能顯著促進(jìn)菌體的生長和生物絮凝劑的合成。2.2.2菌種生長的影響培養(yǎng)基pH一方面會影響微生物的帶電狀態(tài),氧化還原電位,以及微生物對營養(yǎng)物的吸收和酶促反應(yīng);另一方面還會影響到微生物絮凝劑的帶電狀態(tài)和氧化還原電位,故培養(yǎng)基的pH也是影響微生物絮凝劑合成的一個重要因素。不同的菌種都有一個生長的pH范圍,且產(chǎn)生絮凝劑所需發(fā)酵培養(yǎng)基的pH也不盡相同。培養(yǎng)基初始pH值過高或過低都不利于微生物絮凝劑的產(chǎn)生。此外,菌體在發(fā)酵過程中,由于營養(yǎng)物質(zhì)的分解吸收,pH值會發(fā)生變化,最后會趨于穩(wěn)定,如在對絮凝劑MBF7的研究實(shí)驗(yàn)中,將培養(yǎng)基的初始pH設(shè)置在5.0~8.0區(qū)間時,培養(yǎng)一天后pH均變回到5.5,且在之后的4天內(nèi)都穩(wěn)定在5.5,其原因可能是菌體在發(fā)酵過程中產(chǎn)生了某些物質(zhì)來調(diào)節(jié)pH,故該菌體生長和絮凝劑合成的培養(yǎng)基最適pH為5.5。2.2.3微生物絮凝劑溫度是影響微生物生長和生物絮凝劑合成的另一重要影響因素。不同絮凝劑產(chǎn)生菌有各自最適的培養(yǎng)溫度。在適宜的溫度范圍內(nèi),微生物的增值代謝速率快,絮凝劑的合成速率也就相對快。毛艷麗等研究的熒光假單胞菌C-2的最佳培養(yǎng)溫度為30℃。而微生物絮凝劑產(chǎn)生菌B212在25℃時分泌出最好效果的絮凝劑。He等研究的微生物絮凝劑則在37℃條件下培養(yǎng)48h后絮凝率達(dá)到最大。由此可見,溫度不僅影響微生物產(chǎn)生絮凝劑的速率,還會影響微生物所產(chǎn)生絮凝劑的絮凝效果。3影響微生物聚集性能的因素3.1菌株m-3對ph值的適應(yīng)能力絮凝環(huán)境pH的變化會影響微生物絮凝劑、懸浮顆粒及膠體顆粒表面電荷的性質(zhì)、數(shù)量及中和電荷的能力。不同絮凝劑對pH值的適應(yīng)能力不同,且同一絮凝劑對不同的目標(biāo)物有不同的pH要求。菌株M-3產(chǎn)生的絮凝劑在pH=12時對造紙廢水的絮凝率達(dá)到98%。而某些絮凝劑產(chǎn)生菌如邱忠平等從垃圾滲濾液中篩選到的LB1,對pH的適應(yīng)范圍就較寬,在pH為4~10之間均具有較高的絮凝活性,絮凝率均大于75%。3.2溫度對絮凝活性的影響溫度對絮凝活性影響較大,一方面溫度升高會加快懸浮顆粒和膠體顆粒的運(yùn)動速度從而提高絮凝率;另一方面高溫會使微生物絮凝劑變性,使生物絮凝劑的空間結(jié)構(gòu)改變,從而降低絮凝活性。一般生物絮凝劑的使用溫度為25~30℃,但有些微生物絮凝劑對溫度的適應(yīng)能力就比較強(qiáng),如篩選得到一株新型的微生物絮凝劑p-KG03溫度適應(yīng)范圍就較寬,在4~90℃范圍內(nèi)均具有良好的絮凝活性。溫度對絮凝活性的影響還與絮凝劑的成分密切相關(guān),對于聚糖類絮凝劑,溫度對蛋白質(zhì)類絮凝劑的絮凝活性影響更大。如微生物絮凝劑ZS-7的組成成分中多聚糖所占比例為91.5%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蛋白質(zhì)的8.4%,因此即使在100℃下加熱60min其絮凝活性也沒有降低。而絮凝劑DYU500在加熱到120℃時就由于聚酰胺結(jié)構(gòu)的破壞幾乎完全失活。3.3金屬離子共同作用金屬離子在絮凝行為中主要起助凝劑的作用。一定濃度的金屬離子可加強(qiáng)絮凝劑與膠體顆粒以離子鍵結(jié)合而提高絮凝效果。常用的助凝劑為Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Al3+等二價或三價金屬離子。因生物絮凝劑種類和被絮凝物性質(zhì)的不同,使得金屬離子的種類和濃度對生物絮凝劑的影響不一致。有實(shí)驗(yàn)表明,Ca2+、Mg2+、Fe3+3種離子共同作用能大大提高生物絮凝劑TJ-F1的絮凝活性。多數(shù)研究報(bào)道稱Ca2+對生物絮凝劑活性有顯著的促進(jìn)作用,然而在Zheng等的研究中,Ca2+的加入對MBFF19的絮凝行為卻沒有促進(jìn)作用,且Fe3+的加入還會抑制絮凝活性。3.4投加量的影響微生物絮凝劑的使用都有一個最佳的投加量,投加量過少會使生物絮凝劑難以與懸浮顆粒充分結(jié)合,投加量過多又會導(dǎo)致膠體粒子和懸浮顆粒被絮凝劑包裹起來,阻礙膠體粒子和懸浮顆粒的脫穩(wěn),這樣不僅絮凝效果降低而且成本高,故最適投加量的選擇顯得尤為重要。4微生物聚吡咯的應(yīng)用研究4.1印染廢水的絮凝處理印染廢水成分復(fù)雜,色度高,水質(zhì)變化大,并有一定的毒性,是目前難處理的工業(yè)廢水之一。微生物絮凝劑MMF1在對印染廢水的絮凝實(shí)驗(yàn)中,COD去除率和脫色率分別達(dá)到79.2%和86.5%,絮凝效果良好。在Wang等的研究中,一種新型的微生物絮凝劑對分散型染料廢水有很好的脫色效果,其中對紫羅蘭染料的脫色率高達(dá)91%。Liu等進(jìn)行了M-1處理模擬印染廢水的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)其對亞甲基藍(lán)和快藍(lán)廢水的脫色率分別達(dá)到82.9%和77.8%。4.2絮凝劑隨著活性污泥生物水處理技術(shù)的普遍應(yīng)用,活性污泥膨脹成為水處理工程中棘手的問題,而微生物絮凝劑在改善污泥性能、消除污泥膨脹狀態(tài)方面顯示出了優(yōu)勢。張娜等采用醬油曲霉產(chǎn)生的絮凝劑調(diào)理污泥,使污泥的脫水率高達(dá)82.7%,濾餅含水率降低至77.3%,污泥脫水后體積減至原來的1/5左右。微生物絮凝劑TJ-F1與傳統(tǒng)絮凝劑復(fù)配使用能有效改善污泥的沉降性能。4.3ss的的去除效果毛進(jìn)等進(jìn)行了利用菌株NII4產(chǎn)生的絮凝劑處理SS質(zhì)量濃度為5g/L的水樣實(shí)驗(yàn),分別在Ca2+、Fe3+、Al3+存在條件下,對水中SS去除率均在92%以上。其中雖投加了少量的無機(jī)絮凝劑氯化鋁或氯化鐵,但降低了微生物絮凝劑的用量,在提高處理效果的同時還降低了處理成本。4.4印染廢水的預(yù)處理盧艷等利用從M-3發(fā)酵液中提取的絮凝劑粗品進(jìn)行了對造紙廢水的處理研究。在最佳的pH、溫度、微生物絮凝劑投加量、助凝劑投加量條件下,絮凝率達(dá)到98%,氨氮去除率大于96%,取得了相當(dāng)好的處理效果。4.5微生物絮凝劑龔良玉等利用一株假單胞菌所產(chǎn)絮凝劑進(jìn)行了對原甲藻和裸甲藻的絮凝去除實(shí)驗(yàn)。姚敏杰等研究了膠質(zhì)芽孢桿菌產(chǎn)生的絮凝劑對高濃度重金屬模擬廢水的絮凝作用。研究報(bào)道指出微生物絮凝劑ZS-7在低溫飲用水處理方面優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑,具有很好的絮凝效果。B.mucilaginosus發(fā)酵液所產(chǎn)生的微生物絮凝劑對生活污水、發(fā)酵廢水及醫(yī)藥費(fèi)水均有很好的處理效果。5微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢微生物絮凝劑的研究越來越受到人們的重視,但仍然存在許多問題,如培養(yǎng)基價格高、提純費(fèi)用大、絮凝劑產(chǎn)量低、單一微生物絮凝劑絮凝能力有限、測定絮凝劑的指標(biāo)單一且存在一定誤差、絮凝機(jī)理的研究尚無重大突破。結(jié)合上述研究現(xiàn)狀和存在問題,微生物絮凝劑的未來發(fā)展方向主要有以下幾個方面:(1)加強(qiáng)對微生物絮凝劑物化性能和絮凝機(jī)理的研究。研究微生物絮凝劑的成分對不同水質(zhì)廢水的作用機(jī)制,開發(fā)出針對性強(qiáng)的新型高效微生物絮凝劑,這樣不僅可以減少篩選絮凝劑產(chǎn)生菌的盲目性,還可以有效地提高絮凝效果進(jìn)而降低處理成本。(2)利用生物技術(shù)篩選和組建新型高效工程菌體系。僅靠從自然界分離篩選絮凝劑產(chǎn)生菌,成本高,難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化要求。今后應(yīng)充分利用分子生物學(xué)技術(shù)加強(qiáng)絮凝劑產(chǎn)生菌的絮凝基因研究或?qū)Ω咝У男跄齽┊a(chǎn)生菌進(jìn)行誘變育種,構(gòu)建絮凝劑作用的工程菌體系,為實(shí)現(xiàn)微生物絮凝劑的專一化和系列