微生物絮凝剂及其在污水处理中的应用

魏 飞，金中华，孙军德 (沈阳农业大学，辽宁沈阳 110161)絮凝剂是一类可使在水体中不易沉降的悬浮颗粒凝聚沉淀的物质。一般可分为有机合成高分子絮凝剂、无机絮凝剂和微生物絮凝剂。有机高分子絮凝剂又分为有机合成的高分子絮凝剂(如聚丙烯酰胺)和天然高分子物质(如甲壳素、腐植酸、改良淀粉)。在这些絮凝剂中，有机合成的高分子絮凝剂因其良好的絮凝效果和低廉的价格而被广泛应用，但此类絮凝剂如聚丙烯酰胺的单体有神经毒性和三致效应(致畸、致癌、致突变)。无机高分子絮凝剂大体上可以分为铝系和铁系，目前使用较多的有聚合硫酸铝、聚合氯化铝等几种。有关研究表明，铝盐具有毒性，常饮用以铝盐为絮凝剂的水，能引起老年性痴呆症。铁盐会造成处理水中带颜色，高浓度的铁也会对人类健康和生态环境产生不良影响。因此，研究开发絮凝活性高、安全无毒和不造成二次污染的絮凝剂具有重要意义。微生物絮凝剂(microbialflocculant，简称MBF)是利用现代生物技术，通过微生物发酵、提取、精制，从微生物菌体或其分泌物中得到的具有生物降解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价的水处理剂。本文综述了微生物絮凝剂的主要组成、特点、絮凝机理及应用现状。
1 微生物絮凝剂的物质组成及特点
1.1 微生物絮凝剂的物质组成　到目前为止，已报道的微生物产生的絮凝物质为糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素等高分子化合物，其分子量一般在105以上。从化学组成上来看，微生物絮凝剂主要是微生物代谢产生的各种多聚糖类、蛋白质，或者是蛋白质和糖类参与形成的高分子化合物。多聚糖中有的是由一种单体聚合而成，而有的则是由多种糖单体聚合而成的杂多糖类。此外，有的微生物絮凝剂中还有无机金属离子，如Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+等。
1.2 微生物絮凝剂的特点
1.2.1 高效性 与现在常用的各类絮凝剂，如铁盐、铝盐和聚丙酰胺等相比，在同等用量下，微生物絮凝剂对活性污泥的絮凝速度最大，而且絮凝沉淀比较容易用过滤除去。
1.2.2 无毒性 微生物絮凝剂的急毒试验结果表明：小白鼠一次性吞食1g/kg的絮凝剂后，体态、饮食、运动等均无异常反应，给小鼠、豚鼠注射Rhodococcuserythropolis细胞及培养液，均不致病。证明微生物絮凝剂安全、无毒，完全能用于食品、医药等行业。
1.2.3 消除二次污染 微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的生物高分子物质，属于天然有机高分子絮凝剂，因此它不会危害其他生物，也不会影响生态环境；且絮凝后的残渣可被生物降解，不会造成二次污染。
1.2.4 应用范围广泛 微生物絮凝剂能絮凝处理的对象较广，有活性污泥、粉煤灰、果汁、饮用水、河底沉积物、细菌、酵母菌和各种生产废水，而其他絮凝剂则由于各自的特性而在具体应用领域受到一定限制[5，6]。
1.2.5 成本较低 主要从两方面考虑：微生物絮凝剂为生物菌体或有机高分子，较化学絮凝剂便宜，微生物絮凝剂是靠生物发酵产生的，化学絮凝剂是人工合成的，从生产所用原材料、生产工艺和能源消耗等方面考虑，微生物絮凝剂成本很低，这一点已为国内外普遍认同；微生物絮凝剂处理技术总费用低于化学絮凝处理技术的处理费用，前者约为后者的2/3。
2 微生物絮凝剂的絮凝机理　在利用MBF进行水处理过程中，往往由于对MBF的絮凝机理不清楚，而导致不必要的资源浪费。例如，絮凝剂的投加量过多或相对较少而导致处理效果不明显，或使用MBF来处理带有同种电荷的污水从而导致絮凝剂使用的浪费。只有清楚MBF的絮凝机理才能更好的对症下药。微生物絮凝剂是带有电荷的生物大分子，关于它的絮凝机理主要有以下3种，其中以桥联机理学说最为人们接受[7，4]。
2.1 桥联作用絮凝剂借助离子键、氢键，同时结合了多个颗粒分子，因而在颗粒建起了“中间桥梁"的作用，把这些颗粒连接在一起，从而使之形成网状结构沉淀下来。有实验表明，絮凝剂絮凝膨润土过程时，通过测定等温线和Zeta电位发现絮凝剂确实是以“桥联方式"絮凝的。
2.2 电性中和水中胶体一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时，将中和其表面的部分电荷，使胶体脱稳，从而使胶粒之间、胶粒与絮凝剂分子之间易产生互相碰撞，通过分子间作用力凝聚而沉降下来。许多加入金属离子或调节pH即可影响其絮凝效果实验，主要是通过影响其带电性而起作用的。2.3 化学反应生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学变化，聚集成较大分子而沉淀下来[9，10]，通过对生物大分子改性、处理，使其添加或丧失某些活性基团，其絮凝活性就大受影响。有些学者认为这些絮凝剂絮凝活性大部分依赖于活性基团。温度影响絮凝效果，主要通过影响其化学基团活性从而影响其化学反应。
3 影响微生物絮凝剂产生的因素　产生微生物絮凝剂的影响因素[11～14]包括培养基成分(碳源、氮源、无机离子、水、生长因子及其他物质)、培养条件(培养基pH值、培养温度、通气量、培养时间、搅拌速度等)以及絮凝剂产生菌的种类。
3.1 培养基成分的影响
3.1.1 碳源 微生物不同，产生絮凝剂所需的碳源也不同。产生NOC 1的红平红球菌以葡萄糖、果糖、山梨糖醇等水溶性碳源较好，而用非水溶性碳源如橄榄油则活性下降；陆茂林等做正交试验也表明葡萄糖是主要影响因素；Junjinaka mura等[13，15～17]报导产絮凝剂的通用发酵培养基中含有酪蛋白作为碳源和氮源时效果明显；Al caligenescupidusKT201产生絮凝剂时以葡萄糖、半乳糖胺、蔗糖等作碳源较好；Aspergillusso jaeAJ7002对碳源要求条件较低；Rhuichiroku rane报导，在工业生产上酒精也是很好的碳源物质。
3.1.2 氮源 产生NOC 1的红平红球菌所需的无机氮源硫酸铵最好；有机氮源以尿素、酵母膏、酪蛋白、氨基酸为最佳；AspergillussojaeAJ7002产絮凝剂时以酵母浸液、氨基酸类为最佳氮源。
3.1.3 无机盐及其他 综合来看，无机盐以KH2PO4、K2HPO4、MgSO4、(NH4)2SO4、NaCl、CaCl2等为主。
3.2 培养条件的影响
3.2.1 培养基pH 微生物不同，产生絮凝剂所需发酵液培养基的pH值也不同，如产生NOC 1的pH为9.5时最佳；Paecilomycessp.I 1所需的pH为7.0时效果最好；而AspergillussojaeAJ7002所需pH为8.0，产絮凝剂最佳pH值与生长最佳pH值有时略有差异。
3.2.2 培养温度 产絮凝剂最佳温度以30～40℃为适，如产生NOC 1的最佳温度在30℃；酵母AJ7002以30～34℃为宜。
3.2.3 通气量 通气量不应太大或太小，否则都会影响絮凝剂产量[20，21]，尤其在培养后期更要注意减少通气量。过量通气尽管对细胞增长的影响不大，但会使絮凝活性大大降低。
4 微生物絮凝剂的应用现状
4.1 废水处理
4.1.1 畜产废水 畜产场废水中含有较高浓度的总有机碳(TOC)和总氮(TN)，是一类较难处理的有机废水，采用合成高分子絮凝剂处理时效果不好，而用微生物絮凝剂NOC 1处理则效果很好，处理10min后，上清液接近透明，其TOC由1420mg/L降为425mg/L，TN从420mg/L降为215mg/L，废水的澄清度(OD660)从15.7降为0.85。
4.1.2 建材废水 含有高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水。例如陶瓷厂废水，主要包括坯体废水和釉药废水2种，前者主要含较多的粘土颗粒，后者除粘土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添加NOC 1后5min，坯体废水的OD值从原来的1.4降低到0.043，釉药废水的OD值从17.2下降到0.35，浊度去除率分别为96.7%和97.9%，可得到几乎透明的上清液。
4.1.3 鞣革废水 在鞣革工业废水中加入C 62菌株产生的絮凝剂，其浊度去除率可达96.7%。
4.1.4 废水脱色 目前使用的絮凝剂难以去除废水中的有色物质，而用NOC 1对墨水、糖蜜废水、造纸废水和染料废水等进行了试验，处理后上清液变为无色透明。用P.alkaligenes8724菌株产生的絮凝剂在实验室对纸浆黑液和氯霉素等颜色较深的废水进行脱色处理，其脱色率分别达95%和98%以上。
4.2 膨胀污泥处理在采用活性污泥法处理工业废水过程中，形成的活性污泥容易发生膨胀，从而影响处理效率，若添加微生物絮凝剂，则会取得良好效果。如甘草制药废水生化处理过程中形成的膨胀活性污泥，当在其中添加NOC 1后，消除了污泥的膨胀，恢复了活性污泥的沉降性能。
4.3 乳化液油水分离用Alcaligenueslatus培养物可以很容易地将棕搁酸从其乳化液中分离出来。向100mL含体积分数=0.25%的乳化液中加入10mL的Alcaligenueslatus培养物和1mL聚氨基葡糖后，在细小均一的乳化液中即形成明显可见的油滴，这些油滴浮于废水表面，有明显的分层。下层清液的COD值从原来的450mg/L下降为235mg/L，去除率为48%。无论是无机絮凝剂还是人工合成的有机高分子絮凝剂都未达到过这样好的絮凝效果。
4.4 其它方面应用已有研究表明，微生物絮凝剂可以包括细菌、真菌、放线菌以及藻类在内的大多数微生物产生的具有絮凝作用的物质。因此，微生物絮凝剂不仅可以应用于废水处理，还可以成为发酵工业和食品工业中安全有效的絮凝剂，为取代传统工艺中离心和过滤分离细胞的方法提供了可能。
5 结语与展望　微生物絮凝剂高效、安全、不污染环境，在医药、食品加工、发酵处理、污水处理等领域有很大的应用潜力，是当今最具希望的絮凝剂，具有广泛的研究空间：①分离和筛选出针对不同废水的高絮凝活性的微生物菌种，进行种群鉴定和培养条件等基础性研究。②利用现代生物技术，分析出絮凝剂产生的控制基因，建立微生物絮凝剂的基因库；利用分子生物学技术，将絮凝剂的控制基因导入易培养的微生物菌株，使其大量表达，以满足人们对微生物絮凝剂量的需求。③开发MBF产品及其应用研究，实现其工业化的生产，优化工艺条件，降低运行成本，提高处理效率和效益。④研究MBF与其他絮凝剂的配合使用，使其优势互补，从而提高絮凝效率和降低使用剂量。微生物絮凝剂的特性和优势为水处理技术的发展展示了一个广阔的前景，随着对微生物絮凝剂的研究的深入，微生物絮凝剂将会更广泛的应