微生物絮凝剂的研究现状探讨

微生物絮凝剂是一类由微生物产生的代谢产物，其在废水处理中的应用非常广泛。综述微生物絮凝剂的研究现状，并在此基础上提出其在研究方面存在的问题，最后指出微生物絮凝剂今后的研究方向。
1 引言
微生物絮凝剂(microbial flocculant或bioflocculant)是人们近年来开发出的一类由微生物在特定培养条件下生长代谢至一定阶段产生的具有絮凝活性的产物。具有良好的凝聚和生成沉淀的作用以及独特的脱色效果，适用范围广，易于生物降解，可消除二次污染，安全可靠，属于绿色环保产品，被人们称为第三代絮凝剂。主要由具有两性多聚电解质特性的糖蛋白、蛋白质、多糖、纤维素和DNA等生物高分子化合物组成。由于微生物絮凝剂有众多的优点，所以在水处理中的应用非常广泛，从而使其成为目前国内外新型水处理剂研究和开发的热点。近几年来有关微生物絮凝剂的研究论文层出不穷。笔者查阅了最近两三年来国内外一些有关这方面的文献资料，综述了微生物絮凝剂的研究现状，并在此基础上提出了微生物絮凝剂在应用方面存在的问题，最后指出了微生物絮凝剂今后的研究方向。
2 研究现状
从最近几年发表的有关论文来看，研究者对微生物絮凝剂的研究重点主要在以下几个方面：
2.1 培养基对微生物产絮凝剂的影响
通常，营养丰富的培养基有利于絮凝剂的产生，但是不同的絮凝剂产生菌对营养要求不同，甚至相互间差别很大。朱艳彬等研究了在纯培养和混合培养的条件下，2株芽孢杆菌F2和F6生产高效絮凝剂过程中对碳源的利用情况。研究表明，单糖、双糖、醇、有机酸和酯类等多种分子量在200以下的有机物能够作为碳源用于高效絮凝剂的生产，并且具有一定的普遍适用性。研究还发现利用废糖蜜、生物制氢废液和纤维糖化液等廉价的生物质废料能够生产出性能良好的生物絮凝剂。这给利用这些物质替代价格昂贵的培养基原料提供了实验室依据。
黄凯等通过单因子实验和正交实验研究了培养基成分种类及其用量对Aeromonas sp.N11产微生物絮凝剂的影响。结果表明：较高的C/N比对菌产絮凝剂有利；碳源中的蔗糖是菌株Aeromonas sp.N11产絮凝剂的良好碳源；氮源以采用复合氮源为佳；培养基中加入酵母膏有利于絮凝剂的产生；NaCl能够促进所产絮凝剂的絮凝活性；碳源蔗糖和有机氮脲对菌产絮凝剂的影响最大；根据正交实验结果确定产絮凝剂优化培养基组成为：蔗糖20g/L，酵母膏0.8g/L，脲0.5g/L，(NH4)2SO40.5g/L，NaCl 7g/L。
张通等从呼和浩特市郊区蔬菜地土壤分离得到一株细菌(编号W23)，经鉴定该菌株为产气肠杆菌(Enterobacteraerogenes)。通过对该菌株进行的培养基类型选择试验和培养基成分正交试验的结果表明：该菌株在高糖低氮的培养基中生长情况良好，产絮凝剂也多；单糖对微生物产絮凝剂的影响最大；当培养基缺少果糖时也不利于絮凝剂的产生；该菌株生长适宜的氮源为有机氮源，如酵母膏、蛋白胨等。利用正交实验得出的培养基成分最佳配比为：葡萄糖10.0g/L，果糖7.0g/L，酵母膏0.5g/L，脲0.5g/L，(NH4)2SO40.4g/L，蛋白胨0.5g/L，MgSO40.2g/L，KH2PO45.0g/L，NaCl 0.2g/L。
2.2 微生物絮凝剂絮凝特性的影响因素
影响微生物絮凝剂絮凝效果的因素很多，但主要有絮凝剂投加量、pH值、温度、助凝剂等。
张旭等从土壤中分离出1株具有较强絮凝作用、高产量的细菌菌株W7-1，经初步鉴定为Klesiella sp.。该菌株对絮凝体系中pH的变化适应较宽，在pH为5～10的范围内都适应絮凝剂的产生，但pH为8.0时絮凝活性最高。对高岭土悬浮液的絮凝活性研究表明：絮凝剂的添加量、金属阳离子种类和高岭土悬浮液的pH值对絮凝活性有一定影响。三价阳离子的助凝作用要高于二价和一价阳离子的作用。
马放等研究了絮凝剂投加量、pH值、温度、助凝剂CaCl2溶液对复合型微生物絮凝剂处理松花江源水和强酸性废水的影响。研究表明：对于松花江源水，絮凝剂的最佳投加量在14mL/L左右；对于酸性废水，最佳投加量要高一些；在pH为7.5时，复合型微生物絮凝剂的效果最好；CaCl2溶液的最佳投加量为1.5mL/L，并且只有在投加一定的Ca2+情况下，复合型微生物絮凝剂才能出现很好的絮凝效果；温度对复合型微生物絮凝剂的絮凝效果影响很小，这点对污水处理厂在冬季运行是很重要的。
H.Salehizadeh等从活性污泥中分离出一株絮凝剂产生菌As-101，经鉴定为Bacillus coagulants。该菌株只在酸性条件下产絮凝剂，最佳的pH值为3.7；当絮凝剂的投加量为30mg/L时，处理高岭土悬浮液的效果最好；当Al3+，Fe3+，Ca2+的投加量分别为0.2mL/L，0.25mL/L和8mL/L时，助凝效果最明显，并且三价金属阳离子比二价金属阳离子更适合作助凝剂；当加热时，絮凝活性随加热时间呈线性下降，加热8min后，絮凝剂失活。
2.3 微生物絮凝剂在水处理方面的应用
由于微生物絮凝剂有许多传统絮凝剂无法替代的优点，现在已经广泛应用于各种废水的处理，并显示出了强大的生命力。微生物絮凝剂已成为水处理中的新研究方向。
2.3.1 啤酒厂废水的处理
啤酒厂废水中有机物含量较高，COD、BOD高达1000mg/L以上，直接排放会大量消耗水体中的溶解氧，导致环境恶化。试验表明：用硅酸盐细菌GY03菌株产生的生物絮凝剂处理啤酒厂废水时，当pH值为8.5、静置时间为8h、废水与絮凝剂的体积比为8：1时，废水处理效果最好。经絮凝沉降处理后，废水的SS、BOD和CODCr的去除率分别可达93.59%、77.40%和70.52%。
2.3.2 洗煤废水的处理
洗煤废水的主要特点是浊度高，固体物粒度细，固体颗粒表面带有较强的负电荷，同性电荷间的斥力使这些微粒在水中保持分散状态。用500mg/L的DSF-1菌产生的絮凝剂处理50 ml、10g/L的模拟洗煤废水，当絮凝剂用量为0.5ml、pH为12.0时，絮凝活性可高达约90.0%。
2.3.3 洗毛废水的处理
洗毛废水是洗羊毛生产工艺排出的高浓度有机废水，外表常呈灰黑色或浅棕色，是难处理的工业废水之一。林俊岳等的研究表明：从洗毛废水中选育得到微生物絮凝菌(暂命名为A-2)产生的絮凝剂可以使洗毛废水的COD去除率达到85%，SS的去除率达到88%，水的颜色由灰黑色变成红褐色。
2.3.4 印染废水的处理
印染废水的一个显著特征就是色度大。从污水处理厂二沉池污泥中筛选培养出具有高絮凝活性的微生物絮凝剂MHXGS2，在最佳工艺条件下，其对印染废水的脱色率可高达96.5%。从活性污泥中筛选出能够处理印染废水的微生物絮凝剂产生菌，在最佳工艺条件下，该微生物絮凝剂对印染废水的COD去除率达57.1%。
2.3.5 含油废水的处理
从自然界中用发酵法筛选出一株能够处理含油废水的絮凝剂产生菌，经鉴定为Nocardia amarae。其产生的微生物絮凝剂对试验用乳浊液絮凝除油效率达95%以上，将微生物絮凝剂用于含油废水的处理，出水含油量小于5mg/L。
2.3.6 淀粉废水的处理
在淀粉的生产过程中会产生大量的废水，这类废水主要含淀粉，还富含葡萄糖、果糖、麦芽糖等糖类物质。刘晖等把青霉(Penicillium sp.)产生的微生物絮凝剂MBF7用于实际的淀粉废水处理，浊度去除率高达96.4%。
2.3.7 腐殖酸的处理
Anastasios.I.Z等研究了微生物絮凝剂在处理垃圾沥出液中腐殖酸时的絮凝效果。对实验室合成含有腐殖酸溶液的研究表明，当pH值在7～7.5范围内，微生物絮凝剂的浓度为20mg/L时，腐殖酸的去除率高于85%；该微生物絮凝剂对来自上海的垃圾沥出液的COD去除率为45%。
3 存在问题及研究方向
3.1 存在的问题
虽然微生物絮凝剂在处理废水方面有着突出的优越性，而且许多学者对它的大规模生产和应用做出了乐观的预测，但是从工业化生产的角度看，目前国内外的微生物絮凝剂研究还存在着如下问题：
(1)絮凝机理的研究尚无重大突破。目前，国内外在微生物絮凝剂絮凝机理方面只是提出了一些假说，如电中和(chargeNeutralization)作用、桥联(bridging)作用、化学反应作用等，但是这些理论对于微生物絮凝剂的某些絮凝特性还是无法解释。
(2)测定絮凝剂活性的指标单一。目前，国内外几乎只用微生物絮凝剂处理高岭土悬浊液的能力来表征其活性，对于性质和种类千差万别的工业废水而言，此指标显然不能全面衡量。
(3)微生物絮凝剂的工业化进程举步维艰。国外有少量的微生物絮凝剂实现了工业化，但是国内对微生物絮凝剂的研究绝大多数还停留在实验室阶段。究其原因主要有：培养基成本高；微生物絮凝剂的产率低；以及对条件的要求苛刻等。
3.2 研究方向
由于微生物絮凝剂在水处理上存在以上一些问题，所以研究的方向基于上述问题提出，主要包括以下几个方面：
(1)从物理、化学和生物等不同角度深入研究微生物絮凝剂的絮凝机理，结合经典的絮凝机理研究微生物絮凝剂的成分对不同水质废水的作用机制，找出其中的规律，根据不同的废水水质开发出具有针对性的高效微生物絮凝剂，这样不仅能从本质上显著提高絮凝效果，还可以大大降低絮凝剂投加量，从而降低处理成本，这是微生物絮凝剂实现广泛的工业应用的前提。
(2)因为目前利用高岭土悬浊液进行初筛和复筛的研究方法效率很低，而且存在一定的误差，因此有必要找到快速准确地筛选出处理特定废水的絮凝剂产生菌的方法，以提高效率。
(3)寻找价格便宜且易得的物质作为微生物絮凝剂产生菌的培养底物，降低成本；进行复合型微生物絮凝剂的研究；探讨与传统絮凝剂复配和联用技术；利用基因工程手段构建工程菌等。
4 结语
毋庸置疑，只要解决好上述存在的问题并且沿着合理的方向研究微生物絮凝剂，微生物絮凝剂完全有可能实现大规模的工业化，并且在废水处理上发挥越来越重要的作用。