微生物絮凝劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

周曉鐵，韓 昭，孫世群，鄭志俠，海子彬

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽省污水處理技術(shù)研究重點實驗室，安徽合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

?

微生物絮凝劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

周曉鐵1，韓 昭2，孫世群2，鄭志俠1，海子彬1

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽省污水處理技術(shù)研究重點實驗室，安徽合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

絮凝劑通常被用于沉降液體中不易沉淀的固體懸浮顆粒[1]。傳統(tǒng)絮凝劑主要分為兩大類：化學(xué)絮凝劑和生物絮凝劑?；瘜W(xué)絮凝劑包括無機(jī)絮凝劑(如PAC、三氯化鐵等)和有機(jī)高分子絮凝劑(如聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等)[2]。但在實際工業(yè)水處理過程中，化學(xué)絮凝劑用量較大，易對環(huán)境造成二次污染，并且大多會對人類的健康造成影響，如“三致”效應(yīng)和引發(fā)老年癡呆癥等[3]。

微生物絮凝劑(Microbial flocculant，MBF)，是微生物或者其分泌物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，主要是糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等高分子化合物[4]。與傳統(tǒng)絮凝劑相比，微生物絮凝劑具有效率高、可生物降解、安全無毒、適用范圍廣等特點，因而，微生物絮凝劑逐漸成為了人們研究的熱點。

1微生物絮凝劑的制備工藝

1.1利用醬油釀造廢水制備MBF醬油廢水中含有微生物生長繁殖和代謝所需要的碳源、氮源及無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)，可用于微生物的培養(yǎng)。劉艷娟等從醬油廢水中篩選出具有較高活性的菌株，確定當(dāng)醬油廢水COD為3 000 mg/L，搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min，培養(yǎng)溫度為28 ℃，培養(yǎng)72 h，其絮凝效率可以達(dá)到78.3%[5]。

1.2利用淀粉廢水制備MBF淀粉廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，含有多種糖類、氨基酸、有機(jī)酸、維生素以及酶類等物質(zhì)，具有生產(chǎn)微生物絮凝劑的潛力。顏東方等利用馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)Candidaanglica菌株。結(jié)果表明，活性物質(zhì)的最佳營養(yǎng)條件:10 ml/L甘油作為外加碳源，0.5 g/L(NH4)2SO4為氮源，添加1 g/L MgCl2和1 g/L KH2PO4。采用該馬鈴薯淀粉廢水發(fā)酵菌株，絮凝活性物提取率為1.36 g/L[6]。

1.3利用沼液制備MBF李靜等為了降低絮凝劑的發(fā)酵成本，嘗試對以牛糞和秸稈為底物的發(fā)酵沼液進(jìn)行離心處理，然后添加2 g/L葡萄糖、5 g/L K2HPO4和2 g/L KH2PO4制成培養(yǎng)基，為放射性根瘤菌和球形芽孢桿菌提供營養(yǎng)。最終試驗表明，當(dāng)發(fā)酵溫度為29.5 ℃，培養(yǎng)基初始pH為7.5，接種量為8.5%，發(fā)酵時間為23 h時，其絮凝率可以達(dá)到87.13%[7]。

1.4利用生物制氫廢液制備MBF發(fā)酵法生物制氫廢液COD濃度高、pH較低，具有可再利用價值。由陽等利用生物制氫廢液篩選高效產(chǎn)絮菌。在無須調(diào)節(jié)pH的條件下，經(jīng)分離篩選得到有6株較強(qiáng)產(chǎn)絮能力的菌株。試驗表明，當(dāng)接種率不同時，各菌株的產(chǎn)絮能力也不同，其中一株絮凝率最高可達(dá)到92.3%，且絮凝率隨接種率的增加而升高[8]。

1.5利用污泥制備MBF剩余污泥作為水處理過程中的副產(chǎn)物，主要由多種微生物形成的菌膠團(tuán)及其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成。以剩余污泥為原料制備MBF，不僅可以降低其生產(chǎn)成本，也可以實現(xiàn)剩余污泥資源化回收利用[9]。目前常利用脫水污泥、污泥殘渣和剩余污泥來制備MBF。

2微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理

目前，關(guān)于微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理有很多種觀點和假說，其中比較普遍的是“吸附架橋”學(xué)說、電性中和機(jī)理、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和卷掃(網(wǎng)捕)作用等。

“吸附架橋”學(xué)說是指絮凝劑會借助分子間的離子鍵、氫鍵以及范德華力，同時吸附多個懸浮顆粒，將其聯(lián)接在一起，形成一種網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)沉淀下來。這種學(xué)說也是目前被普遍接受的[10]。電性中和機(jī)理則認(rèn)為液體中的膠體分子通常表面帶負(fù)電荷，遇到表面帶正電荷的絮凝劑大分子，電荷會發(fā)生中和反應(yīng)，膠粒脫穩(wěn)從而吸附在一起聚集沉淀下來[11]。而化學(xué)反應(yīng)學(xué)說則是認(rèn)為絮凝劑表面存在的基團(tuán)和膠體表面的基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成大分子沉淀下來。在研究過程中，通過調(diào)節(jié)絮凝體系的pH和溫度來增強(qiáng)絮凝效果，分別解釋了電性中和機(jī)理和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的存在性[12]。卷掃(網(wǎng)捕)作用是指當(dāng)絮凝劑投加以后，其在膠體中的下沉過程中會形成絮狀體，網(wǎng)捕膠體中的膠體分子，形成大顆粒沉淀而達(dá)到與膠體的分離[13]。

此外，國內(nèi)外還有PHB聚合學(xué)說、Buterrfield提出的黏質(zhì)假說以及類凝集素假說等一些學(xué)說[14]。

3微生物絮凝劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，微生物絮凝劑的應(yīng)用研究已涉及多種廢水的處理，但是在實際工程中并沒有得到廣泛的應(yīng)用。表1列出了在部分工程應(yīng)用中所涉及的菌種、來源以及絮凝效果。

表1　絮凝劑在各工程應(yīng)用中的的絮凝效果

3.1高濃度無機(jī)廢水主要是指工業(yè)廢水的脫色處理、懸浮顆粒的沉降以及金屬離子的去除等。印染廢水具有色澤深、成分復(fù)雜、可生化性差的特點，屬于難處理的工業(yè)廢水。張蔚萍等在土壤中篩選出一種放線菌F-1-2菌株，并將其應(yīng)用到甲基橙印染廢水的處理中，取得了良好的處理效果。該菌株在碳源為蔗糖，氮源為NaNO3，在轉(zhuǎn)速為150 r/min，30 ℃恒溫條件下培養(yǎng)72 h后，甲基橙印染廢水的脫色率達(dá)到68.4%[15]。

嬰兒出生后三四個月內(nèi)，抱他的姿勢一定要注意，不要讓髖關(guān)節(jié)受到拉伸，也不要擠壓。正確的方法是：豎抱時，寶寶面向媽媽，腿部呈“M”字打開；橫抱時，避免讓兩條腿緊緊貼合在一起。媽媽們在用嬰兒背巾或三角巾包裹寶寶時一定要考慮到對髖關(guān)節(jié)的影響。

3.2高濃度有機(jī)廢水高濃度有機(jī)廢水包括淀粉廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、造紙廢水、棉漿廢水及啤酒廢水等。

淀粉加工廢水屬于高濃度有機(jī)廢水。一般情況下，廢水的COD多在6 000 mg/L 以上，SS通常在8 500~10 000 mg/L。過去通常采用鋁鹽進(jìn)行處理，但會造成二次污染[16]。李琳等利用膠質(zhì)芽孢桿菌和釀酒酵母能利用水溶性淀粉和蛋白質(zhì)的特性，直接用紅薯淀粉廢水培養(yǎng)，并用它們產(chǎn)生的絮凝作用處理紅薯淀粉廢水。結(jié)果表明，紅薯淀粉廢水的COD去除率達(dá)到65%，且絮凝處理不受溫度限制，一年四季都可以進(jìn)行[17]。

畜禽養(yǎng)殖廢水的BOD以及氮磷鉀含量較高，處理難度大。鄭州大學(xué)的崔亞楠從豬場污泥和厭氧池廢水中篩選出17株絮凝活性在90%以上的菌株。其中，絮凝活性最高可達(dá)到94.66%，復(fù)配后，絮凝活性達(dá)到97%[18]。

造紙廢水通常排量大，成分復(fù)雜，是難降解的有機(jī)廢水。蘆艷等從活性污泥中篩選出絮凝劑產(chǎn)生菌M-3，并與PAC進(jìn)行對比，研究對造紙廢水的處理效率。試驗發(fā)現(xiàn)，微生物絮凝劑絮凝率達(dá)到97%，COD的去除率為67.10%，氨氮的去除率為95.18%，并且和PAC相比，生物絮凝率的投加量少，沉降速度快[19]。

棉漿廢水的成分復(fù)雜、堿度高。李雅梅等從新疆達(dá)坂城鹽湖土壤中分離出絮凝劑產(chǎn)生菌，發(fā)酵后測定其對棉漿廢水的絮凝率為65%，COD的絮凝率為54%[20]。

啤酒廢水COD和BOD通常均高達(dá)1 000 mg/L 以上，且啤酒廢水中有機(jī)物含量較高，直接排放會大量消耗水體中的溶解氧，導(dǎo)致環(huán)境惡化。徐放等通過酵母膏培養(yǎng)基培養(yǎng)出的MBF-1 型菌株，在原水pH為7.5，絮凝時間為10 h，投加量為1.5 ml(100 ml 廢水)時，處理原水COD為914 mg/L 的啤酒廢水，COD的去除率達(dá)到90.8%，去除能力為55.3 mg/ml，效果非常明顯[21]。

3.4活性污泥沉降性能的改善活性污泥處理系統(tǒng)的效率通常因沉降性能變差而降低。不少工業(yè)廢水在采用活性污泥法處理過程中，形成的活性污泥容易膨脹，從而影響處理效率。若在活性污泥中加入微生物絮凝劑，污泥容積指數(shù)能很快下降，從而消除污泥膨脹狀態(tài)，恢復(fù)活性污泥的沉降能力。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[23]。

3.5微藻采集微藻作為一種新型的能產(chǎn)生清潔能源的藻類，目前得到廣泛關(guān)注，且其可以作為多種顏色添加劑及不飽和脂肪酸的生產(chǎn)原料，有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。但是由于其藻密度小，藻細(xì)胞穩(wěn)定能懸浮于液體中，所以其采收環(huán)節(jié)的成本很高[24]。

利用微生物絮凝劑進(jìn)行微藻采收被視為最有可能規(guī)?；姆椒ā５侥壳盀橹?，已經(jīng)成功實現(xiàn)了對小球藻、中柵藻和衣藻的高效采收，且降低了成本。相信未來對微藻的采收一定會受到越來越多科研工作者的重視。

4微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢及前景

盡管微生物絮凝劑有諸多優(yōu)點，但目前國內(nèi)對其研究仍停留在初級階段，沒有完善的培養(yǎng)和制備方法，再加上成本較高，限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)和推廣。到目前為止，微生物絮凝劑在實際工程中還沒得到廣泛的應(yīng)用。通過對上述應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外微生物絮凝劑的研究還存在一些問題：首先，我國針對微生物絮凝劑的研究仍處在實驗室階段，研究水平較低；目前大多數(shù)研究的都是從自然界篩選出高效的絮凝劑產(chǎn)生菌，工作量大、周期長，致使研究效率很

低，且雖然微生物絮凝劑種類繁多，但每種絮凝劑的處理對象比較單一。其次，微生物絮凝劑的制備成本較高，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)，因此需要尋找廉價的可替代原料[25]；同時，微生物絮凝劑產(chǎn)量低、穩(wěn)定性差、不易儲存，也增加了工業(yè)化生產(chǎn)的難度。最后，到目前為止，還沒有一個公認(rèn)的絮凝機(jī)理可以解釋絮凝現(xiàn)象，絮凝劑與各種廢水的作用機(jī)制也尚不清楚。其未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：

(1)繼續(xù)深入研究微生物絮凝劑的理化性質(zhì)及絮凝機(jī)理，多方面研究微生物絮凝劑與各種廢水的作用機(jī)制。

(2)尋求快速篩菌方法，探尋廉價培養(yǎng)基和最適培養(yǎng)條件，降低成本，實現(xiàn)工業(yè)化，并優(yōu)化微生物絮凝劑的提取方法和儲存條件。

(3)建立微生物絮凝劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及評價體系，對微生物絮凝劑的毒性進(jìn)行安全性評價，為微生物絮凝劑的工業(yè)化及其在水處理中的應(yīng)用提供衛(wèi)生學(xué)依據(jù)[26]。

(4)加強(qiáng)開發(fā)復(fù)合型微生物絮凝劑，如果可以將微生物絮凝劑和傳統(tǒng)的絮凝劑有機(jī)地復(fù)合在一起，實現(xiàn)優(yōu)勢的互補(bǔ)，那么新型的絮凝劑一定可以在未來的工業(yè)發(fā)展中起到重要作用。

(5)利用基因工程技術(shù)，將污染物降解質(zhì)粒引入到微生物菌種中，構(gòu)建工程菌，實現(xiàn)將絮凝、沉降、降解系于一體，從而擴(kuò)大絮凝劑的應(yīng)用范圍[27]。

(6)研究微生物絮凝劑在新型能源上的應(yīng)用，為微生物絮凝劑的研究提供新的思路和前景。

5結(jié)語

區(qū)別于傳統(tǒng)絮凝劑，微生物絮凝劑有其獨有的特點和優(yōu)勢，但對微生物絮凝劑的研究還停留在實驗室研究階段。未來將會有更多的科學(xué)家對其展開廣泛的研究，尤其是在對微生物合成絮凝劑的制備條件和影響其絮凝活性的因素上進(jìn)行深入研究，尋找更廉價的培養(yǎng)基，降低成本，使其大規(guī)模地應(yīng)用到各行各業(yè)的廢水處理中去，從而提高廢水的處理效果，實現(xiàn)廢水資源化的有效利用。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭晨，趙猛.微生物絮凝劑的發(fā)展概況及研究方向[J].遼寧化工，2014，43(2)：198-199.

[2] 李雨虹，梁達(dá)奉，常國煒，等.微生物絮凝劑研究進(jìn)展[J].甘蔗糖業(yè)，2014(5)：51-56.

[3] LUVUYO N，NWODO U U，MABINYA L V，et al.Studies on bioflocculant production by a mixed culture ofMethylobacteriumsp.Obi andActinobacteriumsp.Mayor[J].BMC biotechnology，2013，13(1)：1-7.

[4] 徐琳，劉建軍.產(chǎn)微生物絮凝劑菌株的篩選[D].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2012.

[5] 劉艷娟，程磊.利用醬油廢水制備微生物絮凝劑實驗研究[J].唐山學(xué)院學(xué)報，2013，26(6)：65-67.

[6] 顏東方，贠建民.馬鈴薯淀粉廢水生產(chǎn)微生物絮凝劑菌株篩選及其營養(yǎng)條件優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(2)：198-206.

[7] 李靜，馬放，趙光，等.利用沼液制備微生物絮凝劑及產(chǎn)絮條件優(yōu)化[J].中國給水排水，2014，30(15)：14-19.

[8] 由陽，馬放，任南琪，等.以生物制氫廢液篩選產(chǎn)絮菌及產(chǎn)絮條件研究[J].中國給水排水，2006，22(17)：29-33.

[9] 王爽，李昂，李琳，等.利用污泥提取液制備微生物絮凝劑[J].生物技術(shù)進(jìn)展，2015，5(3)：218-222.

[10] 劉麗瓊，張艷敏.微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].四川環(huán)境，2009，28(6)：109-114.

[11] 易允燕，張霞，俞志敏，等.微生物絮凝劑在水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報，2015，33(3)：110-113.

[12] 要玲.微生物絮凝劑的研究及其應(yīng)用[J].河北化工，2010，33(10)：11-13.

[13] 馬放，段姝悅，孔祥震，等.微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].中國給水排水，2012，28(2)：14-17.

[14] 李素清，柯水洲，袁輝洲，等.微生物絮凝劑的研究進(jìn)展[J].凈水技術(shù)，2008，27(1)：5-8.

[15] 張蔚萍，嚴(yán)平，孫德四，等.一株可處理甲基橙廢水的微生物絮凝劑的篩選及其脫色效果的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(36)：22544-22545.

[16] 王姍鎰，朱海峰，陳金發(fā).馬鈴薯淀粉廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(8)：4845-4847.

[17] 李琳，張清敏，楊建華.復(fù)合微生物絮凝處理紅薯淀粉廢水的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29(7)：75-76.

[18] 崔亞楠.生物絮凝劑處理養(yǎng)殖廢水研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2011.

[19] 蘆艷，孟麗麗，喬富珍.高效微生物絮凝劑對造紙廢水的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].水處理技術(shù)，2009，39(7)：9-12.

[20] 李雅梅，謝海燕，王純利.微生物絮凝劑在棉漿廢水處理中的應(yīng)用[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2015(6)：28-32.

[21] 徐放，李禮，余榮升.微生物絮凝劑去除COD能力及影響因素研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(3)：512- 514.

[22] 曾蘇，陳曉平，李南華，等.微生物絮凝劑生產(chǎn)菌T1的鑒定及其對生活污水絮凝特性[J].環(huán)境化學(xué)，2015，34(3)：578- 583.

[23] 張娜，尹華，秦華明，等.微生物絮凝劑的穩(wěn)定性及其對城市污水廠濃縮污泥的絮凝脫水[J].微生物學(xué)通報，2008，35(5)：685-689.

[24] 萬春，張曉月，趙心清，等.利用絮凝進(jìn)行微藻采收的研究進(jìn)展[J].生物工程學(xué)報，2015，31(2)：161-171.

[25] 周云，劉英，張志強(qiáng)，等.微生物絮凝劑制備的研究新進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治，2014，36(4)：80-85.

[26] 徐梅.微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].江西化工，2014(3)：72-75.

[27] 凌慧嬌，黃月英，謝鴻，等.微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀及前景展望[J].廣州化工，2014，42(7)：30-32.

摘要微生物絮凝劑是一種新型絮凝劑，其絮凝效果好，對環(huán)境無二次污染，易于降解，被廣泛應(yīng)用于食品加工業(yè)、高濃度有機(jī)廢水處理和城市給水工藝中，成為了近年來國內(nèi)外水處理行業(yè)研發(fā)的熱點之一。綜述了微生物絮凝劑制備的最新進(jìn)展，分析了其絮凝機(jī)理，同時總結(jié)了在水處理實際應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀。最后，針對現(xiàn)階段微生物絮凝劑研究存在的問題提出了一些建議，并展望了微生物絮凝劑的主要發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞微生物絮凝劑；水處理應(yīng)用；發(fā)展趨勢

Application Research Status and Development Prospect of Microbial Flocculants

ZHOU Xiao-tie1, HAN Zhao2, SUN Shi-qun2et al(1. Provincial Key Lab. of Research on Wastewater Treatment Technology, Anhui Academy of Environmental Science Research, Hefei, Anhui 230022; 2. School of Resources and Environment, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009)

AbstractMicrobial flocculant (MBF) is a kind of novel flocculant, which is widely used for the food industry, highly concentrated organic waste water treatment and the urban water supply technology. Due to its characteristics of superior flocculation effect, without secondary pollution to the environment and being easily degraded, MBF has been emerging as a hotspot of water treatment research in recent years. In this paper, the latest progress of the preparation of MBFs and the flocculating mechanism was presented. The practical application research of MBFs for water treatment was reviewed. Finally, suggestions and development prospect of research on MBF was discussed.

Key wordsMicrobial flocculant; Water treatment applications; Development trend

收稿日期2015-10-12

作者簡介周曉鐵(1956-)，男，江蘇宜興人，研究員，碩士，從事環(huán)境評價與規(guī)劃研究。

中圖分類號X 181；X 703.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)32-107-02