微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

韓宇軒

西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710069

微生物絮凝劑的研發(fā)是以生物技術(shù)為基礎(chǔ)，通過培養(yǎng)真菌和細(xì)菌等，使其發(fā)酵，隨后再對其進(jìn)行提取與精制的一種方式。因?yàn)槲⑸镄跄齽┚邆渖锔咝?，可以讓高分子和無機(jī)高分子絮凝劑的缺陷得到彌補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)無污染排放的目標(biāo)。當(dāng)前，世界各國對絮凝劑的研究還處于深入之中，各國需要結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行深入探究。

1 微生物絮凝劑的概念解讀

微生物絮凝劑，具有天然生物高分子絮凝劑的屬性，微生物產(chǎn)生之后，便分泌到細(xì)胞之外，屬于絮凝活性的微生物代謝產(chǎn)物。微生物絮凝劑能夠讓液體中原本懸浮的固體顆粒以及菌體細(xì)胞等產(chǎn)生凝聚和沉淀，因其不會對水質(zhì)等造成污染，所以被人們視為分解性與安全性高效、無毒，也不會導(dǎo)致二次污染的綠色水處理劑。不過，因?yàn)槲⑸镄跄齽┬枰^高的生產(chǎn)成本，且目前的發(fā)酵生產(chǎn)工藝還有很多待改善之處，加之絮凝劑的成分與絮凝效果欠缺一定的穩(wěn)定性，因而會導(dǎo)致微生物絮凝劑發(fā)展受限。

2 微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀

2.1 絮凝機(jī)理分析

2.1.1 微觀絮凝

我們現(xiàn)在立足于微觀角度分析絮凝劑原理，其指的是當(dāng)處于微觀世界中時(shí)，我們可將在水中懸浮的微小顆粒進(jìn)行不斷放大。當(dāng)污水經(jīng)過人工處理之后，就會轉(zhuǎn)變成直徑介于10 ～30 微米之間的微型絮凝塊。這些帶電的負(fù)電粒子彼此排斥，所以幾乎一直處于運(yùn)動狀態(tài)，不會停下。因?yàn)槠潴w積小于一般物體，因此想要其在短時(shí)間內(nèi)沉淀下來，是很難辦到的。對其進(jìn)行處理的最佳方式即應(yīng)用離子型絮凝劑，使其能夠轉(zhuǎn)變成更大的絮凝塊，加快沉淀或脫水的速度。

2.1.2 宏觀絮凝

水質(zhì)中通常顆粒的直徑是大小不一的，針對超過1微米的顆粒，絮凝時(shí)的主要措施為水的慢速混合，可以適當(dāng)應(yīng)用機(jī)械攪拌器。攪拌產(chǎn)生的速度梯度會造成懸浮的顆粒在空中碰撞，由此被稱作是宏觀絮凝或是同向絮凝。但是，從宏觀方向來分析絮凝混合過程時(shí)，絮體的顆粒還會受到剪切力作用，由此造成部分絮體聚集體的瓦解和破損。經(jīng)歷過一段時(shí)間的混合之后，就會逐漸形成尺寸和分布都很均勻的絮體，絮體顆粒的形成與破碎幾乎處于平衡狀態(tài)[1]。所以，工作人員也可以對水力條件進(jìn)行控制，以此確保懸浮顆粒能夠形成較為穩(wěn)定的絮體。

2.1.3 差異沉降

沉淀的過程當(dāng)中，在非均相懸浮液（不同粒徑）中形成的不同沉降顆粒為了能夠促進(jìn)絮凝，提供了額外的機(jī)理。針對粒徑范圍相對較大的懸浮顆粒而言，差異沉降也屬于較為關(guān)鍵的絮凝機(jī)理。差異沉降導(dǎo)致的絮凝對于直接過濾、溶氣氣浮與高速沉淀等都不會產(chǎn)生太大影響，這是由于沉淀距離與沉淀的時(shí)間都相對較短。

2.2 微生物絮凝劑應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 工業(yè)廢水處理

工業(yè)廢水是我們常見的生活垃圾，工業(yè)廢水需要進(jìn)行脫色處理、懸浮顆粒沉降和金屬離子去除等。印染工序造成的工業(yè)廢水色澤深、成分復(fù)雜且可生化性差的特點(diǎn)顯著，屬于工業(yè)廢水中最難處理的一種。張蔚萍等學(xué)者在研究中從土壤中挑選出放線菌F-1-2 菌株，將其應(yīng)用于甲基橙印染廢水處理當(dāng)中，從結(jié)果看還是比較可觀的。他們將該菌株進(jìn)行了72 小時(shí)的培養(yǎng)，將其放置于碳源是蔗糖、氮源是硝酸鈉、轉(zhuǎn)速是每分鐘150 轉(zhuǎn)、溫度則始終維持在30 攝氏度的環(huán)境下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甲基橙的印染廢水脫色率達(dá)到了近70%。

工業(yè)廢水中的除油處理方式主要運(yùn)用的是生物除油，通常而言，化學(xué)絮凝劑可以在一定程度上對微生物的降解進(jìn)行遏制。微生物絮凝劑卻與此不同，其不僅有絮凝的作用，而且還兼具降解的性能，可以有效提高去油率。進(jìn)行乳化液油水分離實(shí)驗(yàn)的過程中，我們可以將Alcaligenes Latus 作為培養(yǎng)物，從很大程度上可以降低棕櫚酸分離于乳化液的難度，在細(xì)小均一的乳化液當(dāng)中就可以形成肉眼可見的油滴，下層清液的化學(xué)需氧量去除率能夠達(dá)到近50%，相對無機(jī)絮凝劑與高分子絮凝劑，絮凝效果顯然更加明顯。根據(jù)當(dāng)前日本的相關(guān)研究結(jié)果來看，微生物絮凝劑在畜牧產(chǎn)業(yè)廢水與瓦場廢水的處理過程中具備良好效果。瓦廠廢水主要指的是胚體廢水與釉藥廢水，在加入適量的NOC-1 微生物絮凝劑進(jìn)行處理之后，廢水的濁度也會有明顯下降，清液的透明度得到提升，通過這種方式，無機(jī)超微粒子凈化效果也能夠得到提升[2]。

2.2.2 城市生活污水

曾蘇等學(xué)者為了對城市生活污水進(jìn)行研究，從城市污水處理廠采取活性污泥，并且從這些污泥中選出高效絮凝活性的菌種，經(jīng)過鑒定之后，判定為芽孢桿菌屬。其所產(chǎn)生的絮凝劑更多是分布在發(fā)酵上清液，若絮凝劑的添加量達(dá)到了5%，污水的pH 是7.0，助凝劑投加量是2%的時(shí)候，那么生活污水絮凝率將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過80%。

2.2.3 活性污泥處理系統(tǒng)

活性污泥處理系統(tǒng)應(yīng)用的過程中由于沉降性能較差，工作效率也會隨之降低。很多工業(yè)廢水運(yùn)用活性污泥法處理的過程中，形成的活性污泥都處于極易膨脹的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致效率變低。如果活性污泥當(dāng)中加入一定比例的微生物絮凝劑，污泥的容積指數(shù)就會快速降低，進(jìn)而避免污泥的膨脹，快速恢復(fù)活性污泥的沉降能力[3]。張娜等學(xué)者運(yùn)用醬油曲霉產(chǎn)生的絮凝劑對污泥進(jìn)行調(diào)理，這樣污泥的脫水率能夠超過80%，濾餅的含水率也能夠降到70%左右，污泥退水之后的體積也可以減到原本的20%左右。

3 微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢

3.1 進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍

3.1.1 供水處理

微生物絮凝劑的優(yōu)勢顯著，可將其廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域。供水質(zhì)量關(guān)系民生問題，更是涉及每個(gè)人的健康?，F(xiàn)階段，無論是國內(nèi)還是國外，大部分凈水廠所使用的絮凝劑中都富含鋁鹽與鐵鹽，且較為普遍，這些都屬于無機(jī)鹽類的絮凝劑。對此，可以采取靜止培養(yǎng)的方式，來制備微生物絮凝劑。這種方式不僅只需要簡單設(shè)備即可，而且還與工業(yè)領(lǐng)域的大量生產(chǎn)相符。部分學(xué)者在選擇了微生物絮凝劑之后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，得出了最佳的實(shí)驗(yàn)方案。例如，在處理25 升的自來水原水時(shí)，可對其進(jìn)行4 個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)有25 項(xiàng)指標(biāo)是符合現(xiàn)行飲用水標(biāo)準(zhǔn)的。不過因?yàn)槲⑸镄跄齽┲苽渑c處理需要高昂的成本，所以還有待日后的進(jìn)一步優(yōu)化。

3.1.2 膨脹污泥處理

工業(yè)廢水處理時(shí)運(yùn)用活性污泥法的方式處理，其形成的活性污泥很容易膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致效率受到影響。如果能夠在其中添加微生物絮凝劑，效果往往會更加顯著。例如，進(jìn)行甘草制藥廢水生化處理時(shí)，可以添加NOC-1，此時(shí)我們可以看到污泥膨脹情況明顯得到了緩解，活性污泥沉降性能也得以盡快恢復(fù)。

3.2 優(yōu)化微生物絮凝劑制造技術(shù)

3.2.1 復(fù)合菌群的應(yīng)用

相較于單一的菌群，復(fù)合菌群當(dāng)中含有多種微生物，類型較為豐富，呈多樣化態(tài)勢，同時(shí)也為微生物的良性共生提供了穩(wěn)定、和諧的生存環(huán)境，使得功能可以更加齊全和多樣。發(fā)揮復(fù)合菌群的作用，制備微生物絮凝劑，可以讓處理的效果更為顯著，便利性有所增強(qiáng)。所以，利用復(fù)合菌群制備微生物絮凝劑，能夠從很大程度上讓制備的成本控制在最低，絮凝效果得到提升，二次污染的可能性會有所降低。

3.2.2 廉價(jià)培養(yǎng)基的應(yīng)用

現(xiàn)行的培養(yǎng)基方式，需要付出較大的成本，這一點(diǎn)對于微生物絮凝劑制備始終有所影響，因此，尋求相對廉價(jià)的培養(yǎng)基就成為微生物絮凝劑之輩的重要課題。具體來說，制備微生物絮凝劑基碳源進(jìn)行選擇時(shí)，其不僅可以是蜜糖廢水、甘蔗渣，也可以是銑槽廢水或生物制氫廢液等。隨著碳源的渠道不斷增多，價(jià)格也相對較為低廉，同時(shí)也能夠?qū)U物進(jìn)行充分利用。在對碳源進(jìn)行利用的過程中，不但可以讓微生物絮凝劑的制備成本得到有效控制，且提升生物絮凝劑活性，而且也能夠防止環(huán)境被再次污染，起到一箭雙雕的作用[4]。但需要注意的是，如果我們采用直接的方式，將這些廢液作為微生物絮凝劑培養(yǎng)基的氮源，那對絮凝的效果就會產(chǎn)生較大影響。由于有機(jī)廢液中的成分構(gòu)成相對復(fù)雜，所以部分無關(guān)的成分也會不可控地參與到微生物培養(yǎng)之中。所以，工作人員需要預(yù)先對有機(jī)廢液進(jìn)行處理，將無用的成分剔除掉，并有效應(yīng)用有機(jī)廢液當(dāng)中的碳源，發(fā)揮被產(chǎn)絮菌的最大價(jià)值，讓培養(yǎng)的效果能夠事半功倍。

3.2.3 污泥的應(yīng)用

進(jìn)行水處理的過程中，可能會產(chǎn)生大量的剩余污泥，其中涵蓋多種微生物形成的菌膠圖案與其他的無機(jī)物或有機(jī)物等。菌膠團(tuán)的核心為微生物，圍繞在其外圍的是天然有機(jī)高分子物質(zhì)，物質(zhì)進(jìn)行聚合之后，就形成了聚合物EPS。EPS 所具備的功能與微生物絮凝劑有極大的相似之處，當(dāng)條件相同時(shí)，絮凝的效果也會有所增強(qiáng)。因?yàn)樗幚磉^程中，剩余污泥的產(chǎn)量相對較大，并且還要進(jìn)行無害化的處理，所以，可以充分發(fā)揮污泥的價(jià)值，將其作為原材料，制備微生物絮凝劑，繼而讓成本能夠控制在最低，讓剩余污泥的處理可以有更加廣闊的渠道。

3.3 優(yōu)化微生物絮凝劑儲存和應(yīng)用技術(shù)

未來生物技術(shù)處于不斷的應(yīng)用和發(fā)展之中，微生物絮凝劑制造技術(shù)相對以往，已經(jīng)有了顯著的提升。工作人員對微生物絮凝劑產(chǎn)品提取的方式加以優(yōu)化之后，可以對其儲備條件進(jìn)行完善。微生物絮凝劑物質(zhì)的主要成分為蛋白質(zhì)與多糖，在對相關(guān)的物質(zhì)進(jìn)行提取時(shí)，所采用的方式與流程都是相對復(fù)雜的。筆者認(rèn)為，我們可以以此為基礎(chǔ)，加大新提取技術(shù)的開發(fā)力度，讓微生物絮凝劑制作的經(jīng)濟(jì)性可以得到提升。伴隨著智能化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與深度不斷加強(qiáng)，我們可以構(gòu)建智能化形勢下的菌種資源庫，資源庫當(dāng)中會含有多種形式的菌群，采用現(xiàn)有方式，不但能夠讓產(chǎn)品得到優(yōu)化，也可以確保微生物絮凝劑更加豐富多樣。

4 結(jié) 語

微生物絮凝劑技術(shù)的探索與應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)成為世界性問題，并且還在不斷地進(jìn)行提升。根據(jù)現(xiàn)階段的情況，微生物絮凝劑的研究目前已經(jīng)處于較為關(guān)鍵的時(shí)刻，研發(fā)人員不但需要有效掌握微生物絮凝劑相關(guān)的技術(shù)、特點(diǎn)和材料內(nèi)容，還應(yīng)該考慮其制造的成本或工藝技術(shù)等內(nèi)容，以便對其后續(xù)的發(fā)展進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估。考慮到微生物絮凝劑的生產(chǎn)制造成本問題，在未來可以采用復(fù)合型的微生物絮凝劑。對微生物絮凝劑的提取方法進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上建立產(chǎn)品的評價(jià)體系，提高其產(chǎn)品試驗(yàn)效率擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并以梯級利用的方式，提升微生物絮凝劑的底物轉(zhuǎn)化率。