生物絮凝剂的絮凝活性及絮凝条件研究

刘江红，潘 洋，戴红霞，贾云鹏

(东北石油大学化学化工学院，黑龙江 大庆 163318)

生物絮凝剂是一类由微生物产生的有絮凝活性的代谢产物，其成分可能是多糖、蛋白质、纤维素等，由真菌、细菌等微生物通过发酵、提取、精制而得到[1]。生物絮凝剂是廉价、无毒、新型、高效、无二次污染的水处理剂[2]，能快速絮凝各种颗粒状物质，特别是在废水脱色和去除高浓度有机物等方面有独特的效果[3]。利用生物絮凝剂处理废水比较容易实现固态物质和液态物质的分离，絮凝后形成的沉淀物比较少[4]。目前，我国生物絮凝剂的应用大部分仍处于实验室研究阶段，真正工业化的较少。絮凝剂产生菌的最好来源是活性污泥和土壤[5]，一般来说活性污泥本身就是各种微生物的聚集体。因此，作者以生活污水处理厂的活性污泥为研究对象，从中筛选得到生物絮凝剂的高产菌株，对其絮凝活性进行了研究；并将其用于高岭土悬浊液模拟废水的处理，对絮凝条件进行了优化。

1 实验

1.1 菌株与培养基

菌株：取自大庆市城市生活污水处理厂曝气池中的活性污泥。

分离培养基：蛋白胨10 g，牛肉膏3 g，琼脂15～20 g，氯化钠5 g，加蒸馏水至1 L，调pH值至7.0～7.2。

发酵培养基：葡萄糖20 g，酵母粉0.5 g，硫酸铵0.2 g，磷酸二氢钾2 g，尿素0.5 g，磷酸氢二钾5 g，氯化钠0.1 g，加蒸馏水至1 L，调pH值至7.0。

1.2 材料与仪器

高岭土悬浊液：称取15 g 60目的高岭土于广口瓶中，加入3 L蒸馏水，搅拌均匀。

生物显微镜，台式恒温振荡培养箱，冰箱，高压蒸汽灭菌锅，远红外快速恒温干燥箱，分光光度计，电子天平，电热恒温水浴锅，生化培养箱，多头磁力加热搅拌器，洁净工作台，精密pH计，高速离心机等。

1.3 方法

1.3.1 菌株的分离纯化及筛选

活性污泥采样→富集培养→分离、选择培养→菌株的分离和纯化→絮凝率测定→高效絮凝剂产生菌。

1.3.2 絮凝率的测定

用722型分光光度计，在波长550 nm处测定絮凝沉淀后上清液的吸光度值，以含有1%CaCl2溶液且不加絮凝剂的高岭土悬浊液作为对照，按下式计算生物絮凝剂的絮凝率：

式中：A为对照液的吸光度；B为絮凝沉淀后上清液的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 菌株的分离纯化及筛选

从活性污泥和空气中共分离纯化出纯种菌株16株，经絮凝实验筛选得到有絮凝能力的菌株4株，复筛后得到1株絮凝活性较高且稳定的菌株，命名为C4-3，其絮凝活性达到95%以上。

2.2 絮凝活性分布的测定

通过定量比较上清液(离心后的去菌细胞部分，稀释至与发酵液等体积，摇匀)、菌悬液(离心后菌体经蒸馏水洗涤2～3次后置于磷酸盐缓冲溶液中，使其体积与发酵液相同，摇匀)和发酵液的絮凝率，来确定发酵液中絮凝剂的絮凝活性分布。

将絮凝剂样品在高速离心机上于4000 r·min-1离心30 min，经上述处理后，分别取2 mL上清液、菌悬液和发酵液，测定絮凝活性，结果见图1。

图1 C4-3培养液中絮凝活性分布

由图1可以看出，C4-3产生的絮凝剂的絮凝活性主要存在于上清液中，上清液中的絮凝活性成分占发酵液的85.4%。这说明，C4-3的絮凝活性成分主要来源于菌细胞分泌的胞外代谢产物而非菌本身。因此，后续实验均以上清液作为絮凝剂样品。

2.3 生物絮凝剂的酸碱稳定性

将C4-3产生的絮凝剂的pH值分别调至4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，置于冰箱4 ℃过夜，测定絮凝率，结果见图2。

图2 生物絮凝剂的酸碱稳定性变化

由图2可以看出，当pH值为4.0～11.0时絮凝效果均较好。表明该生物絮凝剂具有较好的酸碱稳定性。

2.4 生物絮凝剂的热稳定性

将C4-3产生的絮凝剂分别置于20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃的水浴中20 min，测定絮凝率，结果见图3。

图3 生物絮凝剂的热稳定性变化

由图3可以看出，当温度在40～80 ℃范围内时，生物絮凝剂的絮凝性能几乎不受影响；当在100 ℃的水浴中加热20 min后，其絮凝率仍达95.03%。表明该生物絮凝剂具有较好的热稳定性。

2.5 生物絮凝剂处理高岭土悬浊液模拟废水的影响因素

2.5.1 絮凝剂投加量对絮凝效果的影响

分别称取0.5 g高岭土9份置于250 mL烧杯中，加少量蒸馏水溶解；分别加入0 mL、1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、7 mL、8 mL絮凝剂的发酵液，再加入5 mL 1% CaCl2水溶液作助凝剂，加蒸馏水至100 mL，调节pH值至7.0。磁力搅拌器搅拌4 min，静置9 min，在550 nm下测吸光度，计算絮凝率，结果见图4。

图4 生物絮凝剂投加量对絮凝率的影响

由图4可以看出，不加絮凝剂时絮凝率较低；而絮凝剂投加量在1～8 mL时，絮凝率基本不变。因此，选择絮凝剂投加量以1 mL·(100 mL)-1为宜。

2.5.2 高岭土悬浊液pH值对絮凝效果的影响

分别调高岭土悬浊液pH值为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，进行絮凝实验，考察其对絮凝率的影响，结果见图5。

图5 高岭土悬浊液pH值对絮凝率的影响

由图5可以看出，pH值在8.0～11.0之间均有较好的絮凝效果。

2.5.3 高岭土悬浊液浓度对絮凝效果的影响

在高岭土悬浊液模拟废水(100 mL)的质量浓度(g·L-1)分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9时进行絮凝实验，考察其对絮凝率的影响，结果见图6。

图6 高岭土悬浊液浓度对絮凝率的影响

由图6可以看出，高岭土悬浊液浓度在1～7 g·L-1时，絮凝效果较好。

2.5.4 金属离子对絮凝效果的影响

金属阳离子有利于架桥作用的形成，不同的金属离子有不同的助凝作用。分别称取0.5 g高岭土7份置于250 mL烧杯中，加少量蒸馏水溶解；再加入1 mL絮凝剂；然后分别吸取4 mL 1%CaCl2、KNO3、MgSO4、Al2(SO4)3、FeSO4、FeCl3、NaCl水溶液，倒入量筒中，加蒸馏水至100 mL，移入烧杯，调节pH值为9.0，进行絮凝实验，计算絮凝率，结果见图7。

图7 金属离子对絮凝率的影响

由图7可以看出，Mg2+、Ca2+、Fe3+、A13+助凝作用较好，Fe2+一般，而Na+、K+最差。考虑到Fe3+、A13+有二次污染问题、Mg2+价格较贵，选择1%CaCl2作助凝剂较适宜。

2.5.5 1% CaCl2投加量对絮凝效果的影响

分别在1% CaCl2投加量为0～8 mL的条件下进行絮凝实验，考察其对絮凝率的影响，结果见图8。

图8 1% CaCl2投加量对絮凝率的影响

由图8可以看出，1% CaCl2投加量为1～6 mL时絮凝率较高。这可能是因为，Ca2+浓度较小时，无法中和悬浊液的电荷起到有效的助凝作用；而Ca2+浓度较大时，就有可能达到电荷平衡。

3 结论

(1)经过初筛、复筛，从活性污泥中成功筛选得到1株絮凝活性较高且稳定的菌株C4-3。絮凝活性分布测定表明，C4-3所产生物絮凝剂属于胞外絮凝剂。

(2)热稳定性和酸碱稳定性研究表明，C4-3所产絮凝剂在pH值为4.0～11.0、温度为40～80 ℃时，絮凝效果较好，且在100 ℃的水浴中加热20 min，絮凝率仍达95.03%。说明C4-3适应pH值广泛、耐高温能力好，在实现工业化生产中具有优越性。

(3)将C4-3所产絮凝剂用于浓度为1～7 g·L-1的高岭土悬浊液模拟废水的处理，在其投加量为1 mL·(100 mL)-1、1% CaCl2助凝剂的投加量为1～6 mL、pH值为8.0～11.0时，絮凝效果较好。

[1] 周群英，高廷耀.环境工程微生物学[M].北京：高等教育出版社，2000：155.

[2] Kurane Ryuichiro，Tomizuka Noboru.Towards new biomaterials produced by microorganism：Bioflocculant and bioabsorbent[J].Nippon Kagaku Kaishi，1992，(5)：453-463.

[3] 刘江红，孟丽丽，芦艳，等.微生物絮凝剂产生菌筛选及絮凝条件优化[J].大庆师范学院学报，2008，28(5)：89-92.

[4] Salehizadeh H，Vossoughi M，Alemzadeh I.Some investigations on bioflocculant producing bacteria[J].Biochemical Engineering，2000，5(1)：39-44.

[5] Lin Ying-Feng，Jing Shuh-Ren，Wang Tze-Wen，et al.Effects of macrophytes and external carbon sources on nitrate removal from groundwater in constructed wetlands[J].Environmental Pollution，2002，119(3)：413-420.