微生物絮凝剂在水处理中的应用现状

易允燕，张 霞，俞志敏，，叶劲松，，吴 克，王小丹

（1.合肥学院 生物与环境工程系，安徽 合肥230601；2.合肥学院 化学材料与工程系，安徽 合肥230601；3.安徽省环境污染与生态修复协同创新中心，安徽 合肥230601）

随着现代工业的不断发展，环境日益恶化，尤其是水环境面临着巨大的威胁。水中COD、BOD及SS（水质中的悬浮物）较多，絮凝沉淀法是除去悬浮物和COD、BOD的有效方法，而絮凝剂就是在人们不断探索治理水污染的过程中应运而生。在水处理中，絮凝剂应用普遍，成本较低。总体可以分为有机、无机、和微生物絮凝剂，其中有机和无机絮凝剂是水处理中应用最普遍，效果最快的，但是对环境有毒副作用，会形成二次污染。微生物絮凝剂被称为绿色絮凝剂，不仅因为它对不同废水都有显著效果，而且对环境温和，安全无毒、可降解、无二次污染，能够最终实现无污染和安全排放［1］。

微生物絮凝剂主要是通过提取微生物代谢产物如蛋白质、多糖、DNA等获得，或者是微生物细胞本身也可以产生絮凝反应［2］。对微生物絮凝剂的探索可以追溯到1876年，由Louis Paste［3］对酵母菌进行研究而提出的。而之后Kurane等［4］经过筛选和鉴定得到一株高效絮凝剂产生菌－红平红球菌，该菌种产生的絮凝剂对膨胀活性污泥、纸浆废水、泥浆水等都有良好的絮凝效果。我国对微生物絮凝剂的研究相比国外起步较晚。在上个世纪九十年代末邓述波［5］从环境中筛选出一株高效絮凝剂产生菌，经鉴定为芽孢杆菌，首次发现芽孢杆菌产生絮凝剂。20世纪初，黄民生等［6］从污泥中筛选出3株高效絮凝剂产生菌，其产生的微生物絮凝剂对高岭土悬液和碱性燃料废水等都具有明显效果。目前我国对微生物絮凝剂的研究做的最多的一个是产絮凝剂高效菌的筛选，另一个就是菌种培养过程中，培养基和培养条件的优化。国内的很多学者对絮凝剂机理也进行了初步探究，对于微生物絮凝剂在实际污水中的处理应用情况，也是处于实验室研究阶段，由于大多微生物絮凝剂生产成本高，单一菌种絮凝能力有限而限制了微生物絮凝剂在实际生产中的应用。

1 微生物絮凝剂絮凝机理

关于微生物絮凝剂作用机理先后出现很多假说如粘质假说、酯合假说、菌体外纤维素纤丝学说等［7－9］。但是目前普遍接受的是吸附架桥、电性中和、化学反应、卷扫（网捕）作用等。

1.1 吸附架桥作用

絮凝过程就是胶体颗粒脱稳，多个颗粒聚合的过程［10］。吸附架桥学说认为微生物絮凝剂是一个链状大分子，分子上存在吸附活性部位，胶体颗粒通过这个吸附活性部位被吸附在链状分子上。同时多个微生物絮凝剂链状大分子通过分子间的氢键、范德华力等作用力将微粒搭桥形成三维网状结构沉淀下来。微生物絮凝剂本身因为羟基和羧基等而带上负电荷，在絮凝的过程中，添加阳离子助凝剂有利于颗粒间架桥，提高絮凝剂活性［11］。

1.2 电性中和作用

水中的胶体一般都带负电荷，当加入微生物絮凝剂后，由于絮凝剂是表面带有正电荷的链状大分子，两者中和，减少了相互间的排斥力，胶体脱稳，使得胶体与胶体之间，胶体与微生物絮凝剂之间相互絮凝成大颗粒物质，最终依靠重力沉淀下来。加入助凝剂或者调解絮凝反应体系的pH值可以影响絮凝效果，原因就是改变了水中胶体或者絮凝剂的带电性［12］。

1.3 化学反应

微生物絮凝剂属于生物大分子，其分子上的某些基团与胶体表面上相对应的一些基团发生化学反应，进而絮凝成较大的颗粒物，从水中沉淀出来。温度可以影响絮凝效果，是因为温度可以直接改变反应基团的活性。通过微生物絮凝剂大分子改性，添加或者减少其上的活性基团，也可以改变反应体系的絮凝效果［13］。

1.4 卷扫（网捕）作用

当投加到一定量的微生物絮凝剂后，随着絮凝过程不断进行，矾花不断增大，并依靠重力作用向下沉降。矾花像一张滤网，在沉降的过程中迅速卷扫、捕集一些分散于水中的胶体颗粒物质，形成更大的矾花，依靠机械沉淀作用最终将胶体物质从水中分离出来［14］。水中杂质的浓度与微生物絮凝剂投加量成反比，杂质浓度越高，所需微生物絮凝剂的量越少。反之水中杂质越少，就需要更多的絮凝剂来实现卷扫作用。

2 影响絮凝效果的因素

2.1 微生物絮凝剂的性质特点

微生物絮凝剂是生物大分子，其本身的性质特点直接影响絮凝效果。一般分子量大的絮凝效果较好，分子量小的絮凝效果较差。分子形状也是影响因素之一，直链状的要比支链或者交联的效果好。微生物絮凝剂通过吸附架桥使水中的悬浮颗粒沉淀下来，而絮凝剂的成分中含有亲水的活性基团，如羟基、羧基等，这些活性基团更有助于絮凝剂分子与悬浮颗粒间的吸附架桥［2］。

2.2 絮凝反应体系的pH值

絮凝剂和悬浮颗粒表面的带电性情况对絮凝效果有直接影响。而絮凝反应体系的酸碱度会影响胶体颗粒的表面电荷和带电状态，不同的微生物絮凝剂对pH值的敏感程度也不一样，微生物絮凝剂只能在一定的pH值范围内表现出絮凝活性，超过这一范围，反应体系酸碱度的变化不仅会改变微生物絮凝剂的带电状态和中和电荷的能力而且絮凝物质的颗粒表面性质也会改变。研究表明同一种微生物絮凝剂絮凝不同的物质时，拥有不同的最适pH值。

2.3 絮凝反应体系的温度

温度直接影响微生物絮凝剂的分子运动状态。随着温度的上升，絮凝剂分子运动速度加快，有助于絮凝反应；但是当温度过高，超过某些絮凝剂最适絮凝温度时，就会造成絮凝剂蛋白质成分变性和空间结构的破坏，阻碍絮凝反应。对于一些由多糖类构成的絮凝剂，温度的变化对其絮凝反应效果影响不大。经过高温处理后，这些多糖类絮凝剂的空间结构变化不大，仍能吸附悬浮颗粒。

2.4 絮凝剂投加量

影响反应体系絮凝效果的因素还有絮凝剂投加量。絮凝剂投加量过高或者过低都能使絮凝效果变差，同一种絮凝剂处理不同的物质时，有不同的最适投加量。有研究表明，微生物絮凝剂的最佳投加量约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和时的1／2吸附量，吸附架桥的几率在这时发生的几率最大［15］。

2.5 金属离子的种类和浓度

不同的微生物絮凝剂有不同种类的金属离子作为助凝剂，一般常见的有 Ca2＋、Mg2＋、Mn2＋、Al3＋等。一定量的金属离子可以促进絮凝剂分子与胶体颗粒间的吸附架桥，中和一部分的负电荷，减少絮凝剂分子与胶体颗粒间的排斥作用，促进絮凝反应。但是金属离子的浓度过高，过多的金属离子就会占据絮凝剂分子上的活性部位，阻碍胶体颗粒与絮凝剂表面的吸附行为，降低絮凝活性。

3 微生物絮凝剂在水处理中的应用现状

3.1 煤泥废水处理

煤泥水是湿法选煤加工过程产生的工业废水，现在一般采用高分子絮凝剂来处理，但是采用高分子絮凝剂不仅价格昂贵，而且还会产生二次污染。寻找一种既经济又安全的絮凝剂来处理煤泥水显得至关重要。现在利用微生物絮凝剂来处理煤泥废水不仅高效、快速、无污染，而且微生物絮凝剂还可以降解有机污染物。国外对微生物絮凝剂絮凝煤泥水的研究相比我国要早，早在60年代R.W Smith利用草分枝杆菌絮凝煤泥水并取得了较好的效果。刘志勇［16］是我国第一个对产煤泥水絮凝剂的微生物进行育种研究的。在实验中分别以原始的、驯化育种后的、紫外诱变后的、化学诱变后的球红假单胞菌和黄孢原毛平革菌为絮凝剂产生菌，利用正交试验研究了原始的、驯化的、紫外诱变和化学诱变育种的微生物絮凝剂产生菌对煤泥水絮凝效果影响。实验表明，原始黄孢原毛平革菌在试验条件下的最大絮凝率为93.5% ；驯化黄孢原毛平革菌的絮凝率最大能达到88.68% ；紫外诱变和化学诱变球黄孢原毛平革菌最高絮凝率分别达到95.08%和95.04%，但是在不同条件下对煤泥水的絮凝效果波动很大，说明通过紫外诱变和化学诱变这两种方式对菌种的改良都可以提高对煤泥水的絮凝效果 ；研究同时表明驯化黄孢原毛平革菌在不同条件下絮凝率变化相对较小，说明驯化育种有助于提高其絮凝煤泥水的稳定性。

3.2 食品工业水处理

食品加工企业的废水含有大量的有机物和悬浮物，其中啤酒和味精等生产企业所排出的废水BOD和COD较高。如果这些废水直接排放到环境中，将会大量消耗水体中的溶解氧，直接导致环境恶化。若利用有机和无机絮凝剂进行处理，则絮凝回收物不容易被降解。实验证明微生物絮凝剂对食品废水有较好的处理效果而且絮凝回收物可降解，不会形成二次污染。曹建平等［17］利用自制高效絮凝剂M－25处理酱油废水，并将处理效果与 Al2（SO4）3和PAM进行比较。实验结果表明使用M－25单独处理酱油废水的效果优于Al2（SO4）3单独使用的效果，并接近PAM的处理效果。在三者絮凝沉降时间的比较中，絮凝剂M－25的时间最短仅为30min。再将絮凝剂M－25与PAM进行复配使用，处理效率明显得到提高，絮凝率和COD去除率分别达到77.2%和79.8%。刘珊［18］从水稻田泥浆中分离出一株产高效絮凝剂菌株，并将发酵所得的微生物絮凝剂按照80ml／1000ml的投加量处理坛坛乡食品有限公司排放出的废水。结果表明，当pH为8.5，1%CaCl2添加量为2.5%，絮凝温度为40℃时，食品废水很快变得澄清，透明，无色。

3.3 重金属废水处理

电镀、采矿、化工等行业每年都会产生大量的重金属废水，这些重金属废水进入环境后对环境和人类健康危害都极大。如何高效、低耗地去除废水中重金属离子的同时，实现废水回用和重金属回收是今后重金属废水处理的发展方向，微生物絮凝剂作为绿色环保絮凝剂同样被应用到了重金属废水絮凝的过程中。苏春彦［19］等利用从天然水中获得的优势菌的胞外聚合物及分离得到的胞外蛋白和多糖对重金属离子铅的絮凝特性进行了探讨。其胞外聚合物及其中的胞外蛋白和多糖在温度为20℃，pH为6.0，吸附平衡时间为6h时，对铅的最大吸附量分别达到23.64、3.48、15.8mg／g。实验证明胞外多糖对铅的吸附能力高于胞外蛋白。张蔚萍等［20］从濂溪河的污泥中筛选出一株高效絮凝剂产生菌X3，并利用单因素实验和正交实验对菌种的营养物质和培养条件进行优化，优化后的菌株X3所产絮凝剂对电镀废水中Cr（VI）的去除率为77.78%。实验说明优化后的菌株所产微生物絮凝剂对电镀废水的处理效果更好。

3.4 印染废水处理

印染废水的色度比一般废水的要高，成分也比一般废水要复杂，其主要表现在COD高、可生化性差、BOD／COD比值小、染料和中间体品种多等。姬秀娟等［21］分析了复合型微生物絮凝剂XJBF－1的物质组成及絮凝活性，并将其应用于印染废水中。结果表明，复合型微生物絮凝剂主要是由多糖组成，分子为线性结构。在pH值为6.0，投加量为7ml／l，1%CaCl2的投加量为8ml／l时，复合型微生物絮凝剂XJBF－1对印染废水中COD的去除率达到66%，而阳离子型聚丙烯酰胺对印染废水中COD的去除率只有54%，从而说明在印染废水的处理中微生物絮凝剂要优于阳离子型聚丙烯酰胺。

4 结语

微生物絮凝剂作为新型水处理剂由于生产成本高，单一菌种效果不理想等因素，限制了其在实际生产的应用。鉴于以上问题，笔者认为微生物絮凝剂应该在以下方向进一步的发展：

（1）寻找一套快速筛菌的方法：自然界中微生物成千上万种，如何快速的从环境中筛选分离出高效絮凝剂产生菌是一切研究的基础。实验室中通过富集、培养、分离等从环境中筛选出菌株后，往往利用高岭土悬液测其絮凝率，但是高岭土测絮凝率往往误差较大。因此有必要建立一套快速、高效的筛菌方法以提高工作效率。

（2）优化培养基：碳氮源是微生物生长代谢的关键能源，实验室中一般用葡萄糖、酵母膏进行发酵。但是葡萄糖、酵母膏价格昂贵，用量大，不利于微生物絮凝剂在实际生产中应用。寻找廉价的碳氮源对于微生物絮凝剂发展与应用有重大意义。

（3）复合菌种的培养：研究表明筛选出的高效絮凝剂产生菌单独使用的絮凝效果没有复合菌种混合培养产生的絮凝剂效果好。探究菌种复合培养的方法有利于推动微生物絮凝剂在水处理中的应用。

（4）构建工程菌：利用转基因技术或者诱变育种的方法获得能快速产高效絮凝剂菌株。

（5）深入研究微生物絮凝剂絮凝机理：只有深入的了解絮凝机理才能更好地将微生物絮凝剂应用到不同的废水中，取得良好的效果。

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