微生物絮凝剂研究及在污水领域的应用现状

章沙沙，柳增善，周红梅，徐健峰

（1. 吉林大学 动物医学学院，吉林 长春 130062；2. 盘锦检验检测中心，辽宁 盘锦 124010）

水是人类生命的源泉。预计到2025年世界2/3的人口将可能生活在水资源匮乏的环境中，随着我国人口的不断增长和城市化的发展，对水资源需求量越来越大，水污染问题日渐突出，污水处理已经成为急需解决的重大问题。我国每年排放的工业废水和生活污水量约1 000亿吨，有的污水未经处理直接排入江河湖海中[1]。污水处理的一个主要困难是分散在水中的颗粒由于其固化稳定性和沉降稳定性而不能得到有效分离。为了破坏其稳定性，对水中的颗粒常采用絮凝沉降的方法。大多数污水处理厂，水箱中的水流经第一个隔室一般是加入絮凝剂来优先处理其中较大颗粒。然后污水流到沉淀池，沉淀池内发生絮凝过程，悬浮颗粒沉淀在池底，澄清上层水流。该阶段的澄清水经过过滤过程，然后进行消毒等后续过程[2]。传统的无机和有机絮凝剂在污水处理中起着关键作用，以聚合氯化铝、硫酸铝等为代表的无机絮凝剂使用后会对环境产生二次污染，大量的铝蓄积到人体内易致老年痴呆。以聚丙烯酰胺、磺化聚乙烯苯等为代表的有机高分子絮凝剂使用后分解的单体具有较强的神经毒性，美国等发达国家在许多领域已限量或禁止使用[3]。而微生物絮凝剂则能够克服这些商业絮凝剂固有缺陷，有望成为传统絮凝剂更安全的替代品。微生物絮凝剂（microbial flocculant，MBF）是一类具有絮凝活性的微生物代谢产物，能凝聚沉淀液体中不易降解的固体悬浮颗粒和胶体颗粒，是一种高效、无毒和无二次污染，具有生物分解性，安全性的绿色水处理剂。目前，微生物絮凝剂在很多发达国家已实现工业化生产及应用，在日本和美国已有多种牌号的微生物絮凝剂销售用于废水处理[4]。我国微生物絮凝剂研发尚处于起步阶段，但我国每年污水产量巨大，随着国家对企业环境影响评价要求越来越严格的情况下，微生物絮凝剂的应用将成为必然趋势，在废水处理中具有广阔的应用前景。

1 微生物絮凝剂产生菌的种类

根据絮凝剂制备和组成来源的不同，可将微生物絮凝剂分为4大类[5]。直接利用微生物菌体作为絮凝剂；利用微生物菌体提取物作为絮凝剂，如细胞壁内含有的葡聚糖、蛋白、甘露聚糖和N-乙酰葡萄糖胺等组分；利用菌体代谢产物，主要来自细菌的荚膜、粘液、多糖、多肽和蛋白质等代谢成分；通过基因克隆技术获得的微生物絮凝剂。根据化学成分不同，微生物絮凝剂可分为3大类：蛋白质和多肽类物质，此类絮凝剂产生菌以芽孢杆菌、红平红球菌和酵母菌等为主；多糖类物质，目前发现的微生物絮凝剂有效成分为多糖类占2/3以上；脂类物质，已发现唯一脂类絮凝剂是红城红球菌制备的微生物絮凝剂，分别由海藻糖二霉菌酸酯、葡萄糖单霉菌酸酯和海藻糖单霉菌酸酯3种组分组成。

研究微生物絮凝剂的最终目的是将其用于实际的生产生活实践中。不同废水由于其来源不同，组成成分也相差很大。处理这些废水所需的微生物絮凝剂功能也千差万别。微生物絮凝剂产生菌广泛分布于空气、土壤、矿石、污水、污泥和动物体内等环境中，种类繁多，包括真菌、细菌和放线菌等，见表1。

表1 废水中使用的微生物絮凝剂产生菌、主要成分及应用范围

续表 1

2 对絮凝作用的影响因素

2.1 温度

微生物絮凝剂一般在常温(20～30 ℃)下使用，絮凝剂的成分与温度关系密切，与多糖类成分的絮凝剂相比，温度对蛋白质类的絮凝剂絮凝效果影响更大。如枯草芽胞杆菌DYU1生产的絮凝剂加热到120 ℃时，由于谷氨酸结构被破坏而完全失去活性[6]。这是因为聚酰胺因温度升高而发生变性，进而引起絮凝剂分子链断裂等结构变化，导致絮凝剂活性下降。

2.2 pH

影响絮凝效率的最重要参数之一是污水的pH值。酸碱度的改变可能会影响微生物絮凝剂的带电状态和悬浮颗粒的表面特性,高效的絮凝效果需要特定类型的絮凝剂[7]。QIAO et al[8]筛选到一株拟青霉M2-1，pH值为较宽范围(2～11)絮凝活性可到达77%以上。LI et al[9]发现一株帕氏芽胞杆菌B69生产的絮凝剂在较为广泛pH(3～11)范围内具有80%以上的絮凝活性，表明这些絮凝剂可广泛应用于城市废水、农业废水和工业废水中。

2.3 微生物絮凝剂的添加剂量

印染废水是指毛、棉、麻及其纺织品在印染过程中产生的废水。印染废水成分复杂，化学需氧量高，有机污染物含量高，碱度高，甚至含有有毒有害物质，如Cr6+、苯胺染料等，是当前环境下较难处理的工业废水之一[22]。微生物絮凝剂具有脱色效果良好、减少废水中的固形物等优点。TAO et al[23]研究发现微生物絮凝剂MBF-gP桥接作用在处理偶氮染料废水中起着至关重要的作用。MBF-gP上的官能团起到吸附中心的作用，氨基上发生了接枝共聚，形成了大而致密的絮凝物。GAO et al[24]报道了从菲律宾分离出一株细菌ZHT4-13产生的絮凝剂MBF4-13，对蓝色和紫色染料具有较强的脱色效率，使亚甲基蓝、结晶紫和孔雀石绿的去除效率分别为86.11%、97.84%和99.49%，而对红色、粉红色和橙色染料的脱色能力较低。相反，邓述波等[25]发现寄生曲霉分泌的微生物絮凝剂对活性蓝和酸性黄的去除效果优于碱性蓝B。

2.4 助凝剂的影响

表6 Panel E列示了国有与民营企业科技产出的回归结果。可以明显发现，国有企业在这一轮创新驱动供给侧改革中是创新科技产出的主体，发明专利与实用新型专利回归中供给侧改革系数13.178和10.263，分别要显著大于民营企业的3.399和4.696。可见国有企业受创新驱动供给侧改革的激励最为突出，大幅度增加了专利的申请。而民营企业相对较保守，政策的引导与激励效果差强人意。

3 微生物絮凝剂在废水处理中的应用现状

3.1 畜牧畜禽养殖废水处理

家禽家畜养殖业废水中的氨氮、BOD和固体悬浮物含量较高，氮磷超标会造成水体富营养化，采用有机和无机絮凝剂处理效果都不理想，而且易产生二次污染，微生物絮凝剂能有效降低废水中的COD、TOC、AN和TN等指标。宋永庆等[12]从污泥样品中筛选出一株絮凝剂产生菌M-3，该菌在最佳培养条件下处理屠宰场废水后絮凝率达78.0%，COD去除率为34.6%，絮凝剂最佳投加比为10～20 mL/L，助絮剂 1% CaCl2最佳投加比例为 30～40 mL/L。本实验室从反刍动物体内分离出一株纤维单胞菌P40-2和一株纤维化微细菌P71-1，在最佳培养条件下制备微生物絮凝剂MBF-P40和MBFP71，处理猪养殖场废水，絮凝率分别为96.07%和93.63%,COD去除率分别为71.05%和88.32%，总氮去除率分别为43.75%和38.50%，氨氮去除率分别为40.22%和40.63%，絮凝剂最佳投加比为10 mL/L，助絮剂 10% CaCl2最佳投加例为 5 mL/L[13-14]。

3.2 城市生活污水处理

重金属废水中含有有毒的Cd、Ni、Hg和Zn等离子，易在生物链中积累，大量排放会危害人体健康。由于重金属离子不能被分解破坏，只能通过转移位置和物理、化学形态来降低废水中的浓度。研究表明，氨基、羧基和羟基等官能团丰富的微生物絮凝剂能有效富集重金属离子，适合处理金属废水。红球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属、脱硫弧菌属和希瓦氏菌属絮凝剂对于重金属离子的吸附量可以达到几十甚至几百mg/g。周焱[26]采用微生物絮凝剂MBFGA1处理含金属镍的污水，实验结果表明，去除率高达 99.21%。LIN et al[27]利用草螺旋藻CH7、类芽胞杆菌CH11、CH15和中度嗜盐菌产生的微生物絮凝剂处理工业废水，结果表明，Cr2+的去除率高达95%，Ni2+去除率高达94%。陈婷[28]利用微生物絮凝剂吸附废水中84.55%的Ni2+、99.13% 的 Pb2+和 94.44% 的 Cd2+。

3.3 水产养殖废水处理

制药废水具有有毒有害物质多、可生物降解物质多和抗生素残留量大等特点。利用微生物絮凝剂的优点和特性处理制药废水，已引起了众多学者的关注。石春芳等[37]分离筛选到一株对制药废水有较强絮凝作用的絮凝剂产生菌G13，处理某制药厂废水时，臭度由5级变为3级，COD去除率为35.19%，浊度去除率为59%，色度去除率为75%。

3.4 染料废水脱色

对絮凝过程影响的重要因素之一是絮凝剂的浓度。絮凝剂用量一般有一个最佳值，在较低的浓度范围内，絮凝效果随絮凝剂浓度的增加而增强。但达到最佳浓度后，继续投加絮凝剂，絮凝效率会下降。也就是说，浓度不足和太高都会使絮凝效果不一样，浓度过高会浪费资源，效率不高。出于产品成本控制等因素考虑，絮凝剂添加量以絮凝效果最佳且用量最少为宜。此外，微生物絮凝剂的搅拌速率、培养体积、絮凝时间和通气量等也会对絮凝效果产生略微影响。

3.5 含重金属废水处理

城市生活污水中含大量的有机污染物，周明罗等[15]以白酒酿造废水替代常规培养基，培养假中间苍白杆菌，添加量为60 mL/L时处理生活污水，絮凝率高达86.8%，悬浮物去除率为92.5%。张超等[16]研究了6种絮凝剂对生活污水进行处理，选用絮凝剂LF-Tou2优化絮凝效果可使生活污水中的COD和SS去除率分别达到92.9%和100%。NIE et al[17]从污水处理厂分离筛选到一株肺炎克雷伯菌 NY1，在投加量为 44 mg/L 时，MNXY1 去除城市废水中总悬浮物的72%，使原废水中的BOD和COD分别从100%降低到89%和84%。本实验室制备絮凝剂MBF-P40在添加量为10 mL/L，pH为6.0～8.0时，处理城市生活污水絮凝率达到50.76%，COD去除率为10%，氨氮去除率为23.08%。

拍摄这张照片的时候，一场风暴即将袭击海岸，我捕捉到了暴风雨即将来临时的戏剧性场面。当时由于买不起LEE的big stopper滤镜，我用了一块焊工用的黑玻璃代替。

3.6 食品工业废水处理

食品工业是工业生产中废水产生量最大的行业之一，其废水成分复杂，含有大量的有机物和悬浮物，直接排放到环境中会消耗水中大量的氧气，严重造成水体恶化，破坏环境。若采用有机和无机絮凝剂处理，絮凝回收率不易降低。微生物絮凝剂能有效去除食品加工厂废水中COD、SS和浊度。杨琳等[29]利用EH-5生产的絮凝剂处理乳品废水和啤酒废水，COD去除率分别达到74.79%和64.15%，浊度去除率分别为93.78%和95.51%，色度去除率分别为75.00%和69.57%。宋清生[30]利用活性炭吸附固定微生物絮凝剂对淀粉废水进行处理，在最佳温度和pH值条件下，淀粉废水的浊度去除率高达 97.7%。ZHANG et al[31]分离得到一株地衣芽孢杆菌，用糖蜜为碳源制备微生物絮凝剂对甘蔗汁进行澄清，清汁的浊度和色值分别达到206 NTU和1 267 IU，处理结果与聚丙烯酰胺处理后结果基本一致。QIAO et al[8]研究获得絮凝剂MBF2-1分别去除大豆炼油废水中55%的COD和53%的油含量，表明MBF2-1处理含有高浓度COD和脂质的大豆炼油厂废水具有潜在的应用价值。本实验室利用絮凝剂MBF-P40和MBF-P71处理面包厂废水，絮凝率分别达到58.68%和87.62%，COD去除率为10.63%和8.4%。

3.7 造纸废水处理

造纸行业发展与环境保护之间的矛盾由来已久,造纸过程中产生的废水排放量大，难降解，是一种高污染的有机废水。造纸废水仅仅通过普通污水处理方式处理并不能达到国家排放标准，主要残留污染物中的COD﹥100 mg/L[32]。微生物絮凝剂作为新一代绿色水处理剂，已逐渐应用于造纸废水处理中。芦艳等[33]利用菌株M-3提取的絮凝剂处理造纸废水，在最佳条件下，絮凝率高达98%，氨氮去除率高达96%，具有很好的净化效果。周英勃等[34]选用廉价的白醋废水作为微生物絮凝剂产生菌W-2的原料处理造纸厂废水，絮凝率高达96.77%，COD去除率为56.13%，色度去除率为95.60%，具有较好去除效果。李文鹏等[35]向造纸厂剩余污泥中投加药剂制备微生物絮凝剂LBF，处理造纸废水COD去除率达39%，SS去除率达87%，较传统聚合氯化铝絮凝剂效果更佳，并且，实现了造纸废物的合理利用，有效降低处理成本。

常见的助凝剂通常为二价金属离子如Ca2+、Mg2+、Fe3+和Al3+等，金属离子能增强微生物絮凝剂的中和作用和桥联作用,大多数微生物絮凝剂以Ca2+作为助凝剂，也有少部分絮凝剂不需要使用助凝剂[10]。如胡筱敏等[11]从土壤中分离得到一株芽胞杆菌A-9，在不需添加Ca2+、Al3+等助凝剂的情况下处理含淀粉厂黄浆废水,悬浮物和COD的去除率明显高于传统微生物絮凝剂。

化工厂排放的废水具有水体量大，成分复杂、污染物含量高、COD值高、有毒有害物质多、色度高和气味重等特点，这类废水的处理已成为当今环保领域的难题。与常规絮凝剂相比，微生物絮凝剂已被证实絮凝过程中产生较小的絮凝基团，固液分离相对迅速，且絮凝后物质无毒害作用，更适合于一些低浓度工业废水处理。吴大付等[36]从某化工厂周围土壤中分离筛选出1株高产絮凝剂的细菌菌株，经优化发酵条件发现其对化工厂污水中悬浮物的去除效果很强，对高浓度染料废水的脱色也有一定作用。本实验利用絮凝剂MBF-P40和MBFP71处理某大型化工集团废水，总氮去除率分别为80.62%和40.71%，具有潜在的应用前景。

在症状辨别困难时可采用简单方法辨别，即将病叶取下，放在一个干净的塑料袋中喷水保湿，15～20℃下放置24～48小时，若背面病部有霉层产生就是霜霉病，无霉层而有菌脓溢出就是细菌性角斑病。

3.8 化工工业废水处理

(1)矽卡岩型金铜锌矿石。矿石成分中矿石矿物为黄铁矿、褐铁矿、黄铜矿、斑铜矿、闪锌矿等，脉石矿物为角闪石、斜长石、绿泥石、绿帘石等，矿石结构主要为粒状结构、交代结构，黄铜矿、斑铜矿、褐铁矿呈他形晶粒状沿裂隙以星点浸染状分布，或呈脉状充填在矿石裂隙中。矿石构造为星点状构造、浸染状构造。

3.9 制药废水处理

水产养殖废水具有碳、氮、磷等营养物质含量较高，COD、BOD5及悬浮物等相对含量较低的特点。利用微生物絮凝剂进行净化是改善水质、缓解氮污染的研究热点。微生物絮凝剂能促进生物絮团在水池塘中形成，以改善池塘水环境，降低饲料投入比例、促进水产动物生长等作用。以色列养殖专家AVNIMELECH[18]发现了一种即实用又经济的方法来减少池塘中无机氮积累，他利用微生物吸收池塘中无机氮，其优点是即降低饲料消耗且减少养殖污水排放，一举两得。目前，水产养殖污水处理应用最广的絮凝菌是硝化细菌和反硝化细菌[19]，近年来，假单胞菌属、产碱杆菌属和脱氮副球菌属等好氧反硝化细菌备受研究学者的关注[20-21]。好氧反硝化细菌不仅缩短工艺流程，而且能充分利用水体中碳源进行自身代谢，充分满足水产养殖富氧需求。

4 微生物絮凝剂研发方向

微生物絮凝剂是近年来备受关注的一种绿色水处理剂，潜在的社会效益和环境效益使得其在污水处理领域具有广阔的应用前景。但就目前研究开发现状来看，微生物絮凝剂还没有广泛应用于工业实际生产中。我国微生物絮凝剂研究工作多数集中在絮凝剂产生菌的分离筛选方面，研究文献很多，真正实现转化应用的少之又少。综合国内外研究进展，对微生物絮凝剂应用面临的问题归纳如下。

（1）目前国内科研人员仍在致力于从植物或较少见的动物中获得微生物絮凝剂，由于微生物培养基成本较高，实验室培养过程中酵母提取物、蛋白胨等的使用量大，成本过高，不利于大规模生产和应用。单一微生物菌种絮凝剂产率低、絮凝能力有限，实际应用中缺乏可行性。

据市级部门的统计结果显示，Y市魔芋种植面积约为8 500 hm2，平均产量达到了1.2 t/hm2。目前，Y市农民专业合作社总量达到了2 800家，已建成的魔芋专业种植村有10个，主要种植方式为经济种植、中药间作和茶叶间套作等［2］。

（2）微生物絮凝剂作为第三代絮凝剂，缺乏相应安全性评价体系和国家产品标准。

（3）由于微生物絮凝剂是天然高分子物质，存在稳定性差、运输贮存困难和防腐保质期短等缺点，这些都增加了应用的难度，在工业实践中尚未实现大规模应用。

多机器人协同系统在汽车焊接生产线中的应 用 …………………………………………… 钟 平，李华雄（31）

互联网技术可以让农业生产者及时了解市场信息，还可以对地域水文、气候、土壤进行综合评估，为农业生产提供重要参考数据。农业生产者如果能在农业生产前及时获取信息，可以降低生产风险。

基于上述现状和问题，思考微生物絮凝剂未来研发方向主要包括以下3点。

（1）今后的研究重点应侧重于使用可生物降解的、易获得、安全的生物聚合物，或利用廉价原料或废物作为常规实验室培养基的替代品。猪场粪水、食品工业废水及其他废水可用为微生物提供能量，同时减少氮等有机物的排放。通过分子生物学手段加强絮凝剂产生菌絮凝基因的研究，对高效絮凝剂产生菌进行诱变，增加参与絮凝核苷酸基因的表达量，实现絮凝基因的异源表达，选择应用更广效率更高的絮凝剂产生菌，逐步构建高效工程菌体系。利用纳米纤维素、葡聚糖、木质素、果胶、单宁和秋葵等为原料，开发新型生物絮凝剂[38-40]。新型生物絮凝剂的潜在来源范围每年都在增长。可以预期新来源的絮凝剂及其改性技术的开发，将很快替代传统絮凝剂。

（2）建立一套完整的微生物絮凝剂产品评价体系，逐步制定微生物絮凝剂国家产品标准，并将产品推广应用到不同行业污水处理中，参照国家标准《污水综合排放标准:GB 8978—1996》及各行业污水排放标准，评估污染物排放限值是否达标。建立产品安全性评价体系，通过急性毒性试验计算小鼠半数致死量（LD50）；对小鼠灌胃或腹腔注射微生物絮凝剂14天，开展慢性毒性试验，评价产品的安全性，为絮凝剂产品工业化生产提供卫生学依据。

（3）优化微生物絮凝剂产品的提取方法和贮存技术；研究与传统絮凝剂复配的复合型微生物絮凝剂，或获取新的生物材料及其改性方法，如与聚合物纳米复合材料联用，开拓絮凝剂的应用范围，更好地在废水处理工业中发挥作用。