微生物絮凝剂MBF7的生长条件与应用研究

微生物絮凝剂（MBF7）的生长条件与应用研究在近年的应用里，有通过向废水中投加絮凝剂的实例，其中多数为化学絮凝剂，最常用的无机絮凝剂主要为铝盐，它具有投药少，沉降速度快，除浊度好的优点[1]。但因为铝盐的长期使用会导致老年痴呆症，而且沉淀物无法回收利用。而微生物絮凝剂是一种高效且能自然降解的新型水处理剂，相比于第一和第二代絮凝剂，有无毒无害，可自然降解，沉淀物可回收利用等优点[2，3]，近年受到人民的广泛关注。成文等［4］从广州市某污水处理厂的活性污泥中筛选出一种高效的微生物絮凝剂产生菌，经鉴定为青霉（Penicilliumsp.），属于对称二轮青霉组，质地多为绒状，也有絮状，表面初为灰蓝色、蓝绿色，中间有淡黄色带，老后渐为灰绿色、暗灰色；背后为红棕色、深紫色和深褐色，色泽渗入培养基。该菌所产生的微生物絮凝剂称为MBF7。微生物絮凝剂就是利用生物技术，从微生物或其分泌物提取、纯化而获得的一种安全、高效、且能自然降解的新型水处理剂，包括糖蛋白、多糖、纤维素、蛋白质和DNA等［5］。不同的絮凝剂产生菌产生絮凝剂的条件不同，主要影响因素为培养基的碳源、氮源、培养温度、初始pH值、通气速度等［6］。微生物的絮凝作用实际是由微生物所合成或分泌的高分子有机物质来实现的[7,8.9]。由于影响微生物产生絮凝剂的因素很多，本文通过测定微生物在两种不同培养条件下产生的MBF7对废水的絮凝作用来探讨对微生物絮凝剂的产出有影响的环境因素以及这些因素的重要性，从而得到微生物絮凝剂产生菌的最佳生长条件。另外由于微生物絮凝剂的应用范围很广，不同生长条件的微生物絮凝剂，其应用范围也不同。为了探讨微生物絮凝剂（MBF7）的应用前景，本人利用微生物絮凝剂MBF7处理餐厅废水、印染废水、淀粉废水进行研究。1、材料与方法：1.1、菌种：为属于青霉的一株微生物絮凝剂产生菌，其产生的絮凝剂称作MBF7。1.2、培养基：葡萄糖培养基PDAmedium（g/L）：葡萄糖20.0g，尿素0.5g，酵母膏2.0g，KH2PO42.0g，K2HPO45.0g，NaCl0.1g，（NH4）2SO40.2g,水1000ml，调节pH为7.5～8.5。蔡氏培养基CzapekAgar(g/L)：蔗糖30.0g,KCl0.5g，K2HPO41.0g，MgSO4.7H2O0.5g，NaNO33.0g,FeSO40.01g，水1000ml，调节pH为7.0。1.3、供试水样：餐厅废水：广州某酒楼排放的餐厅废水，原水浊度为125.6。印染废水：广州某丝绸印染厂废水，原水色度为34.5。淀粉废水：广州市某厂发酵车间排放的废水，主要成分为淀粉和糖类，此处，简称为淀粉废水。原水浊度为226.0。1.4、设备与器具：器具：酒精灯、接种环、锥形瓶设备：高压灭菌锅、净化操作台、恒温振荡器、磁力搅拌器、混凝实验搅拌器、浊度仪、752分光光度计1.5、微生物絮凝剂的制备：把絮凝剂产生菌的绿色孢子接种到已灭菌的培养基里，放进恒温震荡培养器中培养，温度为30℃,振荡频率为150r／min～200r／min，培养5天。取滤液，即为本实验用微生物絮凝剂（MBF7）。1.6、混凝实验：在装有1L淀粉废水的量杯中，先后加入5.0ml10%的CaCl2和适量的微生物絮凝剂（一般为20ml），调节所需pH值（一般为8.0）。在设定搅拌程序下进行混凝实验。静置20min，分别用浊度仪和分光光度计测定上清液的浊度和OD550nm。同样做空白实验。1.7、最佳搅拌速度的确定:在确定最佳pH和最佳投药量基础上，按设定搅拌程序进行混凝实验。设定程序为:表1搅拌程序的设置Table1Thesettingofmixtureprocedure搅拌程序Mixtureprocedure转速Rotaryspeed01400r/30s→60r/3min02600r/20s→200/1min30s→60r/3min03600r/20s→400r/20s→200/1min30s→100r/2min→60r/3min06600r/20s→400r/20s→140/1min30s→70r/2min→30r/3min静沉20min后抽取上清液测定其浊度或色度。注：在培养基的比较中，用程序06，餐厅和印染废水用前三个程序。1.8、AL2(SO4)3的絮凝沉淀实验：将废水的pH值调至8，经磁力搅拌器的初试实验后，每1L的废水中投加量为10%的AL2(SO4)36ml。利用确定的最佳搅拌速度进行试验，静沉20min测定其浊度。从而和MBF7号生物絮凝剂进行比较。1.9、指标分析方法：a、絮凝率：浊度(絮凝率)去除率(%)=(A-B)/A×100A：空白实验上清液的OD550nm或浊度。B：微生物絮凝剂絮凝后上清液的OD550nm或浊度。b、菌量分析：①通过用分光光度计测定菌液的吸光度，在660nm的波长下，吸光度的大小与菌量有对应关系。吸光度数值越高，则说明菌量越多。②通过干重法法表示。2、结果与分析：2.1、生长条件的研究：2.1.1、培养基的选择和比较：在微生物絮凝剂实验室生产过程中，一般用葡萄糖培养基和察氏培养基。为寻找最佳培养的培养条件，在相同的条件下，进行了一系列的对比实验，结果见图1和图2：由图1知：菌生长量来看，葡萄糖培养基和蔡氏培养基的最佳时间都为3～5d，其中葡萄糖的峰值出现在第4天；但蔡氏培养基的最佳时间出现略慢，峰值在第５天，且从菌的生长量来看，葡萄糖培养基的菌量明显比蔡氏培养基高，说明葡萄糖培养基更有利于菌的生长。从培养基成分的分析上看，蔡氏培养基用蔗糖代替葡萄糖做碳源，用无机盐NaNO3代替有机氮做氮源，葡萄糖培养基中碳、氮、磷之比为100:4:5,而蔡氏培养基中的碳、氮、磷之比为100:3.8:0.4。这说明MBF7产生菌的生长需要更多的磷源，MBF7产生菌对有机氮的的吸收易于无机氮，而对低分子碳源（葡萄糖）的吸收易于高分子的碳源（蔗糖）；从培养基中的生长因素上看，葡萄糖培养基中含有2g/L的生长因子——酵母膏，而生长因子主要是调节微生物代谢活动的B族维生素[10]，因此促进了MBF7产生菌的生长代谢，使MBF7产生菌提前在第2天进入对数增长期。而在蔡氏培养基中则缺乏生长因子，磷源又供应不够，致使生长曲线不稳定，到第5天才进入峰值，而很快由于营养不够进入衰亡期，生长没有那么好。另将不同菌龄的絮凝剂用于处理淀粉废水，絮凝效果见图2，葡萄糖培养基对废水的浊度去除率在2天就开始大于90%，最高达到99％，而蔡氏培养基最高只达到85.4％，而且呈下降趋势。这就跟上述培养基的营养成分比例有关系。因此说明葡萄糖培养基比蔡氏培养基更适合MBF7的生长。目前暂时不考虑廉价培养基的配备，以下的实验研究都只采用葡萄糖培养基,寻找其它最佳生长条件。2.1.2、培养基最佳pH的筛选：初试确定pH为碱性，将葡萄糖培养基调至pH为6.5，7，7.5，8.5，9.0，9.5的六种情况下培养，测定絮凝效果，其结果如下图3：由图3可知，MBF7产生菌对pH的适应比较强，无论是弱酸性（pH=6.5）还是强碱性(pH=9.5)条件下所产生的絮凝剂对淀粉废水的处理效果都达到８１%以上。从菌生长量来看,该菌在不同pH值条件下差别较大，菌生长量主要反映细菌的生长情况,间接反映微生物絮凝剂的产生量和絮凝效果，因此从细菌生长的情况来看，pH值控制在7.5～8.5范围较好，与混凝实验中效果的最佳值吻合，因此，在实验室中，培养基的最佳pH值为7.5～8.5，但在以后工业化生产中，pH值无需调整得十分精确，只要控制在弱碱性即可。从两条曲线走向来看，微生物絮凝剂活性与微生物生长量是正相关的，相关系数为0.9092。2.1.3、菌龄对絮凝效果的影响从图4可以看出来，微生物絮凝剂对淀粉废水的处理效果与菌生长量的变化曲线基本上是同步的，在1～4天之内，细菌不断增加，絮凝效果也不断提高，在第4天达到峰值后，5～8天后，两个值都不断下降，因此无论从菌生长量还是絮凝效果来考虑，菌龄的最佳时间为3～4天，即72～96hr。同时，我们还测量培养基的pH值变化，反映培养基pH值随时间的变化曲线，见图5：由图5可看出，pH值的变化趋势与絮凝效果和菌生长量的变化趋势基本一致，但在时间上略快2天。在1～2天内，pH值的变化值较大，2～4天，pH值的变化都在1.3以上，说明菌处于对数生长期，反应速度快，将葡萄糖迅速分解并酸化，因此培养基的pH值呈现出酸性，到4天以后，由于菌进入稳定生长期，葡萄糖的量减少，因此pH值逐渐上升至7.5附近，此实验说明pH值的变化与浊度的去除率、菌生长量的变化基本是相同的，但时间上ＰＨ值的改变会早1～2天，因此我们可以通过测量培养基的pH值来了解微生物的生长情况，预测以后的絮凝剂的生成量，在工业生产中，我们可以迅速、快捷地测量培养基的pH值，作为了解微生物生长情况的重要指标。2.2、应用研究：2.2.1餐厅废水最佳工艺参数的确定：2.2.1.1、最佳pH值的确定：MBF7微生物絮凝剂通过初试筛选发现在碱性条件下作用显著，因此在碱性范围选取六个pH值进行，结果见图6：由图6中可以看出，当pH=7.5时，浊度的去除率接近90%。pH在8上升到12时，浊度去除率在95%附近波动。虽然当pH=9和pH=11时，浊度去除率大于97%，但考虑到试剂的用量和效果，当pH＝8时己基本实现微生物絮凝剂所能达到的最佳效果，因此将最佳的pH值确定为8。2.2.1.2最佳投药量：寻求微生物絮凝剂的最佳投药量，既能保证混凝效果，又能尽量少地投入药剂，选取一系列的投药量，将pH调到8，进行投药量梯度实验。结果见图7从图7中可以看出，当投药量为5ml时浊度去除率＜90%，当投药量10ml时，浊度去除率＞90%。因此只要投加量大于10ml，则浊度去除率就大于90%。这可在工业生产中，指导微生物絮凝剂的投加。本实验中投加量＞20ml时，浊度去除率稳定在96－97%。表明20ml几乎接近微生物絮凝剂的最佳值，另外考虑微生物絮凝剂和水质的不稳定性，投加量为20ml是比较合适的。因此以后的实验中建议每1000ml餐厅废水中投加量20mlMBF7号生物絮凝剂。2.2.1.3、搅拌速度的确定：混凝实验中，必须是搅拌强度由快速向慢速时间由短向长的过渡，实验结果见表2：表2搅拌程序对MBF7絮凝效果的影响Tab.2EffectofdifferentmixtureontheflocculationofMBF7搅拌程序Mixtureprocedure原水浊度Turbidityofuntreatedwater处理后浊度Turbidityoftreatedwater浊度去除率Turbidityremoval/%01125.619.384.602125.612.290.303125.64.0296.8由上表可以看出浊度去除依次排序为03＞02＞01。这表明搅拌速度的过渡越缓慢，越有利于压缩双电层及电性中和作用和吸附～架桥作用，胶体相互凝聚成大颗粒，逐渐沉淀下来，矾花的形成与沉降越好。随着反应速度等级的增加（搅拌程序02、03）效果越来越好。因此最佳的搅拌速度为程序03。2.2.2、印染废水最佳工艺参数的确定：2.2.2.1、投药顺序的确定：在100ml里进行10%CaCl0.5ml、MBF7絮凝剂的先后投加顺序，再调pH值为8的效果比较。结果显示10%CaCl0.5ml和MBF7絮凝剂先后加与同时加的三个实验现象差不多，都形成较大的矾花，沉降较快，絮凝效果较好。这说明药剂的投加顺序对絮凝效果没有多大影响。2.2.2.2、最佳pH值的确定：MBF7微生物絮凝剂通过初试筛选发现在碱性条件下作用显著，因此在碱性范围选取六个pH值进行，结果见图8：由图8中可以看出，当pH=7.5时，浊度去除率只有21％。而当pH值调到8后，浊度的去除率立即上升到86%。说明印染废水对于弱碱性比较敏感。pH在8上升到12时，浊度去除率在90%附近波动，效果较稳定。说明大于8的碱性条件有利于矾花的形成与沉降。考虑到试剂的用量和效果，当pH＝8时己基本实现