微生物絮凝

微生物絮凝剂在水处理中的应用摘要：微生物絮凝剂法广泛应用于水处理中。本文主要论述了微生物絮凝剂的分类，絮凝机理，影响絮凝活性的因素及在水处理中的应用。关键词：微生物絮凝剂；水处理；应用1前言随着水处理技术的发展,絮凝剂的研究和应用越来越受到重视。微生物絮凝剂是某些微生物在特定的培养条件下，生长到一定阶段而产生的有絮凝活性的次生代谢物质，可作为一种新型水处理剂，具有安全、高效、易生物降解等特性[1]。微生物絮凝剂多数相对分子质量较大(104~106)，分离纯化的微生物絮凝剂主要有多聚糖、糖蛋白、糖脂、脂蛋白、DNA、RNA、纤维素等，其中以多聚糖和糖蛋白类物质占绝大多数[2]。2微生物絮凝剂的分类1)直接利用微生物细胞的絮凝剂，如某些细菌。其中霉菌、放线菌和酵母，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。2)利用微生物细胞提取物的絮凝剂，如酵母细胞壁的葡聚菌、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酸葡萄糖胶等成分均可以作为絮凝剂。3)利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物，主要有细菌的荚膜和粘液质，除水分外，其余主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及复合物，其中多糖在某种程度上可作为絮凝剂[3]。3微生物絮凝剂的絮凝机理微生物絮凝剂在液体介质中主要通过其电荷性质和高分子特性使胶体脱稳、絮凝沉淀、固液分离。研究工作者已经提出多种絮凝机理，其中以“桥联作用”机理最为人们所接受。3.1“桥联作用”机理该学说认为微生物絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力，同时吸附多个胶体颗粒,在颗粒间产生“架桥”现象，并形成一种网状的三维结构而沉淀下来。Lee等以吸附等温线和ζ电位测定表明，环圈项圈藻PCC-6720所产生的絮凝剂对膨润土絮凝过程是以“桥联作用”机理为基础的。电镜照片显示细菌之间有胞外聚合物搭桥相连，正是这些桥使细胞丧失了胶体的稳定性而紧密聚合并在液体中沉淀下来。3.2“电性中和”机理胶体粒子的表面一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子或水解产物靠近胶粒表面时，将会中和胶粒表面的一部分负电荷，减少静电斥力，从而使胶粒间因发生碰撞而凝聚。3.3“卷扫作用”机理当微生物絮凝剂投加到一定量且可形成小粒聚体时，可以在重力作用下迅速网捕,卷扫水中胶粒而产生沉淀分离，称为“卷扫作用”或“网捕作用”。“卷扫作用”基本上是一种机械作用。此外，还有其它的一些絮凝机理，如粘质学说、酯合学说、荚膜学说等也可解释部分絮凝现象。絮凝的形成是一个复杂的过程，单一的某种机理并不能解释所有的现象，絮凝作用是多种作用的共同结果[4]。4影响絮凝活性的因素4.1分子量絮凝剂分子量大小对其絮凝效果的影响很大，分子量越大，絮凝活性越高。当絮凝剂的蛋白质成分降解后，分子量减小，絮凝活性明显下降。一般线性结构的大分子絮凝剂的絮凝效果较好，如果分子结构是交链或支链结构，其絮凝效果就差[5]。4.2絮凝剂的投加剂量每一种絮凝剂都有一个最佳投加剂量，过多或过少，絮凝效果均会下降。据分析，投加剂量的最佳值约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到1/2饱和时的吸附量，此时大分子在固体颗粒上架桥几率最大。4.3温度适当提高温度可提高絮凝效率。絮凝物质结构上含有蛋白质或肽链的絮凝剂一般都是热不稳定的，高温可使这些高分子物质空间结构改变，导致变性，从而使絮凝活性下降。而由糖类构成的絮凝剂则是热稳定的，它们对温度不敏感，絮凝剂活性不随温度的改变而改变，或者改变较少。例如R.erythropolis产生的絮凝剂在100℃的水中加热15min后，其絮凝活性下降50%。4.4PH微生物絮凝剂的活性随pH值的变化而变化，因为酸碱度的变化影响微生物絮凝剂及其被絮凝物表面电荷、带电状态及中和电荷的能力。在一定的pH值范围内，微生物絮凝剂表现出良好的絮凝活性。不同的絮凝剂对pH值变化所表现的效果也不一样，同种絮凝剂对不同的被絮凝物具有不同的pH初始值要求。4.5金属离子的种类和浓度金属离子的种类和浓度对微生物絮凝剂的影响较大。适当浓度的金属离子可以促进微生物絮凝剂分子与悬浮颗粒以离子键结合，从而提高絮凝活性，这对于提高微生物絮凝剂的絮凝活性有重要意义。但是，金属离子的浓度不能过高，否则，由于大量离子占据了絮凝剂分子的活性位置，把絮凝剂分子与悬浮颗粒隔开而抑制絮凝。而不同的絮凝剂，其适合的离子种类有所差异，目前研究较多的有二价离子中的Ca2+、Mg2+、Mn2+等，以及三价离子中的Al3+、Fe3+等。4.6分子结构单线性结构比交联和支链的结构好。4.7微生物的培养期培养后期的产生菌形成的絮凝剂絮凝效果较好[6]。5微生物絮凝剂在水处理中的应用5.1在污水处理中的应用5.1.1城市生活污水杨开等采用微生物絮凝剂普鲁兰(Pullulan)和聚合氯化铝复合絮凝的方法，对我国南方低浓度城市污水进行了强化一级处理试验研究。结果表明，在最佳复配比和最佳絮凝动力学条件下，复合絮凝剂对污水浊度、COD、TP、NH3—N等指标的去除率分别达到了95%、58%、91%、15%以上，且具有污泥沉降与脱水性能良好、处理费用低等特点。尹华等筛选出的菌株GS7，处理城市污水等实际废水时具有用量少、澄清速度快等特点，浊度去除率达93.5%。5.1.2建材和焦化废水含有高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水，例如陶瓷厂废水，主要包括胚体废水和釉药废水两种，前者主要含有较多的黏土颗粒，后者除含黏土颗粒外，还有相当数量的釉药。当添加NOC-1后5min,胚体废水的浊度从原来的1.4降低到0.043；釉药废水的浊度从17.2下降到0.35；浊度去除率分别为96.6%和97.9%，可得到几乎透明的上清液。有研究表明，微生物絮凝剂的投加量在20010-16时，就能达到FeCl3浓度超过300010-6时的絮凝效果。5.1.3染料废水现今用活性污泥法去除废水中的COD并非难事，但对于脱色还缺乏比较有效的办法，特别是可溶性色素很难处理。采用微生物絮凝剂NOC-1，对墨水、糖蜜废水、造纸黑液、颜料废水等进行的试验表明，处理后上清液呈无色透明。李智良等用P.alcaligenes8724菌株产生的絮凝剂，在实验室对纸浆黑液和氯霉素等色素较深的废水进行脱色处理，脱色率分别达95%和98%以上。庄源益等用生物絮凝剂对水中染料的脱色进行的大量试验表明，在含有钙离子的条件下，对直接黑染料生产废水稀释液的脱色率达60%左右[7,8]。5.1.4畜产废水畜禽废水的BOD较高，是属于较难处理的一类高浓度有机废水。如猪粪尿废水，采用合成高分子絮凝剂处理效果不好，而采用NOC-1微生物絮凝剂加Ca2+处理,则效果十分显著，处理后10min废水的上清液变成几乎透明的液体。废水的TOC由处理前的8200mg/L变为2980mg/L，去除率达63.7%，浊度由处理前的15.7变为0.86，去除率达94.5%。R.erythropoli培养物与一定浓度的钙离子溶液混合后，对该种废水的TOC去除率将会更高，同时对总氮也有显著的去除作用[9]。5.1.5食品工业废水由于微生物絮凝剂具有安全、无毒的特性，逐渐在食品废水处理中被采用,并达到了满意的效果。如用微生物絮凝剂普鲁兰处理味精废水，其COD和SS的去除率可达到40%左右，其浊度去除率可达99%。邓述波等用MBFA9处理淀粉厂的黄浆废水，无论是悬浮物还是COD的去除率均高于传统的化学絮凝剂PAM，且可回收蛋白质成分作饲料。5.1.6鞣革废水在鞣革工业废水中加入C-62菌株产生的絮凝剂，浊度去除率可达96%。柴晓利等筛选到的Azomonassp.的发酵液对皮革废水的脱色效果也非常明显。5.1.7塑料废水在塑料工业中，酞酸醋作为一种增塑剂被广泛应用，所产生的废水中含量较高，因此比较难处理。许多微生物不仅能产生絮凝剂,还能降解有机物，如Rhodoccocusnerythropolis能在以酞酸酣为炭源的培养基上生长，并合成一种酶。该酶将具有不同支链的邻苯二甲酸醋分解成邻苯二甲酸及乙醇，同时产生絮凝剂,达到双重处理效果。5.1.8电镀废水电镀废水中的铬，属于重金属，对环境及人体危害较大。田小光等以硫酸盐还原菌培养液为净化剂，可使水中的Cr6+含量由44.11mg/L下降为5.365ug/L。5.2其他方面的应用5.2.1给水和饮用水水源水中往往含有颗粒物、少量有毒有机物及水中滋生的病原菌等。微生物絮凝剂在给水中去除浊度、病原菌等方面的效率，高于传统的无机及有机絮凝剂，而且用量少，应用范围广，沉淀物滤过性好，饮用后对人体无毒副作用。5.2.2乳化液的油水分离Aguilaw等在乳化液中加入特定的絮凝剂，在一定程度上可使油水分离。如用Alcaligeneslatus培养物可以很容易地将棕搁酸从其乳化液中分离出来。试验表明，向100mL的0.25%乳化液中加入10mLAlcaligeneslatus培养液和1mL聚合氨基葡聚糖，乳化液中形成明显可见的油滴并浮于表面，下层清液的COD值从原来的450mg/L下降为235mg/L，下清液的COD去除率为48%，远好于无机絮凝剂和人工合成的高分子絮凝剂。5.2.3活性污泥沉降性能的改善活性污泥法处理过程中容易发生污泥膨胀，从而影响处理效率。微生物絮凝剂还能迅速消除污泥膨胀，取得良好效果。如甘草制药废水生化处理过程中形成的膨胀性污泥，当在其中添加由红平红球菌制得的微生物絮凝剂NOC-1后，污泥的SVI很快从290下降到50，消除了污泥的膨胀，恢复了活性污泥的沉降能力。微生物絮凝剂还可以改善污泥的沉降性能。活性污泥处理系统的效率常因污泥沉降性能变差而降低。某些微生物絮凝剂能有效防止污泥解絮，提高处理系统效率，而不会降低有机物去除率[10]。5.2.4发酵产品的固液分离利用絮凝剂对细胞具有优良的沉降性能来去除发酵液中的菌体，可大大减少能耗、降低成本，且操作简单、管理方便。如在酿酒工业中，有絮凝性能的酵母替代没有絮凝性能的酵母可以酿出质量更好的啤酒；另外，在生物乙醇和面包发酵酵母的生产中也应用了这种絮凝剂。用絮凝方法可以提高去除固体物的效率，减少处理时间，有助于降解不稳定生物物质以及节省成本。6微生物絮凝剂的优点6.1高效性与现在常用的各类絮凝剂相比，同等用量下，微生物絮凝剂对活性污泥的絮凝速度较快，且絮凝物更容易过滤除去。6.2无毒性微生物絮凝剂是一类天然无毒的有机高分子化合物，对环境和人类均无毒无害，可以用于食品、医药等行业的发酵后处理。6.3可消除二次污染由于微生物絮凝剂主要成分为糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子物质，具有生物优先降解性，可消除对环境造成的二次污染。6.4絮凝范围广泛，脱色效果独特微生物絮凝剂对多种颗粒以及可溶性色素物质等都具有优良的絮凝能力和脱色能力，可用来处理生活污水和工业废水。对大肠杆菌、酒精酵母等微生物及有混合培养系的活性污泥具有显著的絮凝效果；对无机物如高岭土、火力发电厂的粉煤灰及粉末活性炭等具有优异的絮凝效果。6.5节约药剂试验研究结果表明，与单纯的化学絮凝沉淀处理相比，可以节省药剂20%以上。由于药剂消耗量减小和空气混合絮凝反应过程的生物氧化作用使污泥量有较明显的降低，从而使污泥固体总量减少20%以上。复配PAM有助于进一步降低药剂投加量和降低污泥含水率。6.6运行方式灵活在采用空气混合絮凝反应的情况下，处理系统可按3种方式运行：化学絮凝沉淀强化一级处理、化学-生物联合絮凝沉淀强化一级处理、生物絮凝沉淀强化一级处理，以适用不同时期水质水量的变化，运行灵活性明显提高[11,12]。6.7去除效率高化学-生物联合絮凝沉淀处理系统通过污泥回流和保持较高的反应池污泥浓度，一方面提高了化学药剂的有效利用率，生成的氢氧化铝或氢氧化铁回流到反应池后可以继续与磷酸盐反应生成沉淀物，降低药剂消耗量；另一方面，污泥回流可以加快絮状物的形成，加上污泥浓度的提高，在沉淀池中迅速形成污泥层，增强网捕过滤作用，可明显改善分散性悬浮物和金属磷酸盐细微沉淀物的固液分离和沉淀去除效果，加快絮凝沉淀物在沉淀池中的沉淀。除此之外，污泥回流还可以提高污泥的密度