周曉鐵，韓 昭，孫世群，鄭志俠，海子彬

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽省污水處理技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

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微生物絮凝劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

周曉鐵1，韓 昭2，孫世群2，鄭志俠1，海子彬1

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽省污水處理技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

絮凝劑通常被用于沉降液體中不易沉淀的固體懸浮顆粒[1]。傳統(tǒng)絮凝劑主要分為兩大類：化學(xué)絮凝劑和生物絮凝劑?；瘜W(xué)絮凝劑包括無(wú)機(jī)絮凝劑(如PAC、三氯化鐵等)和有機(jī)高分子絮凝劑(如聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等)[2]。但在實(shí)際工業(yè)水處理過(guò)程中，化學(xué)絮凝劑用量較大，易對(duì)環(huán)境造成二次污染，并且大多會(huì)對(duì)人類的健康造成影響，如“三致”效應(yīng)和引發(fā)老年癡呆癥等[3]。

微生物絮凝劑(Microbial flocculant，MBF)，是微生物或者其分泌物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，主要是糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等高分子化合物[4]。與傳統(tǒng)絮凝劑相比，微生物絮凝劑具有效率高、可生物降解、安全無(wú)毒、適用范圍廣等特點(diǎn)，因而，微生物絮凝劑逐漸成為了人們研究的熱點(diǎn)。

1微生物絮凝劑的制備工藝

1.1利用醬油釀造廢水制備MBF醬油廢水中含有微生物生長(zhǎng)繁殖和代謝所需要的碳源、氮源及無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可用于微生物的培養(yǎng)。劉艷娟等從醬油廢水中篩選出具有較高活性的菌株，確定當(dāng)醬油廢水COD為3 000 mg/L，搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min，培養(yǎng)溫度為28 ℃，培養(yǎng)72 h，其絮凝效率可以達(dá)到78.3%[5]。

1.2利用淀粉廢水制備MBF淀粉廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，含有多種糖類、氨基酸、有機(jī)酸、維生素以及酶類等物質(zhì)，具有生產(chǎn)微生物絮凝劑的潛力。顏東方等利用馬鈴薯淀粉廢水培養(yǎng)Candidaanglica菌株。結(jié)果表明，活性物質(zhì)的最佳營(yíng)養(yǎng)條件:10 ml/L甘油作為外加碳源，0.5 g/L(NH4)2SO4為氮源，添加1 g/L MgCl2和1 g/L KH2PO4。采用該馬鈴薯淀粉廢水發(fā)酵菌株，絮凝活性物提取率為1.36 g/L[6]。

1.3利用沼液制備MBF李靜等為了降低絮凝劑的發(fā)酵成本，嘗試對(duì)以牛糞和秸稈為底物的發(fā)酵沼液進(jìn)行離心處理，然后添加2 g/L葡萄糖、5 g/L K2HPO4和2 g/L KH2PO4制成培養(yǎng)基，為放射性根瘤菌和球形芽孢桿菌提供營(yíng)養(yǎng)。最終試驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)酵溫度為29.5 ℃，培養(yǎng)基初始pH為7.5，接種量為8.5%，發(fā)酵時(shí)間為23 h時(shí)，其絮凝率可以達(dá)到87.13%[7]。

1.4利用生物制氫廢液制備MBF發(fā)酵法生物制氫廢液COD濃度高、pH較低，具有可再利用價(jià)值。由陽(yáng)等利用生物制氫廢液篩選高效產(chǎn)絮菌。在無(wú)須調(diào)節(jié)pH的條件下，經(jīng)分離篩選得到有6株較強(qiáng)產(chǎn)絮能力的菌株。試驗(yàn)表明，當(dāng)接種率不同時(shí)，各菌株的產(chǎn)絮能力也不同，其中一株絮凝率最高可達(dá)到92.3%，且絮凝率隨接種率的增加而升高[8]。

1.5利用污泥制備MBF剩余污泥作為水處理過(guò)程中的副產(chǎn)物，主要由多種微生物形成的菌膠團(tuán)及其吸附的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成。以剩余污泥為原料制備MBF，不僅可以降低其生產(chǎn)成本，也可以實(shí)現(xiàn)剩余污泥資源化回收利用[9]。目前常利用脫水污泥、污泥殘?jiān)褪Ｓ辔勰鄟?lái)制備MBF。

2微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理

目前，關(guān)于微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理有很多種觀點(diǎn)和假說(shuō)，其中比較普遍的是“吸附架橋”學(xué)說(shuō)、電性中和機(jī)理、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和卷掃(網(wǎng)捕)作用等。

“吸附架橋”學(xué)說(shuō)是指絮凝劑會(huì)借助分子間的離子鍵、氫鍵以及范德華力，同時(shí)吸附多個(gè)懸浮顆粒，將其聯(lián)接在一起，形成一種網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)沉淀下來(lái)。這種學(xué)說(shuō)也是目前被普遍接受的[10]。電性中和機(jī)理則認(rèn)為液體中的膠體分子通常表面帶負(fù)電荷，遇到表面帶正電荷的絮凝劑大分子，電荷會(huì)發(fā)生中和反應(yīng)，膠粒脫穩(wěn)從而吸附在一起聚集沉淀下來(lái)[11]。而化學(xué)反應(yīng)學(xué)說(shuō)則是認(rèn)為絮凝劑表面存在的基團(tuán)和膠體表面的基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成大分子沉淀下來(lái)。在研究過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)絮凝體系的pH和溫度來(lái)增強(qiáng)絮凝效果，分別解釋了電性中和機(jī)理和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的存在性[12]。卷掃(網(wǎng)捕)作用是指當(dāng)絮凝劑投加以后，其在膠體中的下沉過(guò)程中會(huì)形成絮狀體，網(wǎng)捕膠體中的膠體分子，形成大顆粒沉淀而達(dá)到與膠體的分離[13]。

此外，國(guó)內(nèi)外還有PHB聚合學(xué)說(shuō)、Buterrfield提出的黏質(zhì)假說(shuō)以及類凝集素假說(shuō)等一些學(xué)說(shuō)[14]。

3微生物絮凝劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，微生物絮凝劑的應(yīng)用研究已涉及多種廢水的處理，但是在實(shí)際工程中并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。表1列出了在部分工程應(yīng)用中所涉及的菌種、來(lái)源以及絮凝效果。

表1　絮凝劑在各工程應(yīng)用中的的絮凝效果

3.1高濃度無(wú)機(jī)廢水主要是指工業(yè)廢水的脫色處理、懸浮顆粒的沉降以及金屬離子的去除等。印染廢水具有色澤深、成分復(fù)雜、可生化性差的特點(diǎn)，屬于難處理的工業(yè)廢水。張蔚萍等在土壤中篩選出一種放線菌F-1-2菌株，并將其應(yīng)用到甲基橙印染廢水的處理中，取得了良好的處理效果。該菌株在碳源為蔗糖，氮源為NaNO3，在轉(zhuǎn)速為150 r/min，30 ℃恒溫條件下培養(yǎng)72 h后，甲基橙印染廢水的脫色率達(dá)到68.4%[15]。

嬰兒出生后三四個(gè)月內(nèi)，抱他的姿勢(shì)一定要注意，不要讓髖關(guān)節(jié)受到拉伸，也不要擠壓。正確的方法是：豎抱時(shí)，寶寶面向媽媽，腿部呈“M”字打開(kāi)；橫抱時(shí)，避免讓兩條腿緊緊貼合在一起。媽媽們?cè)谟脣雰罕辰砘蛉墙戆鼘殞殨r(shí)一定要考慮到對(duì)髖關(guān)節(jié)的影響。

3.2高濃度有機(jī)廢水高濃度有機(jī)廢水包括淀粉廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、造紙廢水、棉漿廢水及啤酒廢水等。

淀粉加工廢水屬于高濃度有機(jī)廢水。一般情況下，廢水的COD多在6 000 mg/L 以上，SS通常在8 500~10 000 mg/L。過(guò)去通常采用鋁鹽進(jìn)行處理，但會(huì)造成二次污染[16]。李琳等利用膠質(zhì)芽孢桿菌和釀酒酵母能利用水溶性淀粉和蛋白質(zhì)的特性，直接用紅薯淀粉廢水培養(yǎng)，并用它們產(chǎn)生的絮凝作用處理紅薯淀粉廢水。結(jié)果表明，紅薯淀粉廢水的COD去除率達(dá)到65%，且絮凝處理不受溫度限制，一年四季都可以進(jìn)行[17]。

畜禽養(yǎng)殖廢水的BOD以及氮磷鉀含量較高，處理難度大。鄭州大學(xué)的崔亞楠從豬場(chǎng)污泥和厭氧池廢水中篩選出17株絮凝活性在90%以上的菌株。其中，絮凝活性最高可達(dá)到94.66%，復(fù)配后，絮凝活性達(dá)到97%[18]。

造紙廢水通常排量大，成分復(fù)雜，是難降解的有機(jī)廢水。蘆艷等從活性污泥中篩選出絮凝劑產(chǎn)生菌M-3，并與PAC進(jìn)行對(duì)比，研究對(duì)造紙廢水的處理效率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微生物絮凝劑絮凝率達(dá)到97%，COD的去除率為67.10%，氨氮的去除率為95.18%，并且和PAC相比，生物絮凝率的投加量少，沉降速度快[19]。

棉漿廢水的成分復(fù)雜、堿度高。李雅梅等從新疆達(dá)坂城鹽湖土壤中分離出絮凝劑產(chǎn)生菌，發(fā)酵后測(cè)定其對(duì)棉漿廢水的絮凝率為65%，COD的絮凝率為54%[20]。

啤酒廢水COD和BOD通常均高達(dá)1 000 mg/L 以上，且啤酒廢水中有機(jī)物含量較高，直接排放會(huì)大量消耗水體中的溶解氧，導(dǎo)致環(huán)境惡化。徐放等通過(guò)酵母膏培養(yǎng)基培養(yǎng)出的MBF-1 型菌株，在原水pH為7.5，絮凝時(shí)間為10 h，投加量為1.5 ml(100 ml 廢水)時(shí)，處理原水COD為914 mg/L 的啤酒廢水，COD的去除率達(dá)到90.8%，去除能力為55.3 mg/ml，效果非常明顯[21]。

3.4活性污泥沉降性能的改善活性污泥處理系統(tǒng)的效率通常因沉降性能變差而降低。不少工業(yè)廢水在采用活性污泥法處理過(guò)程中，形成的活性污泥容易膨脹，從而影響處理效率。若在活性污泥中加入微生物絮凝劑，污泥容積指數(shù)能很快下降，從而消除污泥膨脹狀態(tài)，恢復(fù)活性污泥的沉降能力。張娜等采用醬油曲霉產(chǎn)生的絮凝劑調(diào)理污泥，使污泥的脫水率高達(dá)82.7%，濾餅含水率降低至77.3%，污泥脫水后體積減至原來(lái)的1/5 左右[23]。

3.5微藻采集微藻作為一種新型的能產(chǎn)生清潔能源的藻類，目前得到廣泛關(guān)注，且其可以作為多種顏色添加劑及不飽和脂肪酸的生產(chǎn)原料，有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。但是由于其藻密度小，藻細(xì)胞穩(wěn)定能懸浮于液體中，所以其采收環(huán)節(jié)的成本很高[24]。

利用微生物絮凝劑進(jìn)行微藻采收被視為最有可能規(guī)?；姆椒?。到目前為止，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小球藻、中柵藻和衣藻的高效采收，且降低了成本。相信未來(lái)對(duì)微藻的采收一定會(huì)受到越來(lái)越多科研工作者的重視。

4微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢(shì)及前景

盡管微生物絮凝劑有諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)其研究仍停留在初級(jí)階段，沒(méi)有完善的培養(yǎng)和制備方法，再加上成本較高，限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)和推廣。到目前為止，微生物絮凝劑在實(shí)際工程中還沒(méi)得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)上述應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外微生物絮凝劑的研究還存在一些問(wèn)題：首先，我國(guó)針對(duì)微生物絮凝劑的研究仍處在實(shí)驗(yàn)室階段，研究水平較低；目前大多數(shù)研究的都是從自然界篩選出高效的絮凝劑產(chǎn)生菌，工作量大、周期長(zhǎng)，致使研究效率很

低，且雖然微生物絮凝劑種類繁多，但每種絮凝劑的處理對(duì)象比較單一。其次，微生物絮凝劑的制備成本較高，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)，因此需要尋找廉價(jià)的可替代原料[25]；同時(shí)，微生物絮凝劑產(chǎn)量低、穩(wěn)定性差、不易儲(chǔ)存，也增加了工業(yè)化生產(chǎn)的難度。最后，到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的絮凝機(jī)理可以解釋絮凝現(xiàn)象，絮凝劑與各種廢水的作用機(jī)制也尚不清楚。其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在：

(1)繼續(xù)深入研究微生物絮凝劑的理化性質(zhì)及絮凝機(jī)理，多方面研究微生物絮凝劑與各種廢水的作用機(jī)制。

(2)尋求快速篩菌方法，探尋廉價(jià)培養(yǎng)基和最適培養(yǎng)條件，降低成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并優(yōu)化微生物絮凝劑的提取方法和儲(chǔ)存條件。

(3)建立微生物絮凝劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)體系，對(duì)微生物絮凝劑的毒性進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，為微生物絮凝劑的工業(yè)化及其在水處理中的應(yīng)用提供衛(wèi)生學(xué)依據(jù)[26]。

(4)加強(qiáng)開(kāi)發(fā)復(fù)合型微生物絮凝劑，如果可以將微生物絮凝劑和傳統(tǒng)的絮凝劑有機(jī)地復(fù)合在一起，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的互補(bǔ)，那么新型的絮凝劑一定可以在未來(lái)的工業(yè)發(fā)展中起到重要作用。

(5)利用基因工程技術(shù)，將污染物降解質(zhì)粒引入到微生物菌種中，構(gòu)建工程菌，實(shí)現(xiàn)將絮凝、沉降、降解系于一體，從而擴(kuò)大絮凝劑的應(yīng)用范圍[27]。

(6)研究微生物絮凝劑在新型能源上的應(yīng)用，為微生物絮凝劑的研究提供新的思路和前景。

5結(jié)語(yǔ)

區(qū)別于傳統(tǒng)絮凝劑，微生物絮凝劑有其獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但對(duì)微生物絮凝劑的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。未來(lái)將會(huì)有更多的科學(xué)家對(duì)其展開(kāi)廣泛的研究，尤其是在對(duì)微生物合成絮凝劑的制備條件和影響其絮凝活性的因素上進(jìn)行深入研究，尋找更廉價(jià)的培養(yǎng)基，降低成本，使其大規(guī)模地應(yīng)用到各行各業(yè)的廢水處理中去，從而提高廢水的處理效果，實(shí)現(xiàn)廢水資源化的有效利用。

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摘要微生物絮凝劑是一種新型絮凝劑，其絮凝效果好，對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染，易于降解，被廣泛應(yīng)用于食品加工業(yè)、高濃度有機(jī)廢水處理和城市給水工藝中，成為了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水處理行業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)之一。綜述了微生物絮凝劑制備的最新進(jìn)展，分析了其絮凝機(jī)理，同時(shí)總結(jié)了在水處理實(shí)際應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀。最后，針對(duì)現(xiàn)階段微生物絮凝劑研究存在的問(wèn)題提出了一些建議，并展望了微生物絮凝劑的主要發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞微生物絮凝劑；水處理應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)

Application Research Status and Development Prospect of Microbial Flocculants

ZHOU Xiao-tie1, HAN Zhao2, SUN Shi-qun2et al(1. Provincial Key Lab. of Research on Wastewater Treatment Technology, Anhui Academy of Environmental Science Research, Hefei, Anhui 230022; 2. School of Resources and Environment, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009)

AbstractMicrobial flocculant (MBF) is a kind of novel flocculant, which is widely used for the food industry, highly concentrated organic waste water treatment and the urban water supply technology. Due to its characteristics of superior flocculation effect, without secondary pollution to the environment and being easily degraded, MBF has been emerging as a hotspot of water treatment research in recent years. In this paper, the latest progress of the preparation of MBFs and the flocculating mechanism was presented. The practical application research of MBFs for water treatment was reviewed. Finally, suggestions and development prospect of research on MBF was discussed.

Key wordsMicrobial flocculant; Water treatment applications; Development trend

收稿日期2015-10-12

作者簡(jiǎn)介周曉鐵(1956-)，男，江蘇宜興人，研究員，碩士，從事環(huán)境評(píng)價(jià)與規(guī)劃研究。

中圖分類號(hào)X 181；X 703.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)32-107-02