生物絮凝劑的絮凝活性及絮凝條件研究

劉江紅，潘 洋，戴紅霞，賈云鵬

(東北石油大學化學化工學院，黑龍江 大慶 163318)

生物絮凝劑是一類由微生物產生的有絮凝活性的代謝產物，其成分可能是多糖、蛋白質、纖維素等，由真菌、細菌等微生物通過發酵、提取、精制而得到[1]。生物絮凝劑是廉價、無毒、新型、高效、無二次污染的水處理劑[2]，能快速絮凝各種顆粒狀物質，特別是在廢水脫色和去除高濃度有機物等方面有獨特的效果[3]。利用生物絮凝劑處理廢水比較容易實現固態物質和液態物質的分離，絮凝后形成的沉淀物比較少[4]。目前，我國生物絮凝劑的應用大部分仍處于實驗室研究階段，真正工業化的較少。絮凝劑產生菌的最好來源是活性污泥和土壤[5]，一般來說活性污泥本身就是各種微生物的聚集體。因此，作者以生活污水處理廠的活性污泥為研究對象，從中篩選得到生物絮凝劑的高產菌株，對其絮凝活性進行了研究；并將其用于高嶺土懸濁液模擬廢水的處理，對絮凝條件進行了優化。

1 實驗

1.1 菌株與培養基

菌株：取自大慶市城市生活污水處理廠曝氣池中的活性污泥。

分離培養基：蛋白胨10 g，牛肉膏3 g，瓊脂15～20 g，氯化鈉5 g，加蒸餾水至1 L，調pH值至7.0～7.2。

發酵培養基：葡萄糖20 g，酵母粉0.5 g，硫酸銨0.2 g，磷酸二氫鉀2 g，尿素0.5 g，磷酸氫二鉀5 g，氯化鈉0.1 g，加蒸餾水至1 L，調pH值至7.0。

1.2 材料與儀器

高嶺土懸濁液：稱取15 g 60目的高嶺土于廣口瓶中，加入3 L蒸餾水，攪拌均勻。

生物顯微鏡，臺式恒溫振蕩培養箱，冰箱，高壓蒸汽滅菌鍋，遠紅外快速恒溫干燥箱，分光光度計，電子天平，電熱恒溫水浴鍋，生化培養箱，多頭磁力加熱攪拌器，潔凈工作臺，精密pH計，高速離心機等。

1.3 方法

1.3.1 菌株的分離純化及篩選

活性污泥采樣→富集培養→分離、選擇培養→菌株的分離和純化→絮凝率測定→高效絮凝劑產生菌。

1.3.2 絮凝率的測定

用722型分光光度計，在波長550 nm處測定絮凝沉淀后上清液的吸光度值，以含有1%CaCl2溶液且不加絮凝劑的高嶺土懸濁液作為對照，按下式計算生物絮凝劑的絮凝率：

式中：A為對照液的吸光度；B為絮凝沉淀后上清液的吸光度。

2 結果與討論

2.1 菌株的分離純化及篩選

從活性污泥和空氣中共分離純化出純種菌株16株，經絮凝實驗篩選得到有絮凝能力的菌株4株，復篩后得到1株絮凝活性較高且穩定的菌株，命名為C4-3，其絮凝活性達到95%以上。

2.2 絮凝活性分布的測定

通過定量比較上清液(離心后的去菌細胞部分，稀釋至與發酵液等體積，搖勻)、菌懸液(離心后菌體經蒸餾水洗滌2～3次后置于磷酸鹽緩沖溶液中，使其體積與發酵液相同，搖勻)和發酵液的絮凝率，來確定發酵液中絮凝劑的絮凝活性分布。

將絮凝劑樣品在高速離心機上于4000 r·min-1離心30 min，經上述處理后，分別取2 mL上清液、菌懸液和發酵液，測定絮凝活性，結果見圖1。

圖1 C4-3培養液中絮凝活性分布

由圖1可以看出，C4-3產生的絮凝劑的絮凝活性主要存在于上清液中，上清液中的絮凝活性成分占發酵液的85.4%。這說明，C4-3的絮凝活性成分主要來源于菌細胞分泌的胞外代謝產物而非菌本身。因此，后續實驗均以上清液作為絮凝劑樣品。

2.3 生物絮凝劑的酸堿穩定性

將C4-3產生的絮凝劑的pH值分別調至4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，置于冰箱4 ℃過夜，測定絮凝率，結果見圖2。

圖2 生物絮凝劑的酸堿穩定性變化

由圖2可以看出，當pH值為4.0～11.0時絮凝效果均較好。表明該生物絮凝劑具有較好的酸堿穩定性。

2.4 生物絮凝劑的熱穩定性

將C4-3產生的絮凝劑分別置于20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃的水浴中20 min，測定絮凝率，結果見圖3。

圖3 生物絮凝劑的熱穩定性變化

由圖3可以看出，當溫度在40～80 ℃范圍內時，生物絮凝劑的絮凝性能幾乎不受影響；當在100 ℃的水浴中加熱20 min后，其絮凝率仍達95.03%。表明該生物絮凝劑具有較好的熱穩定性。

2.5 生物絮凝劑處理高嶺土懸濁液模擬廢水的影響因素

2.5.1 絮凝劑投加量對絮凝效果的影響

分別稱取0.5 g高嶺土9份置于250 mL燒杯中，加少量蒸餾水溶解；分別加入0 mL、1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、7 mL、8 mL絮凝劑的發酵液，再加入5 mL 1% CaCl2水溶液作助凝劑，加蒸餾水至100 mL，調節pH值至7.0。磁力攪拌器攪拌4 min，靜置9 min，在550 nm下測吸光度，計算絮凝率，結果見圖4。

圖4 生物絮凝劑投加量對絮凝率的影響

由圖4可以看出，不加絮凝劑時絮凝率較低；而絮凝劑投加量在1～8 mL時，絮凝率基本不變。因此，選擇絮凝劑投加量以1 mL·(100 mL)-1為宜。

2.5.2 高嶺土懸濁液pH值對絮凝效果的影響

分別調高嶺土懸濁液pH值為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，進行絮凝實驗，考察其對絮凝率的影響，結果見圖5。

圖5 高嶺土懸濁液pH值對絮凝率的影響

由圖5可以看出，pH值在8.0～11.0之間均有較好的絮凝效果。

2.5.3 高嶺土懸濁液濃度對絮凝效果的影響

在高嶺土懸濁液模擬廢水(100 mL)的質量濃度(g·L-1)分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9時進行絮凝實驗，考察其對絮凝率的影響，結果見圖6。

圖6 高嶺土懸濁液濃度對絮凝率的影響

由圖6可以看出，高嶺土懸濁液濃度在1～7 g·L-1時，絮凝效果較好。

2.5.4 金屬離子對絮凝效果的影響

金屬陽離子有利于架橋作用的形成，不同的金屬離子有不同的助凝作用。分別稱取0.5 g高嶺土7份置于250 mL燒杯中，加少量蒸餾水溶解；再加入1 mL絮凝劑；然后分別吸取4 mL 1%CaCl2、KNO3、MgSO4、Al2(SO4)3、FeSO4、FeCl3、NaCl水溶液，倒入量筒中，加蒸餾水至100 mL，移入燒杯，調節pH值為9.0，進行絮凝實驗，計算絮凝率，結果見圖7。

圖7 金屬離子對絮凝率的影響

由圖7可以看出，Mg2+、Ca2+、Fe3+、A13+助凝作用較好，Fe2+一般，而Na+、K+最差?？紤]到Fe3+、A13+有二次污染問題、Mg2+價格較貴，選擇1%CaCl2作助凝劑較適宜。

2.5.5 1% CaCl2投加量對絮凝效果的影響

分別在1% CaCl2投加量為0～8 mL的條件下進行絮凝實驗，考察其對絮凝率的影響，結果見圖8。

圖8 1% CaCl2投加量對絮凝率的影響

由圖8可以看出，1% CaCl2投加量為1～6 mL時絮凝率較高。這可能是因為，Ca2+濃度較小時，無法中和懸濁液的電荷起到有效的助凝作用；而Ca2+濃度較大時，就有可能達到電荷平衡。

3 結論

(1)經過初篩、復篩，從活性污泥中成功篩選得到1株絮凝活性較高且穩定的菌株C4-3。絮凝活性分布測定表明，C4-3所產生物絮凝劑屬于胞外絮凝劑。

(2)熱穩定性和酸堿穩定性研究表明，C4-3所產絮凝劑在pH值為4.0～11.0、溫度為40～80 ℃時，絮凝效果較好，且在100 ℃的水浴中加熱20 min，絮凝率仍達95.03%。說明C4-3適應pH值廣泛、耐高溫能力好，在實現工業化生產中具有優越性。

(3)將C4-3所產絮凝劑用于濃度為1～7 g·L-1的高嶺土懸濁液模擬廢水的處理，在其投加量為1 mL·(100 mL)-1、1% CaCl2助凝劑的投加量為1～6 mL、pH值為8.0～11.0時，絮凝效果較好。

[1] 周群英，高廷耀.環境工程微生物學[M].北京：高等教育出版社，2000：155.

[2] Kurane Ryuichiro，Tomizuka Noboru.Towards new biomaterials produced by microorganism：Bioflocculant and bioabsorbent[J].Nippon Kagaku Kaishi，1992，(5)：453-463.

[3] 劉江紅，孟麗麗，蘆艷，等.微生物絮凝劑產生菌篩選及絮凝條件優化[J].大慶師范學院學報，2008，28(5)：89-92.

[4] Salehizadeh H，Vossoughi M，Alemzadeh I.Some investigations on bioflocculant producing bacteria[J].Biochemical Engineering，2000，5(1)：39-44.

[5] Lin Ying-Feng，Jing Shuh-Ren，Wang Tze-Wen，et al.Effects of macrophytes and external carbon sources on nitrate removal from groundwater in constructed wetlands[J].Environmental Pollution，2002，119(3)：413-420.