微生物絮凝劑的應用研究現狀和發展趨勢

周曉鐵，韓 昭，孫世群，鄭志俠，海子彬

(1.安徽省環境科學研究院，安徽省污水處理技術研究重點實驗室，安徽合肥 230022；2.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230009)

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微生物絮凝劑的應用研究現狀和發展趨勢

周曉鐵1，韓 昭2，孫世群2，鄭志俠1，海子彬1

(1.安徽省環境科學研究院，安徽省污水處理技術研究重點實驗室，安徽合肥 230022；2.合肥工業大學資源與環境工程學院，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]。傳統絮凝劑主要分為兩大類：化學絮凝劑和生物絮凝劑。化學絮凝劑包括無機絮凝劑(如PAC、三氯化鐵等)和有機高分子絮凝劑(如聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等)[2]。但在實際工業水處理過程中，化學絮凝劑用量較大，易對環境造成二次污染，并且大多會對人類的健康造成影響，如“三致”效應和引發老年癡呆癥等[3]。

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

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繁殖和代謝所需要的碳源、氮源及無機鹽等營養物質，可用于微生物的培養。劉艷娟等從醬油廢水中篩選出具有較高活性的菌株，確定當醬油廢水COD為3 000 mg/L，搖床轉速為150 r/min，培養溫度為28 ℃，培養72 h，其絮凝效率可以達到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廢水，含有多種糖類、氨基酸、有機酸、維生素以及酶類等物質，具有生產微生物絮凝劑的潛力。顏東方等利用馬鈴薯淀粉廢水培養Candidaanglica菌株。結果表明，活性物質的最佳營養條件: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酵成本，嘗試對以牛糞和秸稈為底物的發酵沼液進行離心處理，然后添加2 g/L葡萄糖、5 g/L K2HPO4和2 g/L KH2PO4制成培養基，為放射性根瘤菌和球形芽孢桿菌提供營養。最終試驗表明，當發酵溫度為29.5 ℃，培養基初始pH為7.5，接種量為8.5%，發酵時間為23 h時，其絮凝率可以達到87.13%[7]。

1.4利用生物制氫廢液制備MBF發酵法生物制氫廢液COD濃度高、pH較低，具有可再利用價值。由陽等利用生物制氫廢液篩選高效產絮菌。在無須調節pH的條件下，經分離篩選得到有6株較強產絮能力的菌株。試驗表明，當接種率不同時，各菌株的產絮能力也不同，其中一株絮凝率最高可達到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程中的副產物，主要由多種微生物形成的菌膠團及其吸附的有機物和無機物組成。以剩余污泥為原料制備MBF，不僅可以降低其生產成本，也可以實現剩余污泥資源化回收利用[9]。目前常利用脫水污泥、污泥殘渣和剩余污泥來制備MBF。

2微生物絮凝劑的絮凝機理

目前，關于微生物絮凝劑的絮凝機理有很多種觀點和假說，其中比較普遍的是“吸附架橋”學說、電性中和機理、化學反應機理和卷掃(網捕)作用等。

“吸附架橋”學說是指絮凝劑會借助分子間的離子鍵、氫鍵以及范德華力，同時吸附多個懸浮顆粒，將其聯接在一起，形成一種網狀三維結構沉淀下來。這種學說也是目前被普遍接受的[10]。電性中和機理則認為液體中的膠體分子通常表面帶負電荷，遇到表面帶正電荷的絮凝劑大分子，電荷會發生中和反應，膠粒脫穩從而吸附在一起聚集沉淀下來[11]。而化學反應學說則是認為絮凝劑表面存在的基團和膠體表面的基團發生化學反應，形成大分子沉淀下來。在研究過程中，通過調節絮凝體系的pH和溫度來增強絮凝效果，分別解釋了電性中和機理和化學反應機理的存在性[12]。卷掃(網捕)作用是指當絮凝劑投加以后，其在膠體中的下沉過程中會形成絮狀體，網捕膠體中的膠體分子，形成大顆粒沉淀而達到與膠體的分離[13]。

此外，國內外還有PHB聚合學說、Buterrfield提出的黏質假說以及類凝集素假說等一些學說[14]。

3微生物絮凝劑的應用現狀

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

表1　絮凝劑在各工程應用中的的絮凝效果

3.1高濃度無機廢水主要是指工業廢水的脫色處理、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、成分復雜、可生化性差的特點，屬于難處理的工業廢水。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，在轉速為150 r/min，30 ℃恒溫條件下培養72 h后，甲基橙印染廢水的脫色率達到68.4%[15]。

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3.2高濃度有機廢水高濃度有機廢水包括淀粉廢水、畜禽養殖廢水、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。過去通常采用鋁鹽進行處理，但會造成二次污染[16]。李琳等利用膠質芽孢桿菌和釀酒酵母能利用水溶性淀粉和蛋白質的特性，直接用紅薯淀粉廢水培養，并用它們產生的絮凝作用處理紅薯淀粉廢水。結果表明，紅薯淀粉廢水的COD去除率達到65%，且絮凝處理不受溫度限制，一年四季都可以進行[17]。

畜禽養殖廢水的BOD以及氮磷鉀含量較高，處理難度大。鄭州大學的崔亞楠從豬場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，絮凝活性最高可達到94.66%，復配后，絮凝活性達到97%[18]。

造紙廢水通常排量大，成分復雜，是難降解的有機廢水。蘆艷等從活性污泥中篩選出絮凝劑產生菌M-3，并與PAC進行對比，研究對造紙廢水的處理效率。試驗發現，微生物絮凝劑絮凝率達到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]。

棉漿廢水的成分復雜、堿度高。李雅梅等從新疆達坂城鹽湖土壤中分離出絮凝劑產生菌，發酵后測定其對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1 000 mg/L 以上，且啤酒廢水中有機物含量較高，直接排放會大量消耗水體中的溶解氧，導致環境惡化。徐放等通過酵母膏培養基培養出的MBF-1 型菌株，在原水pH為7.5，絮凝時間為10 h，投加量為1.5 ml(100 ml 廢水)時，處理原水COD為914 mg/L 的啤酒廢水，COD的去除率達到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的效率通常因沉降性能變差而降低。不少工業廢水在采用活性污泥法處理過程中，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，污泥容積指數能很快下降，從而消除污泥膨脹狀態，恢復活性污泥的沉降能力。張娜等采用醬油曲霉產生的絮凝劑調理污泥，使污泥的脫水率高達82.7%，濾餅含水率降低至77.3%，污泥脫水后體積減至原來的1/5 左右[23]。

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

利用微生物絮凝劑進行微藻采收被視為最有可能規模化的方法。到目前為止，已經成功實現了對小球藻、中柵藻和衣藻的高效采收，且降低了成本。相信未來對微藻的采收一定會受到越來越多科研工作者的重視。

4微生物絮凝劑的發展趨勢及前景

盡管微生物絮凝劑有諸多優點，但目前國內對其研究仍停留在初級階段，沒有完善的培養和制備方法，再加上成本較高，限制了其大規模的生產和推廣。到目前為止，微生物絮凝劑在實際工程中還沒得到廣泛的應用。通過對上述應用現狀的分析，發現國內外微生物絮凝劑的研究還存在一些問題：首先，我國針對微生物絮凝劑的研究仍處在實驗室階段，研究水平較低；目前大多數研究的都是從自然界篩選出高效的絮凝劑產生菌，工作量大、周期長，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，限制了其大規模生產，因此需要尋找廉價的可替代原料[25]；同時，微生物絮凝劑產量低、穩定性差、不易儲存，也增加了工業化生產的難度。最后，到目前為止，還沒有一個公認的絮凝機理可以解釋絮凝現象，絮凝劑與各種廢水的作用機制也尚不清楚。其未來的發展趨勢主要體現在：

(1)繼續深入研究微生物絮凝劑的理化性質及絮凝機理，多方面研究微生物絮凝劑與各種廢水的作用機制。

(2)尋求快速篩菌方法，探尋廉價培養基和最適培養條件，降低成本，實現工業化，并優化微生物絮凝劑的提取方法和儲存條件。

(3)建立微生物絮凝劑產品標準及評價體系，對微生物絮凝劑的毒性進行安全性評價，為微生物絮凝劑的工業化及其在水處理中的應用提供衛生學依據[26]。

(4)加強開發復合型微生物絮凝劑，如果可以將微生物絮凝劑和傳統的絮凝劑有機地復合在一起，實現優勢的互補，那么新型的絮凝劑一定可以在未來的工業發展中起到重要作用。

(5)利用基因工程技術，將污染物降解質粒引入到微生物菌種中，構建工程菌，實現將絮凝、沉降、降解系于一體，從而擴大絮凝劑的應用范圍[27]。

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

5結語

區別于傳統絮凝劑，微生物絮凝劑有其獨有的特點和優勢，但對微生物絮凝劑的研究還停留在實驗室研究階段。未來將會有更多的科學家對其展開廣泛的研究，尤其是在對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行深入研究，尋找更廉價的培養基，降低成本，使其大規模地應用到各行各業的廢水處理中去，從而提高廢水的處理效果，實現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，對環境無二次污染，易于降解，被廣泛應用于食品加工業、高濃度有機廢水處理和城市給水工藝中，成為了近年來國內外水處理行業研發的熱點之一。綜述了微生物絮凝劑制備的最新進展，分析了其絮凝機理，同時總結了在水處理實際應用中的研究現狀。最后，針對現階段微生物絮凝劑研究存在的問題提出了一些建議，并展望了微生物絮凝劑的主要發展趨勢。

關鍵詞微生物絮凝劑；水處理應用；發展趨勢

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

作者簡介周曉鐵(1956-)，男，江蘇宜興人，研究員，碩士，從事環境評價與規劃研究。

中圖分類號X 181；X 703.1

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)32-107-02