煤泥水絮凝用微生物的作用機理及分析

陶宛玉

（北京師范大學化學學院 北京100875）

微生物絮凝劑（Microbial Flocculant簡稱MBF）是由微生物自身擁有、具備高效絮凝作用的天然高分子物質(zhì)，其中的部分微生物絮凝劑對選煤廠煤泥水具有良好的選擇性絮凝作用[1-7]。本文通過培養(yǎng)和篩選出該類微生物絮凝劑，以大同礦區(qū)選煤廠尾煤水為樣品，開展絮凝沉降試驗研究，對其絮凝作用機理進行分析。

1 煤質(zhì)特性分析

試驗樣品取自大同煤礦集團有限公司晉華宮礦選煤廠進入煤泥濃縮機的煤泥水，該廠年處理原煤能力315Wt，煤質(zhì)為侏羅紀弱粘結煤，日處理的煤泥水量17 600 m3。將煤泥進行小篩分得到試驗結果見表1；同時采取煤泥水樣進行沉降試驗，測量不同濃度下沉降效果。見表2。

表1 煤泥小篩分試驗結果

表2 煤泥水相關性質(zhì)的檢測

2 絮凝用微生物的選取

2.1 菌種的來源及比較

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能對煤泥水具有良好絮凝性的微生物，涉及到霉菌、細菌等菌種。作為煤炭微生物絮凝劑產(chǎn)生菌，篩選原則一般為代謝活動旺盛、生長繁殖快、對環(huán)境適應能力較強、無毒無害的微生物。

根據(jù)前面對試驗煤樣煤質(zhì)特性的分析，結合以上具有絮凝作用的微生物菌種的相關研究，選取枯草芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌、黃孢原毛平革菌及黑曲霉四種具有較強絮凝活性的微生物作為絮凝菌種，對試驗煤樣開展絮凝試驗，以確定適合于本項目煤質(zhì)特點的絮凝菌種。

2.2 微生物絮凝劑的制備

絮凝劑的制備：用無菌移液管吸取培養(yǎng)液，分別接種到相應的液體培養(yǎng)基內(nèi)，160 rpm，30℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)進行培養(yǎng)，分別在培養(yǎng)12 h、24 h、36 h、48 h時取培養(yǎng)液制成4種不同的微生物絮凝劑：培養(yǎng)原液(A)，原液離心上清液(B)，破碎液(C)，破碎離心上清液(D)。制備步驟如下：取錐形瓶中培養(yǎng)原液于超聲波破碎儀中破碎30 min，得培養(yǎng)原液的破碎液；分別取錐形瓶中培養(yǎng)原液與培養(yǎng)原液破碎液于離心機中以4 000 r∕min，離心30 min，得培養(yǎng)原液離心上清液與培養(yǎng)原液破碎液離心上清液。進行煤泥水絮凝試驗，尋找對煤泥水絮凝效果最佳的絮凝試驗微生物菌種。見表3。根據(jù)實驗結果，參考相關資料，多粘類芽孢桿菌透光率優(yōu)于其他菌種，確定作為選煤廠尾煤水絮凝試驗菌種。

表3 微生物菌種絮凝煤泥水的試驗結果 （透光率∕%）

2.3 多粘芽孢桿菌的生物學特性

多粘芽孢桿菌(Paenibacillus polymyxa)以芽孢形式存在，屬于類芽孢桿菌屬，拉丁名為Bacillus polymyxa Macé。桿菌形態(tài)為橢圓形芽孢，耐溫性好，質(zhì)量穩(wěn)定。在農(nóng)業(yè)上有"藥肥兼能"的作用，對茄科類作物青枯病防效顯著，是一種具有防治病害和促進生長作用的生防菌，對人或動植物沒有致病性，在植物病害防治方面具有很大的應用潛力。

3 煤泥水絮凝工藝參數(shù)單因素試驗

采用生物型（微生物）絮凝劑對選煤廠尾煤水進行絮凝沉降試驗；在單因素試驗基礎上，重點開展生物絮凝煤泥水試驗研究，考察生物絮凝工藝參數(shù)及絮凝實驗效果等，并對關鍵絮凝技術參數(shù)進行合理優(yōu)化。同時，利用掃描電鏡測試技術對絮凝物進行測試與分析。

3.1 煤泥水絮凝工藝條件的確定

影響微生物絮凝劑絮凝煤泥水條件很多，例如：微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)基pH值、生物絮凝劑用量、助凝劑的種類、助凝劑的添加量、煤泥水的pH值等。

本試驗主要研究煤泥水的pH值、生物絮凝劑用量對煤泥水絮凝工藝條件的影響，便于進一步試驗研究，找出確切的絮凝工藝條件。

3.2 試驗結果分析方法

本課題采用DPS（Date Processing System）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對試驗結果進行分析。DPS平臺將試驗設計、統(tǒng)計分析、數(shù)值計算、模型模擬以及數(shù)據(jù)處理等功能融為一體，提供了全方位的數(shù)據(jù)處理功能，具有優(yōu)秀的計算分析功能。

3.3 煤泥水PH值對煤泥水吸光度的影響

選取多粘芽孢桿菌原液1ml投加到100ml煤泥水中，調(diào)節(jié)煤泥水PH值，測定上清液吸光度，得出煤泥水PH值與吸光度的之間關系如表4所示。吸光度為660 nm處（去離子水對照為0），以下各因素吸光度試驗均以此條件下進行。

表4 煤泥水PH對吸光度影響的試驗結果表

從表中的參數(shù)估計，建立了煤泥水PH值同煤泥水吸光度之間的數(shù)學模型（1）即：

式中：X1為煤泥水ph值，Y為煤泥水吸光度，其中，確定系數(shù) R2=0.7114，P=0.0085(＜0.05)，說明回歸方程顯著性好。從表中可以看出，煤泥水PH值大于6后，隨著煤泥水PH值的增加，煤泥水吸光度變化較大，上清液略微出現(xiàn)渾濁，吸光度有所上升，綜合分析，填加絮凝劑的煤泥水PH值為6時，絮凝效果最好。

3.4 多粘芽孢桿菌添加量對煤泥水吸光度的影響

表5 多粘芽孢桿菌添加量對吸光度影響的試驗結果

采用DPS建立多粘芽孢桿菌添加量與煤泥水上清液吸光度的關系，建立了多粘芽孢桿菌添加量同煤泥水吸光度之間的數(shù)學模型（2）即：

式中：X1為多粘芽孢桿菌添加量，Y為煤泥水吸光度，其中，確定系數(shù) R2=0.9774，P=0.0009(＜0.05)，說明回歸方程顯著性好，數(shù)據(jù)點與擬合曲線高度吻合。

從表中可以看出，多粘芽孢桿菌添加量大于1.6后，隨著多粘芽孢桿菌添加量的增加，煤泥水吸光度變化不大，同時對模型（2）分析可知，當X1=1.6時，數(shù)學模型存在極值點，因而，當多粘芽孢桿菌添加量為1.6 mL時，吸光度達到最小，此時絮凝效果最好。

3.5 多粘芽孢桿菌添加量均勻試驗對吸光度的影響

采用均勻試驗設計，對多粘芽孢桿菌添加量進行工藝條件優(yōu)化試驗，獲得試驗結果。見表6、表7。

表6 因素水平表

表7 實驗結果表（1）

表7 實驗結果表（2）

利用兩組重復對照試驗，建立了回歸方程如下:

式中：Y 為吸光度，X1為煤泥水濃度g∕L，X2為菌液量mL。回歸方程的相關系數(shù)R=0.99637，調(diào)整后的相關系數(shù)R=0.99909，總體的顯著性檢驗值F=183.4756，顯著水平P=0.0542，剩余標準差S=0.0136。其中，確定系數(shù) R2=0.9774，P=0.0009(＜0.05)。

均勻設計逐步回歸結果分析表明，優(yōu)化回歸方程的可信度較高。

同時采用DPS預測最優(yōu)水平，預測結果如下：

多粘芽孢桿菌添加量模型優(yōu)化值為0.8851，最高指標時因素間的最佳組合為X1=40，X2=2.4時吸光度值最低，試驗效果最佳。

3.6 絮凝產(chǎn)物的測試分析

利用掃描電鏡測試技術對絮凝物進行測試分析，其微觀形態(tài)如圖1。

圖1 多粘均勻試驗樣品

可以看出，多粘類芽孢桿菌表面含有大量的微孔隙。因此，較大的比表面積提高了微生物絮凝劑的吸附性。從而可以推知微生物絮凝劑在對煤泥水進行絮凝時，可以大量的吸附煤泥水中較細的顆粒并利用多糖大分子將煤泥顆粒包裹住，然后生物大分子又相互連接在一起，從而形成大的絮體加速沉降。因此,微生物絮凝劑對選煤廠尾煤水中的煤泥顆粒具有顯著的絮凝作用。

4 應用前景

選用微生物多粘芽孢桿菌用于煤泥水沉降凈化過程試驗研究，取得良好效果。其內(nèi)部發(fā)達的微孔隙和產(chǎn)生在菌體內(nèi)外的生物高分子聚合物對煤泥細微顆粒有顯著的絮凝作用。此類組成體現(xiàn)其作為絮凝劑具有可分解性，具有生物降解等獨特性質(zhì)。以及對環(huán)境無毒無害的性質(zhì)，這也是化工產(chǎn)品類的無機或有機絮凝劑所無法比擬的優(yōu)勢。由于生物絮凝作用環(huán)境污染小，作用條件溫和，可以進一步緩解選煤用化工產(chǎn)品的污染，是一種有利環(huán)境的礦物加工新技術。

另外，多粘芽孢桿菌作為農(nóng)業(yè)廣泛應用的防病、增產(chǎn)微生物，可以通過優(yōu)化培養(yǎng)條件使其在短時間內(nèi)大量自我繁殖。還可通過馴化、誘變以及基因工程的手段，獲得其它優(yōu)良性狀，增強其對環(huán)境的適應能力，應用前景廣闊。