微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势

微生物絮凝剂的研究现状与发展趋势前言：絮凝是废水处理的一个重要方法 , 用于去除水中细小的悬浮物和胶体污染物质。

絮凝剂是一种可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒凝聚沉降的物质。

传统的絮凝剂主要有两类 , 一类是无机型的 , 如铁盐、铝盐等; 另一类是有机型的 , 如聚丙烯酰胺等。

这两类絮凝剂的絮凝效果都比较好 , 尤其是聚丙烯酰胺类絮凝剂 , 由于其具有高絮凝性和低生产成本而得到广泛应用。

80年代 , 日本这类絮凝剂的年产量已达 2400吨。

但是 , 近年来人们发现 , 无机絮凝剂用量较大易产生二次污染 , 更为严重的是 , 经常饮用以铝盐为絮凝剂的水会引起老年性痴呆症。

而聚丙烯酰胺类物质不易被降解 , 且单体有致突变性 , 现在在许多领域已被禁止或限量使用。

微生物絮凝剂 (MBF) 是利用生物技术 , 从微生物或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效 , 且能自然降解的新型水处理剂 , 包括糖蛋白、多糖、纤维素、蛋白质和 DNA等。

微生物絮凝剂不但没有传统絮凝剂的上述缺点 , 而且还具有安全、高效、可生物降解、不污染环境等特点。

因此其越来越受到人们的重视呈现出逐,步取代传统絮凝剂的趋势。

微生物絮凝剂（MBF）是某些种类的微生物在特定培养条件下，其生长代谢至一定阶段产生的具有絮凝活性的代谢产物。

其主要活性成分是具有两性多聚电解质特性的蛋白质，多糖、核酸类生物高分子化合物，具有可生化性，即能够自行降解。

它们通过其电荷性质和高分子特性在液体介质中起电荷中和、吸附、桥联、网捕等作用，使胶体脱稳、絮凝沉淀、固液分离。

它克服了常规的无机絮凝剂和有机絮凝剂对人体有害和易产生二次污染的缺点，被广泛地应用于各类废水的生物处理、清除污泥膨胀、食品及餐饮业废水中可利用成分的回收利用等。

1 微生物絮凝剂的种类和特点1.1 微生物絮凝剂的种类根据近些年对微生物絮凝剂的研究与报道,可把它分为4大类：1）从微生物细胞壁提取的絮凝剂，如酵母细胞壁葡聚糖、蛋白质和N—乙酰葡萄糖胺等成分均可作絮凝剂使用。

2）从微生物细胞代谢产生絮凝剂，这类絮凝剂主要是细菌的荚膜和粘液质,其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物等。

3）直接利用微生物细菌作为絮凝剂，如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母等，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。

4）利用克隆技术所获得的絮凝剂。

这类絮凝剂是用基因工程技术和现代分子生物学，把高效絮凝基因转移到便于发酵的菌中，构造高效遗传菌株，克隆絮凝基因能在多种降解中产出有效的微生物絮凝剂。

从组成上看，微生物絮凝剂是属于生物分子系列结构的复杂物质，主要含多糖、糖蛋白、纤维素、DNA、蛋白质及脂肪等。

1.2 微生物絮凝剂特点微生物絮凝剂与其他絮凝剂相比，具有许多独特的性质。

（1）来源广、生产周期短；（2）高效，同等用量下，与常用的铁盐、铝盐、聚丙烯酰胺相比，微生物絮凝剂对活性污泥的絮凝速度最高，而且絮凝沉淀物容易过滤；（3）无毒，微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体外分泌的生物高分子物质，属于天然有机高分子絮凝剂，安全无毒；（4）消除二次污染，微生物絮凝剂是微生物的分泌物，自然不会危害他自身，不会影响水处理效果，且絮凝后的残渣可被生物降解，对环境无害，不会造成二次污染；（5）应用范围广泛，脱色效果独特，微生物絮凝剂处理对象有活性污泥、粉煤灰、木炭、墨水、泥水、河底沉积物、高岭土、印染废水等，且对悬浊液絮凝速度快、用量少，对胶体、溶液均有较好的絮凝效果，对富含有机物的屠宰废水和血水也有较好的去色效果；（6）价格较低。

无论从生产成本还是处理技术总费用，微生物絮凝剂的价格都低于化学絮凝剂的价格。

不足之处是，生物絮凝剂的效果容易受到有毒物质的干扰，因此，被处理的废液中必须无妨害菌体生长的因素。

2 微生物絮凝剂的絮凝机理微生物絮凝剂实际上是带有电荷的生物大分子，对絮凝物质的絮凝机理，已有一些研究，目前认为其絮凝机理与高分子絮凝剂相似，主要有以下几种：2.1 “架桥絮凝”机理这一机理认为，絮凝剂借助离子键、氢键、同时结合了多个颗粒上的分子，在颗粒间起了“中间桥梁”的作用，从而使悬浮物形成网状结构的絮凝物而沉淀下来。

通常认为合成的高分子絮凝剂都是通过这种机理产生絮凝作用，微生物絮凝剂的絮凝机理与合成的高分子絮凝剂的作用机理是一致的。

这种机理最为人们所认可。

2.2 “离子键、氢键的结合”学说该学说认为：通过离子键、氢键的作用与悬浮物结合，由于絮凝剂的分子量较大，一个絮凝剂分子可同时与几个悬浮颗粒结合。

在适宜条件下,迅速形成网状结构而沉积，从而表现出很强的絮凝能力。

但是，离子键、氢键学说并不能很好地解释某些絮凝反应机理。

2.3 “电性中和”机理这一机理认为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絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时，会中和胶体表面上的部分电荷，使静电斥力减少，从而使胶粒间发生磁力碰撞而凝聚，向溶液中加入金属离子或调节pH值可影响其絮凝效果。

2.4 “化学反应”机理这一机理认为生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应基团反应，进而聚集成较大的分子而沉淀下来。

通过对生物大分子进行改性处理，使其添加或丧失某些活性基团,絮凝活性发生变化而起作用。

某些学者指出絮凝剂的活性主要是依赖于活性基团，即活性基团决定了絮凝剂的活性。

2.5 “卷扫作用”机理这一机理认为，当微生物絮凝剂的投加量一定且形成小颗粒絮体时，可以在重力作用下，迅速网捕，卷扫水中一些胶粒，从而产生沉淀。

这种作用可看成是一种机械作用，实践证明，所需絮凝剂的量与原水中杂质悬浮体含量成正比。

除上述5种机理外，还有粘质学说、酶合学说等絮凝机理，这些机理可解释部分絮凝现象。

实际上，随微生物絮凝剂作用对象的不同，其作用机理也不完全相同。

总之，絮凝过程是一个复杂的过程，为了更好地解释机理，需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构象及各种反应条件对它的影响进行更深入的研究。

3 影响产生微生物絮凝剂及其絮凝能力的因素3.1 影响产生微生物絮凝剂的因素为获得微生物絮凝剂，必须研究了解产生这种絮凝剂的各种因素，如培养基的组成、pH值、通气情况、温度等。

实践证明,各种微生物絮凝剂产生的最佳条件是不一致的,在此仅阐述有共性的几种因素：1）培养基的组成。

培养基包括硫源、氮源、能源生长因子、无机盐和水等六大营养物质，各种微生物絮凝剂要求营养成分不同，因此，应灵活控制培养基组成，选择合适的最佳配方。

2）pH值。

初始pH值可影响产生微生物絮凝剂的生长和絮凝物质的分泌，通常作为絮凝用的细菌和放线菌的适宜pH值在中性至弱碱性范围内，对于不同的微生物絮凝剂，其适宜生长pH值是不相同的。

3）培养温度和通气量。

一般认为,最适宜的温度在25～35℃之间，温度太低，菌体生长速度变慢，温度太高，会使菌体产生的絮凝活性降低。

通气量也是影响絮凝剂产生菌体的重要因素，且在不同生长期通气量应是不同的，应通过试验选择不同生长期的最佳通气量。

3.2 影响微生物絮凝剂絮凝能力的因素影响微生物絮凝剂絮凝能力的因素较多,主要包括温度、pH、絮凝剂投加量、助凝剂、絮凝剂的分子量等。

1）温度温度对微生物絮凝剂的影响较大。

主要是因为高温可使生物高分子变性，空间结构改变，某些活性基团不再与悬浮颗粒结合，因而表现出絮凝活性的下降。

2）pH值pH值影响絮凝剂的絮凝活性主要是由于酸碱度的变化会影响微生物絮凝剂及悬浮颗粒表面电荷的性质、数量及中和电荷的能力。

不同的絮凝剂对pH的变化敏感程度不同，同一种絮凝剂对不同的被絮凝物有不同的初始pH要求。

3）絮凝剂投加量每种絮凝剂都有一个最佳投加量，过多或过少,都会导致絮凝效果下降。

据分析，絮凝剂的最佳投加量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机率最大。

4）助凝剂助凝剂一般为金属离子。

金属离子的种类和浓度对微生物絮凝剂活性的影响很大。

一定浓度的金属离子可以加强絮凝剂分子与悬浮颗粒以离子键结合而促进絮凝,对提高微生物絮凝剂的絮凝活性有重要意义。

5）微生物絮凝剂的分子量微生物絮凝剂的分子量大小对其絮凝活性非常重要。

分子量大,活性位点多，絮凝效率高。

目前已分离纯化的絮凝剂都是多聚糖和蛋白质之类的生物大分子，除少数外，分子量大都在几十万到几百万。

分子量的减小会降低絮凝剂的絮凝活性，例如絮凝剂的蛋白质絮凝成分降解后，分子量减小,絮凝活性明显下降。

4 微生物絮凝剂的应用与无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂絮凝效果好、易生物降解、无二次污染、对环境安全、应用范围广。

因此，可以广泛应用于废水处理和其他方面。

4.1 废水处理1）活性污泥的处理活性污泥的处理是水处理工程中比较棘手的问题。

在活性污泥中加入微生物絮凝剂，污泥容积指数很快下降，消除污泥膨胀状态，从而恢复活性污泥沉降能力。

2）污泥脱水微生物絮凝剂可用于污泥脱水。

主要利用其3）有机废水的处理有机废水的BOD高，处理困难,用高分子絮凝剂处理，虽有较好的处理效果，但存在二次污染。

用微生物絮凝剂可以有效地去除有机废水中的TN和TOC。

4）印染废水的降解和脱色印染废水成分复杂，水质变化大，色度高，并含有难降解表面活性剂，是目前难处理的工业废水之一。

用白腐真菌处理染料废水是目前研究热点之一，其作用分为染料的吸附、富集阶段和生物降解三个阶段。

染料的细菌降解又包括两个步骤，首先是染料透过细菌细胞壁进入质膜，其次是在膜上的传递，并通过细菌的生命活动，使其降解成简单的无机物或转化成细菌所需要的营养物质。

4.2 重金属的收集和发酵工业微生物絮凝剂成功地用于黄金、白钨矿以及其它矿物质等贵重稀有金属类化合物的富集提取。

除此之外，很多絮凝剂产生菌都具有吸附重金属离子的能力。

微生物絮凝剂表现出的对微生物细胞广谱良好的絮凝沉降效果为其在发酵工业后处理中的实际应用奠定了基础。

利用絮凝剂来沉降菌体细胞可使能耗大大减少，而且操作简单，因而可望成为取代传统的离心或过滤方法的新手段。

5 存在问题及发展趋势5.1 问题尽管微生物絮凝剂独特的优越性已显示了其广阔的应用前景，但微生物絮凝剂在实际生产中尚未得到推广应用。

主要原因为：1）原材料价格过高，葡萄糖和果糖是絮凝剂合成的最佳碳源，酵母膏和牛肉膏、酪蛋白、酪氨酸往往是絮凝剂合成的最适氮源，这些为高价值原材料。

2）絮凝剂产量低，絮凝活性弱是导致其生产成本过高的根本原因。

主要原因为菌株自身潜力差，产絮凝剂能力弱，菌株絮凝剂合成的最佳营养条件(主要指培养基组成)、合成的最佳发酵条件(通气量、温度等)及最佳的絮凝条件均未达到。

5.2 发展趋势综合分析微生物絮凝剂的研究和应用，今后微生物絮凝剂领域的发展：1）研究微生物絮凝剂与无机、有机絮凝剂的配合使用，也是微生物絮凝剂发展的另一方向。