混合菌絮凝性能的研究

崔亞楠，張從良，王 巖

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001)

微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生且具有絮凝活性的次生代謝產(chǎn)物，其主要成分為糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等［1-2］，與傳統(tǒng)絮凝劑相比，具有無毒無害、安全性高、易被微生物降解、無二次污染等特點(diǎn)，是一種高效、無毒、無二次污染的新型水處理劑，因此倍受國內(nèi)外廣泛關(guān)注［1］。本試驗(yàn)針對(duì)自行篩選的混合菌進(jìn)行絮凝性能研究，并通過其他廢水來驗(yàn)證其絮凝效果。

1 材料與方法

1.1 菌種的篩選

自鄭州某豬場(chǎng)污泥分離篩得17株絮凝活性較高的菌株(絮凝活性均在90%以上)，分別命名為xn1～xn17。通過菌落形態(tài)和個(gè)體形態(tài)觀察，可初步推斷xn1、xn2、xn4為霉菌;xn17為放線菌;其他13株菌為細(xì)菌。將其兩兩復(fù)配后，(xn10+xn9)的絮凝活性最高，絮凝率為97%。

1.2 水樣來源

①高嶺土標(biāo)準(zhǔn)懸浮液:將高嶺土配制成濃度為5 g/L的懸濁液;②鄭州某豬場(chǎng)廢水;③染料廢水:濃度100 mg/L堿性品紅溶液。

1.3 混合菌發(fā)酵液絮凝率的測(cè)定

絮凝率采用改進(jìn)方法［2］測(cè)定，將1 mL發(fā)酵液和2 mL CaCl2(10 g·L-1)溶液加入裝有100 mL高嶺土懸濁液(5 g/L)的150 mL錐形瓶中，調(diào)pH值至7.5左右，均勻攪拌1 min，靜置10 min后用吸管吸取上清液于722型分光光度計(jì)550 nm處測(cè)定吸光度，以不加培養(yǎng)液的溶液為對(duì)照來確定培養(yǎng)液的絮凝活性。絮凝率計(jì)算如下:

式中，A為對(duì)照上清液吸光度，B為樣品上清液吸光度。

1.4 絮凝分布活性的測(cè)定

絮凝活性分布試驗(yàn)即測(cè)定發(fā)酵液、發(fā)酵上清液及細(xì)胞菌懸液的絮凝活性。取5 mL發(fā)酵液在3 000 r/m下離心30 min，取上清液測(cè)定絮凝活性;另取5 mL發(fā)酵液在3 000 r/m下離心30 min，棄去上清液，將沉于底部的菌體用蒸餾水洗滌3次，在3 000 r/m下離心，棄去上清液，加蒸餾水定容至5 mL，混勻測(cè)定細(xì)胞菌懸液的絮凝活性。

1.5 提取和成分初步分析

將離心獲得的上清液與兩倍體積的95%預(yù)冷乙醇均勻混合，在4℃下將放置24 h后，經(jīng)離心收集的沉淀物用95%乙醇反復(fù)洗滌、離心3次，最后真空干燥即得絮凝劑。對(duì)提取的粗品通過糖的呈色反應(yīng)和蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)［3］初步分析，Molish反應(yīng)、蒽酮反應(yīng)和Seliwanoff反應(yīng)為檢測(cè)糖類的呈色反應(yīng);雙縮脲反應(yīng)、黃蛋白反應(yīng)和茚三酮反應(yīng)為檢測(cè)氨基酸或蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)。

1.6 實(shí)驗(yàn)儀器

722S可見分光光度計(jì)、BS124S分析天平、80-2離心機(jī)、SHZ-82水浴恒溫振蕩器等。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬離子對(duì)絮凝活性的影響

以 1%FeCl3、AlCl3、MgCl2、NaCl、KCl溶液代替1%CaCl2溶液測(cè)定(xn10+xn9)的絮凝率，結(jié)果如表1所示。幾種陽離子對(duì)(xn10+xn9)絮凝效果促進(jìn)程度的大小順序?yàn)镃a2+＞Al3+＞Mg2+＞Fe3+＞K+＞ Na+，顯然，Ca2+、Al3+、Mg2+對(duì)(xn10+xn9)助凝作用明顯，而 K+、Na+、Fe3+則較小，因此最佳金屬離子為Ca2+和Al3+。但Al3+存在二次污染問題，不宜作助凝劑，故宜選Ca2+作助凝劑。

表1 不同金屬離子對(duì)(xn10+xn9)絮凝率的影響 %

2.2 氯化鈣投加量對(duì)絮凝活性的影響

通過改變CaCl2投加量來進(jìn)一步研究金屬離子對(duì)微生物絮凝活性的影響，結(jié)果如圖1所示。不投加Ca2+的發(fā)酵不具有絮凝活性，隨Ca2+的增加，(xn10+xn9)絮凝率逐漸增大，在1%CaCl2投加量為3 mL時(shí)，其絮凝活性達(dá)最大值(97.24%)，但繼續(xù)增大CaCl2投加量對(duì)絮凝率無效，因此Ca2+對(duì)提高微生物絮凝效果有不可忽略的作用。

圖1 CaCl2投加量對(duì)(xn10+xn9)絮凝率的影響

2.3 微生物投加量對(duì)絮凝活性的影響

將不同劑量的(xn10+xn9)投加到100 mL高嶺土懸濁液中，效果見圖2。隨(xn10+xn9)投加量的增加，其絮凝率逐漸提高，在投加量為3 mL時(shí)達(dá)最大值(96.35%)，隨后絮凝率逐漸降低。這是因?yàn)樾跄钚怨倌軋F(tuán)通過Ca2+作用與高嶺土顆粒形成一種獨(dú)特吸附，絮凝劑過量會(huì)影響絮凝的壓縮雙電子層和吸附架橋作用而使原來的穩(wěn)定狀態(tài)脫穩(wěn)。

圖2 絮凝劑投加量對(duì)(xn10+xn9)絮凝率的影響

2.4 高嶺土懸濁液pH值對(duì)絮凝活性的影響

微生物絮凝劑受外界環(huán)境pH的影響程度不同，這是因?yàn)閜H值不僅影響膠體顆粒的表面電荷、Zete電位，也會(huì)影響微生物絮凝劑表面的電荷性質(zhì)，從而影響微生物絮凝劑和高嶺土懸濁液間的電中和作用和吸附作用［4］。將微生物絮凝劑和CaCl2投加到不同pH值的高嶺土懸濁液中，以相應(yīng)pH值的廢水為對(duì)照，混勻靜置10 min后其對(duì)絮凝性能的影響如表2所示。在pH值2～10范圍內(nèi)(xn10+xn9)能保持較好絮凝活性，絮凝率在68%以上，具有一定的pH穩(wěn)定性和廣譜性;但相比較而言，該絮凝劑更適合處理酸性廢水。

表2 不同pH值對(duì)(xn10+xn9)絮凝率的影響 %

2.5 熱穩(wěn)定性

微生物絮凝的熱穩(wěn)定性和微生物絮凝劑的組分密切相關(guān)。有些研究［5］發(fā)現(xiàn)絮凝劑組分以蛋白質(zhì)為主的絮凝活性受溫度影響較大;而以多糖為主的絮凝劑，熱穩(wěn)定性較好，受溫度的影響很小。由圖3可以看出，在溫度范圍為30～100℃內(nèi)微生物絮凝劑(xn10+xn9)的絮凝率均在90%以上，且絮凝率波動(dòng)幅度不大，說明其熱穩(wěn)定性較好，可以初步推斷其主要成分為多糖。

圖3 微生物絮凝(xn10+xn9)的熱穩(wěn)定性

2.6 對(duì)其他廢水的絮凝性能

利用(xn10+xn9)對(duì)其他廢水進(jìn)行初步絮凝試驗(yàn)處理，結(jié)果見表3。絮凝劑投加量和CaCl2投加量各1 mL于30 mL(100 g/L)堿性品紅溶液中，均勻攪拌1 min，靜置10 min后在堿性紅最大吸收波長(zhǎng)為543 nm下測(cè)定吸光度為0.046，脫色率97.26%;對(duì)豬場(chǎng)廢水，將2 mL絮凝劑和9 mLCaCl2投加至100 mL廢水，均勻攪拌1 min，靜置20 min后，濁度從280降到54，去除率為83.93%。對(duì)這兩種較難處理的廢水，(xn10+xn9)均有較好的絮凝效果，但實(shí)際應(yīng)用尚需對(duì)各種絮凝影響因素進(jìn)行深入研究。

表3 處理結(jié)果

2.7 絮凝活性分布及成分初步分析

測(cè)定發(fā)酵液、發(fā)酵上清液和細(xì)胞菌懸液的絮凝活性結(jié)果如表4所示，由表4可以看出，其絮凝活性大小順序?yàn)?發(fā)酵液＞發(fā)酵上清液＞細(xì)胞菌懸液，且離心后上清液的絮凝活性和發(fā)酵原液的絮凝活性較接近，這說明微生物的絮凝活性物質(zhì)主要是胞外產(chǎn)物，主要分布在培養(yǎng)液中。

表4 絮凝活性分布

對(duì)于(xn10+xn9)的Molish反應(yīng)，在濃硫酸和樣品液面的分界處呈現(xiàn)明顯紫環(huán);蒽酮反應(yīng)呈現(xiàn)藍(lán)綠色，這說明其含有糖類成分;而Seliwanoff反應(yīng)沒有鮮紅色出現(xiàn)，說明其所含多糖成分為非酮糖多糖。雙縮脲反應(yīng)不顯紫色，黃蛋白反應(yīng)不顯桔黃色，茚三酮反應(yīng)不顯藍(lán)紫色，這說明其不含蛋白質(zhì)或氨基酸成分。

3 結(jié)論

本文研究結(jié)果表明(xn10+xn9)具有較好的熱穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性，在較廣的范圍內(nèi)均能保持較好的絮凝活性，且Ca2+、Al3+、Mg2+對(duì)其助凝作用明顯。(xn10+xn9)的絮凝活性物質(zhì)主要為胞外產(chǎn)物，主要成分為非酮糖多糖，不含蛋白質(zhì)。對(duì)豬場(chǎng)廢水和堿性品紅溶液均具有良好絮凝效果，其濁度去除率和脫色率分別為83.93%、97.26%，但實(shí)際推廣應(yīng)用尚需對(duì)生產(chǎn)成本等問題進(jìn)行深入研究。

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