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(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

生物絮凝劑是一類(lèi)由微生物產(chǎn)生的有絮凝活性的代謝產(chǎn)物，其成分可能是多糖、蛋白質(zhì)、纖維素等，由真菌、細(xì)菌等微生物通過(guò)發(fā)酵、提取、精制而得到[1]。生物絮凝劑是廉價(jià)、無(wú)毒、新型、高效、無(wú)二次污染的水處理劑[2]，能快速絮凝各種顆粒狀物質(zhì)，特別是在廢水脫色和去除高濃度有機(jī)物等方面有獨(dú)特的效果[3]。利用生物絮凝劑處理廢水比較容易實(shí)現(xiàn)固態(tài)物質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)的分離，絮凝后形成的沉淀物比較少[4]。目前，我國(guó)生物絮凝劑的應(yīng)用大部分仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，真正工業(yè)化的較少。絮凝劑產(chǎn)生菌的最好來(lái)源是活性污泥和土壤[5]，一般來(lái)說(shuō)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(duì)象，從中篩選得到生物絮凝劑的高產(chǎn)菌株，對(duì)其絮凝活性進(jìn)行了研究；并將其用于高嶺土懸濁液模擬廢水的處理，對(duì)絮凝條件進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 菌株與培養(yǎng)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(yǎng)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(diào)pH值至7.0～7.2。

發(fā)酵培養(yǎng)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(diào)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(tái)式恒溫振蕩培養(yǎng)箱，冰箱，高壓蒸汽滅菌鍋，遠(yuǎn)紅外快速恒溫干燥箱，分光光度計(jì)，電子天平，電熱恒溫水浴鍋，生化培養(yǎng)箱，多頭磁力加熱攪拌器，潔凈工作臺(tái)，精密pH計(jì)，高速離心機(jī)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(yǎng)→分離、選擇培養(yǎng)→菌株的分離和純化→絮凝率測(cè)定→高效絮凝劑產(chǎn)生菌。

1.3.2 絮凝率的測(cè)定

用722型分光光度計(jì)，在波長(zhǎng)550 nm處測(cè)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(duì)照，按下式計(jì)算生物絮凝劑的絮凝率：

式中：A為對(duì)照液的吸光度；B為絮凝沉淀后上清液的吸光度。

2 結(jié)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(jīng)絮凝實(shí)驗(yàn)篩選得到有絮凝能力的菌株4株，復(fù)篩后得到1株絮凝活性較高且穩(wěn)定的菌株，命名為C4-3，其絮凝活性達(dá)到95%以上。

2.2 絮凝活性分布的測(cè)定

通過(guò)定量比較上清液(離心后的去菌細(xì)胞部分，稀釋至與發(fā)酵液等體積，搖勻)、菌懸液(離心后菌體經(jīng)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(fā)酵液相同，搖勻)和發(fā)酵液的絮凝率，來(lái)確定發(fā)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(jī)上于4000 r·min-1離心30 min，經(jīng)上述處理后，分別取2 mL上清液、菌懸液和發(fā)酵液，測(cè)定絮凝活性，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 C4-3培養(yǎng)液中絮凝活性分布

由圖1可以看出，C4-3產(chǎn)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(fā)酵液的85.4%。這說(shuō)明，C4-3的絮凝活性成分主要來(lái)源于菌細(xì)胞分泌的胞外代謝產(chǎn)物而非菌本身。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均以上清液作為絮凝劑樣品。

2.3 生物絮凝劑的酸堿穩(wěn)定性

將C4-3產(chǎn)生的絮凝劑的pH值分別調(diào)至4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，置于冰箱4 ℃過(guò)夜，測(cè)定絮凝率，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 生物絮凝劑的酸堿穩(wěn)定性變化

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

2.4 生物絮凝劑的熱穩(wěn)定性

將C4-3產(chǎn)生的絮凝劑分別置于20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃的水浴中20 min，測(cè)定絮凝率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 生物絮凝劑的熱穩(wěn)定性變化

由圖3可以看出，當(dāng)溫度在40～80 ℃范圍內(nèi)時(shí)，生物絮凝劑的絮凝性能幾乎不受影響；當(dāng)在100 ℃的水浴中加熱20 min后，其絮凝率仍達(dá)95.03%。表明該生物絮凝劑具有較好的熱穩(wěn)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(duì)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(fā)酵液，再加入5 mL 1% CaCl2水溶液作助凝劑，加蒸餾水至100 mL，調(diào)節(jié)pH值至7.0。磁力攪拌器攪拌4 min，靜置9 min，在550 nm下測(cè)吸光度，計(jì)算絮凝率，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 生物絮凝劑投加量對(duì)絮凝率的影響

由圖4可以看出，不加絮凝劑時(shí)絮凝率較低；而絮凝劑投加量在1～8 mL時(shí)，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(duì)絮凝效果的影響

分別調(diào)高嶺土懸濁液pH值為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，考察其對(duì)絮凝率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 高嶺土懸濁液pH值對(duì)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(duì)絮凝效果的影響

在高嶺土懸濁液模擬廢水(100 mL)的質(zhì)量濃度(g·L-1)分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9時(shí)進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，考察其對(duì)絮凝率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 高嶺土懸濁液濃度對(duì)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(shí)，絮凝效果較好。

2.5.4 金屬離子對(duì)絮凝效果的影響

金屬陽(yáng)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(diào)節(jié)pH值為9.0，進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，計(jì)算絮凝率，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 金屬離子對(duì)絮凝率的影響

由圖7可以看出，Mg2+、Ca2+、Fe3+、A13+助凝作用較好，F(xiàn)e2+一般，而Na+、K+最差?？紤]到Fe3+、A13+有二次污染問(wèn)題、Mg2+價(jià)格較貴，選擇1%CaCl2作助凝劑較適宜。

2.5.5 1% CaCl2投加量對(duì)絮凝效果的影響

分別在1% CaCl2投加量為0～8 mL的條件下進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，考察其對(duì)絮凝率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 1% CaCl2投加量對(duì)絮凝率的影響

由圖8可以看出，1% CaCl2投加量為1～6 mL時(shí)絮凝率較高。這可能是因?yàn)?，Ca2+濃度較小時(shí)，無(wú)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(shí)，就有可能達(dá)到電荷平衡。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)初篩、復(fù)篩，從活性污泥中成功篩選得到1株絮凝活性較高且穩(wěn)定的菌株C4-3。絮凝活性分布測(cè)定表明，C4-3所產(chǎn)生物絮凝劑屬于胞外絮凝劑。

(2)熱穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性研究表明，C4-3所產(chǎn)絮凝劑在pH值為4.0～11.0、溫度為40～80 ℃時(shí)，絮凝效果較好，且在100 ℃的水浴中加熱20 min，絮凝率仍達(dá)95.03%。說(shuō)明C4-3適應(yīng)pH值廣泛、耐高溫能力好，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)中具有優(yōu)越性。

(3)將C4-3所產(chǎn)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(shí)，絮凝效果較好。

[1] 周群英，高廷耀.環(huán)境工程微生物學(xué)[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(chǎn)生菌篩選及絮凝條件優(yōu)化[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，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.