微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

徐 梅

(江西中慧城鄉(xiāng)建設(shè)開發(fā)公司，江西 南昌 330023)

絮凝是廢水處理的一個重要方法，用于去除水中細小的懸浮物和膠體污染物質(zhì)。絮凝劑是一種可使液體中不易沉降的固體懸浮顆粒凝聚沉降的物質(zhì)[1]。傳統(tǒng)的絮凝劑主要有兩類，一類是無機型的，如鐵鹽、鋁鹽等；另一類是有機型的，如聚丙烯酰胺等。這兩類絮凝劑的絮凝效果都比較好，尤其是聚丙烯酰胺類絮凝劑，由于其具有高絮凝性和低生產(chǎn)成本而得到廣泛應(yīng)用。但是，近年來人們發(fā)現(xiàn)，無機絮凝劑用量較大易產(chǎn)生二次污染，更為嚴重的是，經(jīng)常飲用以鋁鹽為絮凝劑的水會引起老年性癡呆癥[2]。而聚丙烯酰胺類物質(zhì)不易被降解，且單體有致突變性[3]，現(xiàn)在在許多領(lǐng)域已被禁止或限量使用。

微生物絮凝劑(Microbial flocculant，MBF)是一種天然生物高分子絮凝劑，由微生物產(chǎn)生并分泌到細胞外，是具有絮凝活性的微生物代謝產(chǎn)物。微生物絮凝劑可使液體中不易降解的固體懸浮顆粒、菌體細胞及膠體粒子等發(fā)生凝聚、沉淀，是具有生物分解性和安全性的高效、無毒、無二次污染的綠色水處理劑。但是，由于微生物絮凝劑的生產(chǎn)成本較高，發(fā)酵生產(chǎn)工藝還不成熟，其成分及絮凝效果穩(wěn)定性不夠等原因，使得微生物絮凝劑的發(fā)展受到一定程度的限制。

1 微生物絮凝劑的種類

微生物絮凝劑一般由多糖、蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物質(zhì)構(gòu)成，具有蛋白質(zhì)和糖類等特征基團。從微生物絮凝劑來源看，其種類主要分為四種[4]：①直接利用微生物細胞的絮凝劑，如某些細菌、霉菌、放線菌和酵母菌，它們大量存在于土壤、活性污泥和沉積物中；②利用微生物細胞壁成分的絮凝劑，如酵母細胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質(zhì)和N-乙酞葡萄糖胺等成分均可用作絮凝劑；③利用微生物細胞代謝產(chǎn)物的絮凝劑，微生物細胞分泌到細胞外的代謝產(chǎn)物主要是細菌的莢膜和粘液質(zhì)，除水分外，其主要成分為多糖及少量的多肽、蛋白質(zhì)、脂類及其復(fù)合物，其中多糖和蛋白質(zhì)在某種程度上可用作絮凝劑；④通過克隆技術(shù)獲得的絮凝劑。若以微生物絮凝劑的化學(xué)組成作為分類標準，則又可分為蛋白質(zhì)類、多糖類和脂類[5]。由于微生物絮凝劑種類繁多，因此其結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異較大。

2 微生物絮凝劑的絮凝機理

微生物絮凝劑是生物大分子，考慮到其化學(xué)組成，可以認為微生物絮凝劑絮凝作用的本質(zhì)是有機高分子(如多聚糖、纖維素、蛋白質(zhì)等)與目標物之間發(fā)生的相互作用[6]。近年來，各國學(xué)者對微生物絮凝劑的絮凝機理進行了不斷研究，理論也獲得了不斷的發(fā)展，先后提出了許多假說，如pHB酯學(xué)說、Buterrfield黏質(zhì)假說、電中和作用以及菌體外纖維素纖絲學(xué)說等。主要的機理如下。

2.1 “架橋作用”機理

絮凝劑借助離子鍵、氫鍵，同時結(jié)合多個顆粒分子，因而在顆粒間起“中間橋梁”的作用，把這些顆粒聯(lián)結(jié)在一起，從而使之形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沉淀下來。朱艷彬等[7]得到的復(fù)合微生物絮凝劑HITM0有效成分為蛋白質(zhì)、多糖和多肽類物質(zhì)，絮凝機理包括蛋白質(zhì)等兩性電解質(zhì)的電中和作用以及蛋白質(zhì)、多肽、多糖等高分子物質(zhì)和纖維素等的代謝殘留物共有的吸附架橋作用。王曙光等[8]從土壤中篩選出一株產(chǎn)氣腸桿菌(Klebsiella mobilis)，認為該菌株微生物絮凝劑分子中所含陰離子基團較多，并且含有較多的吸附活性基團，所以其絮凝機理與一般陰離子型高分子化學(xué)絮凝劑類似(以吸附架橋作用為主)[9]。

2.2 “離子鍵、氫鍵的結(jié)合”學(xué)說

該學(xué)說認為[10]通過離子鍵、氫鍵的作用與懸浮物結(jié)合，由于絮凝劑的分子量較大，一個絮凝劑分子可同時與幾個懸浮顆粒結(jié)合。在適宜條件下，迅速形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而沉積，從而表現(xiàn)出很強的絮凝能力。馬放等[11]的研究表明盡管在復(fù)合型生物絮凝劑(CBF)和高嶺土的絮凝過程中存在架橋作用，但主要還是靠離子鍵結(jié)合的。阿根廷某研究機構(gòu)[12]從Agentinian酒中提取出檸檬克勒克酵母(KloecKera apiculata)菌株，研究發(fā)現(xiàn)其絮凝作用是通過蛋白質(zhì)與碳水化合物之間的內(nèi)部鍵作用而產(chǎn)生的。但是，離子鍵、氫鍵學(xué)說并不能很好地解釋某些絮凝反應(yīng)機理，如張永奎等[13]認為由菌Z-67產(chǎn)生的微生物絮凝劑MBF-33與高嶺土顆粒之間既非離子鍵結(jié)合也非氫鍵結(jié)合。

2.3 “電性中和”機理

水中膠粒一般帶負電荷，當(dāng)帶有正電荷的生物大分子絮凝劑或其水解產(chǎn)物靠近這種膠粒時，將中和其表面上的部分電荷，使膠粒脫穩(wěn)，從而膠粒之間、膠粒與絮凝劑分子間易發(fā)生相互碰撞，通過分子間作用力凝聚而沉淀。

2.4 “化學(xué)反應(yīng)”機理

生物大分子中某些活性基團與被絮凝物質(zhì)相應(yīng)的基團發(fā)生了化學(xué)作用，聚集成較大分子而沉淀下來，通過對生物大分子改性、處理，使其添加或喪失某些活性基團，其絮凝活性就大受影響。有學(xué)者認為這些絮凝劑的絮凝活性大部分依賴于活性基團。溫度影響絮凝效果，主要是通過影響其化學(xué)基團活性從而影響其化學(xué)反應(yīng)的。

2.5 卷掃作用

當(dāng)微生物絮凝劑投量一定且形成小粒絮體時，可以在重力作用下迅速網(wǎng)捕，卷掃水中膠粒，從而產(chǎn)生沉淀分離，稱為卷掃或網(wǎng)捕作用。這種作用基本上是一種機械作用，所需絮凝劑量與原水雜質(zhì)含量成反比。原水膠體雜質(zhì)含量少時，所需絮凝劑量大，反之亦然。由此可見，關(guān)于微生物絮凝劑的機理很難用一種理論來解釋，各種引起絮凝的作用都可能發(fā)生?？傊跄^程是一個復(fù)雜的過程，為了更好地解釋機理，需要對特定絮凝劑和膠體顆粒的組成、結(jié)構(gòu)、電荷、構(gòu)象及各種反應(yīng)條件對它的影響進行更深入、更細致的研究。

微生物絮凝劑自身的分子結(jié)構(gòu)、形狀、分子質(zhì)量和所帶基團對絮凝劑活性有影響。通常，絮凝劑分子結(jié)構(gòu)以直線型為佳，如果分子結(jié)構(gòu)是交聯(lián)的或支鏈結(jié)構(gòu)，其絮凝效果就會較差。此外絮凝劑分子質(zhì)量越大，其活性越高[14]。同時，絮凝劑的投加量、絮凝環(huán)境因子(如溫度、pH值、金屬離子的種類和濃度、通氣量等)對絮凝效果影響較大[15-18]。

3 微生物絮凝劑的生產(chǎn)工藝及應(yīng)用現(xiàn)狀

產(chǎn)絮微生物通過有效的菌株篩選和純化富集后，還要在最適發(fā)酵工藝條件下生長培養(yǎng)，才能發(fā)揮絮凝作用。傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)多以一段式發(fā)酵為主，但已不能滿足水處理工業(yè)化需求，因此對絮凝劑最佳發(fā)酵條件的探索以及對發(fā)酵動力學(xué)的研究受到廣泛關(guān)注。崔玉海等[19]采用Logistic方程和Luedeking Piret方程分別建立了菌體生長和底物消耗的動力學(xué)模型。雖然這些模型能夠很好地模擬絮凝劑的發(fā)酵過程，但由于模型單一，且大多針對氨基酸類絮凝劑的發(fā)酵生產(chǎn)，并不適合直接指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。大量試驗研究證實，微生物絮凝劑有著其他無機及有機絮凝劑不可比擬的優(yōu)勢，如微生物絮凝劑在除濁、除油、去除金屬離子、抑制污泥膨脹、促進污泥脫水等[20-23]方面的效率高于傳統(tǒng)的無機及有機絮凝劑，而且用量少，應(yīng)用范圍廣，沉淀物過濾性能好，飲用后對人體無毒副作用[24]；將微生物絮凝劑用于墨水、蜜糖廢水、紙漿廢水(黑液)、顏料廢水等有色廢水的處理，能有效地凝聚水溶性色素，尤其對高分子絮凝劑不能去除的著色物質(zhì)也有優(yōu)異的脫色效果；同時，對于一些特殊廢水，如畜產(chǎn)高濃度有機廢水、含有建筑材料的高濃度無機廢水以及需要回收的食品及餐飲行業(yè)產(chǎn)生的廢水，微生物絮凝劑因其特有的高效性、無毒性以及可消除二次污染等優(yōu)點，處理廢水后均可達滿意效果。

4 微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀

微生物絮凝劑以其無可比擬的優(yōu)越性彰顯了廣闊的發(fā)展前景，但到目前為止，相比于其他類型的絮凝劑，微生物絮凝劑在實際工程中尚未得到廣泛應(yīng)用。通過上述研究現(xiàn)狀的分析，國內(nèi)外微生物絮凝劑的研究還存在很多問題：首先，微生物絮凝劑雖然種類繁多，但每種絮凝劑的應(yīng)用范圍較窄，無法實現(xiàn)處理對象的廣泛性沉淀和降解；其次，微生物絮凝劑產(chǎn)品使用量巨大，但產(chǎn)量低、穩(wěn)定性差、不易儲存，增加了工業(yè)化生產(chǎn)的難度；第三，生產(chǎn)成本高，微生物絮凝劑的高制備成本限制了其大規(guī)模生產(chǎn)，成為制約微生物絮凝劑發(fā)展的關(guān)鍵因素，尋找廉價的可替代原料是解決這一問題的有效手段；第四，針對微生物絮凝劑的復(fù)配研究仍處于初級階段，復(fù)配手段不成熟，產(chǎn)品運行不穩(wěn)定?，F(xiàn)階段對于解決微生物絮凝劑存在的瓶頸問題，已經(jīng)取得一些顯著成果。如利用微生物工程、代謝工程和遺傳工程，大幅度提高微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的產(chǎn)絮能力；尋找廉價的原材料，以大幅度降低生產(chǎn)成本等。復(fù)合型微生物絮凝劑經(jīng)過多年的研究，已在很多方面取得突破性的進展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)國家重點實驗室已經(jīng)成功篩選出多株纖維素降解菌，打破廉價物料的地域性資源局限，克服了其對微生物絮凝劑生產(chǎn)推廣及示范作用的限制影響，并實現(xiàn)了秸稈類纖維素的高效糖化，使產(chǎn)酶和酶水解能夠在同一體系中進行，省去了酶提取這一步驟，避免了酶活性在提取中的部分喪失，縮短了工藝流程，并大大降低制備成本。

5 微生物絮凝劑的發(fā)展趨勢

隨著混合菌培養(yǎng)技術(shù)、基因工程技術(shù)、生物投菌法、生物流化床等新技術(shù)、新工藝的投入，微生物絮凝劑的發(fā)展已進入一個新的歷史階段。我國的微生物絮凝劑要實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，針對微生物絮凝劑存在的問題，可從以下幾方面進一步研究：

①優(yōu)化微生物絮凝劑產(chǎn)品的提取方法及儲存條件。由于微生物絮凝劑主要由多糖和蛋白質(zhì)組成，其提取方法與一般的多聚糖和蛋白質(zhì)的提取方法相近，但這些方法流程復(fù)雜，操作繁瑣，耗藥量大，不利于微生物絮凝劑的推廣。而且微生物絮凝劑作為一種液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物，其液體狀態(tài)下的儲存穩(wěn)定性較差，若制成干粉則在室溫狀態(tài)下其絮凝活性可保持50d而無較大影響，但凍干費用成本較高且不易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，因此有待開發(fā)出新的經(jīng)濟簡便高效的適用于大規(guī)模生產(chǎn)的絮凝劑提純方法。

②構(gòu)建產(chǎn)絮菌菌種資源庫，實現(xiàn)微生物絮凝劑產(chǎn)品的系列化，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和多樣性。在常規(guī)傳統(tǒng)選育方法的基礎(chǔ)上，進一步完善產(chǎn)絮菌的選育方法和誘變方法，并利用復(fù)雜基質(zhì)產(chǎn)絮菌的選育、培養(yǎng)及保藏，開發(fā)多元化與和諧化的混合產(chǎn)絮菌群，提高水處理系統(tǒng)中生物處理環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性及多樣性，構(gòu)建智能化菌種資源庫，從而可以針對不同的處理對象選取不同的菌種資源。

③建立微生物絮凝劑產(chǎn)品標準及評價體系。目前國內(nèi)外尚未開展微生物絮凝劑毒理學(xué)評價研究，對微生物絮凝劑進行遺傳毒性、生殖毒性和一般毒性的安全性評價，可以為微生物絮凝劑的工業(yè)化及其在水處理中的應(yīng)用提供衛(wèi)生學(xué)依據(jù)。

④開展規(guī)?；纳a(chǎn)性試驗。目前微生物絮凝劑的研究大多處于實驗室研發(fā)階段，與其實際應(yīng)用還有較大差距。因此，今后應(yīng)著重將微生物絮凝劑從實驗室階段轉(zhuǎn)化到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，在實際工程中對微生物絮凝劑進行深入研究。

⑤開發(fā)微生物復(fù)合型絮凝劑。根據(jù)處理對象的不同，將化學(xué)絮凝劑與微生物絮凝劑復(fù)配，開發(fā)系列產(chǎn)品，以此擴大微生物絮凝劑的應(yīng)用。復(fù)配后的微生物絮凝劑，其絮凝特性得到提高，既降低了化學(xué)絮凝劑用量又克服了微生物絮凝劑作用的單一性。

⑥梯級利用，提高底物的轉(zhuǎn)化效率。昂貴的原材料和培養(yǎng)成本一直是困擾微生物絮凝劑發(fā)展的最主要原因之一，將微生物絮凝劑應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中必須解決好這個經(jīng)濟成本問題，可從兩方面著手：一是改進生產(chǎn)方式，采用兩段式連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)方式，縮短生產(chǎn)周期，優(yōu)化發(fā)酵過程中的各種影響因素，調(diào)控提高微生物絮凝劑的產(chǎn)率；二是開發(fā)以多元化廢棄物(如以有機廢料、發(fā)酵殘液、剩余污泥等)為廉價原料的微生物絮凝劑制備技術(shù)，在探明多元化混合原料對微生物發(fā)酵產(chǎn)絮影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，著重研發(fā)多元化混合原料的預(yù)處理工藝技術(shù)，以及產(chǎn)品后處理工藝技術(shù)，從而實現(xiàn)混合底物的定向轉(zhuǎn)化，早日推進微生物絮凝劑產(chǎn)品的工業(yè)化。

⑦開發(fā)高效微生物絮凝劑工程菌。實踐證明，從自然界分離篩選到的產(chǎn)絮微生物，不但生產(chǎn)成本高，而且絮凝效果也不穩(wěn)定，難以適應(yīng)實際的應(yīng)用需求。而利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)構(gòu)建的基因工程菌，具有較強的目的性和針對性，使其具有雙親的優(yōu)良性狀，不但可以大幅提高絮凝劑產(chǎn)量，而且更具有穩(wěn)定的絮凝能力。

⑧探討絮凝機理與解析絮凝形態(tài)結(jié)構(gòu)。從物理、化學(xué)和生物學(xué)等不同角度深入研究微生物絮凝劑的絮凝機理及絮凝形態(tài)結(jié)構(gòu)，探討不同的微生物絮凝劑對不同類型的污(廢)水的作用原理，分析不同環(huán)境因素對絮凝形態(tài)結(jié)構(gòu)形成的影響，以及對絮凝效果的影響，找出其中的規(guī)律，以指導(dǎo)開發(fā)出更具有針對性的新型高效微生物絮凝劑。

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