微生物絮凝剂的研究与应用

微生物絮凝剂的研究与应用

【摘要】絮凝剂是混凝水处理工艺的核心，然而传统的无机及有机絮凝剂存在着用药量大，并易产生二次污染的缺点；相比之下，微生物絮凝剂主要成分为多糖或蛋白质，具有可生物降解及较高的絮凝活性，因而成为了絮凝剂领域研究的热点。本文通过对微生物絮凝剂的介绍，阐述了微生物絮凝剂的絮凝机理，分析了影响其絮凝活性的相关因素，此外给出了其在水处理当中的应用，并对其未来的发展进行了展望。

【关键词】水处理微生物絮凝剂絮凝机理影响因素

为满足水质标准和环境排放要求，在给水和污、废水处理过程中，一般向水中先加入一定量的絮凝或助凝剂，改变胶体颗粒的表面特性、破坏其稳定性，使分散的胶体颗粒相互聚集进而形成较大的颗粒物，最终从水中沉淀或上浮，以实现固液分离，达到水质净化的目的。

作为第三代絮凝剂，微生物絮凝剂是一种利用生物技术，通过细菌、真菌等微生物经发酵、抽提、精制而成的物质，主要成分为多糖、多肽、蛋白质、脂类及其复合物。按其来源进行分类，微生物絮凝剂大致可分为：（1）直接利用为生物细胞的絮凝剂，如大量存在于土壤、活性污泥中的细菌、真菌及发酵菌等；（2）以细胞壁提取物（如细胞壁中的甘露聚糖及蛋白质等）为主要成分的絮凝剂；（3）以微生物代谢产物（包括胞外代谢产物及胞内代谢产物）为主要成分的絮凝剂；（4）利用克隆技术所获得的絮凝剂[1]。

1 絮凝机理

1.1 吸附架桥机理

尽管微生物絮凝剂的性质各不想同，但它们对液体中固体悬浮物颗粒的絮凝作用却有相似之处，它们可通过离子键、氢键等作用与固体悬浮物相结合。电镜显微镜下显示：聚合细菌之间是由细胞外聚合物搭桥相连的，也正是这些使得微生物细胞削弱了胶体的絮凝稳定性，进而较为紧密地聚合成絮凝体从液体中沉淀分离出来。微生物絮凝剂的架桥机理如图1所示。

在低浓度微生物絮凝剂环境中，呈链状结构的该类物质可同时附着在多个胶体微粒的表面，形成“胶粒-高分子物质-胶粒”的聚合物，在重力的作用下最终导致絮凝沉淀的出现。吸附架桥的必要条件是在胶体微粒表面存在空白空间。在通常情况下，微生物絮凝剂的絮凝效果随着该絮凝剂分子量的增加而加强，即分子量增加，絮凝效率亦随之提高；在架桥的过程中，倘若出现了微生物絮凝剂链段间的重叠，则亦会产生一定的排斥作用：在这种情况下，过高的絮凝剂分子量会削弱架桥作用，并最终降低絮凝剂的絮凝效果。相反，当用微生物絮凝剂处理相反电性的胶体颗粒时，则往往会加大微生物絮凝剂的解离程度，造成絮凝剂电荷密度的加大，有利于絮凝剂分子的扩展，进而促进了微生物絮凝剂的架桥作用。

1.2 电性中和机理

在使用微生物絮凝剂对水体进行处理的过程中，通过加入一定量的金属离子或对水体pH进行一定调节，可对该絮凝剂的处理效果产生一定的促进或抑制作用。实验研究[2]证明：该操作是通过改变胶体表面的带电性而起作用的。通常情况下，在水体中以絮凝稳定性存在的胶体粒子往往带有负电荷，当带有一定量正电荷的链状高分子微生物絮凝剂或其水解产物靠近这种胶体粒子时，在胶体表面上将会发生正负电荷的相互抵消，进而出现胶体脱稳的现象，使得胶粒之间、胶粒与絮凝剂之间的自由碰撞加剧，并在分子间的力作用下形成一个整体，最终依靠重力的作用从水中沉淀分离出来。

1.3 化学反应机理

絮凝效率与温度关系的研究实验[3]显示：在30℃条件下，微生物的絮凝效率可达到85.2%；相比之下，在15℃条件下，却只有42.1%的絮凝效果。实验研究表明：温度对微生物絮凝剂的作用主要是通过影响其活性基团，进而影响其化学反应，最终起到对微生物絮凝效果的促进或抑制作用。

高分子微生物絮凝剂中存在一定数量的活性基团，该基团在微生物絮凝过程中扮演着重要的角色。研究显示：微生物絮凝剂中的某些活性基团可与胶体表面上相应的基团产生化学反应，进而凝聚成体积较大的颗粒物质，最终从水体中沉淀分离出来。另有研究显示：通过对微生物絮凝剂进行一定的改性、处理，使其添加、减少或是改变某些活性基团，絮凝效果将会出现很大程度的变化。

2 絮凝效果影响因素

2.1 培养条件的影响

在营养充裕的培养基中，微生物絮凝剂的絮凝特性与培养时间及培养温度有关。实验结果[4]显示：微生物絮凝剂的絮凝活性随着培养时间的延长而有所提高，即在培养的初始阶段，微生物絮凝剂的絮凝活性随培养时间的延长而基本上呈线性增长的趋势，直到达到某一最佳培养时间后，微生物絮凝剂的絮凝活性增长速度开始减弱，最终趋近于某一极限值；此外，温度可影响蛋白质空间结构及化学特性，进而可促进或削弱以蛋白质为主体的微生物絮凝剂的絮凝特性，因而同一种微生物絮凝剂在不同的培养条件下，会产生不同的絮凝特性，但大部分微生物絮凝剂在30℃左右的温度条件下，往往会出现最佳的絮凝特性。

2.2 pH值的影响

pH值是影响微生物絮凝剂絮凝效果的重要因素。不同的pH不仅会影响到微生物絮凝剂的形态结构及电荷性质，而且对胶体颗粒表面物化性质也会产生中的影响。不同的微生物絮凝剂对pH值有不同的敏感程度。实验结果显示：酸性条件可降低、甚至消除微生物絮凝剂的絮凝特性；相比之下，在碱性条件下，不

同微生物絮凝剂的絮凝活性却出现了不同程度的提高，例如在使用微生物絮凝剂MBF3-3处理石油化工废水的试验中，在pH>10的条件下微生物絮凝剂才会达到最佳的絮凝效果。

2.3 絮凝剂分子量及浓度的影响

絮凝剂分子量及浓度也会影响到微生物絮凝剂的絮凝特性。试验结果[8]显示：分子量越大，会使得絮凝剂中活性位点增多，进而微生物絮凝剂的处理效果；相反，分子量的减小会削弱微生物絮凝剂的絮凝特性。例如，微生物絮凝剂经蛋白酶或其他相关酶水解处理后，由于微生物絮凝剂分子量的减少，出现了絮凝活性的显著下降。另外，与其他絮凝剂一样，微生物絮凝剂的处理效果受其浓度而影响，并存在微生物絮凝剂的最佳投加量：在低浓度条件下，微生物絮凝剂的絮凝特性随着絮凝剂投加量的增加而提高；当浓度达到一定程度后，再继续增加微生物絮凝剂，微生物的絮凝效果变化不大，甚至出现了絮凝效果降低的现象。实践证明：当投加量达到覆盖胶体颗粒1/2表面积时，微生物絮凝剂在胶体颗粒上架桥的机率最大，往往会出现最佳的处理效果。

2.4 金属离子的影响

金属离子的种类和浓度对微生物絮凝剂的处理效果也会产生一定的影响。研究结果[5]显示：一定浓度的金属离子可以促使微生物絮凝剂与胶体颗粒以离子键的形式结合，进而提高其絮凝特性。

另外，不同价位的金属离子对微生物絮凝剂的絮凝特性有不同程度的影响：以Na+、K+为代表的一价金属阳离子，对微生物絮凝剂几乎没有促进作用；而以Ca2+、Fe3+等为代表的高价金属离子对微生物絮凝剂均有明显的促进或抑制作用。

为充分发挥微生物絮凝剂的絮凝特性，在实际应用中，通常将微生物絮凝剂伴随一定量的CaCl2，或是将微生物絮凝剂与Al2（SO4）2按一定的比例混合加入，这样可在提高微生物絮凝剂絮凝效果的同时，减少微生物絮凝剂的用量。

3 微生物絮凝剂在实际水处理当中的应用

微生物絮凝剂主要成分是微生物菌体或其次级代谢产物，具有适用范围广、絮凝活性高、安全无害且易生物降解的特性，因此可广泛应用于给水及污、废水的处理。

3.1 在给水及饮用水方面的应用

由于人为或天然方面的原因，给水及饮用水中不可避免的会包含一定量的颗粒甚至是有毒有机物及病原菌。微生物絮凝剂在饮用水除浊及灭菌方面，要比传统的无机盐絮凝剂及有机高分子絮凝剂拥有更高的处理效果，且具有絮凝剂用量少、适用范围广、沉淀物过滤性能好及可生物降解，对人体不会产生毒害作用的