凈水處理劑-微生物絮凝劑（一）

絮凝劑是一類可使在水體中不易沉降的懸浮顆粒凝聚沉淀的物質。微生物絮凝劑（簡稱MBF)是利用現代生物技術，通過微生物發酵、提取、精制，從微生物菌體或其分泌物中得到的具有生物降解性和安全性的新型、高效、無毒的廉價水處理劑。

新型高效無機絮凝劑產品對活性染料廢水和印染廢水等的絮凝效果優于等量的聚鐵、聚合氧化鋁鐵。采用生化法及生物處理工程是去除難降解有機物的經典方法，它的應用也已日漸趨于成熟，近幾十年發展起來的生物工程法，顯示了無比的優越性和良好的應用前景。

理化性能

微生物絮凝劑（MicrobialFlocculant,簡稱MBF),是指由微生物自身產生的、具有高效絮凝作用的天然高分子物質，主要含糖蛋白、多糖、多肽、蛋白質、纖維素和DNA等高分子化合物，其分子量一般在105以上。多聚糖中有的是由一種單體聚合而成，而有的則是由多種糖單體聚合而成的雜多糖類。此外，有的微生物絮凝劑中還有無機金屬離子。改性后的天然高分子絮凝劑與人工合成的有機高分子絮凝劑相具有以下特點：

①比其他絮凝劑產生的絮團大，易于分離，沉降效率高，而且形成沉淀物少。

②微生物絮凝劑具有可生化性，易被微生物降解，無毒無害等安全性，不會導致二次污染；且有絮凝廣泛，脫色、除油效果獨特的特點，對大腸桿菌、酵母、泥漿水、畜產廢水、染料廢水等有極好的絮凝和脫色效果。同時有適用性廣的特點。微生物絮凝劑在安全環保方面更具優越性。

③有的生物絮凝劑還具有不受pH條件影響，熱穩定性強，用量小等特點。

④比表面積大、轉化能力強、繁殖速度易變異、分布廣等特點，生物絮凝劑的生產周期短，效率高；投放量相對少，能實現大面積運水的凈化作用。

工藝技術

2.1絮凝機理

微生物絮凝機理主要有以下三種：①"橋連作用"機理；②"電性中和"機理；③"化學反應"機理。能產生絮凝劑的微生物種類很多，有細菌、霉菌、放線菌、真菌以及藻類等，通常采用凝膠電泳，溶劑提取、堿提取等方法得到絮凝劑。

對于微生物絮凝劑的絮凝機理是絮凝劑大分子借助離子鍵、氫鍵和范德華力，同時吸附多個膠體顆粒，在顆粒間產生"架橋"現象，從而形成一種三維網狀結構而沉淀下來。

絮凝劑的分子結構、形狀、分子質量和所帶基團對絮凝劑的活性有影響。大分子上要有線形結構，如果好是交聯的或帶鼓鏈的結構，其絮凝效果就差。分子質量對活性也有影響，一般來說，分子質量越大，絮凝活性越高；一些特殊基團由于在絮凝劑中充當顆粒物質的吸附部位或維持一定的空間構像，對絮凝劑活性影響很大。另外，絮凝劑的加入量對活性也有一定影響，通常有一最佳加入量，過多和過少絮凝劑效果均下降，最佳值大約是固體顆粒表面吸附大分子化合物達到飽和時的一半吸附量，因為這時大分子在固體顆粒上架橋的幾率最大。膠體粒子的表面結構也會對絮凝劑的絮凝效率產生影響。

雖然絮凝劑均具有廣譜絮凝作用，但是對不同的膠體顆粒表現出不同的絮凝活性；細胞的年齡對絮凝作用也有影響，在培養早期，絮凝活性不好，隨著發酵的進行，絮凝活性逐漸増加，這是因為細胞年齡影響著細胞壁中的甘露聚糖、葡萄糖和蛋白質組分，從而影響絮凝劑效果；絮凝過程是膠體顆粒與大分子相互靠近、吸附并形成網狀結構的過程，因而大分子與膠體顆粒的表面電荷對絮凝效果有很重要的影響。體系的pH值直接影響著絮凝劑大分子和膠體顆粒的表面電荷，從而影響著它們之間的靠近和吸附行為；體系中的離子，尤其是高價異種離子能夠顯著改變膠體的Zeta電位，降低其表面電荷，促進大分子與膠體顆粒的吸附與架橋。陽離子的影響，特別是鈣離子不僅可以促進絮凝的形成，而且高濃度的鈣離子可以有效地保護絮凝劑不受降解酶的作用。

水中膠體一般帶有負電荷，當帶有一定正電荷的鏈狀生物大好絮凝劑或其水解產物靠近這種膠粒時，將中和其表面的部分電荷，使膠粒之間、膠粒與絮凝劑分子之間易產生互相碰撞，通過分子間作用力凝聚而沉降下來。許多加入金屬離子或調節pH即可影響其絮凝效果實驗，主要是通過影響其帶電性而起作用的。

生物大分子中某些活性基團與被絮凝物質相應的基團發生了化學變化，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。這些絮凝劑絮凝活性大部分依賴于活性基團。溫度影響絮凝效果，主要通過影響其化學基團活性從而影響其化學反應。

2.2影響因素

產生微生物絮凝劑的影響因素包括培養基成分（碳源、氮源、無機離子、水、生長因子及其他物質）、培養條件（培養基pH值、培養溫度、通氣量、培養時間、攪拌速度等）以及絮凝劑產生菌的種類。

微生物絮凝劑包括直接利用微生物細胞的絮凝劑、從微生物細胞提取的絮凝劑和微生物細胞代謝產生的絮凝劑。

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，它們大量存在于土壤、活性污泥和沉積物中。

②微生物細胞是天然有機高分子絮凝劑的重要來源，如酵母細胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質和N-乙酰葡萄糖胺等成分均可作為絮凝劑。絲狀真菌細胞壁多糖除葡聚糖、甘露聚糖外，還有甲殼素，它是N-乙酰-D-氨基葡萄糖以p-1,4-糖苷鍵連成的不分支的鏈狀結構，經過堿水解可產生帶正電性的脫乙酰幾丁質（甲殼胺）。甲殼胺含有活性氧基和羥基，對許多微生物菌體及其他帶負電的粒子有較強的絮凝能力，因而近年來在環保中備受青睞。

③利用微生物細胞代謝產物的絮凝劑有多種。微生物細胞分泌到細胞外的代謝產物，主要是細菌的莢膜和黏液質，其主要活性成分可以是蛋白質和己糖胺,而且分子中含有較多的疏水氧基酸。除水分外，其余主要成分為多糖及少量的多肽、月旨類及其復合物，其中多糖在某種程度上可作為絮凝劑。至今發現的具有絮凝性的微生物達32種，其中細菌18種，分別為糞產堿、協腹產堿桿菌、渴望德萊氏菌、芽孢桿菌屑、棒狀桿菌、暗色孢屬、草分枝桿菌屬、紅平紅球菌、銅綠假單胞菌屬、熒光假單胞菌屬、糞便假單胞菌屬、發酵乳桿菌、嗜蟲短桿菌、金黃色葡萄球菌、土壤桿菌屬、環圈項圈藍細菌、厄式菌屬和不動細菌屬；真菌9種，分別為醬油曲酶、棕曲酶、寄生曲霉、赤紅曲霉、擬青霉屬、棕腐真菌、白腐真菌、白地霉和栗酒裂殖酵母；放線菌5種,分別為椿象蟲諾卡式菌、紅色諾卡式菌、石灰壤諾卡式菌、灰色鏈霉菌和酒紅鏈霉菌。利用紅平紅球菌研制成功微生物絮凝劑，對大腸桿菌、酵母、泥漿水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨脹污泥和紙裝廢水等均有極好的絮凝和脫色效果，是目前發現的絮凝效果最好的微生物絮凝劑。

目前，土壤和活性污泥被認為是篩選和分離絮凝劑的最好來源。絮凝劑產生菌是一類合成并分泌有絮凝活性物質的微生物。微生物絮凝劑的合成與絮凝劑產生菌的代謝活性有關。有的微生物在停止代謝之后，才能釋放絮凝劑。

影響微生物絮凝劑合成的因素有很多，包括遺傳、生理和環境等方面的因素，環境方面因素又包括物理、化學和生物因素。如發酵罐培養基的組成、碳和氮的含量（C/N比），培養基的pH,溫度以及攪拌速度、通氣狀況等。從生物學本質上講，微生物絮凝劑的合成嚴格受遺傳基因的調控。絮凝基因；破壞絮凝物對微生物増長有一定促進作用，這是細胞與營養物質接觸面積増加的緣故。微生物絮凝劑的形成對于微生物的生命活動并不是必需的，絮凝劑真正的生物學意義在于構成微生物的多糖莢膜，微生物的絮凝性也許只是一種伴生性狀。從本質上講，微生物絮凝劑主要是微生物細胞分泌到細胞外的代謝產物，包括細菌的莢膜和黏液質。

目前已經鑒定的生物絮凝劑有很多種屬于多糖類物質。即是一種由葡萄糖、乳糖、葡糖醛酸和乙酸組成生物絮凝劑。纖維素作為一種多糖物質，也是生物絮凝劑的主要活性組分，但由于此類絮凝劑上要引起產生細胞本身的絮凝，因而適用范圍較廣。

日本最初是從土壤中分離并鑒定了能產生優良絮凝物質的桿狀菌株。利用富集培養法從受污土壤中得到格蘭氏陽性的桿狀菌利用超離心力、萃取及硅膠色譜技術分離提純了一種脂類生物絮凝劑，該絮凝劑可用乙醇等直接從紅平球菌細胞中萃取得到。具有分泌絮凝劑能力的微生物稱為絮凝劑產生菌，至今發現具有這種絮凝性的微生物包括霉菌、細菌、放線菌和酵母菌等。其中最具代表性的主要有三種類型：直接利用微生物細胞的絮凝劑；利用微生物細胞壁提取物的絮凝劑；利用細胞代謝產物的絮凝劑。

微生物絮凝劑的制備與培養液的碳氮比、pH、溫度和攪拌速度等有很大的關系，不同的微生物要求的培養條件不同。此外，接種量、種齡、培養時間、遺傳因素和工藝流程等對絮凝劑的合成也有影響。

①營養物質：培養微生物絮凝劑的營養成分有碳源、氮源、無機離子、水、生長因子及其他物質，不同絮凝劑產生菌對培養基中的營養成分要求不一樣，即使是同一種成分，各產生菌對其要求也不一樣。目前對培養基的研究焦點集中在降低培養基成本。

通常所用的碳源有葡萄糖、果糖、山梨醇、甘露醇、乙醇等無機氮化合物，在工業規模的絮凝劑生產中乙醇是很好的碳源，而尿素和酵母液等是良好的氮源。

用糖類以外的物質作碳源，大豆餅可作為有機氮源，水產加工廢水可代替酵母液作為營養源，含魚血的廢物也是優良碳源。

②pH和溫度：培養液的pH對絮凝劑產生菌的產率和活性也有很大影響，不同的菌類有不同的適宜pH。任何微生物只有在一定的環境中才能生長，適合微生物生長代謝的pH—般為6~9,適宜溫度為30°C左右。每一種微生物都有自己最適的pH和溫度。例如一種微生物絮凝劑的最佳培養pH為6.0,溫度為30°C；分離出的菌株在pH為7,溫度為25°C時生長最好。

高溫可使某些生物高分子物質空間結構改變，導致變性，使某些活性基團不再與懸浮顆粒結合，因而表現出絮凝活性的下降。也有的絮凝劑對溫度不敏感，這是由于該絮凝劑主要是由多聚糖構成，其表現絮凝活性的主要部分一多聚糖結構（如聚己糖胺）在高溫處理后結構不改變，仍能與膠體顆粒結合，因此活性不隨溫度改變。

③通氣量（搖床轉速）：通氣量對生長絮凝劑的產生影響不大，但過量的通氣量會引起絮凝活性的下降。

④離子種類和離子強度：離子種類、離子強度對微生物絮凝活性有較大的影響。

pH直接影響絮凝劑表面的Zem電位。由于酸堿度的變化影響微生物絮凝劑及懸浮顆粒表面電荷的性質、數量和中和電荷的能力，從而影響它們之間的靠近和吸附行為。有些微生物絮凝劑的pH范圍窄，而有些微生物絮凝劑具有廣泛的pH適應性。

⑤金屬離子：某些金屬離子對微生物絮凝劑的活性有促進或抑制作用及自我恢復功能，増加生長基質的濃度或降低目標污染物的濃度，微生物的活性又可以得到恢復。一定濃度的金屬離子可以加強絮凝劑分子與懸浮顆粒以離子鍵結合而促進絮凝，即加強其架橋作用和中和作用。大多數陽離子作為助凝劑能提高絮凝活性。但加入的金屬離子濃度不宜太高。

發酵工程主要是利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體或其代謝產物的過程，是最早涉及環境污染治理領域的工程技術。

微生物絮凝劑是一類由微生物產生的有絮凝活性的次生代謝產物，其諸多優良的特性是許多無機和有機絮凝劑難以比擬的。微生物絮凝劑主要包括利用微生物細胞壁提取物的絮凝劑，利用微生物細胞代謝產物的絮凝劑和直接利用微生物細胞的絮凝劑。由于微生物絮凝劑具有高效的絮凝作用和生物降解性能，其開發勢頭十分看好。迄今已發現的絮凝性微生物主要分布于細菌、放線菌、霉菌和酵母菌中。

19世紀末英國就開始使用生物濾池來處理生活污水，利用微生物的生物處理法是借助自然界的力量來處理污水，這種生物處理方法已經在普通的水處理工程中得到了廣泛應用。但是在自然條件下，能降解難降解性有機污染物的微生物數量少且活性低，因此在某些特殊污水處理的實際工藝中，通常是先將這部分細菌篩選出來，通過添加營養、控制條件進行專門的富集和馴化，然后把它們加到難降解性有機物的污水處理系統中以強化處理效果。