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HOOPHONE铁杆木虫 (正式写手)
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生物絮凝剂及其在水处理中应用
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鄙人去年的《环境化学》课程作业，请大家指教，谢谢！ 生物絮凝剂及其在水处理中应用 摘要：微生物絮凝剂是一类由微生物产生的絮凝代谢产物，与传统絮凝剂相比具有高效、无二次污染、使用范围广、具有除浊和脱色性能等、易于固液分离、来源广泛、方法简单、易被微生物降解，无毒无害,安全性高等特点。这些有点决定了微生物絮凝剂已成为絮凝剂研究的一个发展趋势和热点问题，本文概括介绍了生物絮凝剂活性因素、机理及其前景。 关键词：生物絮凝剂（MBF） 活性因素 机理 随着工业化和城市化的进程加速，水污染日益严重、水资源匮乏的形势也更加严峻，加强水处理的力度和保护水资源势在必行。絮凝剂就是其中一种即便宜又容易实施的处理手段，而且絮凝剂可以用于水处理的各个阶段，但是传统的铝盐和铁盐类絮凝剂存在一些弊端，如研究表明铝盐类絮凝剂中活性铝会导致老年痴呆症，铁盐类絮凝剂会腐蚀管网。微生物絮凝剂具有高效、无二次污染;使用范围广；具有除浊和脱色性能等；易于固液分离,形成沉淀物少；微生物来源广泛、方法简单；易被微生物降解，无毒无害,安全性高；有的生物絮凝剂还具有不受pH条件影响,热稳定性强,用量小等特点。 絮凝剂概念 关于絮凝剂的定义目前有两种解释：其一，是根据胶体粒子聚集过程的不同阶段，即胶粒表面改性（静电中和）及胶粒的粘连，将主要是胶粒表面改性或由于压缩双电层而产生脱稳作用的药品称为凝聚剂；而将主要使脱稳后的胶粒通过粒间搭桥和卷扫作用粘结在一起的称为絮凝剂。其二，把凝聚剂和絮凝剂两者当作同义语，不加区分互相通用，原因是从机理上区分凝聚与絮凝有时也很困难。国外水处理界有的倾向于这种看法。 分类 絮凝剂的分类方法有很多。按组成的不同，一般可将其分为无机絮凝剂、有机絮凝剂以及近年兴起的生物絮凝剂；若根据分子量的高低、官能团的特性及官能团离解后所带的电荷的性质，可将其进一步分为高分子、低分子、阳离子型、阴离子型和非离子型絮凝剂等如下表1.所示。 表1.絮凝剂品种分类 絮凝剂 无机絮凝剂 无机低分子絮凝剂 无机阳离子絮凝剂 无机阴离子絮凝剂 无机高分子絮凝剂 铝盐类无机高分子絮凝剂 铁盐类无机高分子絮凝剂 硅酸金属盐及各种复合絮凝剂 有机絮凝剂 人工合成有机高分子絮凝剂 有机阳离子絮凝剂 有机阴离子絮凝剂 非离子有机絮凝剂 生物絮凝剂 纯种菌株及其产生的生物絮凝剂 混合菌株及其产生的生物絮凝剂 基因复合型菌株 生物絮凝剂(MBF ) 微生物絮凝剂(Microbial flocculants 是由微生物产生的生物大分子，是一类由微生物产生的絮凝代谢产物，主要有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等,具有使其他物质凝聚沉淀的性能。 一般利用生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、抽提、精炼而得到。目前对微生物絮凝剂的研究多局限于实验室水平的菌种筛选及其特性研究。 研究进展 1976年Nakamura等从霉菌、细菌、放线菌等菌种中筛选出19种具有絮凝能力的微生物，1985年Takagi等研究了拟青霉属微生物产生的絮凝剂PE101,1986年仓根隆一郎等从日本的旱田土壤中分离筛选得到一种命名为NOC-1的絮凝剂,大大推动了微生物絮凝剂的研究进程。Kurane等从土壤中分离出能产生微生物絮凝剂的红平红球菌株Rhodococcus erythropolis S-1。 1991年,K.Toeda和K.Urane从土壤中分离出一株革兰氏阴性菌——产碱杆菌Al2caligenecupidusAL201。该菌在含有蔗糖的培养基中生长并分泌絮凝物质。Y.Bar和M.Shilo发现一些海底蓝细菌(蓝藻)如AnabenopsiscircularisPcc6720和Phormidiumsp.菌J-1能产生数量可观的胞外絮凝剂。 我国从20世纪90年代开始对微生物絮凝剂的研究，且主要停留在实验室研究阶段,有关研究的报道见表。除台湾省的邓德丰等人从废水处理厂的废水中分离到C-62细菌菌株产生的微生物絮凝剂，中科院成都生物研究所张本兰从活性污泥中分离到的P.alcaligenes8724菌株产生的絮凝剂，康建雄、陶涛由黑酵母以淀粉水解或葡萄糖为原料发酵产生的普鲁兰絮凝剂，尹华等从污水处理厂活性污泥中筛选出10株微生物菌，发现GS7的絮凝效果最好，胡筱敏等由一株硅酸盐芽孢杆菌的新变种发酵液中制得MBF A9絮凝剂，田小光等研制的硫酸盐还原菌絮凝剂对城市生活废水的絮凝净化效果液非常优异，哈尔滨工业大学马放教授提出复合微生物絮凝剂的概念。重庆大学郑怀礼教授对微生物絮凝剂进行了深入研究，并著有国内第一本微生物絮凝剂的著作。重庆大学龙腾锐教授等从活性污泥中提取了胞外聚合物(EPS),考察了EPS、Ca2+及pH值对生物絮凝作用的影响。目前,微生物絮凝剂的研究主要停留在实验室研究阶段,还未见大规模的工业应用。 表2.我国微生物絮凝剂研究报道 研究者 菌种来源 菌 属 最佳碳源 最佳氮源 微生物 有效成分 彭辉等 活性污泥 Aspergillusniger 蔗糖 NH3 TH6 多糖质 邓述波等 土壤 Bacillusmucilgnons 可溶性淀粉 有机氮 MBFA9 多糖 陆茂林等 土壤及活性污泥 Nocardia sp_ JIM-15(89/127) 糖蛋白 刘紫鹃等 活性污泥 Bacillus megaterium 麦芽糖 酵母提取物 A25 表3.产絮凝剂的生物种类一览表 MBF絮凝活性分析 内部因素对MBF絮凝活性的影响 絮凝剂的分子结构、形状、分子质量和所带基团对絮凝剂的絮凝活性有较大的影响。絮凝剂的加入量对MBF的絮凝活性也有一定的影响,通常有一最佳加入量,过多或过少絮凝剂效果均会下降。研究表明，最佳值大约是固体颗粒表面吸附大分子化合物达到饱和时的一半吸附量。 外部条件对MBF絮凝活性的影响 微生物营养有六大要素即：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水,各种微生物生长代谢过程中对六大要素的要求及各成分的含量是不一致的,因而每种菌在不同的培养基条件下产生的絮凝剂是不一样的。微生物的生命活动要求一定的外部条件，当外部环境条件适宜时,微生物的生长繁殖的能力强,由此产生的MBF的絮凝活性就大；反之，外部环境条件不适宜时,微生物的生长就会受到抑制,甚至死亡,由此产生的MBF絮凝活性就小。 生物絮凝剂的絮凝机理 Deriaguin、Landau、Vervey和Overbeek四人提出胶体稳定理论,简称DLVO理论,是解释絮凝化学原理的一种比较完善的理论,它用胶体颗间的吸引能和排斥能的相互作用能来解释胶体定性和产生絮凝的原因。 图1.颗粒表面电荷相互作用能曲线 对于游离于产生菌胞外的絮凝剂的絮凝机理，目前较为普遍接受的是“桥联作用”机理。该学说认为，大分子生物絮凝剂的絮凝过程是几个物理化学过程共同作用的结果。 吸附架桥作用 絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力，同时吸附多个胶体粒子，在颗粒间产生架桥现象，从而形成一种网状三维结构沉淀下来(图)。以吸附等温线和(－电位测定证明环圈项圈藻PCC-26720所产絮凝剂对膨润土絮凝过程确以“桥联”机制为基础。 图2.高分子聚合物的吸附架桥机理 电中和作用 Levy在研究Cyanobacterium phormidium Strain1产生的絮凝剂21时指出，在胶体颗粒的絮凝过程中，电中和效应也是不容忽视的。溶液中带有多个电荷的多价电解质能够与颗粒表面带的相反电荷发生中和，从而减弱颗粒间彼此的相互排斥力，促进颗粒的絮凝沉降，为絮凝剂的架桥提供了有利条件。 卷扫作用 又称为网捕作用。形成小粒絮体的絮凝剂在重力作用下沉降的过程中，犹如一个过滤网下降，迅速卷扫水中胶粒产生沉淀。卷扫作用基本是一种机械作用。 类外源絮凝聚素”假说 “类外源絮凝聚素”假说很好地解释了酵母菌的絮凝机理：絮凝酵母细胞壁上的特定表面蛋白与其它酵母细胞(絮凝和非絮凝细胞)表面的甘露糖残基之间的专一性结合引起絮凝。 菌体外纤维素纤丝”学说 Friedman 提出的“菌体外纤维素纤丝”学说则主要是针对纤维素类絮凝剂的絮凝机理提出的，由于部分引起絮凝的产生菌体外有纤丝，因而该学说认为是由于胞外纤丝聚合形成絮凝物。“类外源絮凝聚素”假说和“菌体外纤维素纤丝”假说对非游离态生物絮凝剂的作用机理作出合理解释。 基团反应 絮凝剂大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生化学反应，聚集成大分子而沉淀下来。通过对天然大分子改性，添加或去掉某些活性基团，其絮凝活性就大受影响，说明这些絮凝剂絮凝活性大部分依赖于活性基团。温度影响絮凝效果，主要通过影响其化学基团活性而起作用。 病毒假说 Strantford提出的有关酵母絮凝机理的病毒假说，认为外源絮凝集素可能从酵母的一种感染剂产生，而非酵母本身产生。这一假说得到了最近研究结果的支持，如酵母絮凝可能受病毒转移激活蛋白表达的诱导。还发现Kill-L病毒与FLO表型伴随并且LdsRNA与假定的絮凝结构基因相一致，这提示了酵母絮凝是Kill-L病毒外壳蛋白表达的结果。但是病毒假说是基于间接证据的推理，需要进一步实验证明。 生物絮凝剂应用实例 生物絮凝剂的应用范围十分广泛，而且处理效果特别明显。以下主要介绍生物絮凝剂在消除污泥膨胀、脱色、城市污水处理以及特殊废水处理应用情况。 消除污泥膨胀 工业废水在采用活性污泥法处理的过程中,活性污泥易发生膨胀,影响处理效果,若加入微生物絮凝剂,会消除膨胀,收到良好的效果。如甘草制药废水生化处理过程的污泥膨胀,添加NOC21微生物絮凝剂后,污泥的SVI值很快从290下降到50,消除了污泥的膨胀,恢复了污泥的沉降能力。 水的脱色 活性污泥法除去废水中的BOD并非难事,但对于脱色几乎还没有特效的方法,特别是对于那些可溶性色素很难处理,使用微生物絮凝剂NOC-1对造纸黑液,颜料废水处理后上清液几乎变为无色透明。 城市污水处理 城市污水处理通常采用强化一级处理工艺,通过化学絮凝沉淀作用、生物絮凝与不完全氧化作用,可以提高和保证SS,COD,BOD,TP的去除效果，去除率一般为COD:60%～80%、BOD5:60%～80%、SS:80%～90%、TP:75%～90%、TN:25%左右。 展望 降低生产成本 筛选高产菌株、优化培养条件选择替代性培养基、降低培养基成本、,降低生产成本的研究。 Kurane对红平红球菌的优化培养中选用了多种自然界中广泛存在的物料作培养基的替代成分,已取得了很大的进展。 应用现代测试方法 微生物絮凝剂结构和理化性质的测定,将现代测试方法引入微生物絮凝剂检测中 C.R.Thomas认为显微操纵术可以测量细胞的变形及破裂等,可以比较清楚地观察和研究絮凝过程、生物细胞的凝结和自絮凝过程。另外,计算机模拟絮凝过程方法也是一个很好的研究手段,可为我们的研究和实验提供思路和方向 絮凝机理的深入研究 4株高效絮凝菌中,F2和F6菌株按照1:1比例混合培养所得发酵液絮凝率可达9311%,优于各个单菌,同时优于其他双菌组合。复合型生物絮凝剂HITM02的絮凝机理包括蛋白质等两性电解质的电中和作用；蛋白质、多肽、多糖等高分子物质和纤维素等的代谢残留物共同具有的吸附架桥作用。 图3.菌株F2和F6扫描电镜照片 复合型生物絮凝剂的研究 复合型生物絮凝剂的概念是哈尔滨工业大学马放教授率先提出的，是以稻草、秸秆等廉价生物质材料为底物，利用纤维素降解菌群和絮凝菌群组成的复合型微生物絮凝剂产生菌菌群，进行两段式发酵后分离提取而获得的。将微生物絮凝剂与传统的其他絮凝剂复合研究复合后的絮凝作用机理和絮凝效果等；同时还要进行微生物絮凝剂的应用研究,对工业化生产条件进行优化。 絮凝基因和转基因的研究 利用基因和生物工程技术提高微生物絮凝剂的性能研究认为酵母菌中絮凝基因FL01,FL05絮凝基因在1号染色体上，FL08位于8号染色体上，FL01絮凝基因在无絮凝性的受体细胞上也得到良好的表达。Ishida-Fujii,K等研究把Saccharomycescerevisiae396-9-6V的FL01基因导入一株无絮凝性的菌株的URA3位点上,使其获得了絮凝性(FSC27菌株),再引入URA3的菌株FSCU-L18的絮凝性能及产率比原菌株都好。另外,有人成功地通过杂交方式把絮凝基因引入无絮凝菌株中。 参考资料 陈坚 环境友好材料的生产与应用 北京：化学工业出版社 2002. 郑怀礼 生物絮凝剂与絮凝技术 北京：化学工业出版社 2004 何宁等 生物絮凝剂的最新研究进展及其应用 微生物学通报 2005,32(2） 104-109 刘佳等 新型生物絮凝剂的研究 四川环境 2005,24(3) 60-65 邓述波 微生物絮凝剂处理淀粉废水的研究.工业水处理，1999，19(5) 8-10 秦培勇等 微生物絮凝剂及其絮凝机理的研究进展 内蒙古工业大学学报 2001，20（3） 164-167 [ Last edited by yxy8451 on 2007-4-10 at 14:14 ] |
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2楼2006-05-02 00:00:36