中国微生物絮凝剂的生产研究现状

刘立凡

聂锦旭

(广东工业大学建设学院,广东

广州510006)

摘要

微生物絮凝剂具有降解性能好、应用广泛、成本低、操作简单及不会导致二次污染等优点,正日益引起人们的广泛重

视。综述了微生物絮凝剂的开发研究状况,系统介绍了微生物絮凝剂的培养条件、产絮凝微生物生长的影响因素以及中国目前利用废水生产微生物絮凝剂的现状,并指出了微生物絮凝剂生产的现存问题和发展方向。

关键词微生物絮凝剂絮凝性能废水培养

Status of research in microbia l flocculants production in China Liu Lif a n,Nie J inxu.(F a culty of Constr uction,GDUT,Guangzhou Guangdong 510006)

Abstr act: Research in microbial flocculants has r eceived increasing attent ion because they ar e low cost,non 2tox 2ic,biodegr adable,operationally simple and useful in many water and wastewater treatment applications.T his paper summar izes the stat us of micr obial flocculants r esear ch in China focusing on the cult ur ing methods and effects of pH ,temper atur e,inorganic salts,sour ces of carbon and nitr ogen,aer ation on t he growth of extr acellular biopolymetr ic flocculants (EBF)2pr oducing micr oorganisms and activit ies of the f locculants.The paper also presents detailed discus 2sions on conditions of using wastewater as the substr ate for culturing such microoranisms,some of the exist ing prob 2lems and directions of future r esear ch in micr obial flocculants product ion.

Keywor ds: Microbial flocculant s F locculat ion activity Wastewater for cultur ing

絮凝技术是目前国内外用于提高水质处理效率的一种既经济又简便的水处理技术,其关键问题是

絮凝剂的选择。微生物絮凝剂是利用生物技术,从微生物体或其分泌物提取、纯化而获得的新型水处理剂,高效、无毒、可消除二次污染,具有无机絮凝剂和高分子合成絮凝剂无法比拟的优势。

最早发现产絮凝微生物的是美国科学家But 2terfield 在1935年从活性污泥中筛选出来的菌胶团产生菌[1]。20世纪80年代后期,日本的仓根隆一郎等从土壤中筛选到红平红球菌并制成了NOC 21微生物絮凝剂,对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥和纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果。此后,美国、英国、德国、日本、葡萄牙、以色列、韩国、朝鲜和伊朗等国家的科学工作者对产絮凝微生物和微生物絮凝剂进行了大量的研究工作,并已取得了一系列的研究成果。我国从20世纪90年代起,有关产絮凝微生物及微生物絮凝剂的报道日渐增多。目前,我国学者分离、筛选的微生物絮凝剂多达几十种,并且通过试验分析,对微生物絮凝剂的组成、絮凝机理、絮凝特性及应用做了大量的研究工作,证明微生物絮凝剂对多种废水、

污泥的絮凝效果显著。但研究工作主要处于实验室水平,还没有大批微生物絮凝剂成品出售。降低微

生物絮凝剂生产成本,掌握生产微生物絮凝剂的培养规律是大规模工业化生产的关键[2]。针对这种情况,有些学者采用了多种废水培养产絮凝微生物,为微生物絮凝剂实现工业化生产奠定了基础。1

产絮凝微生物的来源和絮凝剂的种类

根据絮凝剂物质组成的不同,微生物絮凝剂可分为三类:一是直接利用微生物细胞的絮凝剂,如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母,它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中;利用微生物细胞提取物的絮凝剂,如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N 2乙酰葡萄糖胺等成分;利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂,微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物,主要是细菌的荚膜和粘液质,除水分外,其余主要成分为多糖、少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物;二是混合菌株及其产生的微生物絮凝剂;三是复合型菌株,利用生物工程新技术,将筛选出的具有絮凝性能的菌株和具有降解性能而没有絮凝性能的菌株基因组合,生成既有絮凝特性又有有机物降解能力的

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Table1Summary of micr obial flocculants and EBF pr oducing microor ganisms

产絮凝微生物

种类名称

絮凝剂名称或成分菌种来源文献大肠杆菌E29活性污泥[3]黑曲霉T H6多糖回流活性污泥[4]

多粘类芽孢杆菌BY28土壤

[5,6]假单孢菌GX421PSD21活性污泥

酵母菌Dfjm21Dtjm21活性污泥[7]

M B626211土壤[8]

Ñ241污泥[9]

MBFP27活性污泥和土壤[10]

2B土壤

[11,12]假单孢菌RL22

恶臭假单胞菌B6土壤[13]克雷伯氏菌属W721多糖废水处理厂和土壤[14]节杆菌LF2Tou2[15]分枝杆菌属活性污泥[16]假单孢菌属WH323活性污泥[17]曲霉M225活性污泥[18]

WB2WBF2污水和回流污泥[19]假单胞菌B D24糖蛋白土壤和活性污泥[20]

Azotob acter J225JMBF225多糖活性污泥[21]

Q322回流污泥

[22,23]动胶菌属SH21回流污泥

凝结芽孢杆菌MBFY3污水和活性污泥[24]

M B FÒ23污泥[25]硅酸盐芽孢杆菌MBFA9多糖土壤[26]产气肠杆菌W23土壤[27]产气肠杆菌KLE21土壤[28]

RFB61、RFB73[29]

BS25MBFBS25河水底泥[30]产气肠杆菌GL23土壤[31]

H H E2P7MBF7多糖

霉菌H H E2A8MBF8多糖

活性污泥[32] H HE2P21MBF21多糖

H H E2A26MBF26多糖

菌株。目前,我国大多采用代谢产物作为微生物絮凝剂,产絮凝微生物多来源于土壤、污水或污泥,主要成分为多糖蛋白、粘多糖和纤维素等(见表1)。

2产絮凝微生物的培养条件

微生物絮凝剂的产生及其絮凝效果受很多因素的影响,包括产絮凝微生物的基因类型、生理特点和环境因素。其中环境因素包括物理、化学及生物因素。碳源、氮源、生长因子、pH、温度、搅拌速度和通气量等都会不同程度地影响絮凝剂的产生效率和絮凝效果。金属盐及合适的碳氮摩尔比对絮凝剂的产生也会有影响。

2.1絮凝活性与菌生长量的相互关系

以微生物初级代谢产物作为微生物絮凝剂时,菌体的生长与絮凝剂的产生和絮凝效果有非常紧密的关系。宋秀兰等[25]313筛选的MBFÒ23所产絮凝剂的絮凝活性与菌生长量呈正相关性,最高絮凝活性在MBFÒ23生长稳定期出现。罗平等[12]39在培养RL22过程中发现其生长曲线与絮凝活性曲线基本呈平行关系,最高絮凝活性在培养2d左右出现,以后随着培养时间的增加,絮凝活性变化不显著。李亮等[30]在培养BS25初始,培养液的絮凝率为0,在8~24h,絮凝活性增长很快,在32h时达到最大,此时正是细菌指数生长期的末期,之后随着培养时间的延长,絮凝活性开始出现大幅度下降。

2.2碳源和氮源对微生物絮凝剂的影响

碳源和氮源是微生物生长必须的物质,碳源构成微生物细胞的碳架和供给微生物生长、繁殖及运动所需的能量,氮源提供微生物合成细胞蛋白质的原料。不同类型的微生物所需要的碳、氮源种类不

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277

#同,也影响到其分泌的絮凝剂的产量与絮凝效果。目前,我国学者研究的微生物絮凝剂的主要成分以多糖为主,有些含有少量蛋白质和多肽等。碳源涉及葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖等简单糖类及淀粉、纤维素等复杂的有机化合物;氮源多为脲、蛋白胨、酵母膏、牛肉膏及少量无机化合物。宋秀兰等[25]313研究表明,MBFÒ23的碳源最好为葡萄糖或果糖,蛋白胨不利于絮凝剂的产生。罗平等[12]39筛选的假单胞菌可利用的碳源有乳糖、葡萄糖、蔗糖、果糖和淀粉等,该菌对碳源要求并不苛刻,有较强的碳源适应性;以蛋白胨、酵母膏和牛肉膏作为产絮凝微生物RL22的氮源,所产絮凝剂对高岭土悬浊液的絮凝率>85%。张平等[3]26实验结果表明,葡萄糖、蔗糖、乳糖、D果糖、甘油和乙醇是菌E29产絮凝剂的良好碳源,而淀粉和玉米作碳源时,絮凝率不高;复合氮源、蛋白胨和大豆粉作氮源时,絮凝率分别达98.12%、94.23%、98.87%,而钠、尿素、牛肉膏、酵母汁和鱼粉作氮源时,絮凝率低。彭辉等[4]7认为蔗糖是TH6产絮凝剂的良好碳源,产生的菌量相对较多,其次为葡萄糖,而以其他物质为碳源时,絮凝率较低;以NaN O3为氮源,絮凝效果最好,产生的菌量也最多,其次为脲,而以(NH4)2SO4作氮源时,虽然菌体生长较旺盛,但培养液絮凝活性很差。周礼等[33]和柴晓利等[29]在试验中均发现葡萄糖比淀粉更容易被产絮凝微生物利用,认为含单糖的培养基有利于絮凝剂的产生。何宁等[34]在培养蛋白聚糖类生物絮凝剂REA211时,认为碳氮摩尔比对絮凝剂合成有影响,比值在20~30时,絮凝活性最大,高于100后,絮凝活性迅速下降。

2.3pH对微生物絮凝剂的影响

微生物的生命活动、物质代谢与pH有密切关系。不同的微生物要求不同的pH,因而pH对絮凝剂的产生也有一定影响。培养基初始pH影响产絮凝微生物的生长和絮凝剂的分泌。大肠杆菌E29在培养基初始pH为5.0~8.0时,絮凝率达到80%以上,pH为7.0左右絮凝率最大,pH偏酸或偏碱均不利于该菌产生絮凝剂[3]27。培养基初始pH为6.0时,T H6所产絮凝剂的絮凝率最高,菌量也较多[4]7。B6在pH为7.0~9.0时,培养液的絮凝活性较高,低于7.0和高于9.0,絮凝活性便急剧下降,pH在8.0时,絮凝活性最高[13]78。

2.4温度对微生物絮凝剂的影响

任何微生物只能在一定的温度范围内生存,在适宜的温度范围内能大量繁殖,温度太低会使其生长速度变慢,温度过高会使菌体产生絮凝剂的活性或产量降低。E29在25e培养时,适应期较长;在30e培养时,絮凝率随时间的延长而上升,60h时达到最大,之后随时间的延长而变化不大;在35e 培养时,虽然初期的絮凝率增长较快,但一直不高,且培养时间达48h后,呈下降的趋势[3]27。TH6在培养温度为30e时菌生长最好,培养液的絮凝活性最高;当温度超过40e后,菌生长明显减慢,絮凝活性显著降低;50e时菌几乎不能生长,培养液的絮凝活性也接近于0[4]7。

2.5无机盐对微生物絮凝剂的影响

无机盐可为微生物提供除碳、氮源以外的重要元素,其生理功能十分重要。罗平等[12]40试验得出在培养基中加入0.4%(质量分数)的无机盐,CaCl2和KH2PO4可显著提高RL22的絮凝活性,MgSO4和KCl也有一定的促进作用,其他无机盐则不利于絮凝剂的产生。栾兴社等[15]用7种摩尔浓度为4 mmol/L的无机盐,发现CaCl2和ZnCl2对于培养过程中絮凝活性的产生非常有效;FeCl3能刺激细胞的生长,但是却降低了絮凝活性的形成;CoCl2严重地抑制了絮凝剂形成;AlCl3在菌种发酵过程中既降低了细胞生长又影响了絮凝活性的产生。周桂英等[16]试验得出KH2PO4和Ca(H2PO4)2能显著提高絮凝活性,NaCl、Ca2+、Mg2+也有一定的促进作用,而Fe3+和Al3+则不利于甚至抑制絮凝发生。

2.6通气量对微生物絮凝剂的影响

通气量对菌生长及絮凝剂的产生是不可忽略的因素。培养初期大量通气有利于微生物生长,但也会阻止絮凝剂絮凝成较大的颗粒,中后期可适当降低通气量。另外,培养过程中适当的搅拌有利于反应物质的传递。宋秀兰等[25]313实验结果表明,微好氧时浊度平均去除率为84.3%,用气泵通入适量空气时浊度平均去除率为90.2%。摇床转速在120~160r/min培养时,B6培养液的絮凝活性较高;摇床转速在80 r/min时,培养液中的菌体聚集成团,不利于菌体利用培养液的营养物质;摇床转速超过200r/min时,也不利于B6产絮凝剂[13]79。宫小燕等[6]在转速为150~ 200r/min时,絮凝活性基本稳定;转速在100~200 r/min内,培养初期提高转速可以使该菌生长迅速,且使絮凝物质积累的时间提前,而在培养中后期,通气量对菌产絮凝剂影响不大。

3微生物絮凝剂扩大生产现状

随着微生物絮凝剂研究和应用的不断深入,降

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278 #低絮凝剂的生产成本是其应用的首要条件,关键是制备价格低廉的培养基。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成分,以豆饼、生产废水和牛血取代酵母浸膏后,培养基的价格下降了2/3以上。我国学者在选用廉价培养基方面也作出了一些研究和尝试。黄民生等[23]筛选的高絮凝活性物质的动胶菌属SH21,使用黄豆汁替代酵母膏以及添加Mg2+可明显提高絮凝效果,并且降低了微生物絮凝剂的生产成本。朱艳彬等[35]采用秸秆等富含纤维素的农业废弃物作为主要的碳源,采用纤维素降解菌群和絮凝菌群两段式发酵,发酵体系中纤维素的降解产物很快被絮凝菌利用,实现了纤维素降解和微生物絮凝两个过程的有机组合。张平等[3]26分离的大肠杆菌E9以乙醇和大豆粉复合使用替代发酵培养基中的碳、氮源,絮凝率高达97.0%~99.5%,絮凝效果优于聚丙烯酰胺等常用的无机絮凝剂和有机絮凝剂,而絮凝剂用量仅为通用发酵培养基的1/15。李剑等[31]在不加乙醇的条件下,菌GL23产生的絮凝剂最高活性为75.3%,加入一定量的乙醇后,絮凝活性在93.0%以上,说明单纯以乳品废水作为培养基并不能提供菌GL23生长所需的全部碳源。刘晖等[36]利用废糖蜜培养产絮凝微生物H H E2P7,最佳浓度为原废水浓度的1/20,COD为20000mg/L左右,菌H H E2P7能充分利用废水中的碳源,废糖蜜可完全取代蔡氏培养基中的蔗糖。

4展望

目前,我国很多大学和科研机构都在进行微生物絮凝剂的研究,筛选的菌种有几十种,很多微生物絮凝剂对多种废水都有很好的絮凝效果。而且在廉价培养基的选择上也作出了很多尝试,降低了微生物絮凝剂的生产成本。但是要使微生物絮凝剂广泛应用于水处理,形成大规模的产业化还有差距,问题主要有:(1)研究水平较低,各学者对各菌种的研究重复工作较多,缺乏创新,研究的内容限于自然界中絮凝剂的筛选、絮凝特性的分析等,而对各菌种产生絮凝剂的机制及絮凝剂的主要成分的探讨相对较少;(2)产絮凝微生物的培养条件研究不够深入,对大规模培养产絮凝微生物与絮凝剂产量的影响因素了解较少,与工业生产的差距大;(3)微生物絮凝剂絮凝机理的研究不够深入,与各种废水的作用机制尚不清楚,难以确定微生物絮凝剂在水处理中的最适作用水质。

基于以上问题,笔者认为微生物絮凝剂研究重点应集中在以下几方面:(1)微生物絮凝剂主要成分的分析与表征方法。目前,所使用的微生物絮凝剂大多为微生物分泌的胞外物质,对确切起絮凝作用的主要物质成分还不清楚,给絮凝剂的深入研究造成了困难;(2)微生物絮凝剂最适廉价培养基的选择与培养条件的研究。目前,微生物絮凝剂主要采用试验室培养基来培养,成本高,若找到产絮凝微生物最适的廉价培养基,如废水,则既可降低废水的污染,又可废物利用;(3)微生物絮凝剂和废水之间的适配原理。微生物絮凝剂具有可生物降解、絮凝效果好的优点,很多废水都适于用微生物絮凝剂,但微生物絮凝剂与废水之间的絮凝机制尚不清楚,对不同微生物絮凝剂最适作用废水的类型还需深入研究。

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(下转第288页)

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279

#4结语

(1)通过企业环境行为水平与排污量削减的对应关系分析,认为企业的环境行为水平越优,则应承担的削减比例越小。因此,两步削减模型所得到的环境容量初始配置结果对于调整产业结构、提高企业的治污积极性有推动作用。

(2)在进行企业环境行为水平评定时,将每一环境行为特征聚类为绿、蓝、红3个类别,这种处理方式大大增加了模型的通用性。在多数情况下,可直接套用模型进行环境容量的初始配置。但在某些特殊情况下(如只有两个排污削减对象或者某一环境行为特征只有两个等标值),无法得到分类数为3的聚类结果,模型需作相应修正。

(3)文中所举实例为太仓经济开发区,企业环境行为水平因有准入制度较易制定。若将模型应用于较为庞大、复杂的区域(如企业分散、园区众多),公平削减时可考虑增添其他因子,如排污口所在地的水环境状况、企业在地区发展中的经济地位和所排污染物对环境影响的严重性程度等。因此,本模型在实际应用过程中,应在主体模型的基本框架下,针对具体情况,修正其中的某些参数,建立适宜的削减模型,以适应不同场合实践的需求。

(4)建立的两步削减模型是一个开放的模型系统,环境容量初始配置结果的合理性程度与决策者的经验水平密切相关。针对同一问题,不同的决策者可能得出差异较大的配置结果。因此,为了尽量避免主观臆断,可通过下述方法解决:增加评定过程的透明度,将各排污企业的环境行为特征评定结果通知相应企业的负责人,增强信息反馈机制;搭建网络表决平台,创设民众对各排污企业环境行为特征的打分机制;邀请资深专家对评定过程、方法、结果进行审查;建立科学、合理的评价指标体系对配置结果进行评价。

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责任编辑:赵多(修改稿收到日期:2006206224)

(上接第279页)

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责任编辑:贺锋萍(修改稿收到日期:2006212214)

以色列水资源管理着重开源当前,许多干旱国家面临水资源短缺的危机。以色列的水资源管理经验可供借鉴。尽管以色列人口不断增长,农业生产不断扩大,海水倒灌,地下水盐碱化,工业污水增加,以色列当前的水资源管理使其能从容应对未来水资源挑战。这些中最值得关注的是开源,并将主要投资集中在下列四个方面:将肯奈瑞特湖和地下蓄水层的综合管理纳入全国水资源综合管理网络;通过降雨蓄水库网络增加水量;污水处理后循环利用于灌溉;海水和地下水的脱盐工艺。

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