净水处理剂-微生物絮凝剂（一）

絮凝剂是一类可使在水体中不易沉降的悬浮颗粒凝聚沉淀的物质。微生物絮凝剂（简称MBF)是利用现代生物技术，通过微生物发酵、提取、精制，从微生物菌体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、无毒的廉价水处理剂。

新型高效无机絮凝剂产品对活性染料废水和印染废水等的絮凝效果优于等量的聚铁、聚合氧化铝铁。采用生化法及生物处理工程是去除难降解有机物的经典方法，它的应用也已日渐趋于成熟，近几十年发展起来的生物工程法，显示了无比的优越性和良好的应用前景。

理化性能

微生物絮凝剂（MicrobialFlocculant,简称MBF),是指由微生物自身产生的、具有高效絮凝作用的天然高分子物质，主要含糖蛋白、多糖、多肽、蛋白质、纤维素和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种单体聚合而成，而有的则是由多种糖单体聚合而成的杂多糖类。此外，有的微生物絮凝剂中还有无机金属离子。改性后的天然高分子絮凝剂与人工合成的有机高分子絮凝剂相具有以下特点：

①比其他絮凝剂产生的絮团大，易于分离，沉降效率高，而且形成沉淀物少。

②微生物絮凝剂具有可生化性，易被微生物降解，无毒无害等安全性，不会导致二次污染；且有絮凝广泛，脱色、除油效果独特的特点，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、畜产废水、染料废水等有极好的絮凝和脱色效果。同时有适用性广的特点。微生物絮凝剂在安全环保方面更具优越性。

③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。

④比表面积大、转化能力强、繁殖速度易变异、分布广等特点，生物絮凝剂的生产周期短，效率高；投放量相对少，能实现大面积运水的净化作用。

工艺技术

2.1絮凝机理

微生物絮凝机理主要有以下三种：①"桥连作用"机理；②"电性中和"机理；③"化学反应"机理。能产生絮凝剂的微生物种类很多，有细菌、霉菌、放线菌、真菌以及藻类等，通常采用凝胶电泳，溶剂提取、碱提取等方法得到絮凝剂。

对于微生物絮凝剂的絮凝机理是絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力，同时吸附多个胶体颗粒，在颗粒间产生"架桥"现象，从而形成一种三维网状结构而沉淀下来。

絮凝剂的分子结构、形状、分子质量和所带基团对絮凝剂的活性有影响。大分子上要有线形结构，如果好是交联的或带鼓链的结构，其絮凝效果就差。分子质量对活性也有影响，一般来说，分子质量越大，絮凝活性越高；一些特殊基团由于在絮凝剂中充当颗粒物质的吸附部位或维持一定的空间构像，对絮凝剂活性影响很大。另外，絮凝剂的加入量对活性也有一定影响，通常有一最佳加入量，过多和过少絮凝剂效果均下降，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，因为这时大分子在固体颗粒上架桥的几率最大。胶体粒子的表面结构也会对絮凝剂的絮凝效率产生影响。

虽然絮凝剂均具有广谱絮凝作用，但是对不同的胶体颗粒表现出不同的絮凝活性；细胞的年龄对絮凝作用也有影响，在培养早期，絮凝活性不好，随着发酵的进行，絮凝活性逐渐増加，这是因为细胞年龄影响着细胞壁中的甘露聚糖、葡萄糖和蛋白质组分，从而影响絮凝剂效果；絮凝过程是胶体颗粒与大分子相互靠近、吸附并形成网状结构的过程，因而大分子与胶体颗粒的表面电荷对絮凝效果有很重要的影响。体系的pH值直接影响着絮凝剂大分子和胶体颗粒的表面电荷，从而影响着它们之间的靠近和吸附行为；体系中的离子，尤其是高价异种离子能够显著改变胶体的Zeta电位，降低其表面电荷，促进大分子与胶体颗粒的吸附与架桥。阳离子的影响，特别是钙离子不仅可以促进絮凝的形成，而且高浓度的钙离子可以有效地保护絮凝剂不受降解酶的作用。

水中胶体一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大好絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时，将中和其表面的部分电荷，使胶粒之间、胶粒与絮凝剂分子之间易产生互相碰撞，通过分子间作用力凝聚而沉降下来。许多加入金属离子或调节pH即可影响其絮凝效果实验，主要是通过影响其带电性而起作用的。

生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学变化，聚集成较大分子而沉淀下来，通过对生物大分子改性、处理，使其添加或丧失某些活性基团，其絮凝活性就大受影响。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从而影响其化学反应。

2.2影响因素

产生微生物絮凝剂的影响因素包括培养基成分（碳源、氮源、无机离子、水、生长因子及其他物质）、培养条件（培养基pH值、培养温度、通气量、培养时间、搅拌速度等）以及絮凝剂产生菌的种类。

微生物絮凝剂包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、从微生物细胞提取的絮凝剂和微生物细胞代谢产生的絮凝剂。

①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。

②微生物细胞是天然有机高分子絮凝剂的重要来源，如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰葡萄糖胺等成分均可作为絮凝剂。丝状真菌细胞壁多糖除葡聚糖、甘露聚糖外，还有甲壳素，它是N-乙酰-D-氨基葡萄糖以p-1,4-糖苷键连成的不分支的链状结构，经过碱水解可产生带正电性的脱乙酰几丁质（甲壳胺）。甲壳胺含有活性氧基和羟基，对许多微生物菌体及其他带负电的粒子有较强的絮凝能力，因而近年来在环保中备受青睐。

③利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂有多种。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黏液质，其主要活性成分可以是蛋白质和己糖胺,而且分子中含有较多的疏水氧基酸。除水分外，其余主要成分为多糖及少量的多肽、月旨类及其复合物，其中多糖在某种程度上可作为絮凝剂。至今发现的具有絮凝性的微生物达32种，其中细菌18种，分别为粪产碱、协腹产碱杆菌、渴望德莱氏菌、芽孢杆菌屑、棒状杆菌、暗色孢属、草分枝杆菌属、红平红球菌、铜绿假单胞菌属、荧光假单胞菌属、粪便假单胞菌属、发酵乳杆菌、嗜虫短杆菌、金黄色葡萄球菌、土壤杆菌属、环圈项圈蓝细菌、厄式菌属和不动细菌属；真菌9种，分别为酱油曲酶、棕曲酶、寄生曲霉、赤红曲霉、拟青霉属、棕腐真菌、白腐真菌、白地霉和栗酒裂殖酵母；放线菌5种,分别为椿象虫诺卡式菌、红色诺卡式菌、石灰壤诺卡式菌、灰色链霉菌和酒红链霉菌。利用红平红球菌研制成功微生物絮凝剂，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性炭粉水、膨胀污泥和纸装废水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的絮凝效果最好的微生物絮凝剂。

目前，土壤和活性污泥被认为是筛选和分离絮凝剂的最好来源。絮凝剂产生菌是一类合成并分泌有絮凝活性物质的微生物。微生物絮凝剂的合成与絮凝剂产生菌的代谢活性有关。有的微生物在停止代谢之后，才能释放絮凝剂。

影响微生物絮凝剂合成的因素有很多，包括遗传、生理和环境等方面的因素，环境方面因素又包括物理、化学和生物因素。如发酵罐培养基的组成、碳和氮的含量（C/N比），培养基的pH,温度以及搅拌速度、通气状况等。从生物学本质上讲，微生物絮凝剂的合成严格受遗传基因的调控。絮凝基因；破坏絮凝物对微生物増长有一定促进作用，这是细胞与营养物质接触面积増加的缘故。微生物絮凝剂的形成对于微生物的生命活动并不是必需的，絮凝剂真正的生物学意义在于构成微生物的多糖荚膜，微生物的絮凝性也许只是一种伴生性状。从本质上讲，微生物絮凝剂主要是微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物，包括细菌的荚膜和黏液质。

目前已经鉴定的生物絮凝剂有很多种属于多糖类物质。即是一种由葡萄糖、乳糖、葡糖醛酸和乙酸组成生物絮凝剂。纤维素作为一种多糖物质，也是生物絮凝剂的主要活性组分，但由于此类絮凝剂上要引起产生细胞本身的絮凝，因而适用范围较广。

日本最初是从土壤中分离并鉴定了能产生优良絮凝物质的杆状菌株。利用富集培养法从受污土壤中得到格兰氏阳性的杆状菌利用超离心力、萃取及硅胶色谱技术分离提纯了一种脂类生物絮凝剂，该絮凝剂可用乙醇等直接从红平球菌细胞中萃取得到。具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌，至今发现具有这种絮凝性的微生物包括霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等。其中最具代表性的主要有三种类型：直接利用微生物细胞的絮凝剂；利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂；利用细胞代谢产物的絮凝剂。

微生物絮凝剂的制备与培养液的碳氮比、pH、温度和搅拌速度等有很大的关系，不同的微生物要求的培养条件不同。此外，接种量、种龄、培养时间、遗传因素和工艺流程等对絮凝剂的合成也有影响。

①营养物质：培养微生物絮凝剂的营养成分有碳源、氮源、无机离子、水、生长因子及其他物质，不同絮凝剂产生菌对培养基中的营养成分要求不一样，即使是同一种成分，各产生菌对其要求也不一样。目前对培养基的研究焦点集中在降低培养基成本。

通常所用的碳源有葡萄糖、果糖、山梨醇、甘露醇、乙醇等无机氮化合物，在工业规模的絮凝剂生产中乙醇是很好的碳源，而尿素和酵母液等是良好的氮源。

用糖类以外的物质作碳源，大豆饼可作为有机氮源，水产加工废水可代替酵母液作为营养源，含鱼血的废物也是优良碳源。

②pH和温度：培养液的pH对絮凝剂产生菌的产率和活性也有很大影响，不同的菌类有不同的适宜pH。任何微生物只有在一定的环境中才能生长，适合微生物生长代谢的pH—般为6~9,适宜温度为30°C左右。每一种微生物都有自己最适的pH和温度。例如一种微生物絮凝剂的最佳培养pH为6.0,温度为30°C；分离出的菌株在pH为7,温度为25°C时生长最好。

高温可使某些生物高分子物质空间结构改变，导致变性，使某些活性基团不再与悬浮颗粒结合，因而表现出絮凝活性的下降。也有的絮凝剂对温度不敏感，这是由于该絮凝剂主要是由多聚糖构成，其表现絮凝活性的主要部分一多聚糖结构（如聚己糖胺）在高温处理后结构不改变，仍能与胶体颗粒结合，因此活性不随温度改变。

③通气量（摇床转速）：通气量对生长絮凝剂的产生影响不大，但过量的通气量会引起絮凝活性的下降。

④离子种类和离子强度：离子种类、离子强度对微生物絮凝活性有较大的影响。

pH直接影响絮凝剂表面的Zem电位。由于酸碱度的变化影响微生物絮凝剂及悬浮颗粒表面电荷的性质、数量和中和电荷的能力，从而影响它们之间的靠近和吸附行为。有些微生物絮凝剂的pH范围窄，而有些微生物絮凝剂具有广泛的pH适应性。

⑤金属离子：某些金属离子对微生物絮凝剂的活性有促进或抑制作用及自我恢复功能，増加生长基质的浓度或降低目标污染物的浓度，微生物的活性又可以得到恢复。一定浓度的金属离子可以加强絮凝剂分子与悬浮颗粒以离子键结合而促进絮凝，即加强其架桥作用和中和作用。大多数阳离子作为助凝剂能提高絮凝活性。但加入的金属离子浓度不宜太高。

发酵工程主要是利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程，是最早涉及环境污染治理领域的工程技术。

微生物絮凝剂是一类由微生物产生的有絮凝活性的次生代谢产物，其诸多优良的特性是许多无机和有机絮凝剂难以比拟的。微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂，利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂和直接利用微生物细胞的絮凝剂。由于微生物絮凝剂具有高效的絮凝作用和生物降解性能，其开发势头十分看好。迄今已发现的絮凝性微生物主要分布于细菌、放线菌、霉菌和酵母菌中。

19世纪末英国就开始使用生物滤池来处理生活污水，利用微生物的生物处理法是借助自然界的力量来处理污水，这种生物处理方法已经在普通的水处理工程中得到了广泛应用。但是在自然条件下，能降解难降解性有机污染物的微生物数量少且活性低，因此在某些特殊污水处理的实际工艺中，通常是先将这部分细菌筛选出来，通过添加营养、控制条件进行专门的富集和驯化，然后把它们加到难降解性有机物的污水处理系统中以强化处理效果。