董晓斌
(兰州有色冶金设计研究院有限公司,甘肃兰州730000)
摘　要:综述了传统絮凝剂在水处理中存在的缺陷以及微生物絮凝剂在水处理中的优越性,提出了絮凝剂的新发
展方向是开发微生物絮凝剂.阐述了发展微生物絮凝剂的重要性及种类、结构特性、原理等问题并指出了发展趋势.
关键词:传统絮凝剂;水处理;微生物絮凝剂;应用
中图分类号:TQ314.253　　　文献标识码:A
1　传统絮凝剂在水处理中的缺陷
传统的絮凝剂有无机絮凝剂及合成有机高分子絮凝剂.无机絮凝剂主要有铁盐和铝盐两大体系,有机高分子絮凝剂主要为聚丙烯酞胺及其衍生物.
由于铝盐絮凝法产生的污泥广泛应用于农业,导致土壤中铝含量升高,植物出现铝害,从而影响植物正常生长,甚至死亡;同时伴随这些农作物进入食物链亦影响到人体的健康,临床上铝中毒主要有铝性脑病、铝性骨病和铝性贫血等,老年性痴呆
症即是铝性脑病的一种[1].铁盐对金属有腐蚀作用,也可造成处理水中带有颜色,且高浓度的铁对人体健康和生态环境有不利影响.
自20世纪60年代以来,人工合成的有机高分子絮凝剂在废水处理及污泥调节中得到广泛应用,目前使用较多的是聚丙烯酰胺,但因合成这些聚合物的单体具有强烈的神经毒性,而且还有很强的致癌性[1],所以对其使用作了规定:如美国批准使用
的聚丙烯酰胺的最大允许浓度为1mg/dm3,英国规定聚丙烯酞胺的投加量平均不得超过0.5mg/dm3,最大投加量不得超过1mg/dm3[2].从而大大限制了此类絮凝剂的应用.
传统的污水处理方法存在着处理效率不高、耗费大、有一定的危害及二次污染等问题,这就需要去寻找一种较经济、合理的污水处理方式.近年来,利用微生物絮凝剂处理污水的方法越来越受到国内外的关注.
2　微生物絮凝剂的类型、特点
2.1　MBF的主要类型
微生物絮凝剂(Microbial Flocculants,MBF)是利用生物技术,从微生物体或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效,且能自然降解的新型水处理絮凝剂.它是微生物产生的覆盖在菌体外的一种高分子聚合物,它包括机能性蛋白质和机能性多糖等成分,相对分子质量多为105以上.其中最具代表性的有:Nakalnura J发现的酱油曲霉产生的絮凝剂AJ7002;Takagi H用拟青霉素产生的MBF PF101,它对大肠杆菌、啤酒酵母、活性污泥、硅藻土等有良好的絮凝效果;Kurane利用红平红球菌研制成功的微生物絮凝剂NOC-1,对泥浆水、河水、粉煤灰水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果,是目前发现最好的MBF.MBF的来源主要有四种类型[3,4]:
(1)直接利用微生物细胞的絮凝剂,如某些细菌、霉菌放线菌和酵母等,它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中.
(2)利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂,如酵母菌细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酞葡萄糖胺等成分均可作絮凝剂使用.
(3)利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂,这类絮凝剂主要是微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物,主要有细菌的荚菌膜和粘液质,除水分外,其余主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物等,其中多糖在某种程度上可作为絮凝剂.
(4)利用克隆技术所获得的絮凝剂.这类絮凝剂是用基因工程技术和现代分子生物学,把高效絮凝基因转移到便于发酵的菌中,构造高效遗传菌株,克隆絮凝基因能在多种降解中产出有效的微生物絮凝剂.
2.2　MBF的特点
2.2.1　高效性　同等用量下,它的处理效率明显高于传统絮凝剂.
2.2.2　安全无毒性　经白鼠试验证明,MBF完全能用于食品、医药等行业的发酵后处理.
2.2.3　无二次污染　到目前为止,已报道的微生物产生的絮凝物质为糖蛋白、粘多糖、纤维素、DNA等高分子物质,其分子量多在105以上,具有可生化性,即能够自行降解,因而不会带来二次污染.
2.2.4　用途广泛、脱色效果独特　如已研制成功的MBF NOC-1是以红平红球菌为主体,在Ca2+存在下,对大肠杆菌、酵母、畜产废水、染料废水等有极好的絮凝和脱色效果.
2.2.5　投放量相对少　使用少量MBF,就能实现
大面积污水的净化作用.
3　微生物絮凝剂的絮凝机理
微生物絮凝剂的主要成分中含有亲水的活性基团,如氨基、羟基、羧基等,其絮凝机理与有机高分子絮凝剂相同.目前,MBF的作用机理主要有以下4种.
3.1　架桥絮凝机理
该机理认为絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范得华力,同时吸附多个胶体颗粒,在颗粒间产生“架桥”现象,从而形成一种网状的三维结构而沉淀下来.例如Levy等以吸附等温线和ζ电位测定表明,环圈项圈藻PCC-6720所产絮凝剂确实是以“桥联”机制为基础的.电镜照片显示的聚合细菌之间由细胞外聚合物搭桥相连,正是这些“桥”使细胞丧失了胶体的稳定性而紧密地聚合成凝聚体在液体中沉淀下来.架桥的必要条件是微粒上存在空白表面.
3.2　电中和絮凝机理
污水中胶体粒子的表面一般带有负电荷,当带有一定正电荷的链状生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近胶粒表面或被吸附到胶粒表面上时,将会中和胶粒表面上的一部分负电荷,减少静电斥力,从而使胶粒间能发生碰撞而凝聚,重力作用而沉降下来.
3.3　化学反应机理
这一机理认为生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应基团反应,进而聚集成较大的分子而沉淀下来.通过对生物大分子进行改性处理,使其添加或丧失某些活性基团,即活性基团决定了絮凝剂的活性.
3.4　卷扫作用机理
这一机理认为,当微生物絮凝剂的投加量一定且形成小颗粒絮体时,可以在重力作用下,迅速网捕,卷扫水中一些胶粒,从而产生沉淀.从微生物絮凝剂的多样性出发,它的絮凝机理不应该是单一的,而应是复合的.为了更好地解释机理,需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构像及各种反应条件对它们的影响进行更深入的探讨.
4　微生物絮凝剂的应用现状
4.1　畜禽废水的处理
畜禽废水是BOD较高,较难处理的一类有机废水.如猪粪尿废水,采用合成高分子絮凝剂处理效果不好,而采用NOC-1微生物絮凝剂处理,则效果十分显著,处理10min废水的上清液变成几乎透明的液体.废水的TOC由处理前的8200mg/L变2980mg/L,去除率达63.7%,浊度由处理前的15.7变为0.86,去除率达94.5%[5].
4.2　膨胀活性污泥的处理
活性污泥法处理过程中容易发生污泥膨胀,影响处理效率.若添加微生物絮凝剂,会取得良好效果.如干草制药废水升华处理过程中形成的膨胀活性污泥,当在其中添加NOC-1微生物絮凝剂后,污泥的SVI很快从290下降到50,消除了污泥的膨胀,恢复了活性污泥的沉降能力[6].
4.3　废水悬浮颗粒的去除
在含有大量极细微悬浮固态颗粒(SS的浓度为370 mg/dm3)的焦化废水悬浮液中,加入2%Al-caligenues latus培养基,并加入Ca2+,废水中即形成肉眼可见的絮凝体.这些絮凝体能有效地自行沉降而去除,沉降后上清液的SS为80 mg/dm3,去除
率达78%.若用铁盐絮凝剂处理同样废液,SS的去除率仅为47%[7].
4.4　建筑材料加工废水的处理
含有高悬浮物的建筑材料加工废水也是较难处理的一类废水.如陶瓷厂废水主要包括胚体废水和釉药废水2种,前者主要含较多的粘土颗粒,后者除含粘土颗粒外,还有相当数量的釉药.当添加NOC-1后5min,胚体废水的浊度从原来的1.4降低到0.043 ,釉药废水的浊度从17.2降到0.35,去除率分别为96.6%和97.9%,可得到几乎透明的上清液[8].
4.5　废水的脱色
采用微生物絮凝剂NOC-1,对墨水、糖蜜废水、造纸黑液、颜料废水等进行处理,上清液呈无色透明.张本兰用P.alcaligenes 8724菌株产生的絮凝剂,在实验室对纸浆黑液和氯霉素等色素较深的废水进行脱色处理,脱色率分别达95%和98%以
上[9].胡筱敏等用MBFA9处理硫化染料废水及淀粉黄浆废水,无论是悬浮物还是COD的去除率均高于传统的化学絮凝剂PAM[10].
4.6　鞣革工业废水的处理
在鞣革工业废水中加入C-62菌株产生的絮凝剂,浊度去除率可达96%.柴晓利等筛选到的Azomonas sp.的发酵液对皮革废水的脱色效果也非常明显[11].
4.7　城市污水的处理
尹华等筛选出的菌株GS7,用于城市污水、餐饮废水和医院废水除浊,处理城市河涌污水等实际废水时具有用量少、澄清速度快等特点,投药5min即可形成大絮团,30min后水质清澈透明,浊度去除率达93.5%浊度去除率达93.5%[12].
5　微生物絮凝剂发展的趋势
综合分析MBF的研究和应用现状,今后在MBF领域的研究将出现几个重要的趋势:
(1)MBF工业化生产应用的研究和推广以及降低MBF生产成本已显得十分重要.优选原料和优化生产路线,通过选择替代性培养基或直接利用不同发酵废水中的不同菌株互为絮凝剂,降低生产及使用成本,实现以废治废.
(2)由于生物技术的飞速发展,人们对微生物细胞基因的认识和控制也越来越自如,即可根据不同的废水水质研制出具有针对性的高效MBF,这样不仅可大大降低絮凝剂的投加量,还可降低处理成本.从自然环境中分离筛选出的菌种,其降解污
染物的能力往往有限,必须进行遗传学改造,通过基因工程和原生质体融合等方法创建出降解能力极高的工程菌株,才能大幅度提高微生物的降解能力,以适应废水处理的要求.
(3)加强絮凝剂絮凝机理及菌体表面的研究,减少MBF筛选的盲目性.
(4)从天然植物中提取能释放激素的生物絮凝剂,将酶和激素等促进微生物生长的物质加载到常规絮凝剂上,实现生化与絮凝处理的有机结合,以期在保证出水水质的前提下,缩短生化系统启动和废水在生化系统的停留时间,从而将微生物絮凝剂
拓展到概念更广的生物絮凝剂研究范畴.
(5)实用反应器的设计和制造也是一个很有发
展潜力的问题.
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