微生物絮凝剂的应用研究现状和发展趋势

周晓铁，韩 昭，孙世群，郑志侠，海子彬

(1.安徽省环境科学研究院，安徽省污水处理技术研究重点实验室，安徽合肥 230022；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009)



微生物絮凝剂的应用研究现状和发展趋势

周晓铁1，韩 昭2，孙世群2，郑志侠1，海子彬1

(1.安徽省环境科学研究院，安徽省污水处理技术研究重点实验室，安徽合肥 230022；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009)

絮凝剂通常被用于沉降液体中不易沉淀的固体悬浮颗粒[1]。传统絮凝剂主要分为两大类：化学絮凝剂和生物絮凝剂。化学絮凝剂包括无机絮凝剂(如PAC、三氯化铁等)和有机高分子絮凝剂(如聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺等)[2]。但在实际工业水处理过程中，化学絮凝剂用量较大，易对环境造成二次污染，并且大多会对人类的健康造成影响，如“三致”效应和引发老年痴呆症等[3]。

微生物絮凝剂(Microbial flocculant，MBF)，是微生物或者其分泌物产生的代谢产物，主要是糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素和DNA等高分子化合物[4]。与传统絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有效率高、可生物降解、安全无毒、适用范围广等特点，因而，微生物絮凝剂逐渐成为了人们研究的热点。

1微生物絮凝剂的制备工艺

1.1利用酱油酿造废水制备MBF酱油废水中含有微生物生长繁殖和代谢所需要的碳源、氮源及无机盐等营养物质，可用于微生物的培养。刘艳娟等从酱油废水中筛选出具有较高活性的菌株，确定当酱油废水COD为3 000 mg/L，摇床转速为150 r/min，培养温度为28 ℃，培养72 h，其絮凝效率可以达到78.3%[5]。

1.2利用淀粉废水制备MBF淀粉废水属于高浓度有机废水，含有多种糖类、氨基酸、有机酸、维生素以及酶类等物质，具有生产微生物絮凝剂的潜力。颜东方等利用马铃薯淀粉废水培养Candidaanglica菌株。结果表明，活性物质的最佳营养条件:10 ml/L甘油作为外加碳源，0.5 g/L(NH4)2SO4为氮源，添加1 g/L MgCl2和1 g/L KH2PO4。采用该马铃薯淀粉废水发酵菌株，絮凝活性物提取率为1.36 g/L[6]。

1.3利用沼液制备MBF李静等为了降低絮凝剂的发酵成本，尝试对以牛粪和秸秆为底物的发酵沼液进行离心处理，然后添加2 g/L葡萄糖、5 g/L K2HPO4和2 g/L KH2PO4制成培养基，为放射性根瘤菌和球形芽孢杆菌提供营养。最终试验表明，当发酵温度为29.5 ℃，培养基初始pH为7.5，接种量为8.5%，发酵时间为23 h时，其絮凝率可以达到87.13%[7]。

1.4利用生物制氢废液制备MBF发酵法生物制氢废液COD浓度高、pH较低，具有可再利用价值。由阳等利用生物制氢废液筛选高效产絮菌。在无须调节pH的条件下，经分离筛选得到有6株较强产絮能力的菌株。试验表明，当接种率不同时，各菌株的产絮能力也不同，其中一株絮凝率最高可达到92.3%，且絮凝率随接种率的增加而升高[8]。

1.5利用污泥制备MBF剩余污泥作为水处理过程中的副产物，主要由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成。以剩余污泥为原料制备MBF，不仅可以降低其生产成本，也可以实现剩余污泥资源化回收利用[9]。目前常利用脱水污泥、污泥残渣和剩余污泥来制备MBF。

2微生物絮凝剂的絮凝机理

目前，关于微生物絮凝剂的絮凝机理有很多种观点和假说，其中比较普遍的是“吸附架桥”学说、电性中和机理、化学反应机理和卷扫(网捕)作用等。

“吸附架桥”学说是指絮凝剂会借助分子间的离子键、氢键以及范德华力，同时吸附多个悬浮颗粒，将其联接在一起，形成一种网状三维结构沉淀下来。这种学说也是目前被普遍接受的[10]。电性中和机理则认为液体中的胶体分子通常表面带负电荷，遇到表面带正电荷的絮凝剂大分子，电荷会发生中和反应，胶粒脱稳从而吸附在一起聚集沉淀下来[11]。而化学反应学说则是认为絮凝剂表面存在的基团和胶体表面的基团发生化学反应，形成大分子沉淀下来。在研究过程中，通过调节絮凝体系的pH和温度来增强絮凝效果，分别解释了电性中和机理和化学反应机理的存在性[12]。卷扫(网捕)作用是指当絮凝剂投加以后，其在胶体中的下沉过程中会形成絮状体，网捕胶体中的胶体分子，形成大颗粒沉淀而达到与胶体的分离[13]。

此外，国内外还有PHB聚合学说、Buterrfield提出的黏质假说以及类凝集素假说等一些学说[14]。

3微生物絮凝剂的应用现状

目前，微生物絮凝剂的应用研究已涉及多种废水的处理，但是在实际工程中并没有得到广泛的应用。表1列出了在部分工程应用中所涉及的菌种、来源以及絮凝效果。

表1　絮凝剂在各工程应用中的的絮凝效果

3.1高浓度无机废水主要是指工业废水的脱色处理、悬浮颗粒的沉降以及金属离子的去除等。印染废水具有色泽深、成分复杂、可生化性差的特点，属于难处理的工业废水。张蔚萍等在土壤中筛选出一种放线菌F-1-2菌株，并将其应用到甲基橙印染废水的处理中，取得了良好的处理效果。该菌株在碳源为蔗糖，氮源为NaNO3，在转速为150 r/min，30 ℃恒温条件下培养72 h后，甲基橙印染废水的脱色率达到68.4%[15]。

婴儿出生后三四个月内，抱他的姿势一定要注意，不要让髋关节受到拉伸，也不要挤压。正确的方法是：竖抱时，宝宝面向妈妈，腿部呈“M”字打开；横抱时，避免让两条腿紧紧贴合在一起。妈妈们在用婴儿背巾或三角巾包裹宝宝时一定要考虑到对髋关节的影响。

3.2高浓度有机废水高浓度有机废水包括淀粉废水、畜禽养殖废水、造纸废水、棉浆废水及啤酒废水等。

淀粉加工废水属于高浓度有机废水。一般情况下，废水的COD多在6 000 mg/L 以上，SS通常在8 500~10 000 mg/L。过去通常采用铝盐进行处理，但会造成二次污染[16]。李琳等利用胶质芽孢杆菌和酿酒酵母能利用水溶性淀粉和蛋白质的特性，直接用红薯淀粉废水培养，并用它们产生的絮凝作用处理红薯淀粉废水。结果表明，红薯淀粉废水的COD去除率达到65%，且絮凝处理不受温度限制，一年四季都可以进行[17]。

畜禽养殖废水的BOD以及氮磷钾含量较高，处理难度大。郑州大学的崔亚楠从猪场污泥和厌氧池废水中筛选出17株絮凝活性在90%以上的菌株。其中，絮凝活性最高可达到94.66%，复配后，絮凝活性达到97%[18]。

造纸废水通常排量大，成分复杂，是难降解的有机废水。芦艳等从活性污泥中筛选出絮凝剂产生菌M-3，并与PAC进行对比，研究对造纸废水的处理效率。试验发现，微生物絮凝剂絮凝率达到97%，COD的去除率为67.10%，氨氮的去除率为95.18%，并且和PAC相比，生物絮凝率的投加量少，沉降速度快[19]。

棉浆废水的成分复杂、碱度高。李雅梅等从新疆达坂城盐湖土壤中分离出絮凝剂产生菌，发酵后测定其对棉浆废水的絮凝率为65%，COD的絮凝率为54%[20]。

啤酒废水COD和BOD通常均高达1 000 mg/L 以上，且啤酒废水中有机物含量较高，直接排放会大量消耗水体中的溶解氧，导致环境恶化。徐放等通过酵母膏培养基培养出的MBF-1 型菌株，在原水pH为7.5，絮凝时间为10 h，投加量为1.5 ml(100 ml 废水)时，处理原水COD为914 mg/L 的啤酒废水，COD的去除率达到90.8%，去除能力为55.3 mg/ml，效果非常明显[21]。

3.4活性污泥沉降性能的改善活性污泥处理系统的效率通常因沉降性能变差而降低。不少工业废水在采用活性污泥法处理过程中，形成的活性污泥容易膨胀，从而影响处理效率。若在活性污泥中加入微生物絮凝剂，污泥容积指数能很快下降，从而消除污泥膨胀状态，恢复活性污泥的沉降能力。张娜等采用酱油曲霉产生的絮凝剂调理污泥，使污泥的脱水率高达82.7%，滤饼含水率降低至77.3%，污泥脱水后体积减至原来的1/5 左右[23]。

3.5微藻采集微藻作为一种新型的能产生清洁能源的藻类，目前得到广泛关注，且其可以作为多种颜色添加剂及不饱和脂肪酸的生产原料，有很强的应用前景。但是由于其藻密度小，藻细胞稳定能悬浮于液体中，所以其采收环节的成本很高[24]。

利用微生物絮凝剂进行微藻采收被视为最有可能规模化的方法。到目前为止，已经成功实现了对小球藻、中栅藻和衣藻的高效采收，且降低了成本。相信未来对微藻的采收一定会受到越来越多科研工作者的重视。

4微生物絮凝剂的发展趋势及前景

尽管微生物絮凝剂有诸多优点，但目前国内对其研究仍停留在初级阶段，没有完善的培养和制备方法，再加上成本较高，限制了其大规模的生产和推广。到目前为止，微生物絮凝剂在实际工程中还没得到广泛的应用。通过对上述应用现状的分析，发现国内外微生物絮凝剂的研究还存在一些问题：首先，我国针对微生物絮凝剂的研究仍处在实验室阶段，研究水平较低；目前大多数研究的都是从自然界筛选出高效的絮凝剂产生菌，工作量大、周期长，致使研究效率很

低，且虽然微生物絮凝剂种类繁多，但每种絮凝剂的处理对象比较单一。其次，微生物絮凝剂的制备成本较高，限制了其大规模生产，因此需要寻找廉价的可替代原料[25]；同时，微生物絮凝剂产量低、稳定性差、不易储存，也增加了工业化生产的难度。最后，到目前为止，还没有一个公认的絮凝机理可以解释絮凝现象，絮凝剂与各种废水的作用机制也尚不清楚。其未来的发展趋势主要体现在：

(1)继续深入研究微生物絮凝剂的理化性质及絮凝机理，多方面研究微生物絮凝剂与各种废水的作用机制。

(2)寻求快速筛菌方法，探寻廉价培养基和最适培养条件，降低成本，实现工业化，并优化微生物絮凝剂的提取方法和储存条件。

(3)建立微生物絮凝剂产品标准及评价体系，对微生物絮凝剂的毒性进行安全性评价，为微生物絮凝剂的工业化及其在水处理中的应用提供卫生学依据[26]。

(4)加强开发复合型微生物絮凝剂，如果可以将微生物絮凝剂和传统的絮凝剂有机地复合在一起，实现优势的互补，那么新型的絮凝剂一定可以在未来的工业发展中起到重要作用。

(5)利用基因工程技术，将污染物降解质粒引入到微生物菌种中，构建工程菌，实现将絮凝、沉降、降解系于一体，从而扩大絮凝剂的应用范围[27]。

(6)研究微生物絮凝剂在新型能源上的应用，为微生物絮凝剂的研究提供新的思路和前景。

5结语

区别于传统絮凝剂，微生物絮凝剂有其独有的特点和优势，但对微生物絮凝剂的研究还停留在实验室研究阶段。未来将会有更多的科学家对其展开广泛的研究，尤其是在对微生物合成絮凝剂的制备条件和影响其絮凝活性的因素上进行深入研究，寻找更廉价的培养基，降低成本，使其大规模地应用到各行各业的废水处理中去，从而提高废水的处理效果，实现废水资源化的有效利用。

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摘要微生物絮凝剂是一种新型絮凝剂，其絮凝效果好，对环境无二次污染，易于降解，被广泛应用于食品加工业、高浓度有机废水处理和城市给水工艺中，成为了近年来国内外水处理行业研发的热点之一。综述了微生物絮凝剂制备的最新进展，分析了其絮凝机理，同时总结了在水处理实际应用中的研究现状。最后，针对现阶段微生物絮凝剂研究存在的问题提出了一些建议，并展望了微生物絮凝剂的主要发展趋势。

关键词微生物絮凝剂；水处理应用；发展趋势

Application Research Status and Development Prospect of Microbial Flocculants

ZHOU Xiao-tie1, HAN Zhao2, SUN Shi-qun2et al(1. Provincial Key Lab. of Research on Wastewater Treatment Technology, Anhui Academy of Environmental Science Research, Hefei, Anhui 230022; 2. School of Resources and Environment, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009)

AbstractMicrobial flocculant (MBF) is a kind of novel flocculant, which is widely used for the food industry, highly concentrated organic waste water treatment and the urban water supply technology. Due to its characteristics of superior flocculation effect, without secondary pollution to the environment and being easily degraded, MBF has been emerging as a hotspot of water treatment research in recent years. In this paper, the latest progress of the preparation of MBFs and the flocculating mechanism was presented. The practical application research of MBFs for water treatment was reviewed. Finally, suggestions and development prospect of research on MBF was discussed.

Key wordsMicrobial flocculant; Water treatment applications; Development trend

收稿日期2015-10-12

作者简介周晓铁(1956-)，男，江苏宜兴人，研究员，硕士，从事环境评价与规划研究。

中图分类号X 181；X 703.1

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)32-107-02