煤泥水絮凝用微生物的作用机理及分析

陶宛玉

（北京师范大学化学学院 北京100875）

微生物絮凝剂（Microbial Flocculant简称MBF）是由微生物自身拥有、具备高效絮凝作用的天然高分子物质，其中的部分微生物絮凝剂对选煤厂煤泥水具有良好的选择性絮凝作用[1-7]。本文通过培养和筛选出该类微生物絮凝剂，以大同矿区选煤厂尾煤水为样品，开展絮凝沉降试验研究，对其絮凝作用机理进行分析。

1 煤质特性分析

试验样品取自大同煤矿集团有限公司晋华宫矿选煤厂进入煤泥浓缩机的煤泥水，该厂年处理原煤能力315Wt，煤质为侏罗纪弱粘结煤，日处理的煤泥水量17 600 m3。将煤泥进行小筛分得到试验结果见表1；同时采取煤泥水样进行沉降试验，测量不同浓度下沉降效果。见表2。

表1 煤泥小筛分试验结果

表2 煤泥水相关性质的检测

2 絮凝用微生物的选取

2.1 菌种的来源及比较

目前，已经发现能对煤泥水具有良好絮凝性的微生物，涉及到霉菌、细菌等菌种。作为煤炭微生物絮凝剂产生菌，筛选原则一般为代谢活动旺盛、生长繁殖快、对环境适应能力较强、无毒无害的微生物。

根据前面对试验煤样煤质特性的分析，结合以上具有絮凝作用的微生物菌种的相关研究，选取枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、黄孢原毛平革菌及黑曲霉四种具有较强絮凝活性的微生物作为絮凝菌种，对试验煤样开展絮凝试验，以确定适合于本项目煤质特点的絮凝菌种。

2.2 微生物絮凝剂的制备

絮凝剂的制备：用无菌移液管吸取培养液，分别接种到相应的液体培养基内，160 rpm，30℃恒温振荡培养箱内进行培养，分别在培养12 h、24 h、36 h、48 h时取培养液制成4种不同的微生物絮凝剂：培养原液(A)，原液离心上清液(B)，破碎液(C)，破碎离心上清液(D)。制备步骤如下：取锥形瓶中培养原液于超声波破碎仪中破碎30 min，得培养原液的破碎液；分别取锥形瓶中培养原液与培养原液破碎液于离心机中以4 000 r∕min，离心30 min，得培养原液离心上清液与培养原液破碎液离心上清液。进行煤泥水絮凝试验，寻找对煤泥水絮凝效果最佳的絮凝试验微生物菌种。见表3。根据实验结果，参考相关资料，多粘类芽孢杆菌透光率优于其他菌种，确定作为选煤厂尾煤水絮凝试验菌种。

表3 微生物菌种絮凝煤泥水的试验结果 （透光率∕%）

2.3 多粘芽孢杆菌的生物学特性

多粘芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)以芽孢形式存在，属于类芽孢杆菌属，拉丁名为Bacillus polymyxa Macé。杆菌形态为椭圆形芽孢，耐温性好，质量稳定。在农业上有"药肥兼能"的作用，对茄科类作物青枯病防效显著，是一种具有防治病害和促进生长作用的生防菌，对人或动植物没有致病性，在植物病害防治方面具有很大的应用潜力。

3 煤泥水絮凝工艺参数单因素试验

采用生物型（微生物）絮凝剂对选煤厂尾煤水进行絮凝沉降试验；在单因素试验基础上，重点开展生物絮凝煤泥水试验研究，考察生物絮凝工艺参数及絮凝实验效果等，并对关键絮凝技术参数进行合理优化。同时，利用扫描电镜测试技术对絮凝物进行测试与分析。

3.1 煤泥水絮凝工艺条件的确定

影响微生物絮凝剂絮凝煤泥水条件很多，例如：微生物絮凝剂产生菌的培养基pH值、生物絮凝剂用量、助凝剂的种类、助凝剂的添加量、煤泥水的pH值等。

本试验主要研究煤泥水的pH值、生物絮凝剂用量对煤泥水絮凝工艺条件的影响，便于进一步试验研究，找出确切的絮凝工艺条件。

3.2 试验结果分析方法

本课题采用DPS（Date Processing System）数据处理系统软件对试验结果进行分析。DPS平台将试验设计、统计分析、数值计算、模型模拟以及数据处理等功能融为一体，提供了全方位的数据处理功能，具有优秀的计算分析功能。

3.3 煤泥水PH值对煤泥水吸光度的影响

选取多粘芽孢杆菌原液1ml投加到100ml煤泥水中，调节煤泥水PH值，测定上清液吸光度，得出煤泥水PH值与吸光度的之间关系如表4所示。吸光度为660 nm处（去离子水对照为0），以下各因素吸光度试验均以此条件下进行。

表4 煤泥水PH对吸光度影响的试验结果表

从表中的参数估计，建立了煤泥水PH值同煤泥水吸光度之间的数学模型（1）即：

式中：X1为煤泥水ph值，Y为煤泥水吸光度，其中，确定系数 R2=0.7114，P=0.0085(＜0.05)，说明回归方程显著性好。从表中可以看出，煤泥水PH值大于6后，随着煤泥水PH值的增加，煤泥水吸光度变化较大，上清液略微出现浑浊，吸光度有所上升，综合分析，填加絮凝剂的煤泥水PH值为6时，絮凝效果最好。

3.4 多粘芽孢杆菌添加量对煤泥水吸光度的影响

表5 多粘芽孢杆菌添加量对吸光度影响的试验结果

采用DPS建立多粘芽孢杆菌添加量与煤泥水上清液吸光度的关系，建立了多粘芽孢杆菌添加量同煤泥水吸光度之间的数学模型（2）即：

式中：X1为多粘芽孢杆菌添加量，Y为煤泥水吸光度，其中，确定系数 R2=0.9774，P=0.0009(＜0.05)，说明回归方程显著性好，数据点与拟合曲线高度吻合。

从表中可以看出，多粘芽孢杆菌添加量大于1.6后，随着多粘芽孢杆菌添加量的增加，煤泥水吸光度变化不大，同时对模型（2）分析可知，当X1=1.6时，数学模型存在极值点，因而，当多粘芽孢杆菌添加量为1.6 mL时，吸光度达到最小，此时絮凝效果最好。

3.5 多粘芽孢杆菌添加量均匀试验对吸光度的影响

采用均匀试验设计，对多粘芽孢杆菌添加量进行工艺条件优化试验，获得试验结果。见表6、表7。

表6 因素水平表

表7 实验结果表（1）

表7 实验结果表（2）

利用两组重复对照试验，建立了回归方程如下:

式中：Y 为吸光度，X1为煤泥水浓度g∕L，X2为菌液量mL。回归方程的相关系数R=0.99637，调整后的相关系数R=0.99909，总体的显著性检验值F=183.4756，显著水平P=0.0542，剩余标准差S=0.0136。其中，确定系数 R2=0.9774，P=0.0009(＜0.05)。

均匀设计逐步回归结果分析表明，优化回归方程的可信度较高。

同时采用DPS预测最优水平，预测结果如下：

多粘芽孢杆菌添加量模型优化值为0.8851，最高指标时因素间的最佳组合为X1=40，X2=2.4时吸光度值最低，试验效果最佳。

3.6 絮凝产物的测试分析

利用扫描电镜测试技术对絮凝物进行测试分析，其微观形态如图1。

图1 多粘均匀试验样品

可以看出，多粘类芽孢杆菌表面含有大量的微孔隙。因此，较大的比表面积提高了微生物絮凝剂的吸附性。从而可以推知微生物絮凝剂在对煤泥水进行絮凝时，可以大量的吸附煤泥水中较细的颗粒并利用多糖大分子将煤泥颗粒包裹住，然后生物大分子又相互连接在一起，从而形成大的絮体加速沉降。因此,微生物絮凝剂对选煤厂尾煤水中的煤泥颗粒具有显著的絮凝作用。

4 应用前景

选用微生物多粘芽孢杆菌用于煤泥水沉降净化过程试验研究，取得良好效果。其内部发达的微孔隙和产生在菌体内外的生物高分子聚合物对煤泥细微颗粒有显著的絮凝作用。此类组成体现其作为絮凝剂具有可分解性，具有生物降解等独特性质。以及对环境无毒无害的性质，这也是化工产品类的无机或有机絮凝剂所无法比拟的优势。由于生物絮凝作用环境污染小，作用条件温和，可以进一步缓解选煤用化工产品的污染，是一种有利环境的矿物加工新技术。

另外，多粘芽孢杆菌作为农业广泛应用的防病、增产微生物，可以通过优化培养条件使其在短时间内大量自我繁殖。还可通过驯化、诱变以及基因工程的手段，获得其它优良性状，增强其对环境的适应能力，应用前景广阔。