微生物絮凝劑，是由微生物產(chǎn)生的有絮凝活性的次生代謝產(chǎn)物，通過細(xì)菌、放線菌以及真菌等微生物的發(fā)酵培養(yǎng)、浸取、精制而得到的含有蛋白質(zhì)和多聚糖類生物聚合體的微生物制劑。
微生物絮凝劑的主要成分為糖蛋白、黏多糖、蛋白質(zhì)、纖維素、脫氧核糖核酸等高分子化合物，相對(duì)分子質(zhì)量在105以上，它具有橋聯(lián)、凝聚、沉淀水溶液中的固體懸浮顆粒、菌體細(xì)胞及膠體粒子的作用。
1876年，Louis Pasteur第一次提到微生物絮凝，引起了世界的廣泛關(guān)注。之后，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、俄羅斯、韓國(guó)等國(guó)家的科學(xué)工作者對(duì)絮凝劑產(chǎn)生菌和微生物絮凝劑進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了一系列的研究成果。中國(guó)于20世紀(jì)80年代開始對(duì)微生物絮凝劑展開研究，20世紀(jì)90年代進(jìn)入研究的高潮。
微生物絮凝劑是具有生物分解性和安全性的高效、無毒、無二次污染的新型水處理絮凝劑。微生物絮凝劑可以克服無機(jī)聚合物和合成有機(jī)高分子絮凝劑本身固有的缺陷，其應(yīng)用領(lǐng)域比其他絮凝劑寬泛，并且處理效果好。因此，微生物絮凝劑的研究正成為當(dāng)今世界絮凝劑方面研究的重要課題。
種類
微生物絮凝劑主要包括利用微生物細(xì)胞壁提取物的絮凝劑，利用微生物細(xì)胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑、直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑。微生物產(chǎn)生的絮凝劑物質(zhì)為糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素、脫氧核糖核酸等高分子化合物，相對(duì)分子質(zhì)量在105以上。
研發(fā)史
微生物絮凝劑的研究者早就發(fā)現(xiàn)，一些微生物如酵母、細(xì)菌等有細(xì)胞絮凝現(xiàn)象，但一直未對(duì)其產(chǎn)生重視，僅是作為細(xì)胞富集的一種方法。近十幾年來，細(xì)胞絮凝技術(shù)才作為一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的生物產(chǎn)品分離技術(shù)在連續(xù)發(fā)酵及產(chǎn)品分離中得到廣泛的應(yīng)用。微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生的具有絮凝功能的有機(jī)高分子化合物有機(jī)化合物。主要有糖蛋白、粘多糖、纖維素和核酸等。能產(chǎn)生微生物絮凝 劑的微生物種類很多，它們大量存在于土壤、活性污泥和沉積物中。從其來源看，也屬于天然有機(jī)高分子絮凝劑，因此它具有天然有機(jī)高分子絮凝劑的一切優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，微生物絮凝劑的研究工作已由提純、改性進(jìn)入到利用生物技術(shù)培育、篩選優(yōu)良的菌種，以較低的成本獲得高效的絮凝劑的研究，因此其研究范圍已超越了傳統(tǒng)的天然有機(jī)高分子絮凝劑的研究范疇。具有分泌絮凝劑能力的微生物稱為絮凝劑產(chǎn)生菌。最早的絮凝劑產(chǎn)生菌是Butterfield從活性污泥中篩選得到。1976年，Nakamura j.等人從霉菌、細(xì)菌、放射菌、酵母菌等菌種中，篩選出19種具有絮凝能力的微生物，其中以醬油曲霉(曲霉屬 souae)AJ7002產(chǎn)生的絮凝劑效果最好。1985年，Takagi H等人研究了擬芐青霉素(Paecilomyces sp.l-1)微生物產(chǎn)生的絮凝劑PF101。PF101對(duì)枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、釀酒酵母、血紅細(xì)胞、活性污泥、纖維素粉、活性炭、硅藻土、氧化鋁等有良好的絮凝效果。1986年，Kurane等人利用紅平紅球菌 (Rhodococcuserythropolis)研制成功息生物絮凝劑NOC-1，對(duì)大腸桿菌、酵母、泥漿水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨脹污泥、紙漿廢水等均有極好的絮凝和脫色效果，是目前發(fā)現(xiàn)的最好的微生物絮凝劑。
性質(zhì)
絮凝劑的分子質(zhì)量、分子結(jié)構(gòu)與形狀及其所帶基團(tuán)對(duì)絮凝劑的活性都有影響。一般來講，分子量越大，絮凝活性越高；線性分子絮凝活性高，分子帶支鏈或交聯(lián)越多，絮凝性越差；絮凝劑產(chǎn)生菌處于培養(yǎng)后期，細(xì)胞表面疏水性增強(qiáng)，產(chǎn)生的絮凝劑活性也越高。處理水體中膠體離子的表面結(jié)構(gòu)與電荷對(duì)絮凝效果也有影響。一些報(bào)道指出，水體中的陽離子，特別是Ca2+、Mg2+的存在能有效降低膠體表面負(fù)電荷，促進(jìn)“架橋”形成。另外，高濃度ca(clo)2+的存在還能保護(hù)絮凝劑不受降解酶的作用。微生物絮凝劑絮凝范圍廣、絮凝活性高，而且作用條件粗放，大多不受離子強(qiáng)度、pH值及溫度的影響，因此可以廣泛應(yīng)用于污水和工業(yè)廢水處理中。微生物絮凝劑高效、安全、不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)藥、食品加工、生物產(chǎn)品分離等領(lǐng)域也有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
絮凝機(jī)理
在利用微生物絮凝劑對(duì)給水或污、廢水的處理過程中，倘若對(duì)微生物絮凝劑的凈水機(jī)理缺乏正確的認(rèn)識(shí)，則往往會(huì)造成許多不必要的損失，例如利用微生物絮凝劑處理相同電荷的污水，不僅會(huì)帶來絮凝劑的過度浪費(fèi)，還不能取得較為理想的處理效果；再如忽略了微生物絮凝劑的最佳投加量，造成絮凝劑的過量投加或投加不足，往往也不能取得較好地處理效果。
限于條件及技術(shù)的限制，到目前為止，人們對(duì)微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理尚缺少一個(gè)較為清楚的解釋。現(xiàn)今人們對(duì)微生物絮凝劑的作用機(jī)理存在著多種假說，包括：以生枝動(dòng)膠菌可積累聚羥基丁酸為依據(jù)的PHB聚合學(xué)說；以胞外纖維絲可聚合形成絮凝物為基礎(chǔ)的菌外纖絲纖維素學(xué)說，此外還有But-terfield提出的粘質(zhì)假說、Strantford提出的病毒假說以及吸附架橋?qū)W說和電性中和學(xué)說等。
吸附架橋機(jī)理
盡管微生物絮凝劑的性質(zhì)各不想同，但它們對(duì)液體中固體懸浮物顆粒的絮凝作用卻有相似之處，它們可通過離子鍵、氫鍵等作用與固體懸浮物相結(jié)合。電鏡顯微鏡下顯示：聚合細(xì)菌之間是由細(xì)胞外聚合物搭橋相連的，也正是這些使得微生物細(xì)胞削弱了膠體的絮凝穩(wěn)定性，進(jìn)而較為緊密地聚合成絮凝體從液體中沉淀分離出來。
在低濃度微生物絮凝劑環(huán)境中，呈鏈狀結(jié)構(gòu)的該類物質(zhì)可同時(shí)附著在多個(gè)膠體微粒的表面，形成“膠粒-有機(jī)高分子化合物物質(zhì)-膠粒”的聚合物，在重力的作用下最終導(dǎo)致絮凝沉淀的出現(xiàn)。
吸附架橋的必要條件是在膠體微粒表面存在空白空間。在通常情況下，微生物絮凝劑的絮凝效果隨著該絮凝劑分子量的增加而而加強(qiáng)，即分子量增加，絮凝效率亦隨之提高；在架橋的過程中，倘若出現(xiàn)了微生物絮凝劑鏈段間的重疊，則亦會(huì)產(chǎn)生一定的排斥作用：在這種情況下，過高的絮凝劑分子量會(huì)削弱架橋作用，并最終降低絮凝劑的絮凝效果。相反，當(dāng)用微生物絮凝劑處理相反電性的膠體顆粒時(shí)，則往往會(huì)加大微生物絮凝劑的解離程度，造成絮凝劑電荷密度的加大，有利于絮凝劑分子的擴(kuò)展，進(jìn)而促進(jìn)了微生物絮凝劑的架橋作用。
電性中和機(jī)理
在使用微生物絮凝劑對(duì)水體進(jìn)行處理的過程中，通過加入一定量的金屬離子或?qū)λwpH進(jìn)行一定調(diào)節(jié)，可對(duì)該絮凝劑的處理效果產(chǎn)生一定的促進(jìn)或抑制作用。實(shí)驗(yàn)研究證明：該操作是通過改變膠體表面的帶電性而起作用的。
通常情況下，在水體中以絮凝穩(wěn)定性存在的膠體粒子往往帶有負(fù)電荷，當(dāng)帶有一定量正電荷的鏈狀有機(jī)高分子化合物微生物絮凝劑或其水解產(chǎn)物靠近這種膠體粒子時(shí)，在膠體表面上將會(huì)發(fā)生正負(fù)電荷的相互抵消，進(jìn)而出現(xiàn)膠體脫穩(wěn)的現(xiàn)象，使得膠粒之間、膠粒與絮凝劑之間的自由碰撞加劇，并在分子間的力作用下形成一個(gè)整體，最終依靠重力的作用從水中沉淀分離出來。
化學(xué)反應(yīng)機(jī)理
絮凝效率與溫度關(guān)系的研究實(shí)驗(yàn)顯示：在30℃條件下，微生物的絮凝效率可達(dá)到85.2%；相比之下，在15℃條件下，卻只有42.1%的絮凝效果。實(shí)驗(yàn)研究表明：溫度對(duì)微生物絮凝劑的作用主要是通過影響其活性基團(tuán)，進(jìn)而影響其化學(xué)反應(yīng)，最終起到對(duì)微生物絮凝效果的促進(jìn)或抑制作用。
有機(jī)高分子化合物微生物絮凝劑中存在一定數(shù)量的活性基團(tuán)，該基團(tuán)在微生物絮凝過程中扮演著重要的角色。研究顯示：微生物絮凝劑中的某些活性基團(tuán)可與膠體表面上相應(yīng)的基團(tuán)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而凝聚成體積較大的顆粒物質(zhì)，最終從水體中沉淀分離出來。另有研究顯示：通過對(duì)微生物絮凝劑進(jìn)行一定的改性、處理，使其添加、減少或是改變某些活性基團(tuán)，絮凝效果將會(huì)出現(xiàn)很大程度的變化。
從微生物絮凝劑的多樣性以及在水處理中表現(xiàn)出的廣譜性可以斷定：微生物絮凝劑的絮凝過程是一個(gè)更為復(fù)雜的過程。要實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物絮凝機(jī)理做出更為確切的解釋，還有待對(duì)微生物絮凝劑及膠體顆粒的組成、結(jié)構(gòu)電荷等進(jìn)行更為深入的研究。
影響因素
影響微生物絮凝劑絮凝效果的因素
給水及污、廢水的處理程度主要取決與微生物絮凝劑的絮凝特性，因而通過一定的處理?xiàng)l件可使其達(dá)到最佳的絮凝效果。然而，影響絮凝特性的因素有很多，只有掌握其規(guī)律，才能更好地發(fā)揮微生物絮凝劑的絮凝能力。
微生物絮凝劑本身特性的影響
微生物絮凝劑的主要成分中含有親水的活性基團(tuán)，如氨基、羥基、羧基等，故其絮凝機(jī)理與有機(jī)有機(jī)高分子化合物絮凝劑(利用其線性分子的特點(diǎn)起到一種粘接架橋作用而使顆粒絮凝)相同。微生物絮凝劑分子量大小對(duì)其絮凝效果的影響很大，分子量越大，絮凝效果就越好。當(dāng)絮凝劑的蛋白質(zhì)成分降解后，分子量減小，絮凝活性明顯下降。一般線性結(jié)構(gòu)的大分子絮凝劑的絮凝效果較好，如果分子結(jié)構(gòu)是交鏈或支鏈結(jié)構(gòu)，其絮凝效果就差。
膠體顆粒表面電荷的影響
由"橋連作用"理論和"電荷中和"理論知絮凝劑大分子借助離子鍵、氫鍵和范德華力同時(shí)吸附多個(gè)膠體顆粒，在顆粒間產(chǎn)生"架橋"現(xiàn)象，形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而沉淀下來。故膠體顆粒表面電荷對(duì)絮凝有重要影響，相反電荷的聚合電解質(zhì)能減少顆粒表面電荷密度，以至顆粒可以彼此充分緊密接近，使吸引力變得有效。
反應(yīng)條件
微生物絮凝劑的絮凝效果受加樣量、PH值、金屬離子、溫度、攪拌速度、水質(zhì)等多種反應(yīng)條件的影響。用自己提取的微生物絮凝劑處理染料廢水時(shí)，發(fā)現(xiàn)ca(clo)2+有促進(jìn)絮凝物生成，加大沉降速度的協(xié)同作用。也有的文獻(xiàn)中認(rèn)為體系中鹽的加入會(huì)降低微生物的絮凝活性，這可能由于Na+的加入破壞了大分子與膠體之間氫鍵的形成。因絮凝的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，為了更好地解釋機(jī)理，需要對(duì)特定絮凝劑和膠體顆粒的組成、結(jié)構(gòu)、電荷、構(gòu)象及各種反應(yīng)條件對(duì)它們的影響作更深入的研究。
應(yīng)用
微生物絮凝劑在實(shí)際水處理當(dāng)中的應(yīng)用
微生物絮凝劑主要成分是微生物菌體或其次級(jí)代謝產(chǎn)物，具有適用范圍廣、絮凝活性高、安全無害且易生物降解的特性，因此可廣泛應(yīng)用于給水及污、廢水的處理。
冷卻水處理藥劑微絮凝的應(yīng)用
如果過濾前對(duì)原水中的膠體進(jìn)行絮凝或混凝處理，可以大幅度地提高介質(zhì)過濾器效率，使出水的SDI降低到5左右。Fe2(SO4)3·9H2O和三氯化鐵可以用于對(duì)膠體表面的負(fù)電荷進(jìn)行失穩(wěn)處理，將膠體捕捉到新生態(tài)的氫氧化鐵膠體微小絮狀物上，使用含鋁絮凝劑其原理相似，但因其可能有殘留鋁離子污染問題，并不推薦使用，除非使用有機(jī)高分子化合物聚合氯化鋁。迅速的分散和混合絮凝劑十分重要，建議采用靜態(tài)混合器或?qū)⒆⑷朦c(diǎn)設(shè)在增壓泵的吸入段，通常最佳加藥量為10-30mg/L，但應(yīng)針對(duì)具體的項(xiàng)目確定加藥量。
為了提高冷卻水處理藥劑—混凝劑絮體的強(qiáng)度進(jìn)而改進(jìn)它們的過濾性能，或促進(jìn)膠體顆粒間的架橋，絮凝劑與混凝劑一起或單獨(dú)使用，絮凝劑為可溶性的高分子有機(jī)化合物，如線性的PAM，通過不同的活性功能團(tuán)，它們可能表現(xiàn)為陽離子性、陰離子性或中性非離子性。混凝劑和絮凝劑可能直接或間接地影響RO膜，間接的影響如它們的反應(yīng)產(chǎn)物形成沉淀并覆蓋在膜面上，例如當(dāng)過濾器發(fā)生溝流而使混凝劑絮體穿過濾器并發(fā)生沉淀；當(dāng)使用鐵或鋁聚合氯化鋁，但沒有立即降低pH值時(shí)，在RO階段或因進(jìn)水濃縮誘發(fā)過飽和現(xiàn)象，就會(huì)出現(xiàn)沉淀，還有在多介質(zhì)濾器后加入化合物也會(huì)產(chǎn)生沉淀反應(yīng)，最常見的是投加阻垢劑，幾乎所有的阻垢劑都是荷負(fù)電的，將會(huì)與水中陽離子性的絮凝劑或助凝劑反應(yīng)而污染RO膜。
當(dāng)添加的聚合物本身影響膜導(dǎo)致通量的下降，這屬于直接影響。為了消除RO/NF膜直接和間接的影響，陰離子和非離子的絮凝劑比陽離子的絮凝劑合適，同時(shí)還須避免過量添加。
參考資料 >