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微生物絮凝剂应用于污水处理的研究进展
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2021-08-31 12:59:32 浏览次数:
       【摘 要】微生物絮凝剂是一类具有良好生物降解性、安全性和环境友好性的水处理剂。文章对近些年来关于微          生物絮凝剂针对污水处理的研究进行了简要综述。首先对微生物絮凝剂的种类和絮凝机理进行了简述,接着概述了微生物絮凝剂的应用和研究现状,最后提出了微生物絮凝剂存在的问题以及今后的研究方向,为今后污水处理的研究提供参考。
       【关键词】微生物絮凝剂;污水处理;生物降解
        习近平总书记在“十九大”报告中提出,要加快生态文明体系的改革,建设美丽中国。生态文明建设是实现壮丽中国的根基之一,进行生态文明建设,最主要的是做好各种生活、产业废水的处理。目前,国家越来越重视在处理污水中出现的二次污染,而微生物絮凝剂具有优良的生物降解性、絮凝效率高、安全性、环保性和易于工业化生产等特点,将逐渐使传统絮凝剂被复合或替代,未来在废水处理中具有广阔的应用前景。
        1 微生物絮凝剂的种类
        微生物絮凝剂(MBF)是一种由微生物分泌的有絮凝活性的天然物质。与传统絮凝剂相比,MBF 具有可生物降解、安全、高效、无毒、无二次污染等特点,是一种新兴的绿色水处理剂。自然界的许多微生物都可以分泌絮凝剂,微生物絮凝剂产生菌(比如细菌、真菌、放线菌和藻类等)主要来源于土壤、湖底污泥和活性污泥中。截至目前,已有超过30 种絮凝剂的文献报道,魏薇总结了很多产絮菌株都能够很好地去除水中的胶体颗粒和悬浮物。根据来源微生物絮凝剂主要分为 4 类:微生物细胞絮凝剂,如活性污泥本身就是以絮凝菌为中心形成的各种微生物细胞的聚集体;微生物细胞壁成分絮凝剂,如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和 N-乙酞葡萄糖胺等成分均可用作絮凝剂;微生物细胞代谢产物絮凝剂,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粘液质,其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物,其中多糖和蛋白质在某种程度上可用作絮凝剂;通过基因工程技术获得的絮凝剂。
        2 微生物絮凝剂絮凝机理
        对于微生物絮凝剂絮凝机理的研究和认识是保证MBF发挥稳定絮凝效能的基础。微生物絮凝剂的结构特征主要是具有一个或多个电荷的生物大分子,其结构中含有的活性基团使得微生物絮凝剂具有絮凝活性,同时由于分子量较大,桥联絮凝作用得以发挥,此特点类似胶体系统絮凝机理。但相比于胶体系统,微生物絮凝剂絮凝机制更加复杂,研究人员曾提出过多种絮凝机制学说。王丽丽以及常青等对各种生物絮凝剂絮凝机理假说进行了分类总结,展示如下:(1)聚(β-羟基丁酸)酯化理论,Crabtree 等利用此假说成功地解释了含有 PHB 的生物絮凝剂的絮凝作用。(2)荚膜理论,絮凝活性是由细菌细胞形成的粘性荚膜产生的,荚膜结合胶粒,最终形成絮状物。这一絮凝机理能够清楚地说明微生物自身引起的絮凝现象,但是无法解释微生物胞外分泌物的絮凝活性。(3)疏水机理,颗粒与菌体产生絮凝的主要原因之一是颗粒与菌体表面具有的疏水作用。(4)细胞外纤维理论,认为菌体胞外纤维在絮凝过程中也发挥很大的作用,其主要功能是使胶粒结合在一起形成絮状物。(5)架桥理论,细菌胞外物质聚合物通过架桥作用与颗粒相互作用导致了絮凝。上面总结的五种絮凝机理可以对个别微生物絮凝剂的絮凝现象和原理进行说明和解释,但它们的共同缺点是只适用于部分微生物絮凝剂,很多微生物絮凝剂的絮凝现象用这些假说无法解释清楚,因此微生物絮凝活性往往是几种机制共同的作用。用于解析絮凝机理的常用方法为:红外光谱分析、气质联用、核磁共振法、原子吸收光谱法、电镜分析和吸附动力学、吸附热力学等。
        3 微生物絮凝剂处理各类污水的应用
        3.1 对含重金属废水的处理
        重金属废水中因含有超标的镉、镍、汞、锌等成为人类最严重的环境污染和危害之一。一般来说,重金属污水中的重金属离子因为不能被分解和破坏,企业只能通过转移它们的位置和理化形态来降低废水中重金属离子的浓度。企业在处理污水减轻重金属污染的同时应尽可能的通过回收利用或无害化处理使有害重金属成为重金属精矿产品。研究表明,具有丰富的官能团(比如氨基、羧基、羟基等等)的微生物絮凝剂能有效地富集重金属离子。许多微生物絮凝剂(例如假单胞菌:Rhodococcus sp.,Paenibacillus sp.,Shewanella sp.和 Desulfovibrio sp.等代谢产生的微生物絮凝剂)对于重金属离子的吸附量可以达到几十甚至几百毫克/克。徐宏亮等从农场畜禽粪便以及污水处理厂污泥中筛选并分离出两株絮凝菌 MBF-I3、MBFC,在处理 Pb2+废水实验中两菌株都表现出很好的絮凝效能。魏薇等采用微生物絮凝剂吸附水中的镉(II),吸附率可达 82.68%,对水中 Pb 的吸附率可达99.5mg/g。Yang 等利用微生物絮凝剂吸附铜离子与锌离子共同存在的竞争体系,吸附平衡时对铜离子的吸附量可达到1.77mM/g,锌离子的吸附量为 1.36mM/g。陈婷利用多糖型微生物絮凝剂清除了水中 99.13%Pb(Ⅱ),94.44%Cd(Ⅱ),84.55%Ni(Ⅱ)。
        3.2 对抗生素废水的处理
        抗生素是由微生物或高等动植物分泌出来的一种能够抗病原体、干扰活细胞发育功能或有其它活性的化学物质。我国是抗生素原料生产大国,于是每年都有大量的抗生素废水排放到生活环境中。色度高、难降解、有毒成分多是抗生素废水的主要特征。废水中残留的抗生素会影响人类的生存环境。因此,寻找解决抗生素废水的办法和措施已成为一个重要研究项目。
        苏舟对一株微生物絮凝剂产生菌进行培养,制配成两种絮凝剂,其中一种微生物絮凝剂具有磁性,分别用两种絮凝剂对水中四种不同结构的磺胺类抗生素进行处理实验,还进一步考察了两种微生物絮凝剂对磺胺类抗生素的效能和机制。结果两种絮凝剂对磺胺类抗生素均表现出良好的絮凝效能,同时表明磺胺类抗生素的结构差异决定了微生物絮凝剂的底物选择性。皮姗姗用微生物絮凝剂 MFX 对水中的四环素进行处理实验,结果表明,使用 60mg/L MFX、90ul 的助凝剂 CaCl2,pH 值为 8 的情况下,反应 0.5 分钟,待处理溶液中抗生素的浓度为 80ug/L,经过反应条件的优化,可以把水中的四环素清除掉 81.435%。邢洁[9]使用从污水处理厂的活性污泥中得到的絮凝菌处理污水中卡马西平的实验得到了很好的结果:在 pH8 条件下,使用 8.5 毫升的絮凝剂、0.1 毫升助凝剂,反应 13 分钟时,卡马西平清除率为 75.03%。
        3.3 对生活污水的处理
        生活污水中含大量的有机污染物,微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用综合报告如下:采用微生物絮凝剂结合微波-Fenton 处理垃圾渗滤液,处理后的垃圾渗滤液 COD 为 2mg/L,NH3-N 为 0.039mg/L,达到了污水排放标准。张超等筛选出针对生活污水的高效絮凝剂 LF-Tou2,其对生活污水COD 的去除率达 92.9%。Rhodococcus sp.絮凝菌 KL9-1-3对油污废水的处理非常有效,其除油率可高达 74.1%,同时油污废水 COD 去除率为 42.9%。由水稻秸秆发酵的生物絮凝剂处理养猪废水取得较好效果。
        4 微生物絮凝剂存在的问题
        MBF 是近年来备受关注的绿色净水剂,潜在的环境效益使其在水处理领域具有广阔的应用前景。但截至目前,MBF还未广泛应用于实际工程中。我国微生物絮凝剂研究工作主要停留在实验室的研究阶段,并且多数集中在絮凝剂产生菌的筛选研究方面,文献成果不少,真正实现转化应用的几乎没有。综合国内外研究,MBF 工业化应用面临的主要问题列举如下:
       (1)间歇发酵是微生物絮凝剂发酵的主要方式。根据微生物的生长特点发酵生产微生物絮凝剂需要大量的人力物力,能源使用率低,生产成本高及发酵方式单一。
       (2)目前微生物絮凝剂应用范围较狭窄,主要用来处理无机颗粒物、染料废水等部分工业用水。
       (3)对微生物絮凝剂处理污水的机理研究不够深入,使用中存在絮凝效能不稳定、处理工艺不成熟等问题。
       (4)随微生物絮凝剂是天然高分子物质,存在稳定性差,运输和贮存困难,防腐保质期短等各种缺点,于是实现规模化应用的难度增加。
         5 研发方向
       (1)开发复合型微生物絮凝剂。复合型微生物絮凝剂由于多种菌群间的协同互补作用其絮凝效能通常优于单一菌种的微生物絮凝剂。
       (2)廉价原料发酵制备微生物絮凝剂。微生物絮凝剂难以大规模工业化应用的主要原因就是生产成本高,所以,解决该问题的有效途径是开发廉价原料进行发酵以降低生产成本。
       (3)掌握产生菌的培养规律,开发絮凝剂产生菌连续发酵工艺。
       (4)加深对微生物絮剂絮凝机理的研究与认识,以更好地维持絮凝活性,保证絮凝工艺的稳定。
        原标题:微生物絮凝剂应用于污水处理的研究进展
        原作者:李梦茜,莫松柏,钱荣坤