关键词：复合型微生物絮凝剂；絮凝机理；优化；废水；发展趋势

                  引 言

                  微生物絮凝剂是一类微生物代谢产物，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白质和 DNA 等，利用微生物技术，由微生物发酵和提取而成，是一种无毒、无二次污染的高效新型水处理剂[1-7]。微生物絮凝剂的研究始于 20 世纪 50 年代，日本学者 Nakamura 等[8]首次发现微生物培养液具有絮凝作用，掀起了微生物絮凝剂的研究热潮。就微生物絮凝剂的研究而言，一直以来主要集中在絮凝菌分离、鉴定及筛选，絮凝剂处理废水的实验室小试阶段。具有生产成本高、絮凝过程及机理阐述不清等问题。近年来，为了提升微生物絮凝剂的絮凝作用、降低成本及扩大应用领域，复合型微生物絮凝剂开发与应用开始受到研究者的关注[9-11]。马放等[12-13]以农业废弃秸秆等为发酵底物，使用复合菌群（纤维素降解菌+絮凝菌），进行两段式发酵，完成纤维素糖化段与产絮段的高效耦合，研制出复合型（微）生物絮凝剂（compound bioflocculant，CBF）[14]。以复合菌群为基础研制的复合型生物絮凝剂在菌种活性、絮凝效果、生产成本等方面具有单一菌种絮凝剂无可比拟的优点，成为当前微生物絮凝剂研究的热门。到目前为止，国内外学者对复合型微生物絮凝剂研究成果较多，重点关注在复合菌群的筛选及优化[15-16]、复合型生物絮凝剂的成分解析、生物安全性评估、絮凝作用影响要素、廉价底物筛选、复配化学絮凝剂处理水源水及污水等方面的研究。本文介绍了近年来国内外复合型微生物絮凝剂的研究现状，并对今后的研究发展进行探讨与分析。

                   1 复合型微生物絮凝剂的分类及特点

                 （1）菌种组成复合型。以复合菌群理论为基础，复合型生物絮凝剂主要是选用两种以上菌种混合发酵而得，各菌种之间具有协同促进效果，且充分发挥各自的长处，形成有效互补。

                  （2）发酵工艺复合型。采用两段式发酵方式，即纤维素糖化段与产絮段耦合发酵，使复合型生物絮凝剂的发酵工艺具有了复合型的特色。纤维素降解菌和产絮菌的挑选、构建及二者有机结合，不仅实现了糖化段与产絮 段耦合发酵，同时使工艺流程更简便。

                 （3）主要成分及絮凝机理复合型。由于复合型生物絮凝剂发酵液含有高分子胞外分泌物、纤维素降解菌和产絮菌菌体及其自溶物、纤维素残体等大分子物质，因此其主要成分具有复合型的特点[17]。

由于复合型生物絮凝剂主要成分并非单一，造成其絮凝机理多样化，往往是两种或者三种絮凝机理共同作用产生的协同絮凝效果[16-17]。在不同的水质条件下，分别发挥电荷中和、吸附架桥和网捕卷扫的作用机理，并实现协同作用[16]。

                    2 复合型微生物絮凝剂的研制与应用

                     2.1 产生菌菌种筛选

                     目前，所发现的具有絮凝能力的微生物已超过20 种，以细菌、霉菌和酵母菌为主，在一类微生物之间进行两两复合或三种菌进行复合培养生产复合型生物絮凝剂。复合型生物絮凝剂 HITM02 发酵过程中采用的菌种取自活性污泥和土壤，在研究中发现产絮菌 F2 和 F6 组合絮凝活性最佳，且均优于单菌，确定该复合型生物絮凝剂 CBF 的有效成分存在于发酵液中，主要是细菌的代谢产物，有效成分为多糖[16-18]。赵东风等[19]从活性污泥及土壤中筛选出5 株对石化废水絮凝效果较好的微生物絮凝剂产生菌，分别命名为菌 1～菌 5。将这 5 株絮凝剂产生菌两两混合培养进行正交实验，通过絮凝实验挑选出絮凝效果最好的复合型生物絮凝剂产生菌，即菌 1与菌 5。两株菌均为芽孢杆菌(Bacillus sp.)。方明中[9]经过菌株的别离纯化共从土壤和活性污泥中挑选别离出 37 株菌种，选取高效菌按等比例进行两两混合，得到的微生物絮凝剂的絮凝效果比单一菌株有着明显提高，由絮凝效果最佳的复合菌群XJl2+ZJ6 产生的复合型微生物絮凝剂称为 XZ。林松[20]经过对实验室保藏的 13 株细菌、6 株霉菌分别进行混合培养发酵，取得了较好的絮凝效果。王军秀[21]从制革废水的活性污泥中分离、筛选出四种絮凝性较高的菌，初步判定均为霉菌类。两两组合后，得到两种复合型生物絮凝剂，分别命名为 MBFⅠ和MBFⅡ。王丽丽等[22]实验所用的复合型絮凝剂产生菌 HJ4 为 2 株酵母菌混合而成。此复合型生物絮凝剂对印染废水的浊度、色度及 COD 去除率分别为89%、92%和 52%。王伊娜等[23]从某污水处理厂二沉池的活性污泥中分离获得 4 株絮凝剂产生菌，其中 3 株为假丝酵母属，1 株为瓶形酵母属。将 4 株絮凝剂产生菌进行随机等比例混合，有 5 组混合菌群的絮凝率均高于单一菌的絮凝率，其中 J2、J3 产生的复合型生物絮凝剂絮凝效果最好，命名为混合菌株 HJ4，所产的复合型絮凝剂 MBF4 对淀粉废水、养殖废水、垃圾渗滤液和印染废水等实际废水的色度和浊度的去除率均在 80%以上，COD 的去除率为20%～90%。

                     2.2 产絮菌生产条件优化

                      絮凝菌的培养条件可直接影响复合型生物絮凝剂的产量、品质及其应用[24-25]。产絮菌的生长主要受菌体自身生物学特性、接种量及接种比率、培养基成分、pH、摇床转速（溶解氧）、发酵时间等因素的影响[24-25]。因此，可以通过控制培养条件实现絮凝剂的扩大培养。近期在复合型生物絮凝剂产生菌的优化生长方面有了较多的研究成果，如王伊娜等[23]在研究中发现，混合菌株为 HJ4 的最佳培养条件：接种量为 15%，培养基初始 pH 为 4.5，碳氮比为 20:1，制酒废水培养基 COD 浓度为 12000 mg/L，在该条件下所产絮凝剂的絮凝率（高岭土）可达95%。方明中[9]研究表明复合型微生物絮凝剂 XZ 最佳培养条件为：培养时间 48～56 h，发酵培养基初始 pH 7.5，摇床转速 160 r/min，培养温度 30℃。张玉玲等[26]对复合型微生物絮凝剂产生菌 YL3 的培养条件进行了优化，研究表明培养基的最佳组成为磷酸氢二钾 5.0 g、磷酸二氢钾 1.0 g、七水硫酸镁0.2 g、七水硫酸铵 0.2 g、葡萄糖 2.0 g、蒸馏水 1.0L，初始 pH 7.0。培养基的外部培养条件为灭菌压力0.06 MPa，温度20～30℃，振荡转速100～140 r/min。

                         王雪[27]认为混合发酵条件下，菌株 F2 和 F6 的混菌（简称 F+）产絮能力可保持高效和稳定，其最佳发酵条件为：摇床转速 150 r/min、种子液培养时间 18h、初始 pH 7.5、装瓶量 250 ml、发酵时间 24 h、培养温度 32℃，最佳絮凝率为 97.6%。

                          2.3 廉价底物制备

复合型生物絮凝剂未得到大规模的工业化生产原因之一主要是生产成本过高。因而寻觅廉价原料、开发低成本的发酵底物是必要的，将廉价的碳源和氮源作为培养底物来制备生物絮凝剂，可有效地解决培养基成本过高的问题，为絮凝剂商业化应用提供潜在机遇。因此，近年来国内学者在廉价底物制备复合型生物絮凝剂方面做了较多工作，李剑等[20,28-35]分别使用酱油、乳品废水及多种食品生产废水为廉价底物培养生物絮凝剂产生菌，并用来生产复合型生物絮凝剂，已取得较好效果。马放等[12-13]选用廉价的生物质纤维素作为底物进行复合型生物絮凝剂发酵，采用两段式发酵工艺制取复合型生物絮凝剂，又以稻草秸秆为底物制取复合型生物絮凝剂进行了进一步研究[36]。以上研究成果为复合型生物絮凝剂工业化生产奠定了基础。

                         2.4 成分分析

                          研究发现复合型生物絮凝剂的主要组成以多糖类物质为主，伴有少量蛋白质等大分子的存在。马放等[39-40]通过紫外扫描、蒽酮反应、考马斯亮蓝等实验方法，测定复合型生物絮凝剂 CBF 的主要成分为多糖类物质。蛋白质的含量较低，通过分析CBF 中含有羧基，分别以 COO−和 COOH 的形式存在，使分子链更易伸展，延长了分子链，进一步强化了吸附架桥作用，其相对分子量为 105～106，CBF具有热稳定性，在 100℃，30 min 的情况下，絮凝率仍然能达到 75%以上。方明中[9]通过实验初步证明复合型生物絮凝剂 XZ 由糖类物质和蛋白质组成。王丽丽等[22]对 MFHJ4 成分进行分析，该絮凝剂是一种包含较多—OH 和—COO−基团，主要组成成分为多糖的阴离子型高分子絮凝剂。王军秀[21]研究表明 MBFⅠ和 MBFⅡ都是含有多糖和蛋白质的大分子物质。

                        2.5 絮凝机理

                        絮凝剂的絮凝机理以电中和作用、吸附架桥作用和网捕卷扫作用为主，在实际水处理过程中，往往是由多种机制共同作用来完成。马放等[39]认为CBF 的絮凝机理，即经搅拌、布朗运动及范德华力作用下克服排斥力，从而让 CBF 和颗粒相互靠近，CBF 通过离子键来吸附颗粒物，在颗粒物之间“架桥”，以构成一种三维立体网状结构，进而加速沉淀。

                         随着絮体吸附颗粒物的增多，絮体尺寸不断增加，进而形成较大颗粒迅速沉降下来。朱艳彬等[16]认为复合型生物絮凝剂 HITM02 的絮凝机理包括电中和及吸附架桥作用。王军秀[21]研究表明复合型生物絮凝剂 MBFⅠ和 MBFⅡ的主要絮凝机理是“吸附中和架桥”作用。复合型生物絮凝剂可以作为化学高分子絮凝剂（聚合氯化铝铁等）的助凝剂，起到强化絮凝作用。其机理为：聚合氯化铁铝的吸附电中和作用使水中胶体颗粒脱稳凝聚，部分形成微絮体；其次，CBF 本身带有多种活性官能团，如—NH2、 —COOH、—OH 等，能通过氢键、共价键等作用与脱稳的胶体颗粒吸附结合，由于 CBF 为两性物质，其本身带多种负电荷基团，能通过离子键和范德华力与聚合氯化铝铁结合，絮凝形成较大絮体，但沉降性能较差；最后，由于 CBF 分子链上带有大量相同电荷基团，之间形成斥力，使大分子物质充分展开，桥联作用得到充分发挥，最终形成粒径较大、沉降性能良好的大絮体。两类絮凝剂同时使用是在几种絮凝机理的作用下充分发挥各自的特点，共同达到协同增效作用。

                        原标题：复合型微生物絮凝剂研究进展

                        原作者：李立欣 ，刘婉萌 ，马放