微生物絮凝剂在废水处理中的应用

第42卷第9期2013年9月Vol.42No.9Sep.2013化工技术与开发Technology&DevelopmentofChemicalIndustry微生物絮凝剂在废水处理中的应用张超，陈文兵，武道吉（山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101）摘要：生物絮凝剂是近年来研究的新型水处理剂。本文从研究历程、絮凝特点、废水处理中的应用等几个方面，综述了国内外最新研究成果。最后，展望了微生物絮凝剂的研究发展方向。关键词：生物絮凝剂；研究历程；絮凝特点；水质净化中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1671-9905(2013)09-0049-04基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2008ZX07422004)作者简介：张超(1978-)，男，山东济南人，在读博士，讲师，研究方向：生物絮凝剂，E-mail：[e-mail]收稿日期：2013-07-18我国是水资源短缺和污染比较严重的国家之一。目前城市缺水严重，已造成严重的经济损失和社会环境问题。要解决水资源短缺问题，除节约用水外，加强对污水的处理是目前亟待解决的问题。现代水处理技术按原理可分为物理处理法、化学处理法、物理化学法和生物处理法4大类。在众多废水处理方法中，絮凝沉降在水处理中占有极其重要的地位。絮凝剂是一类可使液体中不易降解的悬浮颗粒（粒径10-7~10-3cm）凝聚、沉降的物质[1]。国内外的工业废水处理，使用絮凝处理的比例占60%~70%，而自来水工业几乎都使用絮凝处理作为净水手段。20世纪60年代开发了无机盐类的絮凝剂（如硫酸铝、氯化铝、氯化铁等），但其处理效果不理想；进而研制的高分子聚合无机盐型絮凝剂（如聚合氯化铝、聚合硫酸铁等）在水处理中收到了很好的效果，但在其使用过程中会对环境产生二次污染。因此，人们越来越迫切地希望找到一些具有对人体无害、絮凝效果好、易生物降解、不引起二次污染等特点的新型絮凝剂。微生物絮凝剂就是具有这些特点的新型絮凝物质，它是通过发酵、提取、纯化而获得的一种安全、高效、具生物降解性、使用无二次污染的生物大分子产品。1　微生物絮凝剂国内外研究历程微生物的絮凝作用首先是由路易斯·巴斯德于1876年在酵母菌中观察到的，2年后类似现象亦在细菌中发现[2]。1935年，Butterfield从活性污泥中分离筛选到了有絮凝作用的菌种。1976年，Naknmura等对能产生絮凝效果的霉菌、酵母菌、细菌、放线菌等多种微生物进行了研究，发现了酱油曲霉产生的絮凝剂AJ7002[3]，由此掀开了微生物絮凝剂的研究热潮。1986年，日本仓根隆一郎等从土壤中分离出红平红球菌S-1，并利用该菌研制开发了絮凝剂NOC-1，该絮凝剂对泥浆水、河水、粉煤灰水、膨胀污泥、纸浆废水等均有良好的絮凝和脱色效果，被认为是目前发现的最好的微生物絮凝剂[4]。美国生物絮凝剂的商品化始于20世纪90年代，在市场上有多种牌号的生物絮凝剂粉末制品和生物活性液销售，用于废水处理、快速清除下水道淤塞和解决污泥膨胀问题等[5]。我国对微生物絮凝剂的研究起始于20世纪90年代，并取得了一定的成绩。如台湾邓德丰等从污水中分离到了定名为C-62的产絮凝剂微生物，该絮凝剂对猪粪尿废水和红豆加工厂废水具有良好的絮凝作用；邓述波发现的硅酸盐芽胞杆菌变种，其产生的絮凝剂A-9絮凝率达99.2%[6-8]。2微生物絮凝剂的特点与传统的无机和有机合成高分子絮凝剂相比，生物絮凝剂不但没有传统絮凝剂的缺点，而且还具有许多优点。2.1高效性与现在常用的各类絮凝剂如铁盐、铝盐和聚丙烯酰胺相比，生物絮凝剂在同等用量下的使用效率明显高于常规絮凝剂。50化工技术与开发第42卷2.2安全无毒性微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的高分子物质，属于天然有机高分子絮凝剂，相关毒理学实验证明其安全无毒。2.3无二次污染目前使用的絮凝剂如铝盐、铁盐及其聚合物、聚丙烯酰胺及其衍生物等，经过絮凝之后形成的废渣不能或难以被生物降解，严重污染水体和土壤，造成二次污染。微生物絮凝剂为微生物菌体或菌体分泌的高分子物质，易被微生物降解，不会影响水处理效果，且絮凝后的残渣可被生物降解，对坏境无害，不会造成二次污染。2.4用途广泛微生物絮凝剂可以广泛地应用于给水处理、废水处理、食品发酵和生物制药等方面，具有良好的除浊和脱色性能等[9-11]。2.5生产、使用成本较低首先，从生产所用原材料、生产能耗等方面考虑，微生物絮凝剂应是经济的；其次，采用微生物絮凝剂处理废水时，其处理费用较目前的化学絮凝剂处理费用低[12]；最后，利用微生物絮凝剂处理易于实现固液分离，形成沉淀物少[13]。3微生物絮凝剂在废水处理中的应用3.1废水悬浮颗粒的去除在实际研究和应用中，大多数生物絮凝剂对悬浮物废水有优良的澄清除浊效果。因此，废水中悬浮物的去除成为生物絮凝剂的主要功能之一，除浊率也由此成为衡量生物絮凝剂絮凝性能优劣的一个重要指标。建筑材料加工废水悬浮物含量高，是较难处理的一类废水。向陶瓷厂废水中添加微生物絮凝剂NOC-1后，废水的OD值可从原来的1.4降至0.043。用微生物絮凝剂处理悬浮物高达150g·L-1的浊水，沉降率是阳离子聚丙烯酰胺的2.5倍，阴离子聚丙烯酰胺的4倍[14-16]。除此之外，大多数微生物絮凝剂对固体悬浮物含量较高的其他废水（如泥浆水、粉煤灰废水、活性炭水等）都有良好的澄清除浊效果。3.2处理水体恶臭美国生物细菌控制系统公司亚洲有限公司研制的高效生物净水剂PX，处理2.2万t·d-1的市政污水，添加量为1/107，使臭味得到控制，BOD去除率80%~90%，SS去除率80%~92%；处理300t·d-1的酒店污水，添加量为1g·t-1，3d后臭味消失，7d后出现明显效果，隔油池积油消除，出水BOD为20mg·L-1，COD为80mg·L-1[17]。3.3去除生化、化学需氧量制药废水中含有有机物，COD含量大，浊度高且含有抗生素。夏元东等[5]采用微生物絮凝剂和粉煤灰过滤相结合的预处理工艺，其综合的效果可以将高浓度制药废水中的COD去除80%，且可以将对生化处理有抑制作用的抗生素予以降低。3.4废水脱色废水显色大部分是因为水溶液中含有染料。废水脱色实际上就是要破坏、去除废水中的这些显色分子和微粒，客观上体现出来的效果是水体颜色的淡化、消失。目前，对于有色废水，生物絮凝剂有很好的脱除效果。R.Kurane发现AlcaligeneslatusB-16产生的絮凝剂对化妆品厂排放的蓝色废水具有良好的脱色效果[18]：向有色废水中加入Alcaligeneslatus培养液，即可在废水中形成肉眼可见的絮凝体浮于水面，而下层水的透光率接近清水，脱色率达94.6%。在含有可溶性着色物质的黑墨水、面包酵母生产过程排出的培养基糖蜜废水、糖蜜发酵生产酒精过程中精馏后的酒精发酵母液、造纸碱性黑液、颜料废水等有色废水中，加入NOC-1，经絮凝沉降后可得到无色透明的上清液[19-21]。3.5乳浊液的处理含油污水是一种常见的工业和生活废水，包括石油开采、石油化工厂排放的大量含油废水（石化废水），机械加工、金属清洗等行业产生的乳化油废水，植物油精炼、肉联厂加工时排放的含油污水以及餐馆饮食行业排放的油腻泔水等。目前，处理含油污水的方法很多，其中絮凝剂处理含油污水由于具有投资低、运行费用低等突出优点而备受青睐，常作为含油污水的一级处理法。R.Kurane使用协腹产碱杆菌Alcaligeneslatus培养液可以很容易地将棕榈酸从其乳化液中分离出来，向100mL含0.25%的乳化液中加入10mL培养液后，乳化液即可明显分层，上层油液中形成的油滴细小均一，下层清液的COD值从原来的450mg·L-1下降到235mg·L-1，去除率为48%[21]。由此可以推51第9期张超等：微生物絮凝剂在废水处理中的应用论，生物絮凝剂可作为控制海上石油污染的一种有效手段。3.6污泥沉降性能的改善活性污泥法是处理废水时常用的一种生物化学工程方法。活性污泥使用一段时间后容易发生膨胀，不但影响了污泥的絮凝、降解能力，而且加剧了污泥的流失，使出水水质恶化，严重的将导致工艺无法正常运行。解决活性污泥的膨胀除了严格控制工艺条件外，另外一个方法就是投加絮凝剂，能有效地改善污泥的沉降性能，防止污泥的解絮，提高整个生物处理系统的效率。用Rhodococcuserythropolis的培养液2mL和5mL含量为1%的Ca2+溶液，处理95mL浓缩后的污泥，可使污泥体积在20min浓缩为原来的92%，上清液的OD560值小于0.05。此外将从Rhodococ-cuserythropolis中分离的絮凝剂加入到已发生膨胀的活性污泥中，可以使污泥的SVI（污泥体积指数）从290下降到50。在活性污泥中添加絮凝微生物可以促进污泥的沉降，且不会降低有机物的去除效率。3.7从食品工业废水中分离提纯物质利用生物絮凝剂的高选择性和絮凝沉降性，可进行物质的分离和纯化，例如淀粉废水的处理。淀粉制造工艺在进行淀粉麸质分离后，产生的麸质废水（俗称黄浆水）中含有细小的悬浮麸质颗粒以及溶解性蛋白，从废水中回收这些物质可作为高蛋白饲料，具有较高的经济价值。目前，普遍采用的分离方法是浓缩池沉淀分离，这种方法耗时长，效率不高，蛋白质回收不完全。采用絮凝法处理黄浆废水可以加速悬浮物沉降，充分回收蛋白。邓述波等使用MDFA9絮凝剂对淀粉废水进行处理，1t废水可回收2kg固体沉淀物，废水中的SS、COD去除率分别达85.5％、68.5％，效果明显优于常用的化学絮凝剂。3.8重金属废水处理及贵金属回收金属废水中的许多金属离子具有生物毒性，大量排放金属废水不但会危害到人体的生命健康，也会使其中含有的稀有贵重金属白白流失掉。因此，金属废水的治理和贵重金属的回收已成为生态环境治理中的一个热点课题。3.8.1重金属废水处理目前使用广泛的传统处理方法有化学还原、电解、离子交换等，但它们存在着共同的问题：当所处理的重金属废水浓度为1~100mg·L-1时，操作费用和原材料成本相对过高，经济上不合算。微生物絮凝剂与之相比，在mg·L-1级的废水处理上拥有独特优势，效果显著，是现有工艺的一个补充。在后处理时，用一般的化学方法如调节pH，加入较强络合能力的解吸剂，就可以解吸生物吸附剂上的重金属离子，回收吸附剂以循环利用[22]。Bender等[23-24]先后报道了藻青菌可以从水中除去Mn2+、Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Co3+、Cr3+、Fe3+等金属离子。陶颖等[25-26]将假单胞菌GX4-1的发酵液制成絮凝剂WJ-1，对水中的Cr6+进行絮凝吸附实验，发现吸附过程极快，5min内即可达总吸附量的75%，Cr6+去除率为51%。李志东等人[27]将啤酒酵母制成生物吸附剂，进行重金属离子镉的吸附研究。结果表明，当溶液Cd2+初始质量浓度为50mg·L-1，pH=6时达到实验条件下的最大吸附量51.5mgCd2+·(g干酵母)-1。3.8.2重金属废水中贵金属回收毛霉素目霉菌对金属吸附能力的范围较广，有望成为优良的生物絮凝剂。美国新泽西州提尔哈特矿物和化学制品有限公司用真菌从废液中回收微量金属Au、Ag、Pt，回收率在94％~98％，这项技术现已申请专利。3.9去除废水中的氮、磷杨开等采用微生物絮凝剂普鲁兰和聚合氯化铝复合絮凝的方法，对低浓度城市污水进行了强化一级处理试验，对TP、NH3-N的去除率分别达到91%、15%以上[28]。4生物絮凝剂的发展前景和趋势生物絮凝剂有着无机絮凝剂和合成有机絮凝刑所无法比拟的环保优点，但当前也存在着生产成本较高、活体絮凝剂保存困难、絮凝剂处理功能单一、难以进行工业化生产等难题，但其特性和优势为水处理技术的发展展示了一个广阔的前景。生物絮凝剂将可能在未来取代或部分取代传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂。我国的生物絮凝剂研究起步较晚，层次还比较低。近年来随着混合菌培养技术、基因工程技术、生物投菌法、固定化生物强化技术、生物流化床等新技术、新方法、