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微生物絮凝剂及其在染料废水处理中的应用
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发布日期：2011-09-15 |
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摘 要:介绍了微生物絮凝剂的种类,特点,产絮凝剂的微生物物种,以及絮凝机理。综述了微生物絮凝剂在印染废水中的实际应用现状,并就今后的研究开发提出几点建议。
关键词:微生物絮凝剂;絮凝剂产生微生物;絮凝机理;染料废水微生物絮凝剂(Bio-flocculant)是利用生物技术,从微生物或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效、且能自然降解的新型水处理剂[1]。生物絮凝剂与传统的絮凝剂相比,生物絮凝剂具有种类繁多;絮凝高效无毒;无“三致”效应及二次污染等特点。
自从70年代,日本学者在研究酞酸酯生物降解的过程中发现了具有絮凝作用的微生物,从此日本在生物絮凝剂这一领域的研究一直处于地位[2]。认识到生物絮凝剂的发展潜力之后,我国在90年代也开始了关于生物絮凝剂的研究工作,到目前位为止,也取得了一定的成绩。
本文主要是从生物絮凝剂的种类、性质、絮凝机理以及对印染水的处理几个方面进行综述。
1 微生物絮凝剂的研究
1.1 微生物絮凝剂的种类
按照来源不同,微生物絮凝剂主要可分为3类[3]:①直接利用微生物细胞的絮凝剂。此类微生物有的菌体细胞表面带有荚膜层或粘液层,能够吸附溶液中的悬浮颗粒。②利用微生物细胞壁提取物如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰葡萄糖胺等作为絮凝剂。③利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂,包括胞外代谢产物和胞内代谢产物。K. Crabtree[4]等人对菌胶团细菌Zoogloear amigera的研究证明,胞内聚合物PHB具有絮凝性。目前为止,研究获得的各种微生物絮凝剂中以①类和③类的胞外代谢产物居多。
从化学组成上来看,目前已知的微生物絮凝剂大多为糖类,或糖类和蛋白质的复合物。也有少数微生物絮凝剂为蛋白质、脂类、DNA等其他生物大分子。如微生物絮凝剂NOC-1的主要成分为蛋白质[5-6]。
1.2 絮凝剂产生微生物
1.3 微生物絮凝剂的絮凝机理
1. 3. 1 “桥联机理”
对于游离于絮凝剂产生菌胞外的絮凝剂的絮凝机理,目前较为普遍接受的是“桥联机理”。该学说把微生物絮凝剂的絮凝过程看成是吸附架桥、电荷中和及卷扫等物理化学过程共同作用的结果。
(1)吸附架桥作用
吸附架桥是促进胶体物质絮凝沉淀的最主要的作用力。微生物絮凝剂借助离子键、氢键和范德华力,同时吸附多个胶体离子,在颗粒间就会产生架桥现象,从而形成一张具有三维结构的网絮凝沉淀下来。如朱富坤,刘彬彬[7]等研究发现微生物絮凝剂PF-2絮凝机制主要为“桥联机理”。PF-2与高岭土颗粒通过Ca2+以离子键形式结合,然后通过架桥作用絮凝沉淀。
(2)电中和作用
在胶体的絮凝过程中,电中和效应也是不可忽视的。溶液中带有多个电荷的多价电解质能够与胶体颗粒表面带的相反电荷发生中和,从而减少静电斥力,促使胶粒间发生碰撞而凝聚。
(3)卷扫作用(网捕作用)
絮凝过程中产生的絮凝体连桥在重力作用下的沉降,犹如一个过滤网下降,迅速网捕和卷扫水中胶体颗粒。
R1艾克斯则将絮凝剂的架桥-絮凝反应过程归结为3个阶段:①聚合物在液相中分散;②聚合物于界面处吸附;③-a界面处吸附的聚合物压缩而产生保护作用或“胶溶作用”;④-b部分覆有聚合物的颗粒相互碰撞,形成架桥。其中,③-a和④-b互相竞争,二者竞争的结果取决于絮凝剂的浓度。当溶液中聚合物浓度高时,会发生胶溶作用,以致无法实现架桥。艾克斯的架桥絮凝反应过程从机理的角度对“絮凝剂的最适浓度”问题作出解释。
1. 3. 2 “菌体外纤维素纤丝”学说[8]
“菌体外纤维素纤丝”学说则主要是针对纤维素类絮凝剂的絮凝机理提出的,由于部分引起絮凝的产生菌体外有纤丝,因而该学说认为是由于胞外纤丝聚合形成絮凝物。
1. 3. 3 “类外源絮凝聚素”假说[9]
“类外源絮凝聚素”假说很好地解释了酵母菌的絮凝机理:絮凝酵母细胞壁上的特定表面蛋白与其它酵母细胞表面的甘露糖残基之间的专一性结合引起絮凝;而非絮凝酵母之间的这种专一性结合很弱,故无絮凝效果。
对非游离态生物絮凝剂的作用机理“类外源絮凝聚素”假说和“菌体外纤维素纤丝”假说作出了合理解释。
此外,还有Butterfield粘质假说、“病毒”假说、Butterfield粘质假说、离子键、氢键键桥学说、离散细胞和伸展桥键之间的三维基质模型假说等学说[10]。从微生物絮凝剂的多样性以及表现出的絮凝范围、广谱性来看,絮凝是多种物理化学作用复杂交互形成的结果。所以为了更好地解释其絮凝机理,需要对特定絮凝剂和胶体颗粒的组成、结构、电荷、构象及各种反应条件对絮凝活性的影响进行更深入的研究。
2 微生物絮凝剂在印染废水处理中的应用
印染废水对环境危害很大,主要有以下特点: COD高、而BOD /COD比值小、可生化性差。由于染料和中间体品种多,类别复杂,包括活性、还原、酸碱性等各种类型的染料都混合在废水中,同时新型PVA浆料、人造丝碱解物和新型助剂等的使用对传统的印染废水处理技术提出了更加严重的挑战[11-12]。
由于生物絮凝剂具有显著的特点,目前已广泛应用于生活污水的处理,而对于印染废水的处理大多还处于实验阶段。目前国外利用生物絮凝剂处理印染废水方面的研究相对较少。主要进行的是产絮凝剂菌的筛选和研发。1986年, RyuichiroKurane等[13]人采用从自然界分离出的红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)的S-1菌株,用特定培养基及培养条件,制成絮凝剂NOC-1,并且把它用于畜产废水处理、膨胀污泥的处理、砖场生产废水处理以及废水的脱色处理,效果较好。在深入研究NOC-1的同时,日本的其他学者也在积极进行着新型微生物絮凝剂及其产生菌的开发工作。此外,韩国的Kwon G. S.、SeoHyunHyo、Kim Young-Jun等人,德国的P.Reinhard以及以色列的N.Levy等[14]人也对微生物絮凝剂进行了细致的研究,目前已获得多株具有不同性能的微生物絮凝剂产生菌。R.Kurane发现Alcaligenes latusB-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[15]。实验表明,以1%的聚氨基葡萄糖为助凝剂,脱色率达94. 6%。
目前国内许多研究人员进行了微生物絮凝剂处理印染废水的应用研究。发现微生物絮凝剂对某些印染废水脱色和CODCr的去除具有较好的效果。张志强,林波[16-17]以啤酒废水为培养基,对菌株BAFRT4和菌株CYGS1复合菌群进行发酵培养,制得微生物絮凝剂。该絮凝剂对靛蓝印染废水有良好的去除CODCr和脱色效果,调节pH至8. 5 CODCr去除率和脱色率达,分别为79. 2%和87. 6%。李风琴等[18]制得微生物絮凝剂MHXGS2,在工艺条件下处理靛蓝印染废水的脱色率达96. 5%。周本军[19]实验得微生物絮凝剂MNb-1对靛蓝废水有较好的脱色效果,在条件下,其脱色率可达88. 5%。王莉[20]用新型微生物絮凝剂普鲁兰,以AlCl3溶液作为助凝剂,处理印染废水。在絮凝条件下,印染废水中CODCr去除率达81%。李强,张玉臻等[21]研究了吸附型生物絮凝剂ZL5-2对印染污水的絮凝作用,印染废水絮凝率为65. 8%,COD去除率为49. 5%, BOD去除率为62. 3%。柴晓利等[22]筛选到两株絮凝剂产生菌均属氮单胞菌属,对染料废水的脱色效果明显,达91%。刘晖等[23]研究了青霉菌HHE-P7产生的微生物絮凝剂,发现该絮凝剂可以用于处理染料废水、啤酒废水和酱油废水,絮凝效率都高于85%。韩怀芬[24]等从活性污泥中筛选出一株絮凝剂产生菌,菌种发酵液对造纸废水、印染废水COD去除率分别达到43. 8%及57. 1%。黄惠莉等[25]筛选出具有良好脱色活性的混合菌A,并从中分离出单菌N和F,对印染废水进行脱色处理,脱色率为80%。
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