[科普中国]-微生物絮凝剂

微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂。由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，最终实现无污染排放，因此微生物絮凝剂的研究正成为当今世界絮凝剂方面研究的重要课题。

简介微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂。由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，最终实现无污染排放，因此微生物絮凝剂的研究正成为当今世界絮凝剂方面研究的重要课题。1

种类微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂，利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂。微生物产生的絮凝剂物质为糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子化合物，相对分子质量在105以上。1

研发史微生物絮凝剂的研究者早就发现，一些微生物如酵母、细菌等有细胞絮凝现象，但一直未对其产生重视，仅是作为细胞富集的一种方法。近十几年来，细胞絮凝技术才作为一种简单、经济的生物产品分离技术在连续发酵及产品分离中得到广泛的应用。微生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物。主要有糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等。能产生微生物絮凝 剂的微生物种类很多，它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中。从其来源看，也属于天然有机高分子絮凝剂，因此它具有天然有机高分子絮凝剂的一切优点。同时，微生物絮凝剂的研究工作已由提纯、改性进入到利用生物技术培育、筛选优良的菌种，以较低的成本获得高效的絮凝剂的研究，因此其研究范围已超越了传统的天然有机高分子絮凝剂的研究范畴。具有分泌絮凝剂能力的微生物称为絮凝剂产生菌。最早的絮凝剂产生菌是Butterfield从活性污泥中筛选得到。1976年，Nakamura j.等人从霉菌、细菌、放线菌、酵母菌等菌种中，筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中以酱油曲霉(Aspergillus souae)AJ7002产生的絮凝剂效果最好。1985年，Takagi H等人研究了拟青霉素(Paecilomyces sp.l-1)微生物产生的絮凝剂PF101。PF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤酒酵母、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土、氧化铝等有良好的絮凝效果。1986年，Kurane等人利用红平红球菌 (Rhodococcuserythropolis)研制成功息生物絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脱色效果，是目前发现的最好的微生物絮凝剂。1

性质絮凝剂的分子质量、分子结构与形状及其所带基团对絮凝剂的活性都有影响。一般来讲，分子量越大，絮凝活性越高；线性分子絮凝活性高，分子带支链或交联越多，絮凝性越差；絮凝剂产生菌处于培养后期，细胞表面疏水性增强，产生的絮凝剂活性也越高。处理水体中胶体离子的表面结构与电荷对絮凝效果也有影响。一些报道指出，水体中的阳离子，特别是Ca2+、Mg2+的存在能有效降低胶体表面负电荷，促进“架桥”形成。另外，高浓度Ca2+的存在还能保护絮凝剂不受降解酶的作用。微生物絮凝剂絮凝范围广、絮凝活性高，而且作用条件粗放，大多不受离子强度、pH值及温度的影响，因此可以广泛应用于污水和工业废水处理中。微生物絮凝剂高效、安全、不污染环境的优点，在医药、食品加工、生物产品分离等领域也有巨大的潜在应用价值。1

絮凝机理在利用微生物絮凝剂对给水或污、废水的处理过程中，倘若对微生物絮凝剂的净水机理缺乏正确的认识，则往往会造成许多不必要的损失，例如利用微生物絮凝剂处理相同电荷的污水，不仅会带来絮凝剂的过度浪费，还不能取得较为理想的处理效果；再如忽略了微生物絮凝剂的最佳投加量，造成絮凝剂的过量投加或投加不足，往往也不能取得较好地处理效果。

限于条件及技术的限制，到目前为止，人们对微生物絮凝剂的絮凝机理尚缺少一个较为清楚的解释。现今人们对微生物絮凝剂的作用机理存在着多种假说，包括：以生枝动胶菌可积累聚羟基丁酸为依据的PHB聚合学说；以胞外纤维丝可聚合形成絮凝物为基础的菌外纤丝纤维素学说，此外还有But-terfield提出的粘质假说、Strantford提出的病毒假说以及吸附架桥学说和电性中和学说等。

吸附架桥机理尽管微生物絮凝剂的性质各不想同，但它们对液体中固体悬浮物颗粒的絮凝作用却有相似之处，它们可通过离子键、氢键等作用与固体悬浮物相结合。电镜显微镜下显示：聚合细菌之间是由细胞外聚合物搭桥相连的，也正是这些使得微生物细胞削弱了胶体的絮凝稳定性，进而较为紧密地聚合成絮凝体从液体中沉淀分离出来。

在低浓度微生物絮凝剂环境中，呈链状结构的该类物质可同时附着在多个胶体微粒的表面，形成“胶粒-高分子物质-胶粒”的聚合物，在重力的作用下最终导致絮凝沉淀的出现。

吸附架桥的必要条件是在胶体微粒表面存在空白空间。在通常情况下，微生物絮凝剂的絮凝效果随着该絮凝剂分子量的增加而而加强，即分子量增加，絮凝效率亦随之提高；在架桥的过程中，倘若出现了微生物絮凝剂链段间的重叠，则亦会产生一定的排斥作用：在这种情况下，过高的絮凝剂分子量会削弱架桥作用，并最终降低絮凝剂的絮凝效果。相反，当用微生物絮凝剂处理相反电性的胶体颗粒时，则往往会加大微生物絮凝剂的解离程度，造成絮凝剂电荷密度的加大，有利于絮凝剂分子的扩展，进而促进了微生物絮凝剂的架桥作用。

电性中和机理在使用微生物絮凝剂对水体进行处理的过程中，通过加入一定量的金属离子或对水体pH进行一定调节，可对该絮凝剂的处理效果产生一定的促进或抑制作用。实验研究证明：该操作是通过改变胶体表面的带电性而起作用的。

通常情况下，在水体中以絮凝稳定性存在的胶体粒子往往带有负电荷，当带有一定量正电荷的链状高分子微生物絮凝剂或其水解产物靠近这种胶体粒子时，在胶体表面上将会发生正负电荷的相互抵消，进而出现胶体脱稳的现象，使得胶粒之间、胶粒与絮凝剂之间的自由碰撞加剧，并在分子间的力作用下形成一个整体，最终依靠重力的作用从水中沉淀分离出来。

化学反应机理絮凝效率与温度关系的研究实验显示：在30℃条件下，微生物的絮凝效率可达到85.2%；相比之下，在15℃条件下，却只有42.1%的絮凝效果。实验研究表明：温度对微生物絮凝剂的作用主要是通过影响其活性基团，进而影响其化学反应，最终起到对微生物絮凝效果的促进或抑制作用。

高分子微生物絮凝剂中存在一定数量的活性基团，该基团在微生物絮凝过程中扮演着重要的角色。研究显示：微生物絮凝剂中的某些活性基团可与胶体表面上相应的基团产生化学反应，进而凝聚成体积较大的颗粒物质，最终从水体中沉淀分离出来。另有研究显示：通过对微生物絮凝剂进行一定的改性、处理，使其添加、减少或是改变某些活性基团，絮凝效果将会出现很大程度的变化。

从微生物絮凝剂的多样性以及在水处理中表现出的广谱性可以断定：微生物絮凝剂的絮凝过程是一个更为复杂的过程。要实现对微生物絮凝机理做出更为确切的解释，还有待对微生物絮凝剂及胶体颗粒的组成、结构电荷等进行更为深入的研究。2

影响因素影响微生物絮凝剂絮凝效果的因素给水及污、废水的处理程度主要取决与微生物絮凝剂的絮凝特性，因而通过一定的处理条件可使其达到最佳的絮凝效果。然而，影响絮凝特性的因素有很多，只有掌握其规律，才能更好地发挥微生物絮凝剂的絮凝能力。

微生物絮凝剂本身特性的影响微生物絮凝剂的主要成分中含有亲水的活性基团,如氨基、羟基、羧基等,故其絮凝机理与有机高分子絮凝剂(利用其线性分子的特点起到一种粘接架桥作用而使颗粒絮凝)相同。微生物絮凝剂分子量大小对其絮凝效果的影响很大，分子量越大，絮凝效果就越好。当絮凝剂的蛋白质成分降解后，分子量减小，絮凝活性明显下降。一般线性结构的大分子絮凝剂的絮凝效果较好，如果分子结构是交链或支链结构，其絮凝效果就差。

胶体颗粒表面电荷的影响由"桥连作用"理论和"电荷中和"理论知絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力同时吸附多个胶体颗粒，在颗粒间产生"架桥"现象，形成一种三维网状结构而沉淀下来。故胶体颗粒表面电荷对絮凝有重要影响，相反电荷的聚合电解质能减少颗粒表面电荷密度，以至颗粒可以彼此充分紧密接近，使吸引力变得有效。

反应条件微生物絮凝剂的絮凝效果受加样量、PH值、金属离子、温度、搅拌速度、水质等多种反应条件的影响。用自己提取的微生物絮凝剂处理染料废水时，发现Ca2+有促进絮凝物生成，加大沉降速度的协同作用。也有的文献中认为体系中盐的加入会降低微生物的絮凝活性，这可能由于Na+的加入破坏了大分子与胶体之间氢键的形成。因絮凝的形成是一个复杂的过程,为了更好地解释机理，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它们的影响作更深入的研究。1

应用微生物絮凝剂在实际水处理当中的应用微生物絮凝剂主要成分是微生物菌体或其次级代谢产物，具有适用范围广、絮凝活性高、安全无害且易生物降解的特性，因此可广泛应用于给水及污、废水的处理。

冷却水处理药剂微絮凝的应用如果过滤前对原水中的胶体进行絮凝或混凝处理，可以大幅度地提高介质过滤器效率，使出水的SDI降低到5左右。硫酸铁和三氯化铁可以用于对胶体表面的负电荷进行失稳处理，将胶体捕捉到新生态的氢氧化铁微小絮状物上，使用含铝絮凝剂其原理相似，但因其可能有残留铝离子污染问题，并不推荐使用，除非使用高分子聚合铝。迅速的分散和混合絮凝剂十分重要，建议采用静态混合器或将注入点设在增压泵的吸入段，通常最佳加药量为10-30mg/L，但应针对具体的项目确定加药量。

为了提高冷却水处理药剂—混凝剂絮体的强度进而改进它们的过滤性能，或促进胶体颗粒间的架桥，絮凝剂与混凝剂一起或单独使用，絮凝剂为可溶性的高分子有机化合物，如线性的聚丙烯酰胺，通过不同的活性功能团，它们可能表现为阳离子性、阴离子性或中性非离子性。混凝剂和絮凝剂可能直接或间接地影响RO膜，间接的影响如它们的反应产物形成沉淀并覆盖在膜面上，例如当过滤器发生沟流而使混凝剂絮体穿过滤器并发生沉淀;当使用铁或铝混凝剂，但没有立即降低pH值时，在RO阶段或因进水浓缩诱发过饱和现象，就会出现沉淀，还有在多介质滤器后加入化合物也会产生沉淀反应，最常见的是投加阻垢剂，几乎所有的阻垢剂都是荷负电的，将会与水中阳离子性的絮凝剂或助凝剂反应而污染RO膜。

当添加的聚合物本身影响膜导致通量的下降，这属于直接影响。为了消除RO/NF膜直接和间接的影响，阴离子和非离子的絮凝剂比阳离子的絮凝剂合适，同时还须避免过量添加。2

本词条内容贡献者为:

胡芳碧 - 副教授 - 西南大学