基本介紹
簡介,種類,研發史,性質,絮凝機理,吸附架橋機理,電性中和機理,化學反應機理,影響因素,影響微生物絮凝劑絮凝效果的因素,微生物絮凝劑本身特性的影響,膠體顆粒表面電荷的影響,反應條件,套用,微生物絮凝劑在實際水處理當中的套用,冷卻水處理藥劑微絮凝的套用,
簡介
微生物絮凝劑是一類由微生物或其分泌物產生的代謝產物，它是利用微生物技術，通過細菌、真菌等微生物發酵、提取、精製而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、無毒、無二次污染的水處理劑。由於微生物絮凝劑可以克服無機高分子和合成有機高分子絮凝劑本身固有的缺陷，最終實現無污染排放，因此微生物絮凝劑的研究正成為當今世界絮凝劑方面研究的重要課題。
種類
微生物絮凝劑主要包括利用微生物細胞壁提取物的絮凝劑，利用微生物細胞壁代謝產物的絮凝劑、直接利用微生物細胞的絮凝劑和克隆技術所獲得的絮凝劑。微生物產生的絮凝劑物質為糖蛋白、粘多糖、蛋白質、纖維素、DNA等高分子化合物，相對分子質量在105以上。
研發史
微生物絮凝劑的研究者早就發現，一些微生物如酵母、細菌等有細胞絮凝現象，但一直未對其產生重視，僅是作為細胞富集的一種方法。近十幾年來，細胞絮凝技術才作為一種簡單、經濟的生物產品分離技術在連續發酵及產品分離中得到廣泛的套用。微生物絮凝劑是一類由微生物產生的具有絮凝功能的高分子有機物。主要有糖蛋白、粘多糖、纖維素和核酸等。能產生微生物絮凝 劑的微生物種類很多，它們大量存在於土壤、活性污泥和沉積物中。從其來源看，也屬於天然有機高分子絮凝劑，因此它具有天然有機高分子絮凝劑的一切優點。同時，微生物絮凝劑的研究工作已由提純、改性進入到利用生物技術培育、篩選優良的菌種，以較低的成本獲得高效的絮凝劑的研究，因此其研究範圍已超越了傳統的天然有機高分子絮凝劑的研究範疇。具有分泌絮凝劑能力的微生物稱為絮凝劑產生菌。最早的絮凝劑產生菌是Butterfield從活性污泥中篩選得到。1976年，Nakamura j.等人從黴菌、細菌、放線菌、酵母菌等菌種中，篩選出19種具有絮凝能力的微生物，其中以醬油麴黴(Aspergillus souae)AJ7002產生的絮凝劑效果最好。1985年，Takagi H等人研究了擬青黴素(Paecilomyces sp.l-1)微生物產生的絮凝劑PF101。PF101對枯草桿菌、大腸桿菌、啤酒酵母、血紅細胞、活性污泥、纖維素粉、活性炭、硅藻土、氧化鋁等有良好的絮凝效果。1986年，Kurane等人利用紅平紅球菌 (Rhodococcuserythropolis)研製成功息生物絮凝劑NOC-1，對大腸桿菌、酵母、泥漿水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨脹污泥、紙漿廢水等均有極好的絮凝和脫色效果，是目前發現的最好的微生物絮凝劑。
性質
絮凝劑的分子質量、分子結構與形狀及其所帶基團對絮凝劑的活性都有影響。一般來講，分子量越大，絮凝活性越高；線性分子絮凝活性高，分子帶支鏈或交聯越多，絮凝性越差；絮凝劑產生菌處於培養後期，細胞表面疏水性增強，產生的絮凝劑活性也越高。處理水體中膠體離子的表面結構與電荷對絮凝效果也有影響。一些報導指出，水體中的陽離子，特別是Ca2+、Mg2+的存在能有效降低膠體表面負電荷，促進“架橋”形成。另外，高濃度Ca2+的存在還能保護絮凝劑不受降解酶的作用。微生物絮凝劑絮凝範圍廣、絮凝活性高，而且作用條件粗放，大多不受離子強度、pH值及溫度的影響，因此可以廣泛套用於污水和工業廢水處理中。微生物絮凝劑高效、安全、不污染環境的優點，在醫藥、食品加工、生物產品分離等領域也有巨大的潛在套用價值。
絮凝機理
在利用微生物絮凝劑對給水或污、廢水的處理過程中，倘若對微生物絮凝劑的淨水機理缺乏正確的認識，則往往會造成許多不必要的損失，例如利用微生物絮凝劑處理相同電荷的污水，不僅會帶來絮凝劑的過度浪費，還不能取得較為理想的處理效果；再如忽略了微生物絮凝劑的最佳投加量，造成絮凝劑的過量投加或投加不足，往往也不能取得較好地處理效果。
限於條件及技術的限制，到目前為止，人們對微生物絮凝劑的絮凝機理尚缺少一個較為清楚的解釋。現今人們對微生物絮凝劑的作用機理存在著多種假說，包括：以生枝動膠菌可積累聚羥基丁酸為依據的PHB聚合學說；以胞外纖維絲可聚合形成絮凝物為基礎的菌外纖絲纖維素學說，此外還有But-terfield提出的粘質假說、Strantford提出的病毒假說以及吸附架橋學說和電性中和學說等。
吸附架橋機理
儘管微生物絮凝劑的性質各不想同，但它們對液體中固體懸浮物顆粒的絮凝作用卻有相似之處，它們可通過離子鍵、氫鍵等作用與固體懸浮物相結合。電鏡顯微鏡下顯示：聚合細菌之間是由細胞外聚合物搭橋相連的，也正是這些使得微生物細胞削弱了膠體的絮凝穩定性，進而較為緊密地聚合成絮凝體從液體中沉澱分離出來。
在低濃度微生物絮凝劑環境中，呈鏈狀結構的該類物質可同時附著在多個膠體微粒的表面，形成“膠粒-高分子物質-膠粒”的聚合物，在重力的作用下最終導致絮凝沉澱的出現。
吸附架橋的必要條件是在膠體微粒表面存在空白空間。在通常情況下，微生物絮凝劑的絮凝效果隨著該絮凝劑分子量的增加而而加強，即分子量增加，絮凝效率亦隨之提高；在架橋的過程中，倘若出現了微生物絮凝劑鏈段間的重疊，則亦會產生一定的排斥作用：在這種情況下，過高的絮凝劑分子量會削弱架橋作用，並最終降低絮凝劑的絮凝效果。相反，當用微生物絮凝劑處理相反電性的膠體顆粒時，則往往會加大微生物絮凝劑的解離程度，造成絮凝劑電荷密度的加大，有利於絮凝劑分子的擴展，進而促進了微生物絮凝劑的架橋作用。
電性中和機理
在使用微生物絮凝劑對水體進行處理的過程中，通過加入一定量的金屬離子或對水體pH進行一定調節，可對該絮凝劑的處理效果產生一定的促進或抑制作用。實驗研究證明：該操作是通過改變膠體表面的帶電性而起作用的。
通常情況下，在水體中以絮凝穩定性存在的膠體粒子往往帶有負電荷，當帶有一定量正電荷的鏈狀高分子微生物絮凝劑或其水解產物靠近這種膠體粒子時，在膠體表面上將會發生正負電荷的相互抵消，進而出現膠體脫穩的現象，使得膠粒之間、膠粒與絮凝劑之間的自由碰撞加劇，並在分子間的力作用下形成一個整體，最終依靠重力的作用從水中沉澱分離出來。
化學反應機理
絮凝效率與溫度關係的研究實驗顯示：在30℃條件下，微生物的絮凝效率可達到85.2%；相比之下，在15℃條件下，卻只有42.1%的絮凝效果。實驗研究表明：溫度對微生物絮凝劑的作用主要是通過影響其活性基團，進而影響其化學反應，最終起到對微生物絮凝效果的促進或抑制作用。
高分子微生物絮凝劑中存在一定數量的活性基團，該基團在微生物絮凝過程中扮演著重要的角色。研究顯示：微生物絮凝劑中的某些活性基團可與膠體表面上相應的基團產生化學反應，進而凝聚成體積較大的顆粒物質，最終從水體中沉澱分離出來。另有研究顯示：通過對微生物絮凝劑進行一定的改性、處理，使其添加、減少或是改變某些活性基團，絮凝效果將會出現很大程度的變化。
從微生物絮凝劑的多樣性以及在水處理中表現出的廣譜性可以斷定：微生物絮凝劑的絮凝過程是一個更為複雜的過程。要實現對微生物絮凝機理做出更為確切的解釋，還有待對微生物絮凝劑及膠體顆粒的組成、結構電荷等進行更為深入的研究。
影響因素
影響微生物絮凝劑絮凝效果的因素
給水及污、廢水的處理程度主要取決與微生物絮凝劑的絮凝特性，因而通過一定的處理條件可使其達到最佳的絮凝效果。然而，影響絮凝特性的因素有很多，只有掌握其規律，才能更好地發揮微生物絮凝劑的絮凝能力。
微生物絮凝劑本身特性的影響
微生物絮凝劑的主要成分中含有親水的活性基團,如氨基、羥基、羧基等,故其絮凝機理與有機高分子絮凝劑(利用其線性分子的特點起到一種粘接架橋作用而使顆粒絮凝)相同。微生物絮凝劑分子量大小對其絮凝效果的影響很大，分子量越大，絮凝效果就越好。當絮凝劑的蛋白質成分降解後，分子量減小，絮凝活性明顯下降。一般線性結構的大分子絮凝劑的絮凝效果較好，如果分子結構是交鏈或支鏈結構，其絮凝效果就差。
膠體顆粒表面電荷的影響
由"橋連作用"理論和"電荷中和"理論知絮凝劑大分子藉助離子鍵、氫鍵和范德華力同時吸附多個膠體顆粒，在顆粒間產生"架橋"現象，形成一種三維網狀結構而沉澱下來。故膠體顆粒表面電荷對絮凝有重要影響，相反電荷的聚合電解質能減少顆粒表面電荷密度，以至顆粒可以彼此充分緊密接近，使吸引力變得有效。
反應條件
微生物絮凝劑的絮凝效果受加樣量、PH值、金屬離子、溫度、攪拌速度、水質等多種反應條件的影響。用自己提取的微生物絮凝劑處理染料廢水時，發現Ca2+有促進絮凝物生成，加大沉降速度的協同作用。也有的文獻中認為體系中鹽的加入會降低微生物的絮凝活性，這可能由於Na+的加入破壞了大分子與膠體之間氫鍵的形成。因絮凝的形成是一個複雜的過程,為了更好地解釋機理，需要對特定絮凝劑和膠體顆粒的組成、結構、電荷、構象及各種反應條件對它們的影響作更深入的研究。
套用
微生物絮凝劑在實際水處理當中的套用
微生物絮凝劑主要成分是微生物菌體或其次級代謝產物，具有適用範圍廣、絮凝活性高、安全無害且易生物降解的特性，因此可廣泛套用於給水及污、廢水的處理。
冷卻水處理藥劑微絮凝的套用
如果過濾前對原水中的膠體進行絮凝或混凝處理，可以大幅度地提高介質過濾器效率，使出水的SDI降低到5左右。硫酸鐵和三氯化鐵可以用於對膠體表面的負電荷進行失穩處理，將膠體捕捉到新生態的氫氧化鐵微小絮狀物上，使用含鋁絮凝劑其原理相似，但因其可能有殘留鋁離子污染問題，並不推薦使用，除非使用高分子聚合鋁。迅速的分散和混合絮凝劑十分重要，建議採用靜態混合器或將注入點設在增壓泵的吸入段，通常最佳加藥量為10-30mg/L，但應針對具體的項目確定加藥量。
為了提高冷卻水處理藥劑—混凝劑絮體的強度進而改進它們的過濾性能，或促進膠體顆粒間的架橋，絮凝劑與混凝劑一起或單獨使用，絮凝劑為可溶性的高分子有機化合物，如線性的聚丙烯醯胺，通過不同的活性功能團，它們可能表現為陽離子性、陰離子性或中性非離子性。混凝劑和絮凝劑可能直接或間接地影響RO膜，間接的影響如它們的反應產物形成沉澱並覆蓋在膜面上，例如當過濾器發生溝流而使混凝劑絮體穿過濾器並發生沉澱;當使用鐵或鋁混凝劑，但沒有立即降低pH值時，在RO階段或因進水濃縮誘發過飽和現象，就會出現沉澱，還有在多介質濾器後加入化合物也會產生沉澱反應，最常見的是投加阻垢劑，幾乎所有的阻垢劑都是荷負電的，將會與水中陽離子性的絮凝劑或助凝劑反應而污染RO膜。
當添加的聚合物本身影響膜導致通量的下降，這屬於直接影響。為了消除RO/NF膜直接和間接的影響，陰離子和非離子的絮凝劑比陽離子的絮凝劑合適，同時還須避免過量添加。
