多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂的絮凝性能研究及机理探讨

多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂的絮凝性能研究及机理探讨 多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂的絮凝性 能研究及机理探讨 第28卷第10期2007年10月环境科学 ENVIRONMENTALSCIENCE Vo1.28.No.10 0ct..2007 多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂的絮凝性能研究及 机理探讨 阮敏,杨朝晖,曾光明,熊丽娟,陶然,王荣娟,刘有胜 (湖南大学环境科学与工程学院,长沙410082) 摘要:采用正交絮凝,粒度检测及电镜扫描考察了多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂(MBFGA1)对高岭土溶液,土壤悬浊液,洗 煤废水及垃圾渗滤液4种废水的絮凝性能,并利用蒽酮试验和红外光谱对絮凝剂成分进行了初步鉴定.在正交絮凝实验获得 的最佳絮凝条件下,絮凝剂对高岭土溶液,土壤悬浊液,洗煤废水和垃圾渗滤液的絮凝率分别高达99.53%,99.50%,98.2%和 75.6o%,絮体沉降速度分别为0.03m/s,0.025m/s,0.025m/s和0.005m/s;土壤悬浊液中颗粒絮凝后平均粒径增大且大于10 pan,其余3种废水中颗粒平均粒径减小且小于10ttm;电镜扫描结果显示,絮凝前后废水颗粒的形态均从棱角分明转变为包埋 的无棱角;EDTA,HC1以及尿素检验发现4种颗粒与絮凝剂分子间靠离子键结合;蒽酮反应及红外光谱结果显示该絮凝剂为含 有较多羟基及羧基等官能团的多糖大分子.实验结果表明絮凝剂对高颗粒物浓度废水有很好的处理效果,其絮凝机理主要是 吸附架桥作用. 关键词:微生物絮凝剂;絮凝因素;粒度分析;絮凝机理;吸附架桥 中图分类号:X172文献标识码:A文章编号:0250-3301(21X)7)10-2336.06 FlocculatingCapabilityandMechanismofBioflocculantProducedbyPaenibacillus polymyxaGA1 RUANMin,YANGZhao—hui,ZENGGuang—ming.XIONGLi— juan,TAORan,WANGRong—jua..LIUYou—sheng (CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China) Abstract:MBFGA1,whichwasproducedbyPaenibacilluspolymyxaGA1,wasusedtoinvestigateitsflocc~atingcapabilityinthefollowing wastewater,theliquidofkaolin,soilsuspendedliquid,coal— washingwastewaterandthelandfillleachatewitho~hogonalexperiments,the inspectionofgranularityandthescanningelectronmicroanalysis.Meanwhiletheanthronereactionandinfraredspectrumarealsoappliedto identifyitsmaincomponent.Intheoptimalfocculatingconditionsobtainedfromtheo~hogonalexperiments,theflocculatingratesoftheliquid ofkaolin,soilsuspendedliquid,coal— washingwastewaterandthelandfillleachatewere99.53%,99.50%,98.2%and75.60%, respectively,andthesedimentationvelocitiesoftheabovefourkindsofflocculantswere0.03rrds,0.025m/s,0.025m/sand0.005m/s, respectively.Inaddition,thedistributionofgranularityhaschangedafterflocculation.Thesizeoftheaveragegranularityofsoilbecamebigger afterflocculation,andreachedover10m,butfortheotherthreekindsofgranularityjusttheoppositephenomenonhasoccurred,andtheir sizeswerealllessthan10 肿.Fromthephotosofscanelectronmicroanalysisoffourtypesofgranules,itcouldbedrawnthattherewereno obviousdifferencesintheappearance.ItwastllesameadsorptivemodebetweenMBFGA1anddifferentflocculatingparticles,thatistlle functionofelectrovalentbend,testedbyEDTA,HC1andurea.ThemaincomponentofMBFGA1waspolysaccharide,whichwasdeterminedby anthronereaction,anditcontainedalotofcarbexylandhydroxylgroupsexaminedbyinfrared spectrumanalysis.Fromtheaboveresults,it couldbepresumedthatMBFGA1canbethebestflocculantforthegranule—highly—concentratedwastewaterandthedominativeflocculating mechanismoftheflocculantwasmechanismofadsorption—bridge. Keywords:microbialflocculants;flocculatingfactor;granularityanalysis;flocculatingmec hanism;adsorption—bridge 微生物絮凝剂(microbialflocculants,MBF)是一 类在微生物生长过程中分泌的具有絮凝活性的天然 高分子物质,因其无毒,无二次污染,可生物降解的 特性引起了研究者的广泛关注….目前微生物絮凝 剂的研究主要集中在生产成本的降低,产量和絮凝 性能的提高以及絮凝机理等方面,其中絮凝机 理的研究在控制最佳絮凝条件,充分发挥絮凝能力 方面有极其重要的作用.至今在絮凝机理的研究中 已取得重要进展,提出了如"吸附架桥","电中和作 用"和"Butterfield粘质假说"等一系列学说驯. 此前在对絮凝机理的研究中多以分析絮凝剂分 子的化学成分,分子结构及官能团作为切入点,而从 絮凝对象的特性,絮凝因素和结合絮凝剂分子的性 质出发进行探讨絮凝机理的研究尚未见报道.本研 收稿日期:2006.Il一28;修订日期:2007.02.Il 基金项目:国家自然科学基金项目(50478053);国家重点基础研究发 展规划(973)项目(2005CB724203);湖南省自然基金重点项 目(05JJ20o4);湖南省自然基金一般项目(04JJ3004);湖南 省科技 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 重点攻关项目(05FJ3001) 作者简介:阮敏(1979一),女,硕士研究生,主要研究方向为环境生物 技术及废水处理,E.mail:maggie.rm@163.eolrll *通讯联系人,E.mail:yzh@hnu.cn 10期阮敏等:多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂的絮凝性能研究及机理探讨 究通过1株多粘类芽孢杆菌GA1所产微生物絮凝 剂对4种废水絮凝性能的对比,颗粒粒径分布变化 以及颗粒外观形态变化的情况,结合絮凝剂分子的 成分分析,由此探讨MBFGA1的絮凝机理,以期为 MBFGA1在实际废水处理中开拓广阔的应用前景. 1材料与方法 1.1菌种来源 实验所用菌种为杨朝晖等u采用的常规细菌 分离方法,从岳麓山土壤中筛选出的1株高效产絮 凝剂微生物,菌株编号为GA1,经16SrDNA序列 (GenBank序列登陆号DQ166375)分析鉴定为多粘类 芽孢杆菌,命名为PaenibacilluspolymyxaGA1.菌种保 藏号CCTCCNO:M206017. 1.2絮凝剂的提取及纯化 将GA1菌株以分段培养法培养得到的发酵 液,以4000r?min离心30min(BeckmanCouher, USA),离心后去菌体,上清液用2倍体积预冷乙醇 提取得到沉淀,将其放置在冰箱中过夜后离心分离. 沉淀物用乙醇再提取和纯化2,3次,最后将沉淀在 真空中冷冻干燥,得到絮凝剂的粗产品. 1.3实验废水来源及配制 (1)高岭土溶液用蒸馏水配制成5g/L高岭土溶 液,搅拌后静置1h,得上层稳定悬浮溶液,D为 1.770. (2)土壤悬浊液用蒸馏水配制成250g/L溶液, 搅拌后静置1h,上层稳定悬浊液(pH=6.64,D为 2.010). (3)洗煤废水?煤样取自某锅炉房,破碎研磨 后过180目筛网得到煤粒,用蒸馏水配制成5g/L溶 液,搅拌后静置1h,得到上层稳定的悬浊液层(pH =6.60,D550为1.620). (4)垃圾渗滤液取自某垃圾填埋场渗滤液收集 池.原水水质pH为7.54,N.N为458.6mg/L,COD 为6066.5mg/L.取其稳定的上层废水,测得D为 1.032. 1.4絮凝效果的表征 取一定体积水样于100mL比色管,加入10% (质量分数)CaCI2mL和离心去菌体后的发酵液1 mL,用1mol/LNaOH和1mol/LHCI调节pH值至设 定的值,然后加蒸馏水至100mL,盖上磨口塞,将比 色管作10次上下自然翻转,转速以每次翻转时气泡 上升完毕为准,翻转结束后,静置10min.从比色管 50mL处取澄清液,分光光度法测定D?.以不加发 酵液的原水样其它条件相同的实验作为对照,测得 对应澄清液的光密度(D?),见絮凝率计算公 式(1): FR=(b一.)/b×100%(1) 式中,FR为絮凝率;.为样本实验中澄清液的D?; b为对照实验中澄清液的D.. 1.5絮凝因素最佳值的确定 选取CaCI,的投加量,离心去菌体后发酵液(以 下简称发酵液)的投加量及絮凝pH值作为考察的3 个因素,通过单因素实验,确定每个因素的3个水 平.通过选用正交表k(3)设计实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,得到各因 素最佳絮凝值. 1.6絮凝前后废水颗粒粒度变化 将最佳条件下絮凝后静置10min的废水上清 液以及原废水溶液,在CIS.100粒度分析仪 (Ankersmid,Netherland)选取激光通道,测定废水颗 粒物浓度及废水絮凝前后颗粒粒度分布变化. 1.7废水絮凝颗粒形态变化扫描电镜分析 将废水絮凝前颗粒与絮凝后得到的沉淀物质, 在一40?下冷冻干燥成粉末后,用JSM.6700F场发 射扫描电子显微镜(JEOL,Japan)扫描作形态变化对 比分析. 1.8絮凝剂MBFGA1成分分析 用蒽酮法检验絮凝剂粗品的主要成分,絮凝剂 粗品透析后得到精产品,用WQF.410红外光谱扫描 (ANALECT,America)分析絮凝剂分子中的特征官 能团. 2结果与分析 2.1MBFGA1对4种废水絮凝的性能对比 2.1.14种废水最佳絮凝条件对比 选择发酵液投加量,CaCI投加量及絮凝pH值3 者作为絮凝影响因素考察对象,4种废水通过单因素 实验确定3个水平,分别做正交实验,结果见表1. 表1L9(34)絮凝条件~,-r3Z实验结果' Table1ResultsoforthogonalexperimentsbyL9(3) 1)A代表发酵液的投加量,B代表CaCl2的投加量,c代表絮凝 pH值 环境科学28卷 由表1结果可看出,絮凝各影响因素在不同废 水絮凝过程中发挥的作用不尽相同,高岭土溶液与 垃圾渗滤液受pH值影响最大,而发酵液的投加量 在处理土壤悬浊液和洗煤废水中起着主导因素.此 外,絮凝剂对4种废水的处理效果差异亦较大,其中 对高岭土溶液絮凝效果最佳,絮凝率高达99.53%; 对垃圾渗滤液的絮凝率仅为75.60%,但该絮凝效 果已达到目前报道的最佳处理效果;实验中絮凝 剂处理高岭土溶液与洗煤废水的用量仅为1.0mL, 且对两者的处理效率均高于98%,表明该絮凝剂在 废水处理中具有很好的推广使用价值. 2.1.2絮体沉降速度与沉淀物紧实度的对比分析 废水絮凝时絮体的沉降速度决定废水停留时 间,沉淀物的紧密程度对后续处理工艺影响很大,因 此有必要对絮体大小,沉速及泥饼紧实度进行考察. 表2为4种废水在絮凝最佳条件下,絮凝现象的对 比结果. 表24种废水絮凝现象对比 Table2Comparisonofparticleflocculatingin4typesofwastewater 表2结果表明,发酵液对高岭土溶液,土壤悬浊 液以及洗煤废水絮凝沉速很快,速度均高达0.025 m/s形成的絮体大且沉淀物紧实;但对垃圾渗滤液的 絮凝明显不及前3种废水.此外,经CIS.100粒度分 析仪测定4种废水颗粒浓度结果发现,高岭土溶液 颗粒物浓度最大,其次为洗煤废水及土壤悬浊液,垃 圾渗滤液的颗粒物浓度最低.结合2.1.1实验结果, 说明发酵液较适合处理颗粒物浓度较高的废水,且 处理后沉淀物利于泥水分离,由此可简化实际废水 处理的工序及降低处理成本.而垃圾渗滤液为垃圾 在填埋处理过程中降解后产生的高浓度有机废水, 废水中溶解性有机物质较多且富含纤维状或丝状物 质,颗粒物成分含量较少,可被絮凝剂吸附的固体物 质数量不多,故絮体沉速慢,沉淀物松散含水率高, 不利于泥水分离,在废水处理中不可取. 2.1.3pH值与絮凝性能的关系 pH值是絮凝过程中重要影响因素,它对胶体或 颗粒表面电荷的Zeta电位,絮凝剂的性质和作用有 较大影响.图1为4种废水絮凝过程中初始pH值, 发生絮凝的pH值以及最佳絮凝状态的pH值3种 状态的pH值对比结果. 从图1可看出,废水初始pH值越高,发生絮凝 及最佳絮凝状态时pH值亦随之增大,絮凝剂在偏 碱性条件下发生絮凝作用.絮凝过程中pH值与废 水颗粒表面电荷状况存在相关性,高岭土,土壤以及 煤颗粒的等电点(IEP)均在5.0以下,故初始pH状 态下三者的颗粒均带负电荷,由三者初始状态pH 值差异,得到初始状态下高岭土颗粒物所带负电荷 电量大于煤颗粒与土壤颗粒,从2.1.1结果可知絮 凝剂对高岭土溶液的处理效果最佳,可见颗粒带负 电荷荷电的量越大,絮凝效果越佳.此外,由于垃圾 渗滤液成分的复杂性,在此不作对比分析,有待于今 后实验中深入研究. 圈1初始状态,出现絮凝状态和最佳絮凝状态下pH值对比 Fig.1ComparisonofpHrangeinconditionsoftheinitial, emergentandoptimizedfloccalation 2.2絮凝前后废水颗粒粒度变化的对比分析 为考察絮凝剂分子作用后各废水颗粒粒径变化 情况,经粒度分析仪测定得到的结果见图2. 由图2可见,经絮凝剂处理后各废水溶液中颗 粒粒径分布均有显着变化;值得注意的是高岭土溶 液,洗煤废水及垃圾渗滤液颗粒的平均粒径在絮凝 后均明显下降,且絮凝后平均粒径均小于10ttm,而 土壤悬浊液的粒径在絮凝后显着上升,且絮凝后平 均粒径大于10ttm.结合2.1.2的结果笔者认为,絮 凝剂分子在溶液中克服了颗粒间相互作用的引力 后,粒径较大的颗粒被吸附在絮凝剂分子活性位点 上形成网状絮体,并由重力作用迅速下沉;而土壤颗 粒粒径是4种颗粒中最小的,絮凝后形成的部分絮 体由于过大的浮力作用未能下沉停留在溶液中,故 出现土壤悬浊液絮凝后粒径增大现象.该结果直观 上显示了絮凝剂的作用机理为絮凝剂分子与颗粒间 的吸附架桥作用. 10期阮敏等:多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂的絮凝性能研究及机理探讨 fl 一 }j 萎 求 }皿 U : h 24 l8 12 6 a,e分别为高岭土溶液絮凝前后粒径分布;b,f分别为土壤悬浊液絮凝前后粒径分 布; c,g分别为洗煤废水絮凝前后粒径分布;d,h分别为垃圾渗滤液絮凝前后粒径分布 图24种废水颗粒絮凝前后粒径分布对比 Fig.2Changesoffourtypesofgranulesbeforeandafterfloceulation 2.3废水颗粒絮凝前后的形态结构变化分析 将4种废水絮凝前后的颗粒经电镜扫描得到如 图3所示的电镜照片. 由图3可见,在相同放大倍率下絮凝前4种颗 粒均为颗粒间松散,不规则且有棱角的形状;絮凝后 絮凝剂以其巨大的层网状将颗粒紧包埋在其中,吸 附了大量颗粒的絮凝剂分子间相互搭桥结合更多颗 粒形成紧实光滑,体积更大的团块.电镜扫描结果进 一 步显示了絮凝剂对颗粒絮凝作用的机理主要表现 为吸附架桥作用. a与e分别为高岭土絮凝前与后的照片;b与f分别为土壤颗粒絮凝前与后的照片; c与g分别为媒颗粒絮凝前与后的照片;d与h分别为垃圾渗滤液絮凝前与后的照 片 图34种废水颗粒絮凝前与絮凝后颗粒在倍率为20000的扫描电镜照片 Fig.3Scanelectronmieroanalysisoffourtypesofgranulesbeforeandafterfloceulation(× 20000) 2.4絮凝剂与溶液中颗粒之间结合键的检验结果 对比分析 高分子絮凝剂本身具有的活性官能团,可与胶 体或微粒发生吸附桥连作用形成絮体,通过化学方 法来检验可初步判断絮凝剂与颗粒之间的结合键. 笔者采用EDTA,HC1及尿素3种化学试剂对沉淀物 进行检验,表3为检验结果. 表3的检验结果表明,4种溶液的絮凝沉淀物 2340环境科学28卷 均对EDTA和HCI非常敏感,但对尿素不敏感.由于 尿素可以和颗粒间形成氢键,从而破坏絮凝剂与颗 粒间的氢键;而EDTA和HCI能够强烈破坏絮凝剂 与颗粒间的离子键使絮体发生解絮现象.由此可初 步推断絮凝剂与颗粒之间的结合方式为离子键. 2.5絮凝剂MBFGA1成分分析 絮凝剂在葸酮试验中溶液中出现蓝绿色环,初 步表明絮凝剂成分中含有多糖.为进一步考察絮凝 剂成分,将透析提纯后的絮凝剂产品用红外光谱仪 进行扫描分析,结果见图4. 波致/em-1 围4MBFGAI的红外光谱围 Fig.4Infraredspectraphow0fMBFGAI 图4是较典型的多糖红外光谱图,与蒽酮试验 反应结果相吻合.絮凝剂在2935CITI和2850CITI.1 处的吸收,是C—H不对称伸缩振动的结果,此区域 的吸收峰是糖类的特征吸收峰;3429cm为一宽吸 收峰,为糖环中的一OH和N—H振动的所致,说明 分子内存在氢键;1685cm处的吸收峰为多糖羧基 上C=O伸缩振动的体现;此外,1269cm,,1134 cm, ,1065cm.1和1016cm.1为多糖环中醚的C—O 特征吸收峰.由此可判断该絮凝剂主要成分为多糖, 糖分子中含羟基和羧基,增加了絮凝剂分子的水溶 性.此外,将发酵液摊放在平板玻璃片上,使其干燥 成膜后发现形成一层韧性很强的薄膜,从某种程度 上表明该絮凝剂结构为线性分子型.一般认为,线性 分子比非线性分子絮凝性高,分子交联越多或支链 越多,絮凝性能越差. 果,且生成沉淀物紧实度高含水率低,由于其中3种 为实验室配置废水,化学成分较为单一,对絮凝剂分 子影响不大,但实际废水中的化学成分复杂,如实验 中所用的垃圾渗滤液为高浓度有机废水,在絮凝作 用发生过程中,可能因某些化学物质可与絮凝剂分 子相互作用,妨碍了分子的主要官能团发挥其有效 作用,降低了絮凝效率.另外,对于MBFGA1能够有 效絮凝的颗粒物浓度的界定以及絮凝后废水中颗粒 粒径分布范围的问题,笔者将在今后研究中展开深 入探讨. 废水中颗粒间存在分子间作用力(如范德华力, 氢键力等)在溶液中形成稳定悬浮胶体体系;絮凝剂 MBFGA1为多糖分子含较多羟基与羧基具有较好的 水溶性,线性型絮凝剂分子上具有较多活性吸附位 点.废水加入絮凝剂并引入Ca2后,降低了颗粒间 静电斥力并压缩双电层,颗粒与絮凝剂分子间靠范 德华力克服静电力相互接近,最终颗粒以离子键的 方式与絮凝剂分子上活性部位结合;絮凝剂分子不 同链节或重复单元上吸附着颗粒,调节pH引入羟 基后,加强絮凝剂分子极性基团的作用使其余部分 由于斥力作用而充分展开,使絮凝剂分子有足够可 供进一步吸附的空间位点;未被吸附的分子链节成 为自由末端或为_个疏松的链环与其它分子相互架 桥,形成空间絮体而絮凝沉淀. 相关文献表明引,对于性质相同或同类废水, 由压缩胶体的双电层引起颗粒沉淀产生的絮体较疏 松;通过电中和作用使胶体脱稳而聚集沉淀产生的 絮体紧实度高且体积小;在电荷中和的基础上,高分 子絮凝剂发生吸附架桥作用使颗粒脱稳可形成大体 积的絮体和紧实度高的泥饼.实验中从产生的絮体 形态,泥饼紧实程度及废水中颗粒粒径分布变化三 者推测,存在絮凝剂与颗粒间的吸附架桥作用;否 则,仅靠压缩胶体的双电层或电中和作用是不能产 生上述大小絮体的. 3讨论4 MBFGA1对高浓度颗粒物废水有较好的絮凝效 结论 (1)在4种废水的最佳絮凝条件下,絮凝剂 :多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂的絮凝性能研究及机理探讨2341 10期阮敏等 MBFGA1对高岭土溶液的絮凝率达99.53%,絮体的 沉速极快高达0.03m/s,沉淀物紧实度高;对土壤悬 浊液和洗煤废水的絮凝率分别为99.50%和 98.2%,絮体沉速均达0.025m/s;垃圾渗滤液絮凝 效率为75.60%,是目前文献报道的最佳效果.该絮 凝剂为高效微生物絮凝剂,在高颗粒物浓度废水处 理中有很好的推广使用价值. (2)4种废水絮凝后粒径分布均有较大改变,土 壤颗粒在絮凝后平均粒径增大且大于10tim,其余3 种受试废水颗粒粒径分布变化趋势与之相反,且平 均粒径均小于10tim. (3)扫描电镜结果发现,4种废水颗粒絮凝后外 部形态均无明显差异,即从棱角分明的形态向无棱 角且被包埋的形态转变;絮凝物经EDTA,HCI以及 尿素检验结果表明,4种颗粒与絮凝剂分子间结合 作用力主要是离子键. (4)蒽酮反应结果表明MBFGA1的主要成分为 多糖,红外光谱分析结果显示该多糖分子中含有较 多的羟基及羧基等官能团,为阴离子型絮凝剂. (5)从产生的絮体形态,泥饼紧实程度,废水颗 粒粒径分布变化及电镜扫描的结果推测,MBFGA1 的絮凝机理为吸附架桥作用. 参考文献: [1]SalehizadehH,ShojaesadatiSA.Extracellularbiopolymeric n0cculaIltsRecenttrendsandbiotechnologicalimportance[J]. BiotechnologyAdvances,2001,19(5):371,385. [2]Shih1L,VanYT,YehLC,eta1.Productionofabiopolymer flocculantfromBacilluslicheniformisanditsflocculationproperties 272. [J].BioresourceTechnology,2001,78(3):267, [3]王镇,王孔星,谢裕敏,等.几株絮凝剂产生菌的特性研究 [J].微生物,1995,35(2):121,129. [4]陶然,杨朝晖,曾光明,等.微生物絮凝剂及其絮凝微生物的 研究进展[J].微生物学杂志,2005,25(4):82,88. [5]陶然,杨朝晖,曾光明,等.微生物絮凝剂产生菌的筛选,鉴定 及其培养条件的优化研究[J].中国生物工程杂志,2005,25 (8):76,81. [6]刘紫鹃,刘志培,杨慧芳.巨大芽孢杆菌A25产生物絮凝剂的 研究[J].环境科学,2001,21(supp1):47,52. [7]刘紫鹃,徐桂云,刘志培,等.絮凝剂BP25的化学组成及结构 研究[J].微生物,2001,41(3):348,352. 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