复合型生物絮凝剂产絮菌特性、理化性质及絮凝过程解析-环境工程专业论文.docx

摘 摘 要 - - I - 摘 要 生物絮凝剂作为一种高效、无毒、无二次污染、具有生物可降解性和安 全性的绿色水处理剂，代表了絮凝剂的重要研发方向之一。复合型生物絮凝 剂是以农业废弃物秸秆类纤维素为发酵原料，采用纤维素降解菌和产絮菌进 行二段式发酵生产，利用生物技术经分离、提取得到的新型絮凝剂。开展了 复合型生物絮凝剂产絮菌群中菌株 F2 和 F6 产絮特性和影响因素的研究； 明确了复合型生物絮凝剂的絮凝活性成分，并分析其理化性质；对絮凝过程 进行解析，探讨其絮凝机理。 采用BIOLOG系统进行菌株生化分析和菌种鉴定，菌株F2 为放射根瘤 菌(Rhizobium radiobacter)，菌株F6 为球形芽孢杆菌(Bacillus sphaeicus)，二 者均具有良好的高效产絮遗传稳定性。以混凝杯罐试验测定絮凝效果，衡量 环境因素和营养因素对菌株产絮能力的影响，发现在混合发酵条件下，菌株 F2 和F6 产絮能力可保持高效和稳定，其最佳发酵条件为：发酵时间 24h、 初始 pH 值 7.5 、混培比例 2:1 。发酵底物中磷酸盐使用量宜为 K2HPO4 2.5g/L、KH2PO4 1.0g/L。在葡萄糖浓度 20g/L时获得最佳产絮能力，絮凝率 为 97.1%。提出产絮菌株F2 和F6 用于生长和产絮的碳源和氮源具有广谱 性，即复合型生物絮凝剂发酵原材料选择范围广阔，有利于实现产业化。多 种有机氮和无机氮均可用作产絮的优良氮源。多种单糖、多糖以及小分子有 机物(包括醇、有机酸和酯类)，均可作为产絮的优良碳源。糖蜜废液、生物 制氢废液和纤维素糖化液等廉价原材料能作为碳源用于生物絮凝剂的发酵生 产。 根据显微观察和理化分析的试验结果，明确指出复合型生物絮凝剂的絮 凝活性成分是分子量不均一的两性高分子，存在于细菌的胞外分泌物中，具 有良好的热稳定性。絮凝活性成分的粗提品为乳白色微黄无定形物质，含少 量色素，产量为 2.24g/L。其中，总糖产量为 2.14g/L，占 95.5%；蛋白质产 量为 0.0934g/L，占 4.16%。纯化物为白色棉絮状固形物，产量为 2.06g/L。 其中，既含有蛋白质的特征基团氨基(或酰氨基)，又含有糖的特征基团羧基 和羟基，其中羧基分别以-COO-和-COOH的形式存在。多糖的单糖组成和质 量比为：阿拉伯糖:甘露糖:葡萄糖:半乳糖:肌醇=1.4:3.2:11.0:1.01:19.7。复合 型生物絮凝剂絮凝活性成分含： N 2.209% ， C 13.75% ， H 2.923% ， S 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - - II - 4.11%，P 3.99%。该絮凝活性成分是多组份的混合物，分子量具有不均一 性，其中 Mnt=85995Da ， Mwt=620100Da ， Mwt/Mnt=72.114 ，最高分子量 2×107Da。 通过对复合型生物絮凝剂的絮凝行为进行观测，结合絮凝活性成分在水 分散体系中的理化特点，重点对复合型生物絮凝剂的絮凝过程进行解析，并 初步探讨其絮凝机理。明确指出复合型生物絮凝剂絮凝活性成分是分子量不 均一的两性高分子，这一理化性质决定了其絮凝作用机理的多元化。在不同 的水质条件下，发挥电荷中和、吸附架桥和网捕卷扫等絮凝作用，并实现相 互的协同和增效，具有水处理适用范围广的优势。首先，复合型生物絮凝剂 加入高岭土悬浊液后引起水中胶体和颗粒的脱稳和凝聚，其中金属离子对凝 聚作用的发生起促进作用。随之，在水分散体系中，复合型生物絮凝剂絮凝 活性成分通过化学键合和吸附桥联作用形成微絮体。一方面，复合型生物絮 凝剂絮凝活性成分所具有的氨基(或酰氨基)、羧基和羟基等极性基团，具有 良好的水溶性，在水中颗粒的表面形成共价键、配位键和氢键等，发挥键合 作用；另一方面，絮凝活性成分高分子中的极性基团电荷密度和分布适宜使 其具有线型分子构型，在水分散系中呈柔性线状伸展，增加分子链的有效长 度，充分接触水中的颗粒物质并进行捕集，发挥吸附架桥作用。另外，絮凝 活性成分中，分子量相对较低的部分含量多，捕获悬浮颗粒形成微絮体，并 有利于其水溶性的提高；分子量高的部分含量少，将微絮体桥联形成粗大的 絮状物而沉淀下来。最终，由尺寸为 0.5μm~0.8mm 的微絮体逐渐成长为尺 寸在 1mm~5mm 之间的大片矾花，发挥网捕、卷扫作用促使絮体的聚集和 沉降。 关键词 复合型生物絮凝剂；产絮菌；絮凝活性成分；絮凝过程 Abstract Abstract - - PAGE VIII - Abstract The bioflocculant is one of the future for flocculants because of his many