微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用进展_李政伟.pdf

第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用进展微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用进展李政伟1，2，3，张金良1，3*，蔡明1，3，付健1，3，4，高小涛1，3，马浩1，3（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司博士后科研工作站，河南 郑州 450003；3.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹）；河南 郑州 450003；4.清华大学土木水利学院，北京 100084）摘摘 要要:微生物絮凝剂作为一种新型的水处理剂，具有绿色、安全、活性高、易分解、无二次污染等优点，可应用于生活污水处理、工业废水处理、印染废水处理、饮用水净化等方面，受到学者们越来越广泛的关注，具有良好的科学研究价值和市场推广应用前景。作者通过大量文献调研和分析总结，综述了微生物絮凝剂的特点、种类，分析了影响微生物絮凝剂絮凝效果的关键因素，总结了微生物絮凝剂目前存在的问题及不足之处。不同于微生物絮凝剂在其它水处理中的应用，生活污水处理过程中微生物絮凝剂的应用意义更为重大，文章着重介绍了微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用进展，以期为微生物絮凝剂的科学化研究、规模化生产及产业化应用提供参考。关键词关键词:微生物絮凝剂;复合型生物絮凝剂;生活污水;絮凝条件开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X703 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)02-0025-005随着我国城镇化进程的逐步加快，城镇人口数量不断增长，导致产生大量的生活污水。据 2020年城乡建设统计年鉴 数据，随着污水处理厂数量的增加及污水处理能力的提高，生活污水的处理率逐步上升，2020年我国城市污水年排放量达到571.36亿m3，污水处理厂数量达到2 618座，污水处理率达到97.53%。现有的生活污水多由污水处理厂进行处理，处理过程中采用絮凝剂进行固液分离，以更好的去除污水中的COD、BOD1。常用的絮凝剂按其性质可分为无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂，具有运行成本低、絮凝时间短、絮凝效果好等优点2。然而，无机絮凝剂中的铝盐类絮凝剂有导致早老性痴呆、骨软化症、神经系统疾病、小细胞性贫血等疾病的发生的风险，铁盐絮凝剂则易腐蚀管道设备，影响水质 2。有机高分子类絮凝剂如聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）的水解产物单体具有一定毒性，在使用过程中不仅对家畜和人会产生“三致”效应（致突变、致癌、致畸），而且易导致环境二次污染4-5。微生物絮凝剂（Microbial flocculants，MBF）是一种由微生物或其分泌物产生的特殊代谢产物，具有絮凝活性，是一种新型的绿色、环保絮凝剂。与传统常用的絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有安全无毒、絮凝效率高、易生物分解、无二次污染的特点6-8，对人类健康和环境保护的意义重大，越来越成为絮凝剂的研究热点。本文综述了微生物絮凝剂的特点种类，分析了其在生活污水处理中的影响因素及应用现状，以期为生活污水的处理提供应用参考，更好地服务于环保行业。1 微生物絮凝剂的特点及种类微生物絮凝剂的特点及种类微生物絮凝剂无二次污染。微生物絮凝剂包含其自身或分泌物，主要成分由糖蛋白、多糖、蛋白质DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.005收稿日期：2022-05-15基金项目：国家“十四五”重点研发计划课题（2021YFC3201302）；黄河勘测规划设计研究院有限公司博士后研究开发项目（2021BSHZL01）作者简介：李政伟（1990），男，博士后，研究方向为有机废弃物资源化；电子邮件：通讯作者：张金良，博士，教授级高级工程师；电子邮件：zhang_25第 49 卷 第 2 期水处理技术水处理技术和DNA等组成9-10，在微生物絮凝剂的表面不仅含有丰富的羟基、羧基、氨基等官能团，而且其分子质量较大，一般在350 kDa11。微生物絮凝剂的组成成分易分解，不会对环境造成二次污染，是一种绿色、安全、无毒的絮凝剂。微生物絮凝剂来源广泛。微生物絮凝剂最初发现于酵母菌及其代谢产物4，随后在活性污泥、河湖底泥、养殖场污水、污水处理厂废水、土壤12等场所、蓝藻、产碱杆菌属、肠杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌等微生物12以及微生物的胞外分泌物等均发现可成为微生物絮凝剂的来源，扩大了微生物絮凝剂的范围，提高了微生物絮凝剂的生产便利。微生物絮凝剂用途广泛。微生物絮凝剂目前已可广泛应用于水产养殖水体改善14、印染废水脱色15、含（石）油废水处理16、食品工业废水处理17、污泥脱水18、重金属废水处理等19污水的处理，此外还发现微生物絮凝剂可应用于饮用水的净化处理20。因此，在市政供水和排水领域，可同时使用微生物絮凝剂进行处理，进一步提高水处理的健康性、安全性以及生态性。截止目前，已报道的可产生微生物絮凝剂的菌种包括细菌、放线菌、真菌及藻类4，21-22。微生物絮凝剂产生菌来源广泛，成分多样，其中产生菌以细菌为主，主要成分以蛋白质为主，其他还包括聚多糖、黏多糖、氨基多糖等糖类。然而，微生物和蛋白质由于其自身的敏感特性，易受温度和pH的影响，过高或过低的温度和pH均会使微生物絮凝剂絮凝变性变质，活性降低，从而导致微生物絮凝剂的生产及应用过程受到限制，无法大范围推广应用。多糖类微生物絮凝剂受环境因素的影响相对较小，从而具有更加优异的絮凝功能，在实际的应用过程中可根据处理工况选择合适的微生物絮凝剂，以最大限度的发挥微生物絮凝剂的絮凝活性。2 微生物絮凝剂絮凝效果的影响因素微生物絮凝剂絮凝效果的影响因素影响微生物絮凝剂絮凝效果的因素有很多，包括微生物絮凝剂的种类、添加量和反应条件如温度、pH、金属离子等，这与产生微生物絮凝剂的微生物及主要成分易受环境影响的原因有关。与其它絮凝剂的影响因素作用机制不同，微生物絮凝剂在受到不合适的温度、pH及金属离子浓度时，易变性变质，显著降低其絮凝效果。微生物絮凝剂作为絮凝作用的主体，由于其来源广泛、种类繁多、成分多样，不同的微生物絮凝剂特性不同，絮凝效果具有显著差异。刘叶等23对比研究了九种微生物絮凝剂（M-2B、M-2、CMD、高酐、阳型、阳型、阴离子 1800、阴离子 1600、阳离子102）对生活污水的絮凝效果，结果发现，在生物絮凝剂添加量为5 mg/L时，CMD絮凝效果最好。微生物絮凝剂的添加量对絮凝效果有直接的影响，添加量过多，胶体粒子被大量生物絮凝剂包裹，正负电荷失衡，影响其脱稳和凝聚，从而导致絮凝效果变差23。添加量过少，絮凝剂过早饱和，无法对胶体粒子充分结合，导致絮凝率低。武晓畅等29研究了生物絮凝剂PY-M3添加量分别为1050 mL/L高岭土溶液絮凝效果的影响，结果发现，在添加量030 mL/L范围内，絮凝率随着添加量的提高而升高，继续加大添加量时，絮凝效果显著下降。最佳的添加量为 30 mL/L。邢洁25研究了微生物絮凝剂MFX在投加量为19 mL/L时对卡马西平的絮凝效果，结果发现随着MFX投加量的逐渐增大，絮凝率先增大后减小，投加量为7 mL/L时，絮凝效果最好。微生物絮凝剂的絮凝效果受温度的影响较大，主要是由于温度影响蛋白质的结构，尤其在高温条件下，蛋白质变性失活，导致微生物絮凝剂失去絮凝作用。而由多糖组成的絮凝剂受温度的影响较小4，适当的调整温度可以显著提高絮凝效果。张娜等26研究了酱油曲霉（Aspergillus sojae）产生的絮凝剂在 1236 的温度下对污水的絮凝效果。红平红球菌（Rhodococcus erythropolis）产生的絮凝剂在 100 的水中加热 15 min 后，絮凝活性下降50%27；HIROAKI 等28研 究 了 拟 青 霉 属（Paecilomyces sp.）产生的絮凝剂特性，结果发现其絮凝效果不受温度影响。pH通过作用于胶体粒子的表面电荷以及改变絮凝剂的性质影响絮凝效果4。不同的微生物絮凝剂对应不同的最适pH。武晓畅等29在研究了溶液pH在 411时对生物絮凝剂 PY-M3絮凝效果的影响。结果发现当pH在48时，絮凝率随着pH的升高而升高，当pH为8时，絮凝率达到最大92.57%，随后随着pH的升高逐步下降。黄雅玲等研究了pH在410时对生物絮凝剂N-8-2絮凝率的影响，同样发现，随着pH的升高，微生物絮凝剂的絮凝率先升高后降低，最佳pH为7.5。金属离子如 Ca2+、Na+、Fe3+、Al3+等可以作用于微生物絮凝剂和悬浮颗粒间的架桥和电荷中和影响微生物絮凝剂的絮凝效果。LEVY等30在研究蓝藻（cyanobacterium Phormidium species strain）产生的26李政伟等，微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用进展絮凝剂吸附膨润土悬浊液时，结果发现通过添加Ca2+，可以减少微生物絮凝剂的添加量，提高吸附效果。杨莹等31研究了 CaCl2对微生物絮凝剂的影响，结果发现，添加CaCl2后絮体大而密实，脱水性能较好。然而，并非所有金属离子都能提高微生物絮凝剂的絮凝效果。某些盐类的加入甚至会降低絮凝剂的活性。Fe3+和Al3+由于产生二次污染，不能作为微生物絮凝剂的助凝剂4。溶液中的溶解氧含量是生物絮凝过程的重要控制参数，对微生物絮凝剂絮凝效果有重要的影响。万立国等32研究了不同溶解氧含量对高负荷生物絮凝-膜反应器中膜污染和微生物群落的影响，结果发现，过高的溶解氧含量会造成反应器内污泥絮体颗粒解絮凝，导致溶解氧的质量浓度在 68 mg/L时比12 mg/L时膜污染严重。王世亨等33研究了溶氧对生物絮凝系统的影响，结果发现，在 25、pH为7的条件下，厌氧-好氧交替可以显著提高生物絮团脱氢酶活性。影响微生物絮凝剂絮凝效果的因素较多，使得微生物絮凝剂的筛选尤为重要，成为了该领域的研究重点。在实际应用过程中，应根据应用的环境条件、处理的水质情况、微生物絮凝剂的活性特点等条件，多样化选择不同种类的微生物絮凝剂，筛选出最佳的微生物絮凝剂种类，优化絮凝条件，为后续扩大应用提供参考，从而较好的发挥微生物絮凝剂的作用。3 微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用微生物絮凝剂在生活污水处理中的应用生活污水含有大量的有机物、氮、磷等34-35，相比重金属废水、含油废水、印染废水及工业废水等，生活污水的处理工艺较为简单。微生物絮凝剂不仅具有传统絮凝剂的絮凝特性，而且安全无毒、易生物分解，可替代传统絮凝剂广泛应用于生活污水处理中。张超等36研究了6种絮凝剂对生活污水的处理效果，结果发现，微生物絮凝剂LF-Tou 2对生活污水COD的去除率最高，达89.8%，优化试验条件，发现当pH为7.5、添加量为19 mg/L、温度27、搅拌时间为3 min时，生活污水COD去除率可进一步提高到 92.9%。李桂娇等37研究了 3 种微生物絮凝剂JSP-18、JSP-26、WU-16 对生活污水浊度的去除效果，结果发现，3种微生物絮凝剂对生活污水中浊度都有较高的去除率，分别为74.4%、75.3%、71.0%。不同的微生物絮凝剂在不同的絮凝条件下对生活污水的处理效果差别较大，同一种微生物絮凝剂在不同的絮凝条件下对生活污水的处理效果差异显著。刘叶等23研究了9中微生物絮凝剂剂（M-2B、M-2、CMD、高酐、阳型、阳型、阴离子 1800、阴离子1600、阳离子，102）处理生活污水，结果发现，室温（25）下，在转速 200 r/min 搅拌 10 min 的条件下，当微生物絮凝剂添加量为 5 mg/L 时，阴离子1600 处理生活污水的效果最好，COD 的去除率为48.06%；当微生物絮凝剂添加量为10 mg/L时，高酐处 理 生 活 污 水 的 效 果 最 好，COD 的 去 除 率 为63.00%；当微生物絮凝剂添加量为15 mg/L时，高酐处 理 生 活 污 水 的 效 果 最 好，COD 的 去 除 率 为5