CN106430627A

CN106430627A - 一种微生物絮凝剂的制备方法及应用

Info

Publication number: CN106430627A
Application number: CN201611037339.4A
Authority: CN
Inventors: 罗平; 杨林玉; 贾晓燕; 陆小琴; 卫宏毅
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2017-02-22

Abstract

本发明提供一种微生物絮凝剂的制备方法及应用，所述方法将黑曲霉以2.0~4.0%（V/V）的接种量接种于初始pH为6.0~9.0的培养基上，于30~35℃、150~200r·min^‑1的条件下振荡培养36~72h后，收集发酵液制得。所述微生物絮凝剂可用于对废水中悬浮物进行絮凝沉淀，所述微生物絮凝剂可与固体吸附剂联合使用用于对染料废水进行脱色处理。本发明微生物絮凝剂无毒、可生物降解、无二次污染，对废水中悬浮物的絮凝率均达90%以上。与改性蒙脱土联用，对亚甲基蓝废水和靛蓝废水的脱色率分别高达99.09%、91.00%，取得了意想不到的絮凝沉淀和脱色效果。

Description

一种微生物絮凝剂的制备方法及应用

技术领域

本发明属于絮凝剂技术领域，具体涉及一种微生物絮凝剂的制备方法及应用。

背景技术

在水处理方法中，絮凝法因其自身具有处理效果好、成本低、易操作等优势是国内外水处理中应用最为广泛的一种方法。絮凝法是通过向待处理的废水体系加入一定量的絮凝剂，使水体中以胶体和悬浮物形式存在的无机和有机污染物在所加的絮凝剂作用下，互相接触、碰撞、脱稳、凝聚成一定粒径大小的聚集体，而脱稳的聚集体则通过进一步碰撞、化学黏结、网捕卷扫、共同沉淀等作用，形成肉眼可见的大絮体（矾花），最终借助重力的作用固液分离，完成絮凝过程，从而降低水体中的CODcr、BOD₅、浊度、色度等指标。

近年来，随着水处理技术的发展，絮凝剂研究的深入，大量国内外研究者发现传统的絮凝剂虽然在污水治理过程中有着举足轻重的作用，但也给人类带来较多的负面影响。例如，聚合氯化铝（PAC）使水体残留大量铝离子，危害人体健康，导致老年痴呆患者比例增高；聚丙烯酰胺（PAM）其本身没有毒性，但聚丙烯酰胺在水处理应用中会产生丙烯酰胺单体，其具有“三致”效应，即致畸、致癌、致突变。

此外，蒙脱土、活性炭、沸石等吸附剂常用于废水的脱色，虽然该类吸附剂易得、无毒、无二次污染，但其颗粒非常小且吸水膨胀，大部分颗粒长时间悬浮于水体中，不能自身沉降，所以给实际染料废水处理带来很大困难。

微生物絮凝剂因其高效、安全无毒、可生物降解、无二次污染、易于固液分离等特点，在生活污水、养殖废水和工业废水的除浊、除油、脱色和重金属的去除等领域展现出广阔的应用前景。现有的微生物絮凝剂专利中已经公布了一些微生物絮凝剂，例如CN101475249公开了胶质芽孢杆菌及其代谢产物与养殖废水以1:40至1:60的体积混合，经絮凝作用后，降低养殖废水的COD和浊度，然而胶质芽孢杆菌属于细菌类，比真菌的培养条件要求更苛刻，因此培养较为困难。CN102311975A公开了微生物絮凝剂生产菌Galactomyces geotrichum CGMCC NO.2535生产的絮凝剂应用于蓝黑墨水脱色，加入微生物絮凝剂，充分混匀经120min沉降后，脱色率为81.46%，但该脱色过程产生的絮体相对较小，不易沉降。综上，现有的微生物絮凝剂都存在一定的不足之处。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中微生物絮凝剂或培养条件苛刻、难以培养，或产生的絮体较小、不易沉降的技术问题，而提供一种絮凝效果好，絮凝过程中能产生较大絮体，可自身快速沉降的微生物絮凝剂的制备方法，该方法操作简单、成本低。

本发明的另一个目的是提供一种微生物絮凝剂对废水中悬浮物进行絮凝沉淀的应用。

本发明的再一个目的是提供一种微生物絮凝剂与固体吸附剂联合使用在对染料废水进行脱色处理方面的应用，通过阶段性投加对染料废水进行脱色处理，提高了染料废水的脱色效果、简化脱色方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种微生物絮凝剂的制备方法，将黑曲霉以2.0~4.0%（V/V）的接种量接种于初始pH为6.0~9.0的培养基上，于30~35℃、150~200 r·min^-1的条件下振荡培养36~72h后，收集发酵液，制得液体微生物絮凝剂；其中，所述培养基的溶剂为水，溶质包括如下浓度的组分：15~50 g·L^-1葡萄糖、0.1~0.5 g·L^-1NaCl、0.2~1.0 g·L^-1 (NH₄)₂SO₄、0.5~1.0 g·L^-1尿素、0.5~1.0 g·L^-1酵母膏、0.2~0.6g·L^-1MgSO₄·7H₂O、5.0 g·L^-1 K₂HPO₄和2.0 g·L^-1 KH₂PO₄。

进一步，还包括对所述发酵液进行纯化处理获得微生物絮凝剂固体粗品的步骤：对所述发酵液离心处理去除菌体，获得发酵上清液，对所述发酵上清液进行旋转蒸发得到浓缩发酵上清液，所述浓缩发酵上清液与所述发酵上清液的体积比为0.5:1，将所述浓缩发酵上清液与预冷的无水乙醇以1:2的体积比混匀，并在4℃下静置24h后，离心处理并收集粗品沉淀，将粗品沉淀进行干燥，制得微生物絮凝剂MBFC-6固体粗品。

上述方法制得的微生物絮凝剂用于对废水中悬浮物进行絮凝沉淀方面的应用；其中，废水中加入所述微生物絮凝剂后先于200~300 r·min^-1下搅拌处理2~5 min，再于40~80r·min^-1下搅拌处理5~10 min，最后静置5~10 min，完成对废水中悬浮物的絮凝沉淀处理。

上述方法制得的微生物絮凝剂与固体吸附剂联合使用在对染料废水进行脱色处理方面的应用；其中，先向染料废水中加入固体吸附剂于200~300 r·min^-1下搅拌处理10~30 min，再向染料废水中加入所述微生物絮凝剂先于200~300 r·min^-1搅拌处理2~5 min，再于40~80 r·min^-1下搅拌处理5~10 min，最后静置5~10 min，完成对染料废水的脱色处理。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明微生物絮凝剂MBFC-6为黑曲霉的代谢产物，与传统的化学絮凝剂相比，其主要成分是糖类和蛋白质，具有无毒、可生物降解、无二次污染的特点。

2、本发明微生物絮凝剂MBFC-6的发酵液与粉末产品均可用于处理悬浮废水，与现有细菌类微生物絮凝剂产生菌相比，其培养条件简单，不易被污染，培养难度降低，更易获得。

3、采用本发明微生物絮凝剂对废水中的悬浮物进行絮凝处理操作条件简单，絮凝完成后只需静置5 min即可，处理时间短，絮凝过程中能产生较大絮体，絮体可自身快速沉降，絮凝效果好。本发明微生物絮凝剂对废水中悬浮物的絮凝率均达90 %以上，通过对4.0g·L^-1高岭土、钠基蒙脱土、改性蒙脱土、活性炭和浊度为1049（JTU）的土壤悬液进行絮凝实验，结果显示絮凝率分别为97.79%、94.50%、98.09%、90.19%、94.91%，取得了显著的絮凝效果。

4、本发明微生物絮凝剂MBFC-6活性高，在处理废水时根据不同处理对象，微生物絮凝剂的投加范围为10mg·L^-1至20mg·L^-1，且本发明微生物絮凝剂适用温度和适用pH范围广，可用于不同温度和pH值范围的废水中悬浮物的絮凝沉淀。

5、本发明微生物絮凝剂与其它固体吸附剂如改性蒙脱土联用，应用于染料废水脱色，微生物絮凝剂可起到吸附染料分子、辅助改性蒙脱土吸附染料分子以及将吸附有染料的改性蒙脱土颗粒絮凝成絮体使其快速沉降的作用，克服了单独使用改性蒙脱土吸附染料后难以自身沉降的问题，以絮体自身沉降取代复杂的离心或过滤操作，避免了二次污染的产生。本发明通过微生物絮凝剂和固体吸附剂的协同作用提高了染料废水脱色率，实验结果表明采用这样的方法对亚甲基蓝废水的脱色率高达99.09%，取得了意想不到的脱色效果。

6、本发明微生物絮凝剂制备方法简单，制备成本低，可进行工业化大量生产，具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1为C-6菌株分生孢子梗及孢子囊的40×显微镜图；

图2为C-6菌株分生孢子梗的400×显微镜图；

图3为C-6菌株分生孢子的1000×显微镜图；

图4为C-6菌株PCR产物的1.5%琼脂糖凝胶电泳图；

图5为本发明微生物絮凝剂纯化流程图；

图6为MBFC-6扫描电镜图；

图7为高岭土颗粒的扫描电镜图；

图8为微生物絮凝剂絮凝处理后产生的高岭土絮体的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

实施例1 目标菌株的确定

本实施例从重庆某印染公司废水处理二级沉淀池污泥中筛选分离获得9种微生物絮凝剂产生菌，编号为C-1~C-9，对各编号的菌株分别进行发酵，结果显示编号为C-6的菌株的发酵上清液对高岭土悬液的絮凝率达95.46%，且絮凝活性非常稳定，适合用作微生物絮凝剂。对C-6菌株进行形态学鉴定及ITS rDNA序列测定，经NCBI数据库BLAST序列比对（序列见附录1），鉴定C-6菌株为黑曲霉，结果见图1~4（图4中M泳道为Marker 2000，NC泳道为阴性对照，1泳道为C-6菌株），可以看出确定该菌种为黑曲霉，DNA序列为SEQ ID NO.1的黑曲霉核苷酸序列所示，即确定本发明采用黑曲霉发酵产物作为微生物絮凝剂。

实施例2 黑曲酶的发酵

对黑曲霉的发酵条件进行优化，以使产生的发酵产物絮凝效果好。结果显示，黑曲霉产微生物絮凝剂的培养基溶剂为水，溶质包括如下浓度的组分：15~50 g·L^-1葡萄糖、0.1~0.5g·L^-1 NaCl、0.2~1.0 g·L^-1 (NH₄)₂SO₄、0.5~1.0 g·L^-1尿素、0.5~1.0 g·L^-1酵母膏、0.4~0.6 g·L^-1MgSO₄·7H₂O、5.0 g·L^-1K₂HPO₄和2.0 g·L^-1KH₂PO₄。发酵培养条件为：将黑曲霉以2.0~4.0%（V/V）的接种量接种于初始pH为6.0~9.0的培养基上，在30~35℃、150~200r·min^-1的条件下振荡培养36~72h。

进一步研究，黑曲霉产微生物絮凝剂的最优培养基溶剂为水，溶质包括如下浓度的组分（g·L^-1）：葡萄糖25，NaCl 0.1，(NH₄)₂SO₄ 0.2，尿素0.5，酵母膏0.5，MgSO₄·7H₂O0.4，K₂HPO₄ 5，KH₂PO₄ 2；最优发酵条件为：培养基初始pH 7.0，种子液以2%（V/V）的接种量接种于发酵培养基中，在35℃、150r·min^-1摇床速度下培养52 h。

实验显示，在上述最优培养基和培养条件下对黑曲霉进行发酵，菌株浓度达4.803g·L^-1，其发酵上清液对4.0 g·L^-1的高岭土悬液絮凝率为98.61 %。

实施例3 发酵产物的纯化

将发酵液经如下步骤（见图5）提取纯化成粉末成品（命名为MBFC-6），具体方法为收集实施例2最佳发酵条件下发酵培养52h的发酵液，经3000r·min^-1离心30 min去菌体（细胞），获得发酵上清液，采用旋转蒸发器在温度为45℃左右条件下将上清液体积浓缩至原体积0.5倍，取出浓缩的发酵上清液加入2倍体积的预冷无水乙醇混匀，并在4 ℃冰箱内静置24h，析出固体沉淀物通过5000 r·min^-1离心30min收集，真空干燥，得到微生物絮凝剂MBFC-6粗品。再将微生物絮凝剂MBFC-6粗品溶于蒸馏水中，慢速搅拌下加入质量分数为2%氯化十六烷基吡啶（CPC）直到没有沉淀生成为止，静置2h，再经5000r·min^-1离心30min收集沉淀物，然后将沉淀溶解于0.5mol·L^-1的NaCl溶液，加入2倍体积的预冷无水乙醇混匀置于在4℃冰箱内静置24h，离心获取沉淀，将沉淀物用预冷乙醇反复洗涤数次，将沉淀物溶解于蒸馏水中，并装入透析袋，在磁力搅拌器慢速搅动的蒸馏水中透析2天，透析过程中定时更换透析用的蒸馏水，最后用预冷乙醇再沉淀，得沉淀物于60℃真空干燥箱干燥，得微生物絮凝剂MBFC-6纯品，保存备用。

对MBFC-6的成分进行测定，经测定其主要成分为多糖和蛋白质。

实施例4 微生物絮凝剂MBFC-1对多种悬浮废水的处理

将实施例3纯化的微生物絮凝剂粉末配制成500mg·L^-1的水溶液应用于多种悬浮废水处理，在50mL 4.0g·L^-1的高岭土悬液、钠基蒙脱土悬液、改性蒙脱土、活性炭悬液及浊度为1049（JTU）的土壤悬液中分别加入1.5mL 500mg·L^-1的MBFC-6水溶液，并加入1%的CaCl₂溶液1.5mL，室温条件下，200r·min^-1快搅2min，50r·min^-1慢搅5min，静置5min，取液面下2cm处上清液，分光光度计测定波长550nm处的吸光度，同时以1.0mL蒸馏水代替微生物絮凝剂作为空白对照，絮凝率计算公式如下：絮凝率（%）=（A-B）/A×100

其中：A——空白液的OD₅₅₀，B——待测样品的OD₅₅₀。

实验结果如表1所示，由表1实验结果可以看出该微生物絮凝剂对上述悬浮废水均具有很好的絮凝效果，并且在絮凝过程中絮体大而紧实，可快速沉降。

其中，在高岭土悬液絮凝过程中，微生物絮凝剂MBFC-6扫描电镜图及高岭土颗粒在水体中絮凝前后的扫描电镜图如图6~图8所示。由扫描电镜图可知，MBFC-6为具有分支的三维网状结构，絮凝前高岭土颗粒呈片状分散于水中，絮凝后分散的高岭土颗粒被紧紧包埋，絮体成紧实的球状，絮凝过程可能存在卷扫作用，依稀可见高岭土颗粒的边缘棱角，而颗粒与颗粒之间的空隙不可见。因此，絮体可快速沉降至烧杯底部，絮凝过程中形成了肉眼可见的较大絮体，静置5min，絮凝率可达97.79%。

表1 微生物絮凝剂MBFC-6对不同悬浮废水的絮凝率

实施例5 微生物絮凝剂MBFC-6与改性蒙脱土联合处理染料废水

将实施例3纯化的微生物絮凝剂粉末配制成500 mg·L^-1的水溶液与改性蒙脱土分阶段投加，应用于染料废水脱色处理。

①亚甲基蓝、靛蓝标准曲线的绘制及脱色率计算方法

配制浓度分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0（mg·L^-1）的亚甲基蓝标准溶液，在最大吸收波长664nm下测定各溶液的吸光度，根据所得数据，以origin8.0软件作甲基橙溶液的标准曲线并得拟合方程和精度为：y=0.09584x-0.0094 ，R²=0.99993。

靛蓝（λ_max=660nm）标准曲线绘制同上，所得靛蓝的拟合方程和精度为：y=0.016x+0.001，R²=0.99995。

脱色率计算公式如下所示：脱色率（%）=（A₀-A₁）/A₀

其中：A₀为空白试验上清液的吸光度，A₁为脱色处理后上清液的吸光度。

② 改性蒙脱土单独处理染料废水

酸改性钠基蒙脱土的制备方法如下：称取5.0g钠基蒙脱土于100mL烧杯中，加入2.0mol·L^-1的盐酸50mL，在磁力搅拌器300r·min^-1搅拌20min，蒙脱土颗粒洗涤至上清液接近中性，置于100℃真空干燥至恒重，装于密封袋备用。

改性蒙脱土单独处理染料废水：向50mg·L^-1的亚甲基蓝模拟废水和靛蓝模拟废水中分别加入改性蒙脱土0.6g·L^-1，电动搅拌机200r·min^-1搅拌30min，再将染料废水静置2h，取上清液测吸光度，以未处理的染料废水作为空白对照，实验结果发现改性蒙脱土颗粒细小，静置2h后仍悬浮于水体，因此没有明显脱色效果。

③MBFC-6与改性蒙脱土阶段性投加处理染料废水

亚甲基蓝废水脱色：50mg·L^-1的亚甲基蓝模拟废水中加入改性蒙脱土0.6g·L^-1，电动搅拌机200r·min^-1搅拌10min，再加入MBFC-6 20mg·L^-1，200r·min^-1快搅2min，50r·min^-1慢搅5min，静置5min，取液面下2cm处上清液测吸光度，以未处理的染料废水作为空白对照，实验结果表明亚甲基蓝废水的脱色率为99.09%。

靛蓝废水脱色：50 mg·L^-1靛蓝模拟废水，投加改性蒙脱土0.6g·L^-1，电动搅拌机200r·min^-1搅拌10min，再加入MBFC-6 15mg·L^-1，CaCl₂0.6g·L^-1，200r·min^-1快搅2min，50r·min^-1慢搅5min，静置5min，取液面下2cm处上清液测吸光度，以未处理的染料废水作为空白对照，实验结果得靛蓝废水脱色率达91.00%。

由上述实施例和实验结果可以看出，本发明微生物絮凝剂MBFC-6在处理悬浮废水，及与固体吸附剂联用处理染料废水时，具有处理效果好、处理过程无二次污染、操作简单等特点，能很好的应用于废水处理领域，具有优良的市场应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种微生物絮凝剂的制备方法，其特征在于，将黑曲霉以2.0~4.0%（V/V）的接种量接种于初始pH为6.0~9.0的培养基上，于30~35℃、150~200 r·min^-1的条件下振荡培养36~72h后，收集发酵液，制得液体微生物絮凝剂；其中，所述培养基的溶剂为水，溶质包括如下浓度的组分：15~50 g·L^-1葡萄糖、0.1~0.5 g·L^-1 NaCl、0.2~1.0 g·L^-1 (NH₄)₂SO₄、0.5~1.0g·L^-1尿素、0.5~1.0 g·L^-1酵母膏、0.2~0.6 g·L^-1MgSO₄·7H₂O、5.0 g·L^-1 K₂HPO₄和2.0g·L^-1 KH₂PO₄。

2.根据权利要求1所述微生物絮凝剂的制备方法，其特征在于，还包括对所述发酵液进行纯化处理获得微生物絮凝剂固体粗品的步骤：对所述发酵液离心处理去除菌体，获得发酵上清液，对所述发酵上清液进行旋转蒸发得到浓缩发酵上清液，所述浓缩发酵上清液与所述发酵上清液的体积比为0.5:1，将所述浓缩发酵上清液与预冷的无水乙醇以1:2的体积比混匀，并在4℃下静置24h后，离心处理并收集粗品沉淀，将粗品沉淀进行干燥，制得微生物絮凝剂MBFC-6固体粗品。

3.根据权利要求2所述微生物絮凝剂的制备方法，其特征在于，还包括对所述固体粗品进行纯化制备微生物絮凝剂固体纯品的步骤：将所述微生物絮凝剂MBFC-6固体粗品溶于水中得到粗品溶液，向所述粗品溶液中加入质量浓度为2%的氯化十六烷基吡啶水溶液直至所述粗品溶液不再产生沉淀为止，将产生沉淀的粗品溶液静置2h后离心处理得到沉淀物1，将沉淀物1溶解于0.5mol·L^-1的NaCl溶液中，并在所述NaCl溶液中加入2倍体积的预冷无水乙醇混匀，置于4℃下静置24 h后离心处理获取沉淀，得到沉淀物2，用预冷乙醇对所述沉淀物2洗涤若干次，将洗涤后的沉淀物2溶于水中并进行透析处理，用预冷乙醇对透析产物进行再沉淀获得沉淀物3，对沉淀物3进行干燥，得微生物絮凝剂MBFC-6固体纯品。

4.根据权利要求1所述微生物絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述培养基的溶剂为水，溶质包括如下浓度的组分：25g·L^-1葡萄糖、0.1g·L^-1NaCl、0.2g·L^-1 (NH₄)₂SO₄、0.5g·L^-1尿素、0.5g·L^-1酵母膏、0.4g·L^-1MgSO₄·7H₂O、5g·L^-1K₂HPO₄和2g·L^-1KH₂PO₄。

5.根据权利要求1所述微生物絮凝剂的制备方法，其特征在于，将黑曲霉以2%（V/V）的接种量接种于初始pH为7.0的培养基上，于35℃、150r·min^-1的条件下振荡培养52h。

6.权利要求1~5任一所述方法制得的微生物絮凝剂用于对废水中悬浮物进行絮凝沉淀方面的应用；其中，废水中加入所述微生物絮凝剂后先于200~300 r·min^-1下搅拌处理2~5min，再于40~80 r·min^-1下搅拌处理5~10 min，最后静置5~10 min，完成对废水中悬浮物的絮凝沉淀处理。

7.根据权利要求6所述应用，其特征在于，所述微生物絮凝剂与所述废水的质量体积比为10~20 mg：1000 mL。

8.权利要求1~5任一所述方法制得的微生物絮凝剂与固体吸附剂联合使用在对染料废水进行脱色处理方面的应用；其中，先向染料废水中加入固体吸附剂于200~300 r·min^-1下搅拌处理10~30 min，再向染料废水中加入所述微生物絮凝剂先于200~300 r·min^-1搅拌处理2~5 min，再于40~80 r·min^-1下搅拌处理5~10 min，最后静置5~10 min，完成对染料废水的脱色处理。

9.根据权利要求8所述应用，其特征在于，所述固体吸附剂与所述染料废水的质量体积比为0.4~1.0 g：1000 mL；所述微生物絮凝剂与所述染料废水的质量体积比为10~20mg：1000 mL。

10.根据权利要求8所述应用，其特征在于，所述固体吸附剂为酸改性的钠基蒙脱土。