利用微生物絮凝劑處理太原市高礦化度與高硬度地下巖溶水的研究.pdf

1、水資源缺乏已成為困擾山西省當(dāng)前經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的最大難題之一。但山西省擁有大量不能直接用于生產(chǎn)及生活的高礦化度、高硬度的地下巖溶水。經(jīng)測定，太原市小店區(qū)地下水的礦化度3643mg/L、硬度3044mg/L，屬于高礦化度、高硬度的地下巖溶水，不能夠直接作為人們生產(chǎn)及生活用水，需要經(jīng)過絮凝劑處理。
　　本學(xué)位論文通過篩選合適的菌種，并制備成所需的微生物絮凝劑應(yīng)用于太原市地下巖溶水的處理，使其礦化度及硬度達(dá)到工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。研究內(nèi)容主要分為

2、三部分:第一，菌體擴(kuò)大培養(yǎng)及絮凝活性分布測定;第二，菌體固定化及菌體的絮凝機(jī)理初步探討;第三，微生物絮凝劑的提取工藝設(shè)計(jì)及其絮凝機(jī)理的初步探討。
　　本實(shí)驗(yàn)通過測定單位菌體質(zhì)量及菌體OD值相結(jié)合的方法測定生長曲線，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)條件的目的。同時(shí)，應(yīng)用火焰原子吸收儀法和電導(dǎo)率儀法互相配合測定巖溶水的硬度及礦化度變化情況，進(jìn)而確定菌種的絮凝活性分布情況。其中，主要選用了白地霉(Geotrichum candidum)、枯草

3、芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)及灰色鏈霉菌(Streptmyces griseus)四種菌來制作微生物絮凝劑，將它們在相同培養(yǎng)條件、相同接種量，但選用不同擴(kuò)大培養(yǎng)基的前提下，擴(kuò)大培養(yǎng)8天并測定其生長活性。同時(shí)，任取其中一種培養(yǎng)基的發(fā)酵液進(jìn)行絮凝活性分布測定，繪制生長曲線和絮凝活性分布圖。結(jié)果顯示，微生物絮凝劑對巖溶水礦化度及硬度的絮凝性能與菌體活性有關(guān)，且隨生

4、長活性趨勢的變化而變化。菌種活性越大，其絮凝活性也越大。其中，白地霉的菌體及分泌物對巖溶水均有絮凝活性，且白地霉在白地霉培養(yǎng)基2中培養(yǎng)的第4天其活性最旺，應(yīng)在此條件下獲取菌體及分離上清液效果最佳;枯草芽孢桿菌的菌體及分泌物對巖溶水均有絮凝活性，且在枯草芽孢桿菌培養(yǎng)基2中培養(yǎng)的第3天其活性最旺盛，應(yīng)在此條件下獲取菌體及分離上清液效果最佳;啤酒酵母菌體對巖溶水有絮凝活性，且在啤酒酵母培養(yǎng)基4中培養(yǎng)的第2天菌種活性最旺，應(yīng)在此條件下獲取菌體效

5、果最佳;灰色鏈霉菌對巖溶水絮凝活性較低且難大量培養(yǎng)，因此將不會(huì)對灰色鏈霉菌做更深入的研究。
　　在此基礎(chǔ)上，將白地霉、枯草芽孢桿菌及啤酒酵母三種菌的菌體作為固定化微生物絮凝劑的制備材料，運(yùn)用正交的方法（即不同的固定化方式、不同攪拌時(shí)間及不同絮凝劑投加量對絮凝效果的影響）來確定最佳絮凝條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其形成的固定化小球穩(wěn)定性高、抗壓力強(qiáng)、可反復(fù)多次利用且對其絮凝率的影響不大。其中，SA-明膠-PVA白地霉固定化小球?qū)μ械叵聨r溶水

6、的礦化度絮凝效果優(yōu)于其他固定化方式形成的白地霉小球，當(dāng)攪拌時(shí)間為60min和投加量為4g/L時(shí)絮凝效果最佳，對礦化度的絮凝率最高達(dá)到86.25％，使太原市地下巖溶水的礦化度由原來的3643mg/L降為506.86 mg/L; SA啤酒酵母固定化小球?qū)r溶水的絮凝效果優(yōu)于其他固定化方式形成的啤酒酵母固定化小球，且當(dāng)其投加量為4g/L和攪拌時(shí)間為30min時(shí)絮凝效果最優(yōu)，巖溶水的硬度降低為489mg/L，礦化度降為2239 mg/L; SA

7、-PVA枯草芽孢桿菌固定化小球?qū)r溶水的絮凝效果優(yōu)于其他固定化方式形成的枯草芽孢桿菌固定化小球，當(dāng)其投加量為1g/L和攪拌時(shí)間為90min時(shí)絮凝效果最優(yōu)，使巖溶水的硬度降低為575 mg/L，礦化度降為2055 mg/L。這三種菌均表現(xiàn)出良好的絮凝性能。為什么？經(jīng)過分析紫外和紅外圖譜可知，白地霉菌體的主要絮凝活性物質(zhì)可能為蛋白質(zhì)，其主要活性基團(tuán)為大量的C-H和N-H;枯草芽孢桿菌起絮凝活性作用的物質(zhì)為蛋白質(zhì)和核酸，其主要活性基團(tuán)為大量的

8、N-H、-CH3及-CH2，同時(shí)反應(yīng)后出現(xiàn)P=O的伸縮振動(dòng)，推測可能有脂生成;啤酒酵母中的蛋白質(zhì)及核酸可能是此類微生物絮凝劑的絮凝活性物質(zhì)，其主要活性基團(tuán)為N-H、C-N、-CH3及-CH2中，反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)有伯胺類N-H伸縮振動(dòng)，推測可能有新蛋白生成。
　　在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，部分菌種的上清液具有絮凝活性。鑒于此，通過耐熱性和耐酸堿性實(shí)驗(yàn)來確定微生物絮凝劑提取條件并運(yùn)用化學(xué)方法及光譜掃描圖譜分析來確定其絮凝活性成分和絮凝活性基團(tuán)。結(jié)果表明

9、，白地霉分泌物即絮凝劑的最佳提取方法是:白地霉上清液→50℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原有體積的1/10→加入二倍體積的預(yù)冷無水丙酮→高速離心→得到沉淀即為所要粗產(chǎn)物;枯草芽孢桿菌分泌的提取方法為:枯草芽孢桿菌上清液→48℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原有體積的1/10→調(diào)pH值為5且加入無水乙醚→置于-4℃預(yù)冷8h→高速離心分離→得到沉淀即為所要粗產(chǎn)物。而微生物絮凝劑通過呈色反應(yīng)及一系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)測定可知，枯草芽孢桿菌分泌物主要成分為35％的蛋白質(zhì)和39％的糖，其中主要

10、的絮凝活性物質(zhì)是蛋白質(zhì)，其中也可能包括部分核酸，其絮凝活性基團(tuán)是-CH2、-CH3、=C-H、N-H和O-H，且絮凝反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)有C-O-C即脂鍵生成;白地霉分泌物主要成分是51％的糖和43％的蛋白質(zhì)，其中主要起絮凝作用的活性物質(zhì)是蛋白質(zhì)，含有大量N-H和O-H絮凝活性基團(tuán)。
　　將制得的微生物絮凝劑分別與自制三元復(fù)合吸附劑、六水合氯化鋁、殼聚糖的冰醋酸溶液的絮凝性能進(jìn)行了對比和初步分析發(fā)現(xiàn)，微生物絮凝劑具有操作簡便、無二次污染、絮