污水聚丙烯酰胺PAM
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污水聚丙烯酰胺PAM
污水廠聚丙烯酰胺PAM的研究應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
由污水廠產生的高分子物質——污水廠聚丙烯酰胺PAM，天然、可降解，安全、無毒、無二次污染，近些年來受到研究者極大關注。污水廠聚丙烯酰胺PAM是利用生物技術，從污水廠體或其分泌物提取、純化而獲得的一種安全、，且能自然降解的新型水處理劑。由于污水廠聚丙烯酰胺PAM可以克服無機高分子和合成有機高分子聚丙烯酰胺PAM本身固有的缺陷，終實現(xiàn)無污染排放，因此污水廠聚丙烯酰胺PAM的研究正成為當今聚丙烯酰胺PAM方面研究的重要課題。污水廠聚丙烯酰胺PAM的研制和應用方興未艾，其特性和優(yōu)勢為水處理技術的發(fā)展展示了一個廣闊的前景。污水廠聚丙烯酰胺PAM將可能在未來取代或部分取代傳統(tǒng)的無機高分子和合成有機高分子聚丙烯酰胺PAM。我國的污水廠聚丙烯酰胺PAM研究起步較晚，層次還比較低，急需廣大環(huán)境工作者投入更多人力物力進行發(fā)展，為我國聚丙烯酰胺PAM的發(fā)展奠定理論和物質基礎。1．污水廠聚丙烯酰胺PAM的發(fā)展
1.1污水廠聚丙烯酰胺PAM的研究背景
長期以來，給水和污(廢)水處理中使用的聚丙烯酰胺PAM主要有兩大類：以鋁系和鐵系混凝劑為代表的無機高分子類和以聚丙烯酰胺為代表的合成有機高分子聚丙烯酰胺PAM。有關研究表明，飲用水攝入過多的鋁離子的人群中，老年性癡呆癥的患者比例較高。隨著性人口老齡化的出現(xiàn)和加劇，人們對鋁系混凝劑的使用安全性提出了質疑。而丙烯酰胺單體更是具有強烈的神經(jīng)毒性和致癌作用。
此外，天然有機高分子聚丙烯酰胺PAM作為一類較新的水處理劑，是利用蛋白質、多聚糖、木質素、幾丁質等生物體分泌的天然有機高分子，通過化學改性制成。由于天然有機高分子具有無毒且能完全降解的特點，所以曾一度引起各科研機構的重視，但多年來在此領域能真正應用于工業(yè)生產的品牌產品并不多。
隨著生物科學基因工程領域許多重大突破的取得，環(huán)境科學工作者開始將生物技術與絮凝技術結合起來，污水廠聚丙烯酰胺PAM的研制迅速發(fā)展起來，研究開發(fā)出污水廠聚丙烯酰胺PAM，開創(chuàng)了聚丙烯酰胺PAM研究工作的新領域。
1.2污水廠聚丙烯酰胺PAM的發(fā)展
研究者早就發(fā)現(xiàn)，一些污水廠如酵母、細菌等有細胞絮凝現(xiàn)象，但一直未對其產生重視，僅是作為細胞富集的一種方法。近十幾年來，細胞絮凝技術才作為一種簡單、經(jīng)濟的生物產品分離技術在連續(xù)發(fā)酵及產品分離中得到廣泛的應用。
污水廠聚丙烯酰胺PAM是一類由污水廠產生的具有絮凝功能的高分子有機物。主要有糖蛋白、粘多糖、纖維素和核酸等。從其來源看，也屬于天然有機高分子聚丙烯酰胺PAM，因此它具有天然有機高分子聚丙烯酰胺PAM的一切優(yōu)點。同時，污水廠聚丙烯酰胺PAM的研究工作已由提純、改性進入到利用生物技術培育、篩選優(yōu)良的菌種，以較低的成本獲得的聚丙烯酰胺PAM的研究，因此其研究范圍已超越了傳統(tǒng)的天然有機高分子聚丙烯酰胺PAM的研究范疇。
具有分泌聚丙烯酰胺PAM能力的污水廠稱為聚丙烯酰胺PAM產生菌。的聚丙烯酰胺PAM產生菌是Butter field從活性污泥中篩選得到。1976年，Nakamura J.等人從霉菌、細菌、放線菌、酵母菌等菌種中，篩選出19種具有絮凝能力的污水廠，其中以醬油曲霉(Aspergillussouae)AJ7002產生的聚丙烯酰胺PAM效果。1985年，Takagi H.等人研究了擬青霉屬(Paecilomycessp.Ⅰ-1)污水廠產生的聚丙烯酰胺PAMPF101。PF101對枯草桿菌、大腸桿菌、啤酒酵母、血紅細胞、活性污泥、纖維素粉、活性炭、硅藻土、氧化鋁等有良好的絮凝效果。1986年，Kurane等人利用紅平紅球菌(Rhodococcuserythropolis)研制成功污水廠聚丙烯酰胺PAMNOC-1，對大腸桿菌、酵母、泥漿水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨脹污泥、紙漿廢水等均有極好的絮凝和脫色效果，是目前發(fā)現(xiàn)的的污水廠聚丙烯酰胺PAM。
美國也研制出一些高絮凝性菌株，能與其它污水廠一起制成生物活液，用以快速消除下水道淤塞、水體富營養(yǎng)化和污泥膨脹等現(xiàn)象。
1.3污水廠聚丙烯酰胺PAM的種類
至今發(fā)現(xiàn)的具有絮凝性的污水廠達17個種以上，有霉菌、細菌、放線菌和酵母。 由它們生產的污水廠聚丙烯酰胺PAM有許多，其中代表性的為以下三個：Nakamura J.用醬油曲霉(Aspergillussouae)生產的聚丙烯酰胺PAMAJ7002； Takagi H.用擬青霉屬((Paecilomycessp.Ⅰ-1)污水廠生產的聚丙烯酰胺PAMPF101； Kurane等人利用紅平紅球菌(Rhodococcuserythropolis)研制成功污水廠聚丙烯酰胺PAMNOC-1。
1.4污水廠聚丙烯酰胺PAM的特性
污水廠聚丙烯酰胺PAM由陰離子型的生物高分子組成。因此，在性質上與陰離子有機高分子聚丙烯酰胺PAM相類似，它的絮凝性質、機理、作用都與陰離子有機高分子聚丙烯酰胺PAM相類似，但它又有自己的特性。
污水廠聚丙烯酰胺PAM是一種天然無毒的有機高分子化合物，包括機能性蛋白質和機能性多糖類物質，因此污水廠聚丙烯酰胺PAM具有生物可分解性的獨特性質，而且對環(huán)境和人類均無毒無害。污水廠聚丙烯酰胺PAM具有較高的熱穩(wěn)定性，將C-62菌株產生的聚丙烯酰胺PAM煮沸10分鐘后其活性仍有88%。污水廠聚丙烯酰胺PAM對多種絮凝顆粒以及合成高分子聚丙烯酰胺PAM的可溶性色素物質都具有優(yōu)良的凝聚能力。
2污水廠聚丙烯酰胺PAM的研究和應用現(xiàn)狀
2.1聚丙烯酰胺PAM產生菌的培養(yǎng)及污水廠聚丙烯酰胺PAM的提取和純化
（1）聚丙烯酰胺PAM產生菌的培養(yǎng) 聚丙烯酰胺PAM產生菌的培養(yǎng)同其它好氧污水廠的培養(yǎng)過程相同，主要影響因素為培養(yǎng)基的C源、N源；培養(yǎng)溫度；初始pH值；通氣速度等。值得注意的是，對于某一特定菌種，聚丙烯酰胺PAM生產的條件往往不同于細胞生長的條件。 培養(yǎng)基成分對絮劑的生產和絮凝活性有較大影響。富含單糖或營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基有利于聚丙烯酰胺PAM產生而用高氮低糖的培養(yǎng)基培養(yǎng)，會使聚丙烯酰胺PAM的產量降低。 合適的培養(yǎng)溫度一般為25～30℃。溫度太低會使菌體活性降低，生長速度慢；溫度太高會使菌體產生的聚丙烯酰胺PAM活性較低。
初始ｐＨ值為6.0～8.5。對于不同的菌種，適pH值稍有不同。培養(yǎng)基初始pH值過高或過低均不利于聚丙烯酰胺PAM的產生。 培養(yǎng)初期大量通氣一方面滿足生物生長的需求，另一方面也能防止菌體絮凝成較大顆粒。使用搖床培養(yǎng)時可采用100～200r/min。培養(yǎng)中后期可適當降低通氣量。
（2）污水廠聚丙烯酰胺PAM的提取和純化 污水廠聚丙烯酰胺PAM的提取首先用過濾或離心的方法去除菌體，可視發(fā)酵液的組成成份及絮凝物質的種類性質不同而采用乙醇，硫酸銨鹽析，丙酮、鹽酸胍等沉淀獲得。對于結構較復雜的聚丙烯酰胺PAM的提取，則需要用酸、堿或有機溶劑反復溶解、沉淀以得到粗品。將粗品溶于水或緩沖溶液，可能通過離子交換、凝膠色譜等方法使其純化獲得產品。
以PF101為例，其精制過程為取一定量培養(yǎng)液，邊攪拌邊加入2倍體積的乙醇，然后離心分離，取沉淀物重新溶于水，經(jīng)滲析后凍干即得到粗品；將粗品溶于熱水，離心去除不溶性物質，把用瓊脂糖6B(Sepharose 6B)做的凝膠柱先用0.04mol/L的三甲醇氨基甲烷 鹽酸(Tris HCl)緩沖溶液(pH=6.7)平衡，然后通入離心分離后的上清液，再用三甲醇氨基甲烷 鹽酸緩沖溶液洗凈，用三甲醇氨基甲烷 馬來酸酯(Tris-maleate)緩沖溶液(pH=6.5)洗脫，活性洗出液加入2倍體積的乙醇沉淀，接下來用95%的乙醇洗滌、凍干，就得到提純的成品PF101。
2.2 聚丙烯酰胺PAM產生菌的基因控制
污水廠聚丙烯酰胺PAM的產生是受基因控制的，到目前為止人們已發(fā)現(xiàn)了十幾個絮凝基因。如位于Saccharomycescerevisiae條染色體上距ade138厘摩處的FOL1具有顯性表達絮凝性的功能�，F(xiàn)代的克隆技術可以將FOL1絮凝基因切下，插入其它染色體質粒中，經(jīng)大量復制后，轉入受體細胞內，使本無絮凝性的細胞獲得絮凝性能，或者使有絮凝性細胞的絮凝性能發(fā)生改變。
2.3 污水廠聚丙烯酰胺PAM的作用機理及影響因素
（1）架橋絮凝機理這一機理認為，聚丙烯酰胺PAM借助離子鍵、氫鍵、同時結合了多個顆粒上的分子，在顆粒間起了“中間橋梁”的作用，從而使懸浮物形成網(wǎng)狀結構的絮凝物而沉淀下來。通常認為合成的高分子聚丙烯酰胺PAM都是通過這種機理產生絮凝作用，污水廠聚丙烯酰胺PAM的絮凝機理與合成的高分子聚丙烯酰胺PAM的作用機理是一致的。這種機理為人們所認可。
（2）電性中和機理 這一機理認為膠體粒子的表面一般帶有負電荷，當帶有一定正電荷的鏈狀生物大分子聚丙烯酰胺PAM或其水解產物靠近這種膠粒時，會中和膠體表面上的部分電荷， 使靜電斥力減少，從而使膠粒間發(fā)生磁力碰撞而凝聚，向溶液中加入金屬離子或調節(jié)pH值可影響其絮凝效果。
（3）化學反應機理 這一機理認為生物大分子中某些活性基團與被絮凝物質相應基團反應，進而聚集成較大的分子而沉淀下來。通過對生物大分子進行改性處理，使其添加或喪失某些活性基團，絮凝活性發(fā)生變化而起作用。某些學者指出聚丙烯酰胺PAM的活性主要是依賴于活性基團，即活性基團決定了聚丙烯酰胺PAM的活性。
（4）卷掃作用機理 這一機理認為，當污水廠聚丙烯酰胺PAM的投加量一定且形成小顆粒絮體時，可以在重力作用下，迅速網(wǎng)捕，卷掃水中一些膠粒，從而產生沉淀。這種作用可看成是一種機械作用，實踐證明，所需聚丙烯酰胺PAM的量與原水中雜質懸浮體含量成正比。
聚丙烯酰胺PAM的分子量、分子結構與形狀及其所帶基團對聚丙烯酰胺PAM的活性都有影響。一般來講，分子量越大，絮凝活性越高；線性分子絮凝活性高，分子帶支鏈或交聯(lián)越多，絮凝性越差；聚丙烯酰胺PAM產生菌處于培養(yǎng)后期，細胞表面疏水性增強，產生的聚丙烯酰胺PAM活性也越高。處理水體中膠體離子的表面結構與電荷對絮凝效果也有影響。一些報道指出，水體中陽離子，特別是Ca2+、Mg2+的存在能有效降低膠體表面負電荷，促進“架橋”形成。另外，高濃度Ca2+的存在還能保護聚丙烯酰胺PAM不受降解酶的作用。
2.4 污水廠聚丙烯酰胺PAM的工業(yè)應用
污水廠聚丙烯酰胺PAM絮凝范圍廣、絮凝活性高，而且作用條件粗放，大多不受離子強度、pH值及溫度的影響，因此可以廣泛應用于污水和工業(yè)廢水處理中。 畜產廢水畜產廢水BOD高，難處理，采用合成高分子聚丙烯酰胺PAM效果不好，而用NOC-1處理豬糞尿廢水則效果很好，處理10min后，上清液接近透明，其TDC由8200mg/L降為2980mg/L，OD值由157降為85。 廢水脫色? 在墨水、造紙黑液、糖蜜廢水，顏料為水等有色廢水中加入NOC-1，絮凝沉淀后進行固液分離，可使廢水脫色，效果顯。膨脹污泥? 膨脹污泥難以沉降，故處理困難，如處理甘草廢水時，就會產生膨脹污泥，加入NOC-1后，污泥的SVI很快從290下降到50，消除了污泥膨脹，恢復了活性污泥的沉降能力。 鞣革工業(yè)? 廢水在鞣革工業(yè)廢水中加入C-62菌株產生的聚丙烯酰胺PAM，其濁度去除率可達96%。陶瓷廠廢水? 該廢水主要有坯體廢水和釉藥廢水兩種，加入NOC-1，5min后二廢水的濁度去除率分別為96.65%和97.9%，可得到幾乎透明的上清液。
2.5 我國污水廠聚丙烯酰胺PAM的研究現(xiàn)狀
我國污水廠聚丙烯酰胺PAM的研制起步較晚。見諸報道的只有臺灣鄧德豐等人眾廢水處理場的廢水中分離到C-62菌株產生的聚丙烯酰胺PAM；鎮(zhèn)、孔星等人制備的MF3、MF6、MF8、HF24聚丙烯酰胺PAM，及張本蘭利用Palcaligenes 8724菌株生產的聚丙烯酰胺PAM。數(shù)量、品種都很少，在實現(xiàn)工業(yè)化生產和應用前還有很多研究工作要作。
3 污水廠聚丙烯酰胺PAM的發(fā)展趨勢
綜合分析污水廠聚丙烯酰胺PAM的研究和應用，我們認為今后污水廠聚丙烯酰胺PAM領域的研究將出三個重要的趨勢；一、隨著污水廠聚丙烯酰胺PAM工業(yè)化生產和應用的研究和推廣，降低污水廠凝劑生產成本已顯得十分重要。例如在NOC-1的培養(yǎng)基中，作為N源的酵母浸膏價比較貴，占NOC-1生產成本的80%。人們研制出用豆餅、水產廢水和牛血取代酵母浸后，培養(yǎng)基的價格下降了2/3以上[14]。另外，有些聚丙烯酰胺PAM產生菌還能以自然界中或人工成的高分子物質作為培養(yǎng)基C源。如Corynebacteriumhydrocaboclastus可以利用煤油生并產生聚丙烯酰胺PAM；而Nocardiaerythropolis可以在降解塑料生產中的酞酸酯的同時，生產凝劑[16]。二、由于生物技術的飛速發(fā)展，人們對污水廠基因的認識和控制也越來越自如。這就給我們創(chuàng)造了條件，根據(jù)不同的廢水水質研制具有針對性的污水廠聚丙烯酰胺PAM，能明顯提高絮凝效果，還可大大降低聚丙烯酰胺PAM投加量，從而降低處理成本。三、美國生物菌控制系統(tǒng)公司從高等海藻和蘆薈中提取出能釋放激素的生物聚丙烯酰胺PAM，在生活污水處理中效果非常好。國內也有學者試圖通過將酶或激素等促進污水廠生長的物質加載到常規(guī)聚丙烯酰胺PAM(如PAM)上，實現(xiàn)絮凝與生化處理的有機結合，以期在保證出水水質的前提下，縮短生化系統(tǒng)啟動和廢水在生化系統(tǒng)的停留時間，從而將污水廠聚丙烯酰胺PAM拓展到概念更廣的生物聚丙烯酰胺PAM研究范疇。
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