微生物絮凝剂在养殖废水处理中的应用

在集约化养殖条件下,大量的饲料投入到水体中，没有被摄食的饲料和鱼虾粪便排入水中，造成了大量浪费和污染。每1.0 kg鱼每天因代谢、鱼粪及残饵向水中排氨量高达0.5~2.00g,BOD₅3~5 g,耗氧5~6g。每增重1.0kg鱼,就有N85mg,P1.84 mg排放到水中,这些物质靠沉淀和过滤是没有办法去除的，需要借助絮凝剂。虽然传统絮凝剂的絮凝效果好且价格便宜，但其在自然界中很难降解，其中的丙烯酰胺单体不仅会造成神经损伤，而且是强致癌物质,而铝则可能导致老年痴呆。对微生物来说,养鱼污水中C、N等是其生长的必要元素，且生长过程中可产生具有絮凝活性的物质,使水中的颗粒性物质和有机物絮凝沉降,提高水体的透明度和溶氧量,从而改善养殖水环境。因此微生物絮凝剂正成为当今水产养殖废水处理方面研究的重要课题之一。目前,已有不少种类的微生物絮凝剂被人们从土壤和水中分离出来,并加以利用。在养殖池塘中施放微生物絮凝剂产生菌，能快速降解养殖代谢产物,促进优良浮游微藻繁殖,抑制有害菌繁殖,促进有益菌形成优势,改善水体质量(如图1)。

1.微生物絮凝剂的概念

微生物絮凝剂是由微生物产生的具有絮凝活性的代谢产物，它能使水环境体系中的胶体和悬浮颗粒物相互聚集,形成絮体沉淀,从体系中分离出来,是微生物在生长过程中产生的聚合物,一般由多糖、蛋白质,DNA、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物质构成。许多微生物可以分泌生物聚合絮凝剂,包括细菌、真菌酵母和藻类，它们已经从土壤和废水中被分离出来，按利用微生物的不同部分，微生物絮凝剂可分为直接利用微生物细胞的絮凝剂、从微生物细胞提取的絮凝剂以及微生物细胞代谢产生的絮凝剂;根据产微生物絮凝剂的菌株不同，微生物絮凝剂又可分为纯种菌株及其产生的絮凝剂、混合菌株及其产生的絮凝剂、基因复合型菌株3种。

 

2.微生物絮凝剂的絮凝机理

微生物絮凝剂对水体中的悬浮颗粒和胶体的絮凝主要通过吸附桥联作用、电荷中和作用、化学反应和卷扫作用使水体中的颗粒和胶体物质发生絮凝而沉淀。

（1） 桥联作用

该机理认为,絮凝剂大分子借助离子键、氢键和范德华力,同时吸附多个胶体颗粒。在絮凝剂生物大分子质量分数较低时，吸附在某个微粒表面上的生物分子长链可能同时吸附在另一个微粒表面，通过架桥方式将两个或更多的微粒连在一起而发生絮凝。通常,微生物絮凝剂的分子量越大,对桥联作用越有利,絮凝效率就越高。

（2）电荷中和作用

水中的胶体带有一定的负电荷，当带有一定正电荷的链状生物大分子絮凝剂或其水解产物靠近胶粒表面或被吸附到胶粒表面上时，将会中和胶粒表面上的一部分负电荷,减少静电斥力,从而使胶粒间发生碰撞而凝聚。在许多试验中,往往加入金属离子或调节pH值即可影响其絮凝效果，这主要是通过影响其带电性而起作用。

（3）化学反应

生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生了化学变化,聚集成较大分子而沉淀下来,通过对生物大分子改性、处理,使其添加或丧失某些活性基团,絮凝活性将大受影响!。温度影响絮凝效果主要就是通过影响其活性基团来实现的。

（4）卷扫作用

当微生物絮凝剂投加到一定数量且形成小粒絮凝体时,可以在重力的作用下迅速网捕,卷扫水中胶粒,从而产生沉淀分离,此现象被称为卷扫或网捕作用。这种作用基本上是一种机械作用，所需絮凝剂的量与原水杂质含量成反比。原水胶体杂质含量少时,所需絮凝剂量大,反之亦然。

除此之外,还有其他一些絮凝机理,如粘质说、荚膜学说等。目前为止,对微生物絮凝剂的絮凝机理尚未完全搞清楚，但从其性质的多样性以及表现出絮凝范围的广谱性可以断定,絮凝机理肯定是多样的。

3. 微生物絮凝剂的特点

微生物絮凝剂与传统絮凝剂相比具有高效、安全无二次污染、良好的脱色和除浊效果等特点。

（1）高效性

在相同用量下，微生物絮凝剂对废水中悬浮颗粒和胶体的絮凝速度比铁盐、铝盐和聚丙烯酰胺等絮凝剂大,处理效率明显高于传统絮凝剂。杨开和康建雄等将生产的普鲁兰絮凝剂应用于城市污水处理，其投加量仅为聚铝絮凝剂最佳投加量的 1/25。

（2）安全无毒性

微生物絮凝剂属于天然有机高分子絮凝剂，安全无毒。急性毒性试验结果表明,小白鼠一次性吞食1gkg体重的微生物絮凝剂 MBFA9,在体态、饮食、行动等方面均无异常反应。

（3）无二次污染

微生物絮凝剂的分子量多在10以上，具有可生化性,可以被细菌降解,并且降解产物对生态系统是无害的。与其他絮凝剂相比,微生物絮凝剂不会对环境造成二次污染,并且能在更广的范围内加以培养。

（5）良好的脱色和除浊效果

微生物絮凝剂具有非特异性的絮凝和沉降性能，不仅能除去细胞体,还对废水中许多物质有很好的去除能力。Hironki Takagi等对他们分离出的 PeacilomycesepI-1产生絮凝剂特性的研究表明,其对各种微生物细胞均有絮凝作用,并且可以除去溶液中几乎所有的悬浮颗粒,包括有机物和无机物,如血细胞、碳粉、纤维板和硅藻土等。畜牧场废水中含有较高浓度的总有机碳(TOC) 和总氮(TN),微生物对它们的去除率分别为70%和40%,同时废水的C0D.值从8.6降为0.02,出水基本上是无色澄清的。

（6）微生物絮凝剂使用案例

使用Aicaligenues lalus菌产生的絮凝剂处理纸厂的有色废水,脱色率为94.6%,而下层清水的透明率几乎与自来水相近。刘松岩曾利用微生物絮凝剂对罗非鱼养殖废水进行净化,结果表明,净化后的养鱼废水水质清澈透明,在长期不换水、不需要很多能量消耗的情况下,达到了对罗非鱼废水的彻底净化。

基于微生物絮凝剂以上特点,用其改良养殖水质，符合无公害水产养殖和绿色渔药理念，在经济、技术上也都是可行的。因此,其应用具有广阔的前景,值得水产养殖研究者开发和研究。

4.微生物絮凝剂的研究现状。

目前对微生物絮凝剂的研究主要还停留在实验室研究阶段,尚未大规模地投入生产。

（1）筛选稳定高效的微生物絮凝剂

对大多数微生物絮凝剂来说,Fe^?﹢的存在会降低其絮凝能力。冯道伦等对芽孢杆菌分泌的MBF3-3微生物絮凝剂进行研究，发现除了Fe^?﹢，其他金属离子(Al^?﹢、Mg^?﹢、K^﹢、Ca^?﹢、Na^﹢)的浓度并不影响MBF3-3的絮凝率"刘志礼等从黄海海滨的盐土中分离得到的海洋粘细菌菌株NU-2能分泌一种新型的絮凝物质，每升淀粉培养基的产量高达14.8 g。而且NU-2的絮凝能力不受Fe^?﹢和Al?^﹢等阳离子的影响,pH值的变化(pH值2.0~13.0)也是如此。另外,它能有效去除水溶液中的有色物质。

（2）转基因型微生物絮凝剂

微生物产絮凝剂是由遗传基因调控的,因此可以通过现代分子生物学技术,从絮凝性能高的微生物中获得高效絮凝相关基因,导入其他微生物体中,从而使没有絮凝能力或絮凝能力较弱的微生物获得较强的絮凝能力。

刘春秀等通过诱变、絮凝基因的克隆表达及杂交等育种技术,成功构建了高生物量、耐高糖、强絮凝的优良面包酵母菌株Saccharomyces cerevisiae ZLTH-58.该菌株具有双亲的优良性状,遗传性稳定,在生物量、耐高糖能力、絮凝能力等方面明显优于原始亲株。

（3）复合型微生物产絮凝剂

马放等对混合菌产絮凝剂进行了较为系统的研究,并首次提出复合型微生物絮凝剂这一概念。他们将得到的两株芽孢杆菌进行混合发酵培养时发现，混合菌产絮凝剂的能力比单个菌种要强。董军芳等人把微生物与硫酸铝复配使用，比单用其中任何一种絮凝剂的絮凝效果都要好。李霞等从活性污泥中筛选出具有较高絮凝能力的混合菌MBFH，并通过正交实验对其进行培养条件优化。优化培养后,混合菌的絮凝率从原来的79.3%上升到88%。

复合是当前人们普遍应用的技术,能克服使用单一絮凝剂的许多不足。但在有机合成制备上手续复杂，成本较高,并有可能存在二次污染问题,有待进一步研究,

（4）固定化微生物产絮凝剂

对絮凝剂产生菌进行固定化,可实现简化工艺、缩短发酵周期、增加产量、实现连续化操作、降低生产成本的目的。

王兰等利用多孔聚酯泡沫作为载体吸附固定絮凝剂产生菌曲霉Aspergillus XN1，并且分别在摇瓶和三相流化床中进行了半连续性实验。结果表明,聚氨酯泡沫对XN1菌具有良好的吸附作用。在优化条件下,利用固定化XN1菌产絮凝剂可连续达12~17批次,且絮凝剂的絮凝活性均较高。研究还发现,和游离菌相比，固定化菌产絮凝剂的效率可提高约4倍。

5.微生物絮凝剂在水产养殖中的应用现状

水产养殖微生物絮凝从理论上分两种，一种是室外的基于藻菌共生的微生物絮凝,第二种是室内的、以细菌为主的微生物絮凝。前者需要光照,适宜于室外池塘养殖滤食性水生生物,后者不需要光照,适宜于室内过冬或者高密度养殖滤食性水生生物。在净化水质的同时,又可以作为滤食性水生动物的饵料。

从工艺上分，水产养殖系统中应用微生物絮凝技术分两大类，一种是直接在养殖池中创造条件进行微生物絮凝，比如在虾类养殖池和罗非鱼养殖池中添加一定量的碳源和充分的曝气进行微生物絮体的培养;第二种是和养殖池分开,将养殖用水泵出养殖池，在序批式反应器 (Sequencing batch reactors,SBR) 中创造条件进行微生物絮凝,培养好后收集絮体进行投喂。后者可以和循环水养殖结合起来，解决循环水养殖的固体颗粒物的处理问题。对于解决海水循环水养殖系统中含盐的固体废弃物的处理提供了很好的解决办法。

国外很多工厂化养鱼场已经大量采用生化净水手段来去除养殖水体的溶解性污染物，并取得耗水量少养殖密度高、产量大的效果,彻底地解决养殖环境内外的污染。

生物转盘法是处理循环养殖废水的一种有效方法,不仅效率高,且造价低、能耗小、噪音低。生物转盘是由许多直径1~3 m的聚氯乙烯塑料片、塑料波纹板等制成的圆盘,固定于轴上,盘片间距20~25mm,盘面积的40%浸在需净化的水里，依靠小电机以2~3 r/min的速度旋转。转盘不断旋转,使盘面与水体中的有机物和空气交替接触，逐渐在盘面上生长出一层浅绿色的生物膜,生物膜即为微生物吸附水中悬浮物、胶体、溶解有机物繁殖成的含有大量菌胶团的活性絮凝物质，微生物依靠酶的作用将有机物吸附、降解、合成,也使鱼类的排泄物、残饵和肥料得到氧生化处理、盘面上生长出的细菌、原生和后生动物又可作为鱼类的饵料,形成一条完整的生物链(如图2)。生物转盘法不仅工厂化循环养鱼可采用,养殖户也可以用木排等将转盘浮于养鱼池水面起到防止水质过肥、缺氧鱼浮头的作用。

 

6、总结与展望

根据微生物絮凝剂的特性及其初步应用可以肯定,用微生物絮凝剂处理水产养殖水体,在经济上和技术上都是可行的。但人们对于絮凝剂产生菌的认识还不够深入,大多还只停留在絮凝剂产生菌的筛选鉴定培养条件等较为基础的研究上，尚未见到将微生物絮凝剂用于大规模水产养殖废水处理的报道。今后关于微生物絮凝剂在水产养殖废水处理中的应用研究，主要从以下几方面着手:1)寻找快速有效的絮凝剂产生菌的筛选方法，将研究范围从目前占主导地位的中温好氧菌扩展到其他种类的微生物，并从系统发育学角度对菌种筛选进行预测。2)选用廉价的原料,包括一些废弃物作为培养基,以降低培养基配制成本。3) 加强微生物产絮凝剂代谢机理的研究，通过对代谢途径和相关酶促反应的分析,提供适宜的培养条件,对絮凝剂的产生进行更加有效的调控。4)对絮凝基因进行更加深入的研究，并利用现代生物技术构建高产絮凝剂的转基因菌种。5) 开发高效的混合型絮凝剂产生菌,从而提高菌种对环境的适应,降低发酵培养成本。6) 逐步扩大试验规模，进一步探讨微生物絮凝剂在池塘和大水面养殖中的应用。力探讨微生物絮凝剂和其他水生生物协同净化的机理和作用，为环境污染的治理和水产养殖业的健康持续发展创造条件。

随着絮凝剂产生菌以及相关领域研究的深入,微生物絮凝剂必将冲破发展的瓶颈，并逐步取代传统絮凝剂,在水产养殖废水的处理中发挥重要作用.

作者：邱军强

(上海海洋大学 国家水生动物病原库,上海 201306)

乐 韵，郑文炳，吴蓓莉，王建平

(宁波市海洋与渔业研究院,浙江宁波 315010)