CN104556405A

CN104556405A - 一种含三价铁离子的生物复配絮凝剂及其用途

Info

Publication number: CN104556405A
Application number: CN201410841706.0A
Authority: CN
Inventors: 董锐; 杨双双; 周冰倩
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104556405B

Abstract

本发明提供一种复配絮凝剂，该絮凝剂由微生物絮凝剂与含Fe³⁺溶液组成。所述微生物絮凝剂由门多萨假单胞菌(Pseudomonas？sp.)FL-1产生的，其由中国普通微生物菌种保藏管理中心保藏，其简称为CGMCC，保藏号为CGMCC？NO.9379。该微生物絮凝剂与含Fe³⁺溶液复配使用，絮凝效果好，能大幅度提高水性漆废水的絮凝率。

Description

一种含三价铁离子的生物复配絮凝剂及其用途

技术领域

本发明属于水处理领域，涉及一种新型絮凝剂。具体而言，本发明涉及通过将微生物絮凝剂与金属离子复配制备得到的复配絮凝剂及其用途。

背景技术

目前各大汽车生产厂采用的汽车面漆基本已全部水性化，水性涂漆也在一些厂商的涂装线上应用。

虽然与油性漆相比，水性漆具有水溶性、低VOC排放量等特点而更加环保、安全，但是在水性漆废水处理过程中，仍存在含水量大、漆渣分散、水体泡沫大、回收率低等弊病，影响后续生化处理效果，造成排放不达标、分离出来的漆渣含水率高等诸多问题。因此，不管是漆剂自身，还是现场管理，对于水性漆废水处理的要求均比溶剂型漆废水高。

目前本领域的絮凝用产品主要有无机絮凝剂、有机絮凝剂以及微生物絮凝剂等类别。

无机絮凝剂的主要成分为铁、铝以及水解聚合产物，按分子量的大小有低分子絮凝剂和高分子絮凝剂之分。无机低分子絮凝剂处理污水，投加量比较大，污染严重，得不到很好的应用。而无机高分子絮凝剂具有处理效果好、添加量少等优点，近年来发展迅速。但是这类絮凝剂容易造成二次污染，对生态环境带来了诸多不利的影响，并且具有一定的腐蚀作用，不利于后续应用。

有机絮凝剂主要分为合成高分子絮凝剂和天然高分子絮凝剂。有机合成高分子絮凝剂普遍分子量较大，有效官能团较多，如聚丙烯酰胺及其衍生物、聚丙烯酸等，具有用量小、絮凝速度快、絮凝效果好等优点，但是，该类絮凝剂很难降解，毒性较大，一定程度上限制了其在水处理中的应用。天然高分子化合物的分子量分布广、活性基团多、结构多样化，易于通过改性制得絮凝效果优异的絮凝剂，所以对其开发利用受到了人们的广泛关注。经改性后的天然高分子絮凝剂保持了原有的高效、易降解的特点。目前，淀粉改性絮凝剂的研究最为引人注目，这是因为淀粉来源广泛、价格比较便宜、可以生物降解，不会对环境造成污染。此外，甲壳素的改性及应用研究也成为了人们关注的焦点。目前我国甲壳素类的研究发展迅速，进行了较多的开发应用，并已取得了相应的成效。

微生物絮凝剂开发于80年代后期，相对于无机高分子与有机高分子等化学型絮凝剂来说，是通过生化技术，从微生物体或者分泌物中提取、纯化出的一种新型水处理剂，无毒无害，可生物降解。

国内外已经有大量关于微生物絮凝剂的研究。研究发现，多聚糖、糖蛋白、DNA、纤维素等高分子物质是其主要成分，相对分子质量很大。因为该絮凝剂是大分子，所以它能够利用本身的结构优势使水中的有色物质、悬浮颗粒、菌体细胞、以及胶体粒子等絮凝、沉淀，从而实现固液分离。微生物絮凝剂具有可生物降解、无毒、高效、无二次污染等特性，在食品工业、发酵工业、废水处理等领域应用广泛。微生物絮凝剂具有很好的发展前景，人们关注的焦点已经集中在微生物絮凝剂的开发及应用研究中。

发明内容

本发明的目的是要利用金属离子与微生物絮凝剂的优势，制备出一种新型的复配絮凝剂，以实现水性漆废水的良好去除效果。

本发明的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种用于处理水性漆废水的复配絮凝剂，所述复配絮凝剂包含微生物絮凝剂和含Fe³⁺溶液，所述微生物絮凝剂由保藏号为CGMCC NO.9379的假单胞菌(Pseudomonas sp.)FL-1发酵产生。

本发明所提供的菌株为门多萨假单胞菌FL-1，是从江苏韩一模塑有限公司的废水中分离得到的，已于2014年6月25日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所)，保藏号为CGMCC No.9379。其具有以下生物学特性：在牛肉膏蛋白胨琼脂培养基上，37℃下培养24h，菌落产生，呈现为圆形，乳白色，边缘规整，光滑，有粘性。

该菌株的16S rDNA基因序列测定结果如下序列所示：

SEQ ID NO:1

CTACAATGCAAGTCGAGCGGTGAAGGGAGCTTGCTCCCTGATTTAGCGGCGGACGGGTGAGTAATGCCTAGGAATCTGCCTGGTAGTGGGGGATAACGTTCCGAAAGGAACGCTAATACCGCATACGTCCTACGGGAGAAAGCAGGGGACCTTCGGGCCTTGCGCTATCAGATGAGCCTAGGTCGGATTAGCTAGTTGGTGAGGTAATGGCTCACCAAGGCGACGATCCGTAACTGGTCTGAGAGGATGATCAGTCACACTGGAACTGAGACACGGTCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTGGGGAATATTGGACAATGGGCGAAAGCCTGATCCAGCCATGCCGCGTGTGTGAAGAAGGTCTTCGGATTGTAAAGCACTTTAAGTTGGGAGGAAGGGCAGTAAGTTAATACCTTGCTGTTTTGACGTTACCGACAGAATAAGCACCGGCTAACTTCGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGAAGGGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCGCGCGTAGGTGGTTCGTTAAGTTGGATGTGAAAGCCCCGGGCTCAACCTGGGAACTGCATCCAAAACTGGCGAGCTAGAGTACGGTAGAGGGTGGTGGAATTTCCTGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGATATAGGAAGGAACACCAGTGGCGAAGGCGACCACCTGGACTGATACTGACACTGAGGTGCGAAAGCGTGGGGAGCAAACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACGATGTCAACTAGCCGTTGGAATCCTTGAGATTTTAGTGGCGCAGCTAACGCATTAAGTTGACCGCCTGGGGAGTACGGCCGCAAGGTTAAAACTCAAATGAATTGACGGGGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAATTCGAAGCAACGCGAAGAACCTTACCTGGCCTTGACATGCTGAGAACTTTCCAGAGATGGATTGGTGCCTTCGGGAACTCAGACACAGGTGCTGCATGGCTGTCGTCAGCTCGTGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGTAACGAGCGCAACCCTTGTCCTTAGTTACCAGCACCTCGGGTGGGCACTCTAAGGAGACTGCCGGTGACAAACCGGAGGAAGGTGGGGATGACGTCAAGTCATCATGGCCCTTACGGCCAGGGCTACACACGTGCTACAATGGTCGGTACAAAGGGTTGCCAAGCCGCGAGGTGGAGCTAATCCCATAAAACCGATCGTAGTCCGGATCGCAGTCTGCAACTCGACTGCGTGAAGTCGGAATCGCTAGTAATCGTGAATCAGAATGTCACGGTGAATACGTTCCCGGGCCTTGTACACACCGCCCGTCACACCATGGGAGTGGGTTGCTCCAGAAGTAGCTAGTCTAACCTTCGGGGGGACGGTTACCACGGAGTGATTCATGACTGGGGTGAAAGTCGAAACAAAATTCC

可以下述方式培养或保存本发明假单胞菌：

(1)普通培养保存采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基斜面，培养基配方为牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl 5g，琼脂15-20g，蒸馏水1000mL。

(2)实验室液体培养采用牛肉膏蛋白胨液体培养基，培养基配方为牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸馏水1000mL。活化条件为37℃，恒温培养24h后获得菌种子液，其中所述种子液中的菌浓度为2.3×10⁶个/mL。

(3)大量发酵培养采用发酵培养基，培养基配方为葡萄糖20-40g，KH₂PO₄2g，K₂HPO₄5g，(NH₄)₂SO₄0.2-0.75g，NaCl 0.1g，MgSO₄﹒7H₂O 0.5g，尿素0.2g，酵母膏0.5g，蒸馏水1000mL。

具体而言，所述微生物絮凝剂由包括以下步骤的方法制得：

将所述门多萨假单胞菌接种在发酵培养基中，在25-35℃下，以120-200r/min的转速培养60-80h；其中，所述发酵培养基包含葡萄糖20-40g，KH₂PO₄2g，K₂HPO₄5g，(NH₄)₂SO₄0.2-0.75g，NaCl 0.1g，MgSO₄·7H₂O 0.5g，尿素0.2g，酵母膏0.5g，蒸馏水1000mL，pH 6-8。

优选地，将对数生长期的所述门多萨假单胞菌以种子液与发酵培养基的体积比为3％的接种量接种在发酵培养基中，在30℃下，以160r/min的转速培养72h。

所述含Fe³⁺溶液为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁水溶液，优选FeCl₃水溶液，更优选浓度为0.02mol/L的FeCl₃水溶液。

另一方面，本发明还提供一种絮凝水性漆废水的方法，所述方法包括以下步骤：

先后向所述水性漆废水中投入本发明复配絮凝剂中的含Fe³⁺溶液和微生物絮凝剂。

优选地，所述方法包括以下步骤：

向所述水性漆废水中投加含Fe³⁺溶液，搅拌使其与废水混合均匀后，加入微生物絮凝剂，搅拌均匀后，静置。

优选地，所述含Fe³⁺溶液与微生物絮凝剂的投加量比为1：10-50，优选1:20-25，更优选1︰22.5(体积比)。

优选地，所述水性漆废水的pH调为2-6，优选调为3。

另一方面，本发明还提供所述复配絮凝剂在制备水性漆絮凝产品中的用途。

水性漆是以水为分散介质和稀释剂的涂料，与常用的溶剂型涂料(油性漆)不同，其配方是一个更加复杂的体系，主要包含水性成膜树脂(如聚丙烯酸、聚氨酯或丙烯酸聚氨酯的复合物)、成膜助剂、抑泡剂和消泡剂、流平剂、润湿剂、分散剂、增稠剂、着色剂、填料、去离子水等等。因此，水性漆中除成膜树脂外，还含有大量的中低分子量物质，这些物质通常带有负电荷。本发明采用特定量的三价铁离子与微生物絮凝剂复配制得复配絮凝剂，其中微生物絮凝剂为阴离子型，可以发挥阴、阳离子的互补增效作用，提高絮凝效果，从而使用较少投加量的絮凝剂、实现水性漆的COD降低、色度降低的技术效果。其中，在本发明提供的复配絮凝剂中，所采用的微生物絮凝剂由保藏号为CGMCC NO.9379的假单胞菌(Pseudomonas sp.)FL-1发酵得到，该假单胞菌为本发明的发明人分离得到的新菌。研究证明，假单胞菌FL-1在发酵条件下制得的发酵液不仅可以直接作为液体微生物絮凝剂使用，而且还可以与三价铁离子复配，特别是在以特定比例复配的情况下，实现显著的絮凝作用。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明假单胞菌的菌落形态；

图2示出了实施例3中不同阳离子对水性漆废水的处理效果；

图3示出了实施例3中在不同含Fe³⁺溶液投加量和不同pH下，本发明的复配絮凝剂对水性漆废水的处理效果；

图4示出了实施例3中在不同微生物絮凝剂投加量下，本发明的复配絮凝剂对水性漆废水的处理效果；

图5示出了实施例3中复配组(A)、微生物絮凝剂组(B)和Fe³⁺溶液组(C)的絮凝效果。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的药材原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

实施例中采用以下培养基：

(1)牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，培养基配方为牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl 5g，琼脂15-20g，蒸馏水1000mL。

(2)牛肉膏蛋白胨液体培养基，培养基配方为牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸馏水1000mL。

(3)发酵培养基，培养基配方为葡萄糖20g，KH₂PO₄2g，K₂HPO₄5g，(NH₄)₂SO₄0.2g，NaCl 0.1g，MgSO₄﹒7H₂O 0.5g，尿素0.2g，酵母膏0.5g，蒸馏水1000mL，pH 7。

高岭土絮凝方法及絮凝率的计算：

取4g/L的高岭土溶液50mL，调节pH至8左右，再加入假单胞菌发酵液8mL，再加入1％CaCl₂溶液2mL作为辅助絮凝剂，摇匀，静置10min后观察絮凝效果。取液面下2cm的液体，测定其在550nm(最大吸收峰)的吸光度值，根据加入絮凝剂处理与空白的吸光度值变化得到絮凝率。计算公式如下：

高岭土絮凝率＝(A-B)/A×100％

A与B分别代表空白与加入絮凝剂处理后的550nm吸光度值。

实施例1

1、本发明的假单胞菌的分离与纯化

本发明的假单胞菌是从江苏韩一模塑有限公司的废水中采用平板划线法分离得到的。

絮凝菌的分离：将取来的废水接种到牛肉膏蛋白胨液体培养基中，37℃恒温培养24h。用接种针沾取少量菌液在牛肉膏蛋白胨琼脂平板上划线，定时观察菌落生长情况。然后采用平板划线法，挑取单个菌落，分别转接到牛肉膏蛋白胨琼脂斜面上保存备用。

产微生物絮凝剂的假单胞菌的筛选：通过对高岭土悬浊液的絮凝效果进行筛选。

(1)初筛：将挑出的各个单菌落接种到发酵培养基中，30℃下160r/min培养72h，得到发酵液。

在每个150mL三角瓶中加入50mL 4g/L的高岭土悬浊液，再加入8mL发酵液，快速振荡1min后静置10min，然后观察各个瓶中高岭土悬浊液的絮凝情况。根据絮体的多少与大小来决定是否保留该菌。保留有絮凝活性的菌株再进行下文的复筛，淘汰无絮凝活性的菌株。

(2)复筛：将初筛得到的具有絮凝作用的菌种再次分离纯化，分别接种于发酵培养基中，30℃下160r/min培养72h，得到发酵液。

按照高岭土絮凝方法进行复筛，计算高岭土絮凝率，絮凝率大于60％的保留，反之舍弃。挑选絮凝率最高的菌株进行多次传代，筛选得到絮凝性能稳定的菌株FL-1，作为本发明的目标菌株。

2、菌种鉴定

(1)微生物学特性

在牛肉膏蛋白胨琼脂培养基平板上，37℃下培养24h，菌落呈现圆形，凸起，乳白色，边缘光滑，有粘性。菌落形态见图1。

(2)生理生化特性

经检测，该菌株革兰氏染色为阴性，V-P试验阳性，甲基红试验阴性，吲哚试验阳性，明胶液化试验阴性，淀粉水解试验阳性，卵磷脂酶试验阳性，氧化酶试验阳性，尿酶试验阴性，接触酶试验阳性，硝酸盐还原试验阳性，亚硝酸盐还原试验阴性，葡萄糖氧化发酵试验阴性，有菌膜形成。

(3)分子生物学特性

该菌株的16s rDNA基因序列测定结果如下SEQ ID NO:1所示：

鉴定为门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)FL-1，在牛肉膏蛋白胨琼脂培养基斜面中保存得到的门多萨假单胞菌，将其保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏号为CGMCC No.9379。

实施例2微生物絮凝剂和含Fe³⁺溶液的制备

从保藏的FL-1菌的斜面上挑取菌落，接入装有100mL的牛肉膏蛋白胨液体培养基的250mL的三角瓶中，在30℃下，以160r/min的转速，摇床培养24h，使各菌株均处于对数生长期，制成种子液。

将种子液按3％(与发酵培养基的体积比)的接种量接入装有100mL发酵培养基的250mL的三角瓶中。在30℃下，以160r/min的转速，摇床培养72h，得到菌液，该菌液即可直接作为液体微生物絮凝剂。

含Fe³⁺溶液的制备：取1g FeCl₃溶于99mL的蒸馏水中即可。

实施例3水性漆废水的絮凝

实验(1)：采用不同阳离子与微生物絮凝剂复配进行水性漆废水的处理用自来水配制4g/L水性漆溶液，作为水性漆废水。

分别配制0.02mol/L的含有K⁺，Mg²⁺，Cu²⁺，Ca²⁺，Fe³⁺，Al³⁺的KCl、MgSO₄、CuCl₂、CaCl₂、FeCl₃、Al₂(SO₄)₃溶液作为阳离子溶液。

在150mL三角瓶中加入4g/L水性漆废水50mL，用1mol/L HCl溶液调节pH至3左右，加入0.02mol/L的各阳离子溶液400μL，摇匀后，再加入实施例2制得的9mL微生物絮凝剂，快速振荡1min，再静置10min，用移液管吸取液面下2cm处上清液，在紫外-可见分光光度计上测定其在波长600nm处的光密度(OD_600nm)。以等量蒸馏水代替发酵液作为对照。絮凝率的计算分式如下：

其中，A与B分别表示空白对照与样品上层清液的OD_600nm。

处理效果如图2所示，可知，Fe³⁺对复配时的絮凝效果最好。原因可能在于，二价离子在酸性环境条件下，不能发挥较好的絮凝效果。此外，由于Al³⁺对人体能够产生较大的危害，易致老年痴呆，因此不予选用。

实验(2)：不同含Fe³⁺溶液投加量和不同pH条件下进行水性漆废水的处理

用自来水配制4g/L水性漆溶液，作为水性漆废水。

在150mL三角瓶中加入4g/L水性漆废水50mL，分别用1mol/L HCl溶液调节pH至图3所示的3-6，加入实施例2制得的含Fe³⁺溶液，体积如图3所示，摇匀后，再加入实施例2制得的9mL微生物絮凝剂，快速振荡1min，再静置10min，用移液管吸取液面下2cm处上清液，在紫外-可见分光光度计上测定其在波长600nm处的光密度(OD_600nm)。以等量蒸馏水代替发酵液作为对照，测定絮凝后水性漆废水的絮凝率(％)。

处理效果如图3所示，可知，pH＝3时，Fe³⁺的投加量为400μL时，絮凝率最高为72％，其絮凝效果最好。

实验(3)：不同微生物絮凝剂投加量条件下进行水性漆废水的处理

用自来水配制4g/L水性漆溶液，作为水性漆废水。

在150mL三角瓶中加入4g/L水性漆废水50mL，分别用1mol/L HCl溶液调节pH至3，加入实施例2制得的含Fe³⁺溶液400μL，摇匀后，再加入实施例2制得的微生物絮凝剂，投加量如图4所示，快速振荡1min，再静置10min，用移液管吸取液面下2cm处上清液，在紫外-可见分光光度计上测定其在波长600nm处的光密度(OD_600nm)。以等量蒸馏水代替发酵液作为对照，测定絮凝后水性漆废水的絮凝率(％)。

处理效果如图4所示，可知，当投加量为9mL时，絮凝率上升为92％；其它的投加量下，都比9mL的差。

实验(4)：单独采用Fe³⁺、微生物絮凝剂和Fe³⁺与微生物絮凝剂复配进行水性漆废水的处理

用自来水配制4g/L水性漆溶液，作为水性漆废水。分别在150mL三角瓶中加入4g/L水性漆废水50mL，分别用1mol/L HCl溶液调节pH至3。

复配组：加入实施例2制得的400μL含Fe³⁺溶液，摇匀后，再加入实施例2制得的9mL微生物絮凝剂，快速振荡1min，静置。

微生物絮凝剂组：仅加入9mL实施例2制得的微生物絮凝剂，快速振荡1min，静置。

Fe³⁺组：仅加入实施例2制得的400μL含Fe³⁺溶液，快速振荡1min，静置。

各组水性漆废水经絮凝的效果如图5所示。

从图中可以发现，当单独添加本发明的微生物絮凝剂时团聚效果较好、易于打捞分离，但絮凝的漆渣不够紧凑、漆渣量较大、色度去除效果差(图5B)；单独添加Fe³⁺时，色度去除效果好、絮凝率较高，但漆渣碎小、不易打捞分离(图5C)；复配后，能综合二者的优点，色度去除效果较好、絮凝率较高、漆渣团聚、易于打捞分离(图5A)。

以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims

1.一种用于处理水性漆废水的复配絮凝剂，其特征在于，所述复配絮凝剂包括微生物絮凝剂和含Fe³⁺溶液，所述微生物絮凝剂由保藏号为CGMCCNO.9379的假单胞菌(Pseudomonas sp.)FL-1发酵产生。

2.根据权利要求1所述的复配絮凝剂，其特征在于，所述微生物絮凝剂由包括以下步骤的方法制得：

将所述假单胞菌接种在大量发酵培养基中，在25-35℃下，以120-200r/min的转速培养60-80h；其中，所述大量发酵培养基包含葡萄糖20-40g，KH₂PO₄2g，K₂HPO₄5g，(NH4)₂SO₄0.2-0.75g，NaCl0.1g，MgSO₄﹒7H₂O0.5g，尿素0.2g，酵母膏0.5g，蒸馏水1000mL，pH6-8；

优选地，将对数生长期的所述假单胞菌以种子液与发酵培养基的体积比为3％的量接种在发酵培养基中，在30℃下，以160r/min的转速培养72h，其中所述种子液中的菌浓度为2.3×10⁶个/mL。

3.根据权利要求1或2所述的复配絮凝剂，其特征在于，所述含Fe³⁺溶液为0.01-0.05mol/L。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复配絮凝剂，其特征在于，所述含Fe³⁺溶液为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁水溶液，优选FeCl₃水溶液，更优选浓度为0.02mol/L的FeCl₃水溶液。

5.一种絮凝水性漆废水的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

先后向所述水性漆废水中投入权利要求1至4中任一项所述的复配絮凝剂中的含Fe³⁺溶液和微生物絮凝剂。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述含Fe³⁺溶液与微生物絮凝剂的投加量为1:10-50，优选1:20-25，更优选1:22.5。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，先将所述水性漆废水的pH调为2-6，优选调为3。

9.权利要求1至4中任一项所述的复配絮凝剂在制备水性漆絮凝产品中的用途。