酶法处理工业循环水中生物粘泥的研究

苏 腾， 陈中兴
(华东理工大学 环境工程系， 上海 200237)

　　摘　要：以3种具有较好处理能力的酶为主要组分，用均匀设计法进行了配方研究并制成酶处理剂，运用生物粘泥快速培养法在模拟循环水系统中对药剂性能进行评定和验证，取得了较好的效果。试验证明，酶处理是一种绿色、能有效控制循环冷却水系统中生物粘泥的方式。?
　　关键词：酶处理；工业循环水；生物粘泥；均匀设计
　　中图分类号：TU991.42
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)08-0005-04

Study on Enzymatic Treatment of Biological Slime in Industrial Circulating Water
SU Teng, CHEN Zhong?xing
(Dept of Environmental Engineering,East China University of Science and Technology,?Shanghai 200237,China)

　　Abstract： By using three kinds of enzyme showing higher treatment capability as the main constituent,a kind of enzymatic treatment agent was prepared by means of uniform design method.Evaluation and verification were made for the performance of enzyme treatment agent in a bench scale simulated circulating water system through rapid culturing of biological slime,and good result was obtained.The test result s howed that enzymatic treatment agent is a non-polluting and eff ective method for control of biological slime in industrial circulating water system.?
　　Keywords: enzymatic treatment; industrial circulating water; biological slime; uniform design

　　在工业循环水系统的管道、冷却塔、水池等壁上产生的一层粘质膜即通常所称的生物粘泥会对系统水质和设备造成严重危害。生物粘泥的常规控制方法是投加杀菌剂，通过直接破坏微生物的生命过程和细胞核物质而杀死菌体，使生物粘泥的生长速度减慢，然而由于生物粘泥的屏蔽保护作用使得杀菌剂难以渗透接触到细菌体而收效甚微，且多数杀菌剂(为有毒和难生物降解物质)会污染环境。目前，不少学者指出开发酶技术控制循环水中的生物粘泥可能是未来的发展方向，而国内对此方面的研究报道尚不多见。?

1 试验方法

1.1 酶的筛选
　　在前人的研究成果基础上选出7种酶进行单一酶和复合酶的活性筛选，其中α-淀粉酶为50u/mg，木瓜蛋白酶为6000u/mg，果胶酶为25u/mg，枯草杆菌蛋白酶为1600u/mg，胰蛋白酶为250u/mg，溶菌酶为10000u/mg，纤维素酶为15u/mg。
1.2 生物粘泥的模拟和监测
　　① 快速模拟生物粘泥挂膜原理
　　在实际工业循环水水质和工况条件下生物粘泥的产生至少需要7d，再加上加药处理时间，很明显这将会使每一组试验的周期变得很长，从而影响试验进程，因而缩短生物粘泥挂膜时间非常关键。经过前期实践探索并对生物膜成膜过程分析后得出，在循环水系统中存在着两种不同的微生物种群(附着微生物和悬浮态微生物)，其中的生物膜不是靠悬浮态微生物的粘附，而是在系统中自然生长的结果。附着细菌对生物膜生长起主要作用，少量悬浮态细菌的存在能促进生物膜的生长。由于悬浮态细菌在循环水系统中能够自由移动，在对营养物质的竞争中占有明显优势，且能吞噬附着细菌而使挂膜速度减慢，故为使附着生物膜(生物粘泥)高速繁殖和保证充足的营养基质，试验中采用了定时排水浓缩法即排去水中悬浮细菌团以保证管壁表面的粘附态细菌能摄取充足养分，从而获得良好的生长条件而大量繁殖。随着时间的推移，微生物不断增长(从管壁表面向外扩展)进而形成理想的生物膜，达到了快速培养生物粘泥的目的。
　　② 挂膜方法
　　测压管道为聚丙烯材质(DN8)，营养水质按BOD₅∶N∶P=100∶5∶1配制，用葡萄糖作碳源(葡萄糖∶BOD₅＝1∶0.6)，N以50 mg/L为基准。
　　投入菌种后控制水温为(30±1)℃，循环水流量为0.13m³/h，循环曝气6h，停止曝气后小流量循环培养4h，换水排掉悬浮态细菌，再按BOD₅∶N∶P=100∶5∶1的比例加入营养液，重复上述操作以10h为一个培养周期，一般培养4～5个周期就能使生物膜达到理想的厚度(2～3mm)并趋于稳定。挂膜速度随室温的升高而加快，在室温达到25℃左右时仅需2～3个周期即可达到所需膜厚度，大大加快了模拟循环水系统中生物粘泥生成的速度。
　　③ 菌种来源
　　试验用菌种为污水处理站活性污泥中的异养菌。
　　④ 酶制剂规格
　　中温α-淀粉酶(5000u/mL，液体)；纤维素酶(20000u/g，液体)；AS1.398中性蛋白酶(50000u/g，固体)。
　　⑤ 试验流程
　　参考美国腐蚀工程师协会(NACE)推荐的压力降法沉积物监测装置和USP4936994描述试验 装置构建循环水生物粘泥监测系统如图1所示。?
1.3 粘泥去除效果的评定
　　在模拟生物粘泥生成后向循环水系统中投加100mg/L酶处理剂，观察其测压管段的压差变化，并得到压差与处理时间的关系曲线。
　　酶处理生物粘泥的效果可由处理前后管段间压差的减小来表征。以测压管段压降对时间作图可得到整个处理过程中的初始压降(Pi)(t=0时)、最大压降(Pm)和最小压降(Pt)(t＞10h)，则粘泥去除效率(Y)可表述为：
?　　　　　Y?=［1-(P_t-P_i)/(Pm-Pi)］×100%　　　　(1)?

2 结果与讨论

2.1 酶的筛选
　　① 单一酶处理结果
　　7种酶的投量均为50mg/L，加酶处理24h后的培养液由混浊变清，而空白锥形瓶中的培养液仍然混浊。取出作为生物膜载体的玻璃片分别置于0.2%的TTC(氯化三苯基四唑)溶液中，在(30±1)℃生化培养箱中培养6h，TTC因与附着在玻片上的残余生物膜中的微生物反应生成红色的三苯基甲肼(TF)而将玻片染成红色，处理后的效果见表1。

表1 24 h后单一酶处理效果 酶 生物膜残余(与空白对照)(%) 去除效果 评级 空白 　 　 　 果胶酶 ≤80 较差 4 木瓜蛋白酶 ≤90 差 5 胰蛋白酶 ≤10 好 1 溶菌酶 ＞90 差 5 纤维素酶 ≤30 较好 2 α-淀粉酶 约20 较好 2 枯草杆菌蛋白酶 ＜60 较好 3

　　② 复合酶处理结果
　　在单一酶处理结果的基础上选择了几种复配方案考察复合酶的处理效果，复合酶的总投量为100mg/L，结果见表2。

表2 复合酶配方及处理效果 复配方案 配比 生物膜残余(与空白对照)(%) 评级 空白 　 　 　 A∶B 1∶1 70～80 4 A∶C 1∶1 ≤10 1 B∶C 1∶1 ≤40 3 A∶D 1∶1 ＜20 1 A∶E 1∶1 ≤50 3 A∶D∶F 2∶1∶1 ＜10 1 注：A为纤维素酶，B为木瓜蛋白酶，C为枯草杆 菌蛋白酶，D为α-淀粉酶，E为溶菌酶，F为胰蛋白酶。

　　从表1、2的结果分析，单一酶中胰蛋白酶的处理效果最好，纤维素酶、枯草杆菌蛋白酶、α-淀粉酶较好，而溶菌酶、木瓜蛋白酶和果胶酶的效果不佳。
　　酶复配后处理效果较单一酶均有提高。就作用机制来看，α-淀粉酶、纤维素酶、果胶酶属聚糖水解酶，胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、木瓜蛋白酶可催化蛋白质降解，而溶菌酶的作用是通过催化细胞壁的肽聚糖的水解来溶解特定细菌的细胞壁，因而溶菌酶单独作用生物粘泥效果不佳，这一点与试验结果吻合；溶菌酶与纤维素酶复配后效果有所改善。纤维素酶与蛋白酶复配、α-淀粉酶与纤维素酶复配均有理想效果，而α-淀粉酶∶胰蛋白酶∶纤维素酶=1∶1∶2的处理效果最好(评级在1级或2级的酶即可视为具有理想的处理效果)。据此选择α-淀粉酶、胰蛋白酶、纤维素酶作为复合配方的主要成分，又考虑到今后工业实际应用，在下一步的配方设计试验中采用了工业级酶。
2.2 配方均匀设计
　　均匀设计法较正交设计法可大大减少试验次数，同时又能达到与其基本相同的效果。选择U₇^*(7⁴)之s＝3使用表计算得到UM7(7⁴)配方均匀设计表并以此安排试 验(见表3、4)。

表3 水平因素表 项目 1 2 3 4 5 6 7 A 0.291 0.077 0.585 0.206 0.024 0.402 0.137 B 0.140 0.496 0.015 0.233 0.715 0.068 0.347 C 0.041 0.092 0.143 0.280 0.167 0.416 0.479 D 0.528 0.335 0.257 0.281 0.093 0.114 0.037

表4 酶处理剂配方设计方案及结果 % 配方编号 酶处理剂组分 A B C D 粘泥去除率 J-1 29.1 14.0 4.1 52.8 40.0 J-2 7.7 49.6 9.2 33.6 86.4 J-3 58.5 1.5 14.3 25.7 91.9 J-4 20.6 23.3 28.0 28.1 94.0 J-5 2.4 71.5 16.7 9.3 22.5 J-6 40.2 6.8 41.6 11.4 25.0 J-7 13.7 34.7 47.9 3.7 55.3 注：A为中温α-淀粉酶，B为纤维素酶，C为中性蛋白 酶，D为激活剂，酶处理剂投量为100 mg/L。

　　 将以上结果采用SAS软件系统以二次模型进行非线性多元回归，得到回归方程：Y＝-0 .016 6A+12.191AC+2.471B-18.379B²C。其复相关系数R²＝0.999 9，当置信限α＝0.05时统计值F＝3304.1＞F_m,n-m-1(0.05)＝F_3,3(0.05)＝9.28，说明回归方程是显著的。
　　利用Excel软件的“规划求解”功能对回归方程进行优化计算，选出最优值进行验证试验，结果如下：A＝24.6%，B＝25.4%，C＝24.3%，D＝25.7%，总浓度为100mg/L，粘泥剥离 率理论预测值为100%，优化配方处理曲线如图2所示。由图2得到处理过程中的初始压降Pi、最大压降Pm和最小压降Pt，代入式(1)得试验粘泥剥离率为95.2%，可见回归方程的预测值与配方的验证试验结果吻合较好，表明该方程是可信的。?

3 结论

　　① 酶处理剂对生物粘泥有明显的去除效果，且复合酶由于扩大了作用范围而较单一酶处理效果好，表明复合酶之间存在协同增效作用。
　　② 生物粘泥快速培养法与通常的生物膜挂膜方法相比，能大大缩短生物膜的生长周期，从而使试验周期也得以缩短，适合实验室模拟循环水生物粘泥生长并可对相应处理药剂的性能进行评价。
　　③ 将均匀设计应用于配方研究，较之用正交设计可大大减少试验次数而仍能得到基本可靠的结果。以该试验为例，若用正交设计考察相同水平的试验至少要做49次，而均匀设计只需做7次，可见均匀设计法在考察多因素、多水平试验时有着显著的优越性。
　　④ 生物酶本身是一种特殊的蛋白质，由此制成的酶处理剂可生物降解，也不会在循环水系统中产生毒害物质，可避免常规杀菌剂可能带来的环境污染问题，是一种绿色、有效控制循环冷却水系统中生物粘泥的方式。

参考文献：

　　［1］方开泰.均匀设计与均匀设计表［M］.北京：科学出版社,1994.
　　［2］ Douglas M Bates,Donald G Watts.韦博成，等译.非线性回归分析及其应用［M］.北京：中国统计出版社，1997.

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　　作者简介：苏腾(1977- )，男，上海人，硕士研究生，主要从事工业水处理和金属材料保护方面的研究。
　　电　　话：(021)64252723
　　E-mail:[email protected]
　　收稿日期：2002-02-05