蘇 騰， 陳中興
(華東理工大學(xué) 環(huán)境工程系， 上海 200237)

　　摘　要：以3種具有較好處理能力的酶為主要組分，用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行了配方研究并制成酶處理劑，運(yùn)用生物粘泥快速培養(yǎng)法在模擬循環(huán)水系統(tǒng)中對(duì)藥劑性能進(jìn)行評(píng)定和驗(yàn)證，取得了較好的效果。試驗(yàn)證明，酶處理是一種綠色、能有效控制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中生物粘泥的方式。?
　　關(guān)鍵詞：酶處理；工業(yè)循環(huán)水；生物粘泥；均勻設(shè)計(jì)
　　中圖分類號(hào)：TU991.42
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：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

　　在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的管道、冷卻塔、水池等壁上產(chǎn)生的一層粘質(zhì)膜即通常所稱的生物粘泥會(huì)對(duì)系統(tǒng)水質(zhì)和設(shè)備造成嚴(yán)重危害。生物粘泥的常規(guī)控制方法是投加殺菌劑，通過直接破壞微生物的生命過程和細(xì)胞核物質(zhì)而殺死菌體，使生物粘泥的生長(zhǎng)速度減慢，然而由于生物粘泥的屏蔽保護(hù)作用使得殺菌劑難以滲透接觸到細(xì)菌體而收效甚微，且多數(shù)殺菌劑(為有毒和難生物降解物質(zhì))會(huì)污染環(huán)境。目前，不少學(xué)者指出開發(fā)酶技術(shù)控制循環(huán)水中的生物粘泥可能是未來的發(fā)展方向，而國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究報(bào)道尚不多見。?

1 試驗(yàn)方法

1.1 酶的篩選
　　在前人的研究成果基礎(chǔ)上選出7種酶進(jìn)行單一酶和復(fù)合酶的活性篩選，其中α-淀粉酶為50u/mg，木瓜蛋白酶為6000u/mg，果膠酶為25u/mg，枯草桿菌蛋白酶為1600u/mg，胰蛋白酶為250u/mg，溶菌酶為10000u/mg，纖維素酶為15u/mg。
1.2 生物粘泥的模擬和監(jiān)測(cè)
　?、?快速模擬生物粘泥掛膜原理
　　在實(shí)際工業(yè)循環(huán)水水質(zhì)和工況條件下生物粘泥的產(chǎn)生至少需要7d，再加上加藥處理時(shí)間，很明顯這將會(huì)使每一組試驗(yàn)的周期變得很長(zhǎng)，從而影響試驗(yàn)進(jìn)程，因而縮短生物粘泥掛膜時(shí)間非常關(guān)鍵。經(jīng)過前期實(shí)踐探索并對(duì)生物膜成膜過程分析后得出，在循環(huán)水系統(tǒng)中存在著兩種不同的微生物種群(附著微生物和懸浮態(tài)微生物)，其中的生物膜不是靠懸浮態(tài)微生物的粘附，而是在系統(tǒng)中自然生長(zhǎng)的結(jié)果。附著細(xì)菌對(duì)生物膜生長(zhǎng)起主要作用，少量懸浮態(tài)細(xì)菌的存在能促進(jìn)生物膜的生長(zhǎng)。由于懸浮態(tài)細(xì)菌在循環(huán)水系統(tǒng)中能夠自由移動(dòng)，在對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)中占有明顯優(yōu)勢(shì)，且能吞噬附著細(xì)菌而使掛膜速度減慢，故為使附著生物膜(生物粘泥)高速繁殖和保證充足的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，試驗(yàn)中采用了定時(shí)排水濃縮法即排去水中懸浮細(xì)菌團(tuán)以保證管壁表面的粘附態(tài)細(xì)菌能攝取充足養(yǎng)分，從而獲得良好的生長(zhǎng)條件而大量繁殖。隨著時(shí)間的推移，微生物不斷增長(zhǎng)(從管壁表面向外擴(kuò)展)進(jìn)而形成理想的生物膜，達(dá)到了快速培養(yǎng)生物粘泥的目的。
　?、?掛膜方法
　　測(cè)壓管道為聚丙烯材質(zhì)(DN8)，營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)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為基準(zhǔn)。
　　投入菌種后控制水溫為(30±1)℃，循環(huán)水流量為0.13m³/h，循環(huán)曝氣6h，停止曝氣后小流量循環(huán)培養(yǎng)4h，換水排掉懸浮態(tài)細(xì)菌，再按BOD₅∶N∶P=100∶5∶1的比例加入營(yíng)養(yǎng)液，重復(fù)上述操作以10h為一個(gè)培養(yǎng)周期，一般培養(yǎng)4～5個(gè)周期就能使生物膜達(dá)到理想的厚度(2～3mm)并趨于穩(wěn)定。掛膜速度隨室溫的升高而加快，在室溫達(dá)到25℃左右時(shí)僅需2～3個(gè)周期即可達(dá)到所需膜厚度，大大加快了模擬循環(huán)水系統(tǒng)中生物粘泥生成的速度。
　?、?菌種來源
　　試驗(yàn)用菌種為污水處理站活性污泥中的異養(yǎng)菌。
　　④ 酶制劑規(guī)格
　　中溫α-淀粉酶(5000u/mL，液體)；纖維素酶(20000u/g，液體)；AS1.398中性蛋白酶(50000u/g，固體)。
　　⑤ 試驗(yàn)流程
　　參考美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)推薦的壓力降法沉積物監(jiān)測(cè)裝置和USP4936994描述試驗(yàn) 裝置構(gòu)建循環(huán)水生物粘泥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。?
1.3 粘泥去除效果的評(píng)定
　　在模擬生物粘泥生成后向循環(huán)水系統(tǒng)中投加100mg/L酶處理劑，觀察其測(cè)壓管段的壓差變化，并得到壓差與處理時(shí)間的關(guān)系曲線。
　　酶處理生物粘泥的效果可由處理前后管段間壓差的減小來表征。以測(cè)壓管段壓降對(duì)時(shí)間作圖可得到整個(gè)處理過程中的初始?jí)航?Pi)(t=0時(shí))、最大壓降(Pm)和最小壓降(Pt)(t＞10h)，則粘泥去除效率(Y)可表述為：
?　　　　　Y?=［1-(P_t-P_i)/(Pm-Pi)］×100%　　　　(1)?

2 結(jié)果與討論

2.1 酶的篩選
　　① 單一酶處理結(jié)果
　　7種酶的投量均為50mg/L，加酶處理24h后的培養(yǎng)液由混濁變清，而空白錐形瓶中的培養(yǎng)液仍然混濁。取出作為生物膜載體的玻璃片分別置于0.2%的TTC(氯化三苯基四唑)溶液中，在(30±1)℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6h，TTC因與附著在玻片上的殘余生物膜中的微生物反應(yīng)生成紅色的三苯基甲肼(TF)而將玻片染成紅色，處理后的效果見表1。

表1 24 h后單一酶處理效果 酶 生物膜殘余(與空白對(duì)照)(%) 去除效果 評(píng)級(jí) 空白 　 　 　 果膠酶 ≤80 較差 4 木瓜蛋白酶 ≤90 差 5 胰蛋白酶 ≤10 好 1 溶菌酶 ＞90 差 5 纖維素酶 ≤30 較好 2 α-淀粉酶 約20 較好 2 枯草桿菌蛋白酶 ＜60 較好 3

　　② 復(fù)合酶處理結(jié)果
　　在單一酶處理結(jié)果的基礎(chǔ)上選擇了幾種復(fù)配方案考察復(fù)合酶的處理效果，復(fù)合酶的總投量為100mg/L，結(jié)果見表2。

表2 復(fù)合酶配方及處理效果 復(fù)配方案 配比 生物膜殘余(與空白對(duì)照)(%) 評(píng)級(jí) 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為纖維素酶，B為木瓜蛋白酶，C為枯草桿 菌蛋白酶，D為α-淀粉酶，E為溶菌酶，F(xiàn)為胰蛋白酶。

　　從表1、2的結(jié)果分析，單一酶中胰蛋白酶的處理效果最好，纖維素酶、枯草桿菌蛋白酶、α-淀粉酶較好，而溶菌酶、木瓜蛋白酶和果膠酶的效果不佳。
　　酶復(fù)配后處理效果較單一酶均有提高。就作用機(jī)制來看，α-淀粉酶、纖維素酶、果膠酶屬聚糖水解酶，胰蛋白酶、枯草桿菌蛋白酶、木瓜蛋白酶可催化蛋白質(zhì)降解，而溶菌酶的作用是通過催化細(xì)胞壁的肽聚糖的水解來溶解特定細(xì)菌的細(xì)胞壁，因而溶菌酶單獨(dú)作用生物粘泥效果不佳，這一點(diǎn)與試驗(yàn)結(jié)果吻合；溶菌酶與纖維素酶復(fù)配后效果有所改善。纖維素酶與蛋白酶復(fù)配、α-淀粉酶與纖維素酶復(fù)配均有理想效果，而α-淀粉酶∶胰蛋白酶∶纖維素酶=1∶1∶2的處理效果最好(評(píng)級(jí)在1級(jí)或2級(jí)的酶即可視為具有理想的處理效果)。據(jù)此選擇α-淀粉酶、胰蛋白酶、纖維素酶作為復(fù)合配方的主要成分，又考慮到今后工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，在下一步的配方設(shè)計(jì)試驗(yàn)中采用了工業(yè)級(jí)酶。
2.2 配方均勻設(shè)計(jì)
　　均勻設(shè)計(jì)法較正交設(shè)計(jì)法可大大減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)又能達(dá)到與其基本相同的效果。選擇U₇^*(7⁴)之s＝3使用表計(jì)算得到UM7(7⁴)配方均勻設(shè)計(jì)表并以此安排試 驗(yàn)(見表3、4)。

表3 水平因素表 項(xiàng)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 酶處理劑配方設(shè)計(jì)方案及結(jié)果 % 配方編號(hào) 酶處理劑組分 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為中溫α-淀粉酶，B為纖維素酶，C為中性蛋白 酶，D為激活劑，酶處理劑投量為100 mg/L。

　　 將以上結(jié)果采用SAS軟件系統(tǒng)以二次模型進(jìn)行非線性多元回歸，得到回歸方程：Y＝-0 .016 6A+12.191AC+2.471B-18.379B²C。其復(fù)相關(guān)系數(shù)R²＝0.999 9，當(dāng)置信限α＝0.05時(shí)統(tǒng)計(jì)值F＝3304.1＞F_m,n-m-1(0.05)＝F_3,3(0.05)＝9.28，說明回歸方程是顯著的。
　　利用Excel軟件的“規(guī)劃求解”功能對(duì)回歸方程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，選出最優(yōu)值進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如下：A＝24.6%，B＝25.4%，C＝24.3%，D＝25.7%，總濃度為100mg/L，粘泥剝離 率理論預(yù)測(cè)值為100%，優(yōu)化配方處理曲線如圖2所示。由圖2得到處理過程中的初始?jí)航礟i、最大壓降Pm和最小壓降Pt，代入式(1)得試驗(yàn)粘泥剝離率為95.2%，可見回歸方程的預(yù)測(cè)值與配方的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明該方程是可信的。?

3 結(jié)論

　　① 酶處理劑對(duì)生物粘泥有明顯的去除效果，且復(fù)合酶由于擴(kuò)大了作用范圍而較單一酶處理效果好，表明復(fù)合酶之間存在協(xié)同增效作用。
　?、?生物粘泥快速培養(yǎng)法與通常的生物膜掛膜方法相比，能大大縮短生物膜的生長(zhǎng)周期，從而使試驗(yàn)周期也得以縮短，適合實(shí)驗(yàn)室模擬循環(huán)水生物粘泥生長(zhǎng)并可對(duì)相應(yīng)處理藥劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　?、?將均勻設(shè)計(jì)應(yīng)用于配方研究，較之用正交設(shè)計(jì)可大大減少試驗(yàn)次數(shù)而仍能得到基本可靠的結(jié)果。以該試驗(yàn)為例，若用正交設(shè)計(jì)考察相同水平的試驗(yàn)至少要做49次，而均勻設(shè)計(jì)只需做7次，可見均勻設(shè)計(jì)法在考察多因素、多水平試驗(yàn)時(shí)有著顯著的優(yōu)越性。
　?、?生物酶本身是一種特殊的蛋白質(zhì)，由此制成的酶處理劑可生物降解，也不會(huì)在循環(huán)水系統(tǒng)中產(chǎn)生毒害物質(zhì)，可避免常規(guī)殺菌劑可能帶來的環(huán)境污染問題，是一種綠色、有效控制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中生物粘泥的方式。

參考文獻(xiàn)：

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　?。?］ Douglas M Bates,Donald G Watts.韋博成，等譯.非線性回歸分析及其應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，1997.

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　　作者簡(jiǎn)介：蘇騰(1977- )，男，上海人，碩士研究生，主要從事工業(yè)水處理和金屬材料保護(hù)方面的研究。
　　電　　話：(021)64252723
　　E-mail:tangsu@china.com
　　收稿日期：2002-02-05