微生物固定化技术及其在污水处理领域的研究进展.pdf

第 3 0卷第 1 0期 2 0 1 0年 1 0月 工业 水处 理 I nd u s t ria l f e r T r e a t me n t Vo 1 3 0 No 1 0 Oc t ， 2 01 0 微生物固定化技术及其在污水处理领域的研究进展 屈 佳 玉 ( 北京 桑德 环保 集 团有限公 司 ， 北京 1 0 1 1 0 2 ) 摘要 微 生物 固定 化技术是 一种有 效的废水 处理技术 。对微生 物 固定 化载体 和固定化 方法进行 了分类 ， 并对 微生物 固定化后 的细胞性 能做 了阐述 。综 述 了微 生物 固定化 方法在 各类废 水 中的 国内外研 究现 状 。 并针 对相 关问题提 出 了今后 的研究 和发展 方向 。 关键词固定化技术 ； 微生物 ； 废水处理 中图分类号 X 7 0 3 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 5 8 2 9 X( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 1 4 0 3 De v e lo p me n t o f r e s e a r c h e s o n i mmo b i l i z e d mi c r o o r g a n i s m t e c h n iq u e a n d it s a p p l ic a t io n t o wa s t e wa t e r t r e a t me n t Q u J i a y u ( B e ij i n g S o u n d E n v i r o n m e n t a l G r o u p C o ， L t d ， B e ij i n g 1 0 1 1 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I mmo b i l i z e d mi c r o o r g a n i s m t e c h n i q u e i s a k i n d o f e f f e c t i v e w a s t e wa t e r t r e a t me n t t e c h n o l o g y T h e c a r r i e r a nd i mmo bi l i z a t i o n o f mi c r o o r g a n i s m i mmo b i l i z a t i o n h a v e be e n c l a s s i fie d a n d a f t e r t h e mi c r o o r g a ni s m i mmo bi l i z a t i o n ， t h e c a p a b i l i t i e s o f d i ff e r e n t c e l l s a r e c l a s s i fi e d T h e p r e s e n t s t a t e s o f i mmo b i l i z e d mi c r o o r g a n i s m t e c h n o l o gy a p p l i e d t o v a rio u s k i n d s o f w a s t e wa t e r t r e a t me n t b o t h i n C h i n a a n d a b r o a d a g e s u mma r i z e d Ai mi n g a t i t s r e l e v a n t p r o b l e ms ， i t s f u t u r e r e s e a r c h a n d d e v e l o p i n g d i r e c t i o n s a r e b r o u g h t f o r w a r d Ke y wo r d s： i mmo b i l i z a t i o n t e c h n i q u e ； mi c r o o r g a n i s m ； wa s t e wa t e r t r e a t me n t 微生 物 固定 化技术 是生物 工程 中的一项新 兴技 术 其利用物理或化学手段将微生物限制或定位于 限定 的空间区域 ， 使之成为水不溶性 ， 但仍能保 留生 物活性且在适宜的条件下还可以增殖。微生物被固 定化后具有密度高、 反应速度快、 耐毒害能力强 、 产 物分 离容易 、 能实 现连续操 作 、 可 以大 大提高生 产能 力等优势 因此近几年微生物 固定化技术得到了迅 速发 展和广 泛应用 1 。 1 微生物 固定化 技术 的分类 方法 一 般将微生物固定化方法分为载体结合法 、 交 联法 、 载体分离法、 系统截留法和联合固定化技术口 。 1 1 载体 结合 法 载体结合法是基于微生物与载体之间通过物理 吸附、 离子结合、 共价结合及生物特异性吸附等作用 将微生物固定在非水溶性载体上的方法 3 。 1 2交联 法 交联法又称为无载体 固定化法 ， 可分为化学交 联法和物理交联法。其中物理交联法是利用微生物 自身 作用 进行 微 生物 固定 化 的方 法 。 即所 谓 的 自身 一 1 4一 固定化 。此 法一 般 不需使 用 人 工载 体 或包 埋剂 ， 但 所需 固定化时间长且受环境因素的影响大 】 。 1 3载体分 隔法 载体分隔法是指依靠载体对生物催化剂的物理 阻挡来实现生物催化剂的固定化。载体分隔法又可 分 为包埋法 和微胶 囊法 。将生 物催化 剂 限制在聚 合 网络中的方法称为包埋法 ： 微胶囊固定化法是指通 过乳 化作用 将生 物催化 剂包埋 在各种 多聚 物制成 的 半透性微胶囊内的方法 5 。 1 4系统截 留法 系统截 留法是利用各种半透膜( 如渗析膜、 超滤 膜等) 将生物催化剂以可溶形式限定在一定的空间 范围内 或将过滤、 离心 、 沉淀后 的生物催化剂返回 到生物反应器中循环使用的方法6 。 1 5联 合 固定化技 术 联合固定化最初是指把外来酶结合于固定化完 整细胞上。后来 ， 又发展到将两种酶 、 两种微生物细 胞或生物催化剂( 酶 、 细胞 ) 与底物或其他物质联合 固定 在一起 。 与 普通 的固定化酶 或 固定化 细胞相 比， 工业水处理 2 0 1 0 - 1 0 ， 3 0 ( 1 0 ) 屈佳玉 ： 微生物固定化技术及其在污水处理领域的研究进展 联合固定化生物催化剂可以充分利用酶和细胞各 自 的特 点 。 把 不 同来 源 的酶 和 整 个 细胞 的生 物催 化 性 质结合到一起 。 2 微 生物 固定 化技 术在 废水 处理 中的研究 与应 用 2 1 处理氨 氮废 水 微 生 物去 除 氨氮 需 经 过 好 氧硝 化 、 厌 氧 ( 缺 氧 ) 反硝化两个阶段 。硝化菌 、脱氮菌 的增殖速度慢 ， 要想提高去除率 必须有较长的停 留时间和较高的 细 菌浓 度 ， 而 用 固定 化 细 胞 技 术 就 可 解 决 这 个 问 题 。N i l s s o n用 海 藻 酸 钙 固定 假 单 细 胞 反 硝 化 菌 P s e u d o m o n a s d e n i t r ific 用填充床对含 2 0m g L硝 酸盐的地下水进行两个月的连续脱氮试验 脱氮效 果 良好 ，反硝化速 度为 6 6 m g ( h k g )， 容 积负荷 ( 以 N计 ) 达到 3 6 k g ( m d ) 喁 。中村裕纪用聚丙烯 酸胺 包 埋法 固定 硝化 菌 和脱 氮菌 ， 用好 氧硝 化 与厌 氧反硝化两段工艺进行合成废水 的脱氮试验 。 其结 果表 明： 与悬浮生物法相 比， 低温下硝化速度 ( 以 N 计 ) 加快 了 6 7倍 ， 约为 0 5 k g ( m。 d )； 脱氮速率 提高了 3倍 ， 约为 1 5 k g ( m d )； 停 留时间由原来 的 7 h ( 硝化 4 h ， 反硝 化 3 h ) 缩 短 为 4 h ( 硝化 2 h ， 反 硝化 2 h ) ， 即处 理装 置容积 可减少 约 5 0 左 右 9 。周 定等将脱氮细胞包埋于 P V A( 聚乙烯醇 ) 中 结果表 明在低 温 、 低 p H的条件下 ，固定化细胞 能够保 留 比未包埋细胞更高的脱氮活性 ， 减轻溶解氧对脱氮 的抑制作用 脱氮微生 物在 固定化 载体 中可 以增 殖 1 0 。 笔 者用包 埋有 硝化 细菌 的微 生物 载体 投人 某 生 活 污 水 厂 的好 氧 池 中 控 制 温 度 在 2 0 3 8 o C， p H 6 0 9 0 ，溶解氧在 0 5 ms& 以下 ，污泥沉降比 S V 为 1 5 3 0 ，停留时间 3 6 h 进水 C O D为 4 0 0 6 5 0m s& ， 出水 C O D为 6 0 l 0 0m g L ， 污泥 回流 比控 制在 1 ： 1 1 ： 4 ， 进水硝酸盐和亚硝酸盐的质量浓度为 1 5 0 4 0 0 m g L 。 在添 加硝化 细 菌载体 工 程 中 ， 氨氮 去 除率达到 9 0 以上 ，明显高于不添加 的处理工程 ， 这说明在添加硝化细菌载体的工程 中 载体有利于 硝化细菌从外界污水 中吸收氨氮转化成硝基氮 ， 使 最 终 出水 氨氮 达到 国家一 级 A标 准 。且 在运 行 中 ， 硝化细菌载体的投加较方便 、 抗冲击负荷能力较强 。 运行管理方便 ， 成本较低。 2 2 处理 难 降解 的有机废 水 2 2 1 含重 金属废 水 的处理 M I q b a l 等n ” 用一种新型经济 的多孔载体丝瓜 瓤 固定 黄孢原 毛平革 菌( P h a n e r o c h a e t e h r y s o s p o r i u m) 制成吸附剂用 以吸附溶液 中的 P b 、 C u 和 Z n ， 并 与悬浮液做 了对比研究。在 p H为 6 0时，吸附 1 h 达平衡 ， P b 、 C u 和 Z n 3种金属离子的去除率分别 是 8 8 2 、 6 8 7 和 3 9 6 ， 相对于悬浮液 ， 去除率分 别提高了 1 4 6 、 1 2 8 和 1 6 1 。 M Y A r i c a 等 将黄 孢 原 毛 平革 菌 ( P h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m) 固定在 海藻酸钙 中 ，用 于吸附人工静 态模拟废水 中 3 0 6 0 0 mg L的 P b 和 Z n 。对其吸附容量做 了细致的 研究 。 结果表明 ， 在 p H 5 0 6 0 、 吸附 6 0 ra i n后 ， 加热 灭 活 菌对 P b 和 Z n 的吸 附 容量 为 3 5 5 、 4 8 m g g ， 大 于活菌球的 2 8 2 、 3 7 m g g 。2种形态菌对离子的吸附 也是 随初始浓度 的增加而增加 ， 吸附符合 L a n g mu i r 等温式。 2 2 2含 氮废 水 的处 理 黄正等富集 、 培养硝化细菌污泥， 选用 P V A作 为载体，添加适量粉末活性炭包埋固定硝化细菌污 泥， 处理养殖废水 ( N H N质量浓度 4 5 m g L ) ， 处理 2 4 h后 ， N H 4 + - N去除率达 8 2 5 。屈计宁等 M 用提 高基质浓度的方式大幅度提高 了硝化 细菌的含量 当温度 为 3 O o C、 p H 为 6 5 8 0 、 D O 2 mg L时 。经过 1 2 1 3周 的 富集 培养 1 g污 泥 中硝 化 菌数 量 是 未 经 富集处理的 1 2 2 0倍 。安立超等口 混合固定硝化细 菌和反硝化细菌 ，在体积为 1 0 L流化床 中使用模 拟废 水 进行研 究 。试验 表 明 ： 当 C O D 处于 5 0 0 1 0 0 0 m g L内， p H在 8 0 8 5之间 ，气体体积流量 为 2 4 4 2 L h时脱氮速率最高。 此时， N H ； - N去除率 达 9 0 以上 。 2 2 _ 3 印染 、 造纸 等废 水 的处理 染料 、 造纸废水色度高 、 成分复杂 、 有毒有害有 机物多， 用常规的物化方法处理成本高。 利用微生物 对染料脱色和降解被认为是行之有效的方法。王增 长等口 利用筛选的高效优势脱色菌种固定在活性污 泥上处理 印染废水 。 试 验结果 表明 ， 固定化脱色菌活性 污泥显示 了极大的优越性 ，出水 C O D 0 5 0ms& ， 出 水 色度 O 0 0 5 0 0 5倍 。处 理后 的水 可 回收利 用 。洪 卫等n 采用还原铁床与固定化微生物技术相结合的 工艺 深度 处理 造纸 中段 废水 ，结 果发 现该 工艺 是可 行的， 在进水色度平均 2 5 1 倍 、 C O D 。平均 3 1 9 9 m g L 的情况下 ，出水色度平均 1 8 3倍 、 C O D 0平均 3 1 9 m s &， 色度去除率为 9 2 7 、 C O D o去除率为 9 0 0 。 J S C h a n g 】 分别用聚丙烯酰胺 、 海藻酸钙做载体固 定假单胞菌 ( P s e u d o m o n m l u t e o l a ) ， 对 自配制含氮染 料废水进行脱色处理 ， 降解其中的活性艳红。 结果表 一 1 5 专论 与综述 工业 水处 理 2 0 1 0 1 0 ， 3 0 ( 1 0 ) 明 ， 固定化 细胞 生物 系统虽然脱 色速 度较慢 。 但受溶 解氧和 p H影响较小 ，长时间运行也能保持较高的反 应效率， 且重复使用性好， 更适合实际工业应用 。 2 2 4 含 醇 类废水 的处理 王里奥等 利用固定化包埋技术对高浓度甲醇 废水进行了处理试验 ， 确定了海藻酸钠和聚乙烯醇 的最佳 包埋 条 件 ， 并 对 在最 佳包 埋 条件 下制 成 的 固 定 化小 球进 行 了性 能 的改进 。同 时 ， 通 过对 固定化 颗 粒小 球 的 比表面 积 、 传质 性 能的 测定 以及 电镜扫 描分析了固定化小球 的性能 。试验表明 交联时间 是 固定化颗粒活性 的主要影响因素； 2种材料均有 适合微生物附着生长 的网状结构 ；加入添加剂后 ， P V A 固定化 小球 的机 械 性能 进一 步得 到改 善 ， 对 甲 醇 5 h的去除率达到了 9 3 7 8 。 2 2 5 含杂环芳烃类废水的处理 张波等旺 ” 采用大孔树脂白球固定化微生物强化 S B R工艺处理含对 甲苯胺废水 结果表明 ， 在进水 T O C为 4 3 4 8 mg L，对 甲苯胺 为 3 2 6 9 m g L的条件 下 强 化组 可在 1 8 0 mi n内将 T O C和对 甲苯 胺 基本 去除完全 。 去除率在 9 8 以上 ， 对照组则需要 3 0 0 ra i n 才能达到相同的去除效果 。J i a n l o n g Wa n g等 用 P V A和纱布混合载体 以及单独用 P V A凝胶 固定皮 氏伯克霍尔德 氏菌( B u r k h o l d e r i a p i c k e t t i ) 降解废水 中的喹 啉 。 当初始 喹啉 质量浓 度在 5 0 5 0 0 mg L时 ， 喹啉降解过程符合零级反应速率方程 。用海藻酸钙 固定该 菌处 理 含喹 啉废 水 ， 固定 化 菌体 的 活性 可保 持 1 0 0 h 。 3 微 生物 固定 化技 术在污水 处理行 业的发 展趋 势 固定 化细胞 技术在 废水处 理领域 中具有 独特 的 优势 ， 但要实现处理废水的规模化 ， 还需解决几个问 题 ： ( 1 ) 研究开发性能稳定、 强度高 、 寿命长 、 费用低 、 传质阻力小的新型固定化载体； ( 2 ) 开发多种微生物 共生的固定化体系， 筛选、 构建高效 、 抗逆性强的高 性 能微 生 物 ； ( 3 ) 开发 高 效 的废水 处 理工 艺 、 固定化 生物反应 器和 固定化 细胞批 量生产装 置 。相信 固定 化细胞技术将在废水处理领域 中会发挥越来越 广 泛 、 重 要 的作 用 。 参 考文献 1 林维晟 ， 林旖宏 细胞固定化技术在城市污水 的处理中的应用 J 南平师专学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 2) ： 7 0 7 2 2 赵长青 ， 辜海彬 ， 宋丹 ， 等 生物固定化技 术在制革废水处理 中的 研究进 展 J 皮革科学与工程， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 2 ) ： 3 9 4 5 3 朱柱 ， 李和平 ， 郑 泽根 固定化细胞技术 中的载体材料及其 在环 一 1 6一 境治理中的应用 J 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 ( 5 ) ： 9 5 1 0 1 4 杨勇， 李彦锋， 拜永孝 ， 等 酶固定化技术用载体材料的研究进展 J 化学通报 2 0 0 7 ( 4 ) ： 2 5 7 2 6 3 5 卢学强 ， 唐运平 ， 隋峰等 制革废水综合处理技术研究 J 城市环 境与城市生态 ， 1 9 9 9， 1 2 ( 6 ) ： 2 2 2 4 6 李闻欣 ， 付强 ， 马清才 生物接触氧化法处理制革综合废水的常见 问题及对策 J 中国皮革 ， 2 0 0 2 ， 3 1 ( 9 ) ： 1 0 1 3 7 吴浩汀 ， 陈鸣 ， 荆建鸣 中国制革废 水处理存在 的问题与对策 J 中国皮革， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 5 ) ： 3 5 3 6 8 王娜， 闵小波 ， 王云燕 ， 等 固定化微生物废水处理技术及其发展 J 污染防治技术 ， 2 0 0 8 ， 2 1 ( 1 ) ： 6 2 6 6 9 I o n a t o E ， d e B l a s i o P ， l a C a r a EMi c r o b i o l o g i c a l d e g r a d a t i o n o f p e n t a n e b y i m mo b i l i z e d c e l l s o f Ar t h r o b a c t e r s p J B i o d e gra d a t i o n ， 2 0 0 5 ， 1 6 ( 1 ) ： 】 一 9 1 O 刘则华 ， 邢 新会 ， 冯全 多空微生物 载体 固定 床生物反应器的污 水处理特性 J 水处理技术 ， 2 0 0 6， 3 2 ( 4 ) ： 3 4 3 8 1 1 I q b a l M， E d y v e a n R G J B i o s o r p t i o n o f l e a d， c o p p e r a n d z i n c i o n s o n l o o f a s p o n g e i mmo b i l i z e d b i o ma s s o f Ph a n e r o c h a e t e c h r y s o s po r i u m J Mi n e r E n g ， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 2 ) ： 2 1 7 - 2 2 3 1 2 A r i c a M Y， A r p a C， E r g e n e A， e t a1 C a alg i n a t e a s a s u p p o r t f o r P b( ) a n d Z n ( I I )b i o s o r p t i o n w i t h i m mo b i l i z e d P h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m J C a r b o h y d P o l y ， 2 0 0 3， 5 2( 2 ) ： 1 6 7 1 7 4 1 3 黄正 ， 范玮 ， 李谷 固定 化硝化细菌 去除养殖 废水 中氨 氮的研 究 J 华 中科技大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 1 ( 1 ) ： 1 8 - 2 0 1 4 屈计宁 ， 金志刚 ， 何群 彪 ， 等 高效 硝化 细菌 的富集技术研究 J 同济大学学报 ： 自然科学版 ，1 9 9 9 ， 2 7 ( 3 ) ： 3 5 1 - 3 5 4 1 5 安立超 ， 孙静 ， 薛涛 ， 等 混合 固定细菌单级生物脱氮技术 J 污 染防治技术 ， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 3 ) ： 5 7 1 6 王增长 ， 牛志卿 ， 吴国庆 利用生物 工程治理印染废水及 回用 中 试研究 J 中国环境科学， 1 9 9 6 ， 1 6 ( 4 ) ： 2 7 1 2 7 4 1 7 张志刚 ， 徐德 强 ， 李光 明， 等 固定化优 势菌种降解 2 ， 6一二叔 丁基酚 J 中国环境科学 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 1 ) ： 5 7 - 6 0 1 8 洪卫 ， 冯 晓静 ， 蒋