（化工过程机械专业论文）水处理用纤维素载体降解及生物膜附着性能的研究.pdf

摘要 多孔填料具有附着微生物量大、处理效率高、能耗低等优点，是流化床废水 处理载体填料的发展方向之一。本文采用的多孔填料是以植物秸秆为原料加工而 成的，具有亲水和亲生物性好、可降解、孔隙率高、比表面积大、孔径适中、成 本低廉的特点。为了研究这种载体的降解性能和生物膜的附着情况，本文对这种 填料的s r b 生物膜附着和生长特点及其降解影响因素进行了系统考察。 通过研究纤维素载体性能和生态因子( 温度、底物浓度、p h ) 对载体降解 和生物膜附着情况的影响发现，未改性、交联、交联且阳离子化载体最终平均降 解率分别为5 5 2 、2 3 9 、2 0 5 ，交联和阳离子化均有减缓载体降解的效果； 单位质量的阳离子化载体生物膜附着量最大，达0 2 4 7 9 g ，载体阳离子化有利于 生物膜的形成和生长。体系温度对载体降解和生物膜附着存在一定影响，3 6 下 载体最终降解率最高，达到2 1 o ；单位质量载体生物膜附着量最多，达到 0 2 3 5 9 g 。当o 7 0 c o d o s 0 4 2 。】o 1 4 0 时，纤维素载体可为细菌代谢补充碳源， 进而促进载体初期降解；当 c o d o 5 0 4 2 - 】o = 0 7 时，硫酸根还原率比未加入载体 的反应体系提高5 l 。在p h 值为5 0 6 5 的条件下，随着p h 值的升高载体最终降 解率在2 0 7 0 0 , - 3 6 7 范围内呈下降趋势；单位质量载体生物膜量逐渐增大，当 p h = 6 5 时达最大值0 2 5 2 9 g 。 关键词：纤维素，生物膜载体，降解，生物膜量 本文得到天津市自然科学基金的资助，项目编号：n o 0 6 y f j m j c 0 6 1 0 0 a b s t r a c t p o r o u sc a r d e r , w i t ha d v a n t a g e so fh i g hm i c r o o r g a n i s ml o a d i n g ，h i g ht r e a t m e n t e f f i c i e n c ya n dl o we n e r g yc o n s u m i n g ，i so n eo ft h ed i r e c t i o n so fc a r r i e rf o rf l u i db e d b i o f l l mr e a c t o r i nt h i sp a p e r ，an o v e lp o r o u sc a r r i e rm a d ef r o mw h e a ts t r a ww a s r e s e a r c h e d t h i sc a r r i e rh a sh y d r o p h i l i ca n db i o p h i l ec h a r a c t e r , h i g hp o r o s i t ya n d s p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，a n di ti sl o wc o s ta n db i o d e g r a d a b l e i n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e b i o d e g r a d a t i o n o fc a r r i e r sa n ds r bb i o f i l ma t t a c h m e n tt ot h ec a r r i e r sw e r e i n v e s t i g a t e d t o s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a r r i e rd e g r a d a t i o na n db i o f i l m a t t a c h m e n t t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o n ，p ha n dm o d i f i c a t i o nm e t h o d so nt h e b i o d e g r a d a t i o no fc a r r i e r sa n db i o f i l ma t t a c h m e n tt ot h ec a r r i e r sw e r ei n v e s t i g a t e di n s u l f a t er e d u c t i o ns y s t e m r e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ef i n a ld e g r a d a t i o nr a t eo f u n m o d i f i e d ，c r o s s l i n k e d ，c r o s s l i n k - c a t i o n i cc a r r i e r sw e r e5 5 2 ，2 3 9 ，2 0 5 r e s p e c t i v e l y , w h i c hs u g g e s t e dt h a tc r o s s l i n ka n dc a t i o n i z a t i o nc a nr e s t r a i n t h e d e g r a d a t i o no fc a r r i e r s t h ev o l u m eo fb i o f i l mo nc r o s s l i n k c a t i o n i cc a r r i e r sa c h i e v e d m a x i m u m ，0 2 4 7 9 g ，w h i c hs h o w e dc a t i o n i z a t i o nh e l p e dt h ea t t a c h m e n ta n dg r o w t h o fb i o f i l m t h em o s ts u i t a b l et e m p e r a t u r ef o rb i o f i l ma d h e r e n c ew a s3 6 c ，a tw h i c h t e m p e r a t u r et h ed e g r a d a t i o nr a t eo fc a r r i e r sw a sh i g h e rt h a na to t h e r s w h e n0 7 0 【c o d 0 s 0 4 厶】o 1 4 0 ，t h ed e g r a d a t i o no fc a r r i e r sc a no f f e rp a r to f c a r b o ns o u r c ef o r t h eb a c t e r i a ，w h i c ha c c e l e r a t e dt h ei n i t i a ld e g r a d a t i o nr a t eo fc a r r i e r s ，a sw e l la s i m p r o v e dt h ew a t e rt r e a t m e n te f f i c i e n c yb y5 1 a tt h em o s t i na d d i t i o n w i t ht h e a u g m e n to fp hf r o m5 0t o6 5 ，t h ef i n a ld e g r a d a t i o nr a t eo fc a r r i e r sd e c l i n e df r o m 3 6 7 t o2 0 7 a n db i o f i l mv o l u m ei n c r e a s e dg r a d u a l l yt o0 2 5 2 9 g k e yw o r d s ：c e l l u l o s e ，b i o f i l mc a r r i e r s ，b i o d e g r a d a t i o n ，b i o f l l mv o l u m e t h i sp r o j e c tw a ss u p p o r t e db yt i a n j i nm u n i c i p a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ， s n ：0 6 y f j m j c 0 6l0 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：灸藏 签字日期：y 口矿年多月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：趣薇 导师签名： 签字日期：w 口扩年多月r 日答- 7 - 日期： 毫 月岁日 乙 年 舵僻 矽 第一章文献综述 1 1 课题研究背景 第一章文献综述 生物膜废水处理技术是微生物附着在载体上形成生物膜使废水中的污染物 进行降解的技术，载体的合理选择对提高废水处理的效果非常重要1 1j 。多孔颗粒 悬浮载体是目前生物膜法处理废水中的一种新型高效载体填料，它具有微生物附 着量大、形状阻力小、流化能耗低、处理效率高等多种优点，是未来废水处理载 体发展的主要方向之一1 2 j 。目前使用的多孔载体的材料主要为颗粒活性炭、沸石、 无烟煤、陶瓷球、多孔不锈钢或p v c 和p e 等材料，但这些材料用作水处理载体存 在一些缺点，如成本较高、加工工艺复杂( 活性碳和多孔不锈钢) 或填料废弃后 处理困难( 沸石、无烟煤、陶瓷球) ，有的还容易产生二次污染( 像聚氯乙烯等 高分子材料) 3 1 。目前研究人员正在找一种既价格低廉、来源广泛、用后易处理、 对环境污染较少，又可以保证污水处理效果的材料。而纤维素作为一种天然的生 物降解材料，可以很好的满足以上要求它不仅是自然界中含量最丰富的高分 子有机物，而且在自然环境下可通过微生物完全降解，对环境几乎不造成污染性， 是未来新型环保材料的发展方向之一。范福洲【4 l 曾以麦草浆粕为原料，研究开发 出一种可降解、亲生物性优良、孔隙率高、比表面积大、孔径合适、成本低廉的 水处理用多孔纤维素载体，并利用与含环氧基团化合物交联的方法实现了纤维素 载体降解速度可控的目的，用含阳离子基团化合物接枝的方法增强了载体表面亲 生物性。 1 2 可降解材料作为生物膜载体的研究状况 可降解材料( b d p s ) 可分为天然高分子降解材料和有机合成高分子降解材料。 用可降解材料制备生物膜载体，使用一段时间后可自行降解或人为地促使其降 解。使用这种载体进行废水处理具有产生污泥量小、易于进行后处理、不产生二 次污染和适合处理低c o d 和低b o d 的废水等显著优点，因此具有十分广阔的 应用前景。 1 2 1 天然高分子降解材料 天然高分子降解材料主要包括淀粉、壳聚糖、蛋白质、纤维素、木质素、天 第一章文献综述 然橡胶型高分子材料、海藻酸钙、琼脂和角叉菜胶等【5 】。天然高分子载体一般对 生物无毒性，传质性能好，但强度低，厌氧环境下易被微生物分解，寿命短。 t a m 掣6 】用填充有海藻酸钙球形载体的反应器处理城市废水，效果十分显著， 现场实验2 4 小时以后n i - h + - n 和p 0 4 3 - - p 的去除率分别达到1 0 0 和9 5 ，且反应 过程中载体保持良好的稳定性和完整性。e t t a y e b i 等【7 】用海藻酸钙珠体作为假丝酵 母菌的载体处理含酚废水，2 4 小时后c o d 、一元酚和多远酚的去除率分别达到 6 9 7 、6 9 2 和5 5 3 。且细菌在载体的保护作用下5 个月内可保持最大活性， 只在之后的两个月内略有下降。 c m c 常被用于处理p h 值低于4 2 的生活污水，瑞典的s e l m e r - o l s e n 等悼j 用壳 聚糖替代c m c 处理此类污水，发现其适用范围扩展至p h 值为5 2 5 的污水时除磷 率接近6 0 ，c o d 去除率高于9 0 。产生的壳聚糖污泥富含营养成分，可以作 为猪饲料的添加剂，具有一举两得的效果。 z h u 等1 9 佣琼脂凝胶包埋厌氧菌r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s 处理豆制品废水，产 氢量达到2 1 lh - 1 m 。2 凝胶，8 5 小时后碳水化合物去除率达到4 1 。在净化污水 的同时制备出可作为燃料的氢气。 孔新军【lo 】以微晶纤维素为原料，研究开发出了一种可自身完全降解、具有孔 隙率高、比表面积大、孔径合适、成本低廉的水处理用多孔生物膜载体。且该载 体内部网状的相互连通的小孔通向载体表面，使微生物易于进入孔中附着、生长， 解决了微生物固定化和流体剪切力对微生物损伤两大难题。制得载体的孔隙率可 达8 0 ，比表面积在1 0 m 2 g 以_ l z ，孔径从1 0 0um 到7 0 0 1 , tm 均可选择。同时考 察了发泡剂用量、发泡温度、棉纤维比例和粘胶浓度对填料载体的孔隙率、孔径 大小及分布、比表面积和机械强度的影响趋势，总结出了该工艺下制备各物理参 数最优的载体的条件，并利用与含环氧基团的化合物交联的方法实现了纤维素载 体降解速度可控的目的，使载体可以在数天到数月内完全分解。范福洲【l l j 采用了 更廉价的原材料麦草浆粕；改进了发泡成型工艺，使得操作简单，便于大规 模工业生产；通过接枝反应对填料表面进行了阳离子化处理，使其具有更高的亲 生物性、亲水性以及表面荷电性。同时，考察了交联剂用量对载体在纤维素酶溶 液中降解的影响，以及阳离子化剂对载体阳离子交换能力的影响。 1 2 2 有机合成高分子载体 常见的有机合成高分子载体包括p h b 、p h b v 、聚乳酸、聚酯、聚乙二醇、 聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅胶和光硬化树脂等【5 1 。这类载体一般强度较高， 化学稳定性好，但传质性能稍差。在进行包埋时对细胞的活性有影响，易造成细 胞失活。 2 第一章文献综述 t u r t a k o v s k y 掣1 2 】发明了一种用多糖类聚合物，如聚乙酰壳多糖和磺化木质 素作为聚合物基质固定微生物的新方法。用该法制备固定化微生物简便、价格低 廉；固定化条件温和，微生物小球有高稳定性，在反应器中运行5 星期，未观察 到破裂现象。 y u a n 等1 1 3 1 发明了一种用海藻酸钙、聚乙二醇( p e g ) 、聚乙烯酰胺( p e i ) 的复合 载体固定微生物的方法。将以上三种物质和微生物与c a c l 2 水溶液混合制成微生 物小球。p e i 是携带正电荷的高聚物，对海藻酸钙有静电引力，因而加强了微生 物小球的结构。用该法制得的微生物小球可去除废水中的无机氮、有机碳等，可 固定的微生物有硝化菌、反硝化菌和甲烷菌等。 s o n 等【h 】用凝胶一活性炭载体固定细菌以除去废水处理过程产生的h 2 s 气 体，实验表明这种载体尽管强度比其他载体低，但不会影响细菌活性，且不会产 生二次污染。g a n i i d o u s t 等【1 5 】用h e 、p e i 、p a m 和壳聚糖的混合物处理造纸废水， 色素和t o c 去除率分别达到9 0 和7 0 。 b a i 等【l6 】尝试用聚砜固定r h i z o u p u sn i g r i c a n s 细菌处理含铬废水，并对比了聚 砜、海藻酸钙、聚乙烯醇、聚丙烯亚胺和聚异戊二烯五种聚合物作为细菌载体用 以吸附重金属铬的效果。实验结果显示聚砜载体比其他材料的载体具有更优良的 机械稳定性和化学稳定性，该载体适用于各种酸性和碱性的环境，经过2 5 次吸 附脱附过程后仍保持7 8 的活性，因此是一种高效、耐用的水处理用细菌载体。 k a p p o r 和v i r a r a g h a v a n l _ 7 】也认为聚砜是一种优良的去除重金属离子的载体材料， 它具有机械强度好、耐热和耐化学腐蚀等优点。二人用聚砜制备o 8 4 2 0 0 m m 的球形载体，每克载体可以吸附c a 2 + 、c u 2 + 、p b 2 + 、n i 2 + 的量分别为3 6 0 、2 8 9 、 1 0 0 5 和1 0 8 9 ，吸附后的重金属离子用0 0 5 n 硝酸洗涤，简单易行。 1 2 3 可生物降解材料作为生物膜载体和碳源的研究现状 可生物降解材料作为生物膜载体和碳源在异养反硝化领域的研究较为广泛。 由于反硝化工艺需要外加有机碳源作为电子供体，在进水水质波动情况下容易造 成碳源投加不足或者过量，影响出水水质，同时碳源的大量消耗会带来很高的运 行成本，因此部分研究者提出采用一些固体有机物作为碳源。 利用可生物降解材料( b d p s ) 作为碳源以及生物膜载体，只需少量加入可 溶性有机物即可为反硝化菌群的生长繁殖补充营养物质，b d p s 材料在微生物体 内酶的作用下降解，为细菌提供碳源，可以解决传统工艺中外加碳源不易控制的 弊端，给微生物创造一个稳定、易于维护的生存环境。此外，常见的b d p s 材料 对人体无害，在所给定的条件下不会向水中浸出有毒有害物质，不产生对人体有 害的代谢副产物；且该工艺简单、易于操作、投资与运行费用低。 第一章文献综述 v o l o k i t a 等 1 8 , 1 9 以纤维素类材料原棉和碎报纸作为碳源进行地下水( 硝酸盐 1 0 0 m g l ) 反硝化研究，结果表明：原棉可以在反硝化过程中被彻底降解，但是反 硝化速率较慢，小于l m g ( g d ) ；以碎报纸为碳源时完全反硝化需要的接触时间 比传统碳源( 蔗糖、乙醇等) 长1 3 1 8 倍。出水中没有发现有亚硝酸盐的积累， 溶解性有机碳( d o c ) 浓度低，没有检出色度和气味，但是微生物含量高，出水需 要经过沙滤和消毒才能达到饮用水水质标准。s o a r e s 等【2 u j 选择麦杆作碳源和生物 生长的载体，去除饮用水中的硝酸盐，在反应器运行后的一周内，得到最大反硝 化速率0 0 5 3 9 ( n 0 3 - n ) l d ，此后系统运行出现恶化；加入新鲜的麦杆后反硝化 速率恢复。出水中存在色度、d o c ，需要通过粉状活性炭吸附去除。徐洪锁纠2 1 】 采用稻壳作为固体碳源去除低浓度( o 1 0 0 m g l ) 废水中的硝酸盐，结果表明，稻 壳比表面积大，性质稳定，反硝化速率可以达到5 9 m g ( l h ) 。 采用报纸、棉花等固体碳源反硝化的优势是可以减低运行成本，但是由于这 些材料含有一些水溶性的有机物，在水中会不断地溶出，碳源的释放量不能得到 反硝化生物膜的有效控制。此外这些固体碳源成分复杂，因此去除饮用水源水中 硝酸盐时，存在污染饮用水水质的风险。 m u l l e r 等【2 2 】采用p o l y e h y d r o x y b u t y r i c a c i d ( p h a ) 作为生物膜载体与反硝化 碳源来去除饮用水中的硝酸盐，取得了良好的反硝化效果。研究表明【2 川， p o l y ( 3 - h y d r o x y b u t y r a t e ) ( p h b ) 、p o l y ( 3 一h y d r o x y b u t y r a t e - c o - 3 - h y d r o x y v a l e r a t e ) ( p h b v ) 、p o l y ( e c a p r o l a c t o n e ) 等b d p s 材料都可以作为生物膜载体和碳源去除水中 的硝酸盐，并且在去除水产养殖业废水中的硝酸盐时取得了成功。 德国斯图加特大学正在进行积极的尝试，将b d p s 材料用于饮用水反硝化。 b o l y 等【2 4 】以p h b 、p c l 、b i o n o l l e 为碳源和生物膜载体，去除养鱼池循环水中的 硝酸盐，出水的n h 4 + - n 、n o a - - n 浓度分别稳定在o 1 m g l 和0 0 5 m g l 。以p h b 为碳源时，8 天后反硝化速率达到7 - - 4 1m g ( l h ) ，而p c i 和b i o n o l l e 在1 6 天后出 现反硝化效果，反硝化速率分别为2 l 1 6 6 m g ( l h ) 、1 2 7 7 m g ( l h ) ，低于传统 工艺中以甲醇或者乙醇作基质的反硝化速率，但与乙酸作基质时的反硝化速率接 近。以p c l 和b i o n o l l e 作碳源时，反应后期出水硝酸盐达到理论最小浓度5m g l 。 整个反应期间出水n 0 3 - - n 的浓度始终低于检出限0 2 3m g l 。 周海红 2 5 , 2 6 等采用p b s ( 一种商业化的b d p s 材料) 去除饮用水源水中的硝酸 盐，结果表明，p b s 反硝化系统承耐受p h 冲击负荷的能力优于传统填料为载体的 反硝化系统，当进水p h 介于4 5 9 5 时，反硝化速率为0 4 8 0 7m g ( g d ) 。在 中性p h 时达到0 7 0m e g d ) 。生物膜为混合菌群而且具有良好的分层结构，当进 水p h 出现波动时，生物膜表层可以生长一些耐p h 变化的微生物，而膜内部的微 生物得到保护。而且，反硝化菌能够在p b s 表面附着并发展出致密的生物膜，生 4 第一章文献综述 物密度非常大，对膜内的反硝化菌具有良好的保护作用，因此对进水中p h 、溶 解氧等环境因素的波动有良好的适应能力，在出水中没有发现亚硝酸盐以及d o c 的积累。 综上所述，利用可生物降解材料( b d p s ) 作为碳源以及生物膜载体处理废 水是一项新技术，有效地将高分子材料科学中的高新技术成果与水处理的基本原 理相结合。然而，关于利用b d p s 同时作为微生物的碳源和生物膜附着生长的载 体处理废水在我国刚刚处于起步阶段，有大量的工作需要开展，例如，新型b d p s 材料的合成及其性能表征、参数的优化、生物膜的结构及其特性的研究，出水 c o d 浓度的变化以及是否有中间代谢产物的积累等。目前，国内外的学者所研 制的可生物降解载体倾向于几个方向发展： 1 ) 载体比重轻型化【2 7 ，2 8 】 由于要将载体流化起来需要消耗大量的能量，所以载体的密度最好是接近于 水的密度，这样流化容易，耗能少。 2 ) 载体表面亲水化、官能团阳离子化及磁化1 2 9 , 3 0 载体的表面特性对于微生物在载体表面的附着起着很重要的作用，当表面亲 水时，或者表面带有正电荷或者带有磁性物质时，有利于微生物在上面附着。 3 ) 载体多孔化【3 l 3 4 】 载体的孔隙率大，有利于增大载体的比表面积，当微生物生存在载体的孔隙 中时，有利于保护微生物的生长。 1 3 纤维素降解性能及其用于水处理中的现状 纤维素材料是一种天然的高分子材料，生长和存在于大量绿色植物中，是自 然界中含量最丰富的高分子有机物，对于人类来说是一种取之不尽、用之不竭的 资源。与合成的生物降解材料相比较，纤维素材料有许多优势，如加工工艺比较 简单、成本低、加工过程无污染；该材料可以被微生物完全降解，这与利用淀粉 与聚烯烃共混所制得的生物降解材料不同。但是天然纤维素一般降解速度比较 慢，在自然界中完全分解需要一年左右的时间。由于在水处理中，出于对微生物 生长繁殖特点、载体用后处理和污染物回收方便的考虑，往往希望载体的降解时 间是可以人为控制的。例如，某些细菌在实际使用一段时间后会出现退化现象， 需要更换新的菌种。如果载体填料的降解时间和细菌的使用时间一致，成本低廉 的部分载体变为少量污泥，只需对污泥进行处理即可，简化了后续处理工作量。 此外，由于水处理载体通常吸收富集了大量有机物和重金属离子，用传统的焚烧、 掩埋方法势必造成有害物质的转移。因此，国内外的研究者们开始积极开发在使 第一章文献综述 用期内可自身行降解、用后处理成本低、对环境污染低、价格低廉的水处理用的 纤维素基生物膜载体材料。大量纤维素载体在使用过程中降解为低碳糖，为细菌 代谢提供部分碳源，特别适用于处理低b o d 的废水。因此，研究纤维素载体在 微生物环境中的耐用性以及降解特点具有较强的现实意义。 1 3 1 纤维素的降解机理 天然纤维素材料根据降解环境的不同其降解速度会有很大的差异。一般来 说，在自然环境( 指酸、碱度适中及正常微生物浓度) 下，天然纤维素材料降解 的速度比较缓慢，一般可以保证材料在使用期间的物理和化学稳定性。而在偏酸、 碱及富含微生物环境中纤维素则较易分解，为了保证材料在使用期间物理和化学 稳定性以及形状、结构和组成基本不发生变化，需要针对其降解机理来改变纤维 素的降解过程。纤维素的降解主要包括水解降解、氧化降解、生物降解和机械降 解。而纤维素作为水处理载体时起降解作用的主要是水解降解和微生物降解。 1 3 1 1 水解降解 1 ) 酸性水解：纤维素大分子的苷键( 配糖键) 对酸的稳定性很低，在适当的氢 离子浓度、温度和时间下，它发生水解降解。 2 ) 碱性水解：纤维素的配糖键对碱在一般情况下是比较稳定的，但在一定 的情况下也能发生碱性水解。它使纤维素的配糖键部分断裂，产生新的还原性末 端基，聚合度下降，强度下降【3 5 1 。 1 3 1 2 微生物和酶降解 纤维素是生物、微生物及细菌的滋生物和食品，除了某些大型生物老鼠、蟑 螂、蚂蚁等可起降解作用外，以人类的丢弃物为降解对象的主要是真菌( 黑曲霉、 磺曲霉、毛壳霉) 、细菌( 铜绿色假单孢菌、蜡样芽孢杆菌、棒状细菌) 和放射菌( 链 霉菌) 。生物降解的机理大致有以下3 种方式：生物的细胞增长使物质发生机械 性破坏；微生物对聚合物作用产生新的物质；酶的直接作用，即微生物侵蚀高聚 物从而导致裂解p6 | 。 纤维素酶的主要成分包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和p _ 葡萄糖苷酶。 通过3 种酶的协同作用，具有结晶结构的纤维素便可达到降解的目的并提高羟基 的反应活性。目前最被接受的酶水解降解机理如图1 1 所示。 6 第一章文献综述 广一天然纤维素 i 1 l 结晶区无定形区 i ii 多肽类化台物 氧化性降解纤维= 糖脱氧酶某些内切瞳 堑堑堡 ， 切酶内切酶协同作用 上 而丽型哗 占塑堕纤兰酶 下稍糯 葡萄糖 图1 i 天然纤维素生物降解机理 f i g1 1m e c h a n i s mo f c e l l u l o s eb i o d e g r a d a t i o n 影响纤维素生物降解的因素主要包括纤维素分子的化学结构、纤维素的酶可 及度( 结晶度) 、纤维素表面形态和环境因素。通常，水解反应是生物降解的先导， 因此，可以采用在纤维素大分子主链中引入酰胺基、烯胺基、酯基、脲和氨基甲 酸酯等易水解键接枝的方法来制备易生物降解的纤维素材料。粗糙的表面形态有 利于酶与纤维素分子之间的结合，使纤维素与酶发生作用，从而提高降解速率； 较大的表面积也有利于纤维素的生物降解，而且其影响要远远大于结晶度的影 响。因此，纤维越细，表面积越大，其降解性能也就越好。由于不同区域的土壤、 水中存在的微生物种类、矿物质种类及浓度不尽相同，所以，纤维素的降解速率 会因所处环境的不同而有很大的差异。 1 3 2 纤维素生物膜载体的开发应用状况 纤维素以价廉、良好的反应性、再生性和通用性被广泛用做载体材料。在酶 的分离纯化、蛋白质分离纯化、亲和色谱固定相等应用领域，往往采用球形纤维 素或膜状纤维素形式，而在水溶液吸附剂、分离回收金属离子等方面，一般直接 使用絮状纤维素【3 7 j 。 国内外对纤维素的应用研究主要是在生物工程的细胞培养、水处理的离子交 换以及吸附等方面。如庄义婷和黄均惠等【38 】用粘胶纤维素制备出直径在 0 1 8 - 0 3 7m m 的多孔颗粒，然后引入8 氨基喹啉基团，得到具有选择性的离子吸 第一章文献综述 附剂；朱伯儒和史作清等【3 9 1 用自制的球形纤维素通过与环氧氯丙烷的交联和活 化，用于对蛋白质的吸附也得到了满意的效果；曲红波与丛威等j 利用纤维素的 衍生物醋酸纤维素制备出直径约两毫米的小球，然后用n a l 0 4 活化固定糖化 酶，活性保持不变；胡显文和肖成划4 l 】则通过将纤维素铜氨均相溶液迅速深度冷 冻的方法，制成2 0 0 - - 一3 0 0 1 a m 的微球，而且具有良好的网状孔结构，使其交联d e a e 弱碱性阴离子交换基团，用于动物细胞培养。m i k y1 4 2 1 将纸浆等含纤维素物质用 环氧氯丙烷活化后再和二甲胺，二乙胺反应生成碱性吸附剂可用于染料和金属离 子的吸附；s h i g e o 等1 4 副用6 氯去氧纤维素和脂肪族二胺制各了烷基纤维素，在弱 酸性溶液中金属离子的吸附率随着p h 的增大而增加，吸附效率随着甲基部分长 度的增加而减弱；后来，s h i g e o 纠4 4 】用6 氯去氧纤维素制备了联氨去氧纤维素和 羧基烷基联氨去氧纤维素，研究了这些衍生物从水溶液中吸附二价过度金属离子 的行为。h i t o s h i 等1 4 5 】用纤维素粉末与四氯化钛反应，然后再和4 氮6 氨基乙基 三乙氧基硅烷树脂改性纤维素氧化钛( c t s n ) ，研究发现c t s n 在水中对重金属 离子如h 9 2 + 、c u 2 + 、p b 2 + 、f e 3 + 和c r 3 + 有很高的吸附能力。王玉恒等【4 6 】以自制大孔 球形纤维素为载体，利用双环氧试剂l ，4 丁二醇二甘油醚引入环氧基，以单宁 酸为配基，制得大孔球形纤维素载体固定化单宁( i m t s c ) ，并对固定化单宁吸附 蛋白质的性能进行了研究。 但是，以上关于纤维素的制备和应用研究还大多停留在理论和实验层次，而 日本在这方面的研究取得了令人注目的成果，并开发出用于离子交换和生物工程 细胞固定的多孔纤维素系列载体产品，并且将其应用扩展到废水处理中的微生物 固定上来。日本的生物材料公司早在上世纪9 0 年代中期就开发出了专门针对生 物流化床处理有机无机废水的名为a q u a c e l 的多孔纤维素材料，产品规格从 数百微米到一厘米之间，孔径在数十微米到上千微米，适用于大多数微生物的繁 衍生长，并且在废水的好氧和厌氧处理中都能取得满意的效果。例如，日本的 m a s a t o s h i 等1 47 j 利用粒径为1 m m 、孔径5 0 0 p m 的多孔纤维素载( a q u a c e l ) 在 流化床内对含氮废水进行硝化处理，研究表明氮的加载率可高达1 2k g ( m 3 d ) ， 而用藻酸盐、角叉菜胶、聚丙烯酰、聚乙烯基乙醇、氨基甲酸乙酯和聚乙烯乙二 醇做载体最高只能达到5k g ( m a - d ) 。且载体材料可在保证结构基本不变情况下连 续使用1 8 个月。此外，他们还发现，用多孔纤维素材料做微生物固定载体，启 动时间短，方法简单，只须将填料浸没于含有培养细菌的悬浮液中数小时即可， 3 0 天后可以达到最大处理能力。由此可见，多孔纤维素材料作为生物膜载体具 有许多独特的优势，对该载体在水处理中的应用研究应深入进行。而且，多孔纤 维素载体附着生物膜特性的研究尚未见报道，而对生物膜特性的研究涉及影响生 物膜形成、生长的因素及生物膜分析方法。 第一章文献综述 1 4 生物膜的形成及分析技术 生物膜形成的第一步也是最关键的一步，是微生物在载体表面的附着，随后 在给定环境下繁殖、增长，最终发展为具有一定厚度及密度的生物膜。生物膜的 生长过程一般认为与悬浮微生物的增长过程相似。c a p d e v i l l e 等4 8 1 在大量实验的 基础上提出了生物膜整个生长过程应该分为六个阶段：潜伏期或适应期、对数增 长期或动力学增长期、线性增长期、减速增长期、生物膜稳定期和脱落期。 微生物在载体表面附着固定过程可以看做为载体表面与微生物表间的相互 作用，大量研究表明微生物在载体表面附着固定一方面取决于细菌表面特性，另 一方面依赖于所用载体的表面物理化学特性。从理论上讲，细菌在载体表面附着、 固定过程可划分为以下几个步骤：微生物向载体表面的运送、可逆附着过程、不 可逆附着过程和固定微生物的增长，如图1 2 所示。 i 瘦相中悬浮微生物 毒 没有附着的微生物一微生物向载体表面运送 l 可逆附着 l 不可逆附著 i 固定微生物增长、形成生物腰 图1 2 微生物在载体表面固定的一般过程 f i g1 - 2i m m o b i l i z a t i o no fm i c r o o r g a n i s mo ns u b s t r a t u m 1 4 1 影响生物膜形成的因素 影响生物膜形成的因素很多，可归纳为三大类，即微生物自身性质、载体表 面性质以及环境特性。主要包括以下几个方面： 1 4 1 1 悬浮微生物浓度 在给定系统中，悬浮微生物浓度代表了微生物与载体间的接触频度。大量实 验证明，附着微生物的密度与悬浮微生物的浓度间存在正比关系。通过研究硝化 细菌浓度对硝化细菌在p s 表面固定速率及最大附着量的影响，发现微生物固定过 9 第一章文献综述 程中存在一个临界悬浮微生物浓度。在临界值以前，微生物从液相传送、扩散到 载体表面是控制步骤。一旦超过临界浓度，微生物在载体表面的附着、固定受到 有效表面积的限制，不再依赖于悬浮微生物浓度4 引。 1 4 1 2 液相p h 液相环境中，p h 的变化将直接影响微生物的表面电荷特性。当液相p h 值 大于细菌等电点时，细菌表面由于氨基酸的电离作用而带负电；当液相p h 值小 于细菌等电点时，细菌表面显正电性。由p h 引起的细菌表面电性的变化将直接 影响细菌在载体附着固定的动力学过程。利用胶体理论对上述现象进行解释，由 于z e t a 电位的存在，在带电的细菌周围形成双电层或溶剂化结构，这种表面溶 剂化结构阻碍了微生物与载体表面的有效接触；另一方面，这种溶剂化结构同样 会引起细菌与细菌之间的空间位阻，这都不利于微生物在载体表面附着固定。在 等电点时，细菌表面溶剂化结构消失，这时微生物在液相中处于一种极端稳定状 态，为了减少表面自由能，微生物趋于吸附到载体表面或自由聚集，以达到新的 稳定。 1 4 1 3 液相离子强度 液相离子强度将直接影响悬浮微生物的表面电荷，特别是影响细菌周围的双 电层结构，根据l e w i s 酸碱理论，液相离子强度由下式计算： ，s = 0 5 c ，z ? ( 1 一1 ) 式中，s 离子强度； c 离子i 的浓度； z ，离子i 的电荷数。 一般情况下，离子强度增加，细菌与载体的分离作用将减小，细菌更易与载 体结合。 1 4 1 4 悬浮微生物的活性 通常用微生物比生长率u 来描述微生物的活性，即单位质量的细菌增长繁殖 速率。当细菌生物活性较高时，其分泌胞外多聚糖的能力较强，细菌较容易实现 在载体上的附着固定。微生物所处的能量水平直接与它们的增长率相关，当| l 增 加时，悬浮微生物的动能随之增加，这些能量有助于克服在固定化过程中微生物 载体表面间的能垒，使得细菌初始积累速率与悬浮细菌活性成正比。而微生物的 活性与其培养历时有关，因此微生物的培养历时是影响细菌在载体结膜的因素之 1 0 第一章文献综述 1 4 1 5 载体表面的结构与性质 载体表面的电荷性和粗糙度将直接影响微生物附着的动力学过程。正常生长 环境下，微生物表面带有负电荷，如果通过一定手段将载体表面带上正电，将有 利于细菌在载体表面附着结膜。载体表面的粗糙度有利于细菌的结膜，主要由于 两方面原因：一是与光滑表面相比，粗糙的载体表面增加了细菌与载体间的有效 接触面积，二是载体表面的粗糙部分，如孔洞，裂缝等对已附着的细菌起到保护 作用。 1 4 1 6 水力剪切作用 在生物膜形成初期，水力学条件是一个至关重要的因素，它直接影响生物膜 能否培养成功。在实际水处理中，水力剪切力的强弱决定了生物膜反应器启动周 期。单从生物膜形成角度讲，弱的水力剪切作用有利于细菌在载体表面的附着和 固定。然而在工业生物膜反应器中，需要一定强度的水力学力以维持反应器中的 完全混合状态。 1 4 1 7 接触时间 细菌在载体表面附着固定过程是动态的，微生物与载体表面接触后需要一个 相对稳定的环境条件，必须保证微生物在载体表面停留一定时间来完成其生长过 程。 1 4 2 生物膜分析技术 1 4 2 1 生物膜质量的确定 常用的生物膜质量确定方法是在分析以前，首先把生物膜从载体表面剥落下 来。生物膜的剥落技术在生物膜的多项分析中起着关键作用，剥落回收率的高低 直接影响着其他分析的精确率。几种常用的生物膜剥落技术如下所述【4 引。 1 ) 机械剥落 对于形状规则，表面光滑的载体可考虑由简单的剥落方法使生物膜脱离载体 表面。这种方法易于操作，已经在生物膜反应器中得到较广泛的应用，但不适用 于表面具有孔隙或粗糙度较大的载体。 2 ) 超声剥落 对于形状不规则的载体，显然机械剥落方法不适用了，这种情况可先把生物 膜载体置于水中然后利用超声波冲击剥落生物膜。一般超声波发生器的功率可调 节，可根据具体情况选择合适的工作功率。实践表明此种方法剥落效果令人满意。 第一章文献综述 3 ) 超声协同化学剥落 生物膜与载体之间通常由体外多聚物所胶联。在这种情况下，若使用单纯的 超声波进行生物膜剥落，一般需要超声波的功率较高，作用时间较长。考虑到生 物膜体外多聚物的特性，可将生物载体置于1 m o l l 的碱液中并在6 0 8 0 保持 3 0 分钟。经过这样处理后生物膜与载体的胶联程度大大降低，这时再经过超声 波处理，可在较低的功率和较短的作用时间下得到非常好的剥落效果。实践证明， 经过这种方法处理后，多聚物载体表面的生物膜9 9 以上被剥落，剥落后的生物 膜可用于各种分析之用。 在生物膜剥落后，生物膜干重的测量方法如下：首先从生物膜反应器中取出 一定量的生物膜载体，用蒸馏水轻轻冲洗，以便去除未固定的生物量。经过洗涤 生物膜载体，可应用上述方法进行生物膜剥落的操作。剥落后，含有生物膜的溶 液经事先称重的0 4 5 i - t m 滤膜过滤。把滤膜置于温度为1 0 5 的烘干箱内，烘至 恒重。实践表明烘干时间在3 0 m i n 左右即可。过滤前后滤膜的质量之差即为剥落 生物膜重。最后可把生物膜绝干重折算成单位载体表面或单位反应器体积所有的 生物膜量。 1 4 2 2 生物膜厚度的确定 与悬浮生物系统相比，生物膜厚度是生物膜特有的参数。准确测定生物膜厚 度是研究生物膜增长动力学、底物去除动力学以及了解生物膜形态的实验基础。 生物膜厚一般在几十微米至几百微米，有时仅有几微米。根据实践经验，以下为 几种有效的生物膜厚度的测量方法【4 引。 1 ) 直接显微法 该方法是利用显微镜对生物膜表面以及载体表面两次对焦成像，通过物镜的 移动距离得到生物膜厚度，其工作原理如图1 3 所示。 载体 图1 3 直接显微法测试原理 f i g1 3m e c h a n i s mo fd i r e c tm i c r o s c o p e 1 2 第一章文献综述 具体操作方法如下：生物膜样品从反应器中取出后，直接放置于显微镜观察 平台上并加以固定。选定观察倍数后，对生物膜表面进行对焦，直到获得清晰图 像，记下此时的显微镜微调刻度数。然后继续通过微调钮调节物镜对载体表面进 行对焦直至获得对载体表面的清晰图像，记下此时的微调钮读数。两次成像时， 微调钮读数之差，经过校正后，即为所测生物膜厚。 2 ) 微米计阻力法 生物膜是附着于载体表面进行生长繁殖的，生物膜的零厚度从载体表面算 起。如果能够确定生物膜表面相对载体表面的位置，即可得到生物膜厚度。微米 计阻力法正是基于此原理，利用生物膜与载体表面的机械阻力不同而设计的。 3 ) 微米计电导法 微米计电导法适用于生物膜与载体间存在明显导电差异的情况。特别是当载 体为导电性材料时，应考虑采用微米计电导法。该法基本原理与微米计阻力法相 似，不同之处在于微米计电导法是利用生物膜与载体界面间导电性的变化确定生 物膜厚度。当探针在空气中运动时，电导针指示为零。一旦探针与生物膜表面接 触时，电导计开始偏转。当探针继续降至与载体表面接触时，电导计指针将剧烈 摇摆。与探针相连的微米计在这两种状态的读数之差即为生物膜厚度。 4 ) 膜侧线法 膜侧线法的工作原理是通过对生物膜载体侧面进行显微成像，然后根据图像 照片上的生物膜侧线直接测量计算厚度。该方法的优点在于经显微镜放大成像的 生物膜侧线，可用直尺进行测量。在不同侧线处测量后，取其平均值为观察的生 物膜厚度。 5 ) 间接计算法 对于许多形状不规则或具有孔隙结构的载体，其生物膜厚度很难应用上述方 法测得。对于这样的载体情况，可通过理论计算获得生物膜表观膜厚度。 1 5 本课题研究目的与研究内容 本文的主要目的是对课题中所制备的纤维素生物膜载体的降解特点和生物 膜附着规律进行研究。主要的研究内容是考察载体的性能和生态因子( 温度、底 物浓度和p h 值) 对载体降解和生物膜附着情况的影响。 第二章实验材料和方法 2 1 实验用载体 第二章实验材料和方法 本文所用的多孔纤维素载体为实验室自制，包括未改性、交联、交联且阳离 子化三种，具体制备流程参见文献 4 9 ，5 0 1 。其中，未改