（环境工程专业论文）固定化微生物处理甲醇废水的实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 固定化微生物技术作为生物工程领域中一一项新兴的技术，已经得到了日益广 泛的研究和应用。作为一种新的废水处理方法，固定化微生物与悬浮生物处理工 艺方法相比，具有处理效率高、运行稳定、污泥产生量少等独特的优点。 论文选取高浓度的甲醇废水，利用固定化包埋技术对废水进行污染物降解处 理实验研究。分别以海藻酸钠和聚乙烯醇( p v a ) 为包埋材料，包埋驯化后的活性 污泥，制成固定化小球颗粒，以其对甲醇废水中c o d 的降解为指标进行了正交试 验。确定了海藻酸钠和聚乙烯醇作为包埋剂的最佳包埋条件，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。 以海藻酸钠固定化小球为例，流化床作为微生物反应器，对甲醇废水进行处 理实验。通过研究生物量、水力停留时间、温度、p h 、进水浓度等因素对固定化 活性污泥降解c o d 和甲醇能力的影响，确定了最佳的实验条件：固定化小球与废 水的体积比为3 0 ：1 0 0 0 ，温度在3 0 4 0 ，p h 6 0 9 0 ，对进水c o d 浓度低于 7 2 2 2 m g l 以下的甲醇废水具有较高的处理效率。同时对固定化活性污泥和悬浮活 性污泥处理甲醇废水进行了对比研究，结果表明，在相同的条件下，h r t = 6 h 时， 固定化微生物对废水中c o d 的降解率达9 0 4 ，甲醇的降解率达9 4 4 ，而等量 的活性污泥对c o d 的降解率为8 2 9 ，甲醇的降解率为8 8 9 。证明了固定化微 生物处理较高浓度甲醇废水的优越性。 关键词：固定化微生物，甲醇废水，海藻酸钠，聚乙烯醇，生物降解 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i m m o b i l i z a t i o no fm l c r o o r g a m s m sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h er e s e a r c h e sa n d a p p l i c a t i o n s a san e wk i n do ft e c h n o l o g yi nt h e e n g i n e e r i n gf i e l d s a s at y p eo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t m e t h o d ，t h ei m m o b i l i z a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m s h a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f h i g hr e m o v a l e f f i c i e n c y , s t a b i l i t yo f o p e r a t i o n ，a n dl e s sy i e l do fs l u d g e c o m p a r e d w i t hm o b i l i z a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w a s t e w a t e rw i t hh i g hm e t h a n o lc o n c e n t r a t i o ni sc h o s e nt 0b e t r e a t e dw i t hi m b e d d e di m m o b i l i z a t i o no f m i c r o o r g a n i s m si nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t s e x p e r i m e n t s w i m t h ei m b e d d i n gm a t e r i a l s o d i u ma l g i n a t ea n dp v a a c t i v a t e ds l u d g e i si m b e d d e di nt h es h a p eo fb a l la n du s e di nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fm e t h a n o l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t sw h o s ei n d i c a t o r i sc o d t h e nt h e o p t i m u mi m b e d d i n g c o n d i t i o n so f s o d i u m a l g i n a t ea n dp v a a l ed e t e r m i n e da n d p e r f o r m a n c ei f i m m o b i l i z e d b a l la r ee n h a n c e du n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s t h ei m b e d d e db a l lm a d eo fs o d i u ma l g i n a t ei st a k e na sa r te x a m p l et o t r e a tt h e m e t h a n o lw a s t e w a t e r 、i t hf l u i d i z e d b e da st h er e a c t o r t h r o u i g ht h er e s e a r c h e so ft h e i m p a c t s o fb i o m a s s ，h r t , t e m p e r a t u r e ，p h ，c o n c e n t r m i o no fi n f l o wo nt h e c o d r e m o v a le f f i c i e n c ya n dm e t h a n o ld e g r a d a t i o no fi m m o b i l i z e da c t i v a t e d s i n d g e ，t h e o p t i m u me x p e r i m e n t sc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w i n g ：i m b e d d e db a l l w a s t e w a t e r = 2 0 1 0 0 0 ； t e m p e r a t u r e = 3 0 - - 4 0 * c ，p h = 6 0 - - 9 0 ，c o dc o n c e n t r a t i o ni nt h ei n f l o w ：t e s st h a n7 2 2 2 m e y e ，w h i c h h a st h e h i g h e s tr e m o v a l e f f i c i e n c y a f t e rc o m p a r e d t h et r e a t m e n t e f f i c i e n c y o fi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s ma n dm o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m ，t h er e s u l t s h o w st h a tu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，h r t = 6 h ，t h ef o r m e rt r e a t m e n tm e t h o dh a sa c o dr e m o v a le f f i c i e n c yo f9 0 4 a n dm e t h a n o lr e m o v a l e f f i c i e n c yo f 9 4 4 w h i l et h e s a m eq u a n t i t yo fa c t i v a t e ds l u d g eo n l yh a st h ec o u n t e r p a r te f f i c i e n c yo f8 2 9 a n d 8 8 9 w h i s hd e m o n s t r a t e st h ea d v a n t a g e so fi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mt r e a t m e n t m e t h o di nt h em e t h a n o lw a s t e w a t e r d i s p o s a l k e y w o r d s ：i m m o b i l i z e dm i c r o b e s ，m e t h a n o lw a s t e w a t e r , s o d i u m a l g i n a t e ， p o l y v i n y la l c o h o l ，b i o d e g r a d a t i o n i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 概述 随着人类生活水平的日益提高和工业生产的飞速发展，相应产生越来越多的 城市生活污水、工业废水，如造纸废水、焦化废水、制药废水、印染废水、石油 化工废水等等。这些废水进入江河湖海造成水资源的污染，导致水资源不足的问 题更加突出。因此水处理成为人类任何时候都必须进行的重要的工程。 废水处理方法，习惯上按处理原理不同，分为物理法、化学法、生物法三类。 其中，生物法也称为生物化学法，是废水处理中应用最广泛且比较有效的一 种方法，自从1 9 1 4 年由a r d e n 和l o c k e t t 发明的活性污泥法在英国正式投入试用， 并建成全世界第一个生物废水处理厂到现在9 0 年的时间内，废水生物处理技术已 经逐渐成为环境保护和废水治理领域中最为广泛的一种工程技术方法。近些年来 的研究也使得生物法成为一种经济合理、处理功能强、运行稳定的废水处理方法。 1 1 1 废水生物处理方法 废水生物处理是利用自然界中广泛存在的大量依靠有机物生活的微生物氧化 降解废水中污染物的方法。根据参与废水处理中微生物代谢的类型，废水的生物 处理技术可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。一般废水中有机物的浓度 若低于1 0 0 0 m 。l 时，比较适于用好氧处理，而厌氧生物处理则主要用于处理高浓 度的有机废水。其中，在好氧生物处理工艺中，需要提供足够的空气以满足微生 物对有机物的降解过程中对氧的需求：厌氧生物处理当中由于参与有机物降解的 微生物进行的是无氧呼吸而应该严格的控制废水中的氧含量。由于好氧生物处理 具有效率高，适应性广，因而成为一种主导的废水处理技术。 好氧生物处理概况 人们早已发现的水体自净基本过程的实质就是有机质在好氧细菌作用下，有 充足的氧气供给，进行好氧分解变成无机物质。这一分解过程也称为氧化，不过 它是一种生物氧化过程。水体中含有的有机物被自净的过程称为生化自净。有机 物在水体中进行好氧分解时，需要消耗一定数量的氧，这就是耗氧。洁净的水体 有较多的溶解氧，但有机物排入水体后耗掉水中大量的溶解氧，在缺氧情况下鱼 类死亡，水体变臭，这就是耗氧污染。采用人工措施，培养水中微生物，输入足 够的氧，以促进有机物的生化分解过程，这就是生物处理的实质。利用生物法处 理有机废水就是利用这一原理。 根据微生物在水中是悬浮状态还是附着在某种填料上区分，传统的好氧处理 法有分为活性污泥法和生物膜法，以及其他的一些自然生物处理法等。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 ) 活性污泥法 活性污泥法是目前应用最广泛的一种生物处理技术。将自然界中物质循环的 规律与生化处理技术的结合，形成了活性污泥法。活性污泥的构成物是以好氧菌 为主体所形成的绒粒，其中混杂着废水中的有机和无机的悬浮物质，胶体物质， 其表面上附聚着不同的原生动物、后生动物等，因此，活性污泥是一种很复杂的 物质。活性污泥的“活性”具体表现在两个方面：一是活性污泥对处于溶解状态 或细小微粒的有机物质有较强的吸附能力；二是好氧菌在氧源充足的情况下氧化 分解有机物质变成无机盐类。尽管活性污泥中的生物有细菌、真菌、藻类、原生 动物和轮虫、线虫等后生动物等，但对活性功能起决定作用的是细菌。在实验研 究过程中，以不同种类的废水作为培养基，在某种特定的条件下所培养出来的微 生物群体活性污泥，其构成的微生物并不限定某一特定种类，而在不同的营 养、供氧、温度、p h 值等条件下，形成以最适宜增殖的微生物为中心，微生物与 多种生物相结合的一个生态系。 2 ) 生物膜法 废水连续流经过固体填料，在填料上就会生成污泥状的生物膜，生物膜繁殖着 大量的微生物，起到与活性污泥同样的净化废水的作用。生物膜法有多种处理构 筑物，其中有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化和生物流化床等。 厌氧生物处理概况 厌氧生物处理是利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌在无氧的条件下降解有机污染 物的处理技术，是在厌氧环境和适宜的温度、营养等条件下，使厌氧微生物大量 繁殖并利用它们的生命活动过程，将废水中的有机物转化为简单的有机物和无机 物的过程。通常，有机物在厌氧条件下消化降解的过程又可分为三个阶段，即水 解发酵阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。 自然生物处理法 这种方法是利用在自然条件下生长和繁殖的微生物处理废水的技术。主要特 征是工艺简单、建设以及运行的费用都比较低，但是净化能力却受到自然条件的 限制。具体的处理方法又有土地处理法、稳定塘、水生植物和人工湿地等。 1 1 2 固定化微生物技术 由于在传统的废水处理工艺中，微生物通常是以悬浮态生长的，因而容易从生 物反应器当中流失，而且其与水的密度差异不大，使得从流出的水中回收重复利 用微生物变得较为困难复杂。 固定化微生物技术就是将微生物固定在载体上使其高度密集并保持其生物活 性功能，在适宜的条件下还可以增殖以满足应用之需的生物技术。 最早的固定化可以追溯到古代在酿造工业中的添加的各种固形物，微生物附 重庆火学硕士学位论文1 绪论 着在其表面以提高微生物酿造的效果。现在所讲的固定化是在n e l s o n 和g r i f f i n 在 1 9 1 6 年发现蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保持与游离酶同样的活性，随后人们更有 效地利用酶，积极地进行了各种固定化技术的研究和发展。 从2 0 世纪5 0 年代开始，固定化酶技术应用越来越广泛，1 9 5 8 年，g r u b h o f e r 和s c h l e i t h 通过重氮化共价结合法将羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等 固定在聚氨基苯乙烯树脂上。1 9 5 1 年，c a m p b e l l 口 l 备抗原白蛋白粘合于重氮基对氨 基苄基纤维素使之固定。六十年代，已经开始了为连续工业化生产所做的研究。 1 9 6 3 年，b e m f e l d 和w a n 利用聚丙烯酰胺包埋法固定了多种酶；1 9 6 9 年，日本千 烟一郎口j 等将固定化酰化氨基水解酶用于d l 氨基酸的光学分离，生产l 一氨基酸， 解决了d l 氨基酸的旋光度问题，成功地实现了固定化酶的工业应用，并于1 9 7 3 年利用聚丙烯酰胺包埋大肠杆菌生产l 一天门冬氨酸，成为固定化微生物细胞工业 应用的标志。 我国从上个世纪的七十年代开始了对固定化技术的研究，从七十年代初期的 固定化酶的研究到七十年代末的固定化细胞的研究，固定化生物催化剂的研究和 应用迅速发展了起来。 七十年代末八十年代初，由于水污染问题的日益严重，固定化微生物技术作 为一种新型、高效的废水处理技术出现在环境治理领域，国内外开始了对这种人 工强化生物技术开始了广泛的研究，并取得了令人嘱目的成效。目前，普遍认为， 固定化微生物技术在废水处理特别是特种工业废水或高浓度有机废水处理上有着 广阔的前景1 4 j 。 “固定化生物催化剂”这一术语在1 9 8 3 年首次出现于美国著名的杂志e n z y m e m i c r o b i a l t e c h n 0 1 上，国内很快采用。固定化催化剂的定义参照1 9 7 1 年召开的首 届国际酶工程会议上对“固定化酶”所作的定义口j ，是指用物理或化学方法限制或 定位在某一特定空间范围内，保留了其固有的催化活性，能被重复和连续使用的 酶、微生物细胞、动植物细胞、细胞器等生物催化剂。固定化生物催化剂包括：( 1 ) 吸附在固体表面的生物催化剂；( 2 ) 包埋的生物催化剂；( 3 ) 系统截留的生物催 化剂；( 4 ) 颗粒化或絮凝的生物催化剂。 固定化细胞技术是通过化学或物理的手段，将游离细胞固定在限定的空间区 域，使之成为生物活性好、无毒害、满足一定力学强度的生物材料。固定化细胞 具有细胞密度大、反应速度快、反应过程较为容易控制等优点，微生物被固定化 后，细胞内酶系仍可保持完整。这是生物工程领域的一项新兴技术，近年来广泛 地在医药、化工和环保等领域得到应用。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 研究的目的和意义 近年来，许多国家进行了把固定化微生物技术应用于废水处理的研究，并已 经得到越来越多成功的实际应用。如将筛选所得的优势降解菌或酶加以固定，就 可以制成一个快速高效连续处理工艺系统，以处理各种传统工艺方法所难以治理 的废水，同时可有效的避免二次污染问题。自2 0 世纪8 0 年代以来，国内外在应 用这种具有独特优点的新技术来处理工业废水和各类难以生物降解的有机污染物 方面已取得了令人瞩目的成果。固定化微生物废水处理技术与传统的悬浮生物处 理工艺方法相比，具有处理效率高，运行稳定、可纯化和保持高效优势菌种、反 应器生物量大、污泥产生量少以及固液分离效果好等一系列优点【6 】。因而该技术在 废水处理，尤其是特种废水处理领域中具有广泛的应用前景。 甲醇为无色挥发性液体，毒性很强，能在人体内积蓄，并有麻醉作用。甲醇废 水广泛存在于基本有机合成、塑料、人造纤维、制药、离子交换树脂、石油化工、 林业化工及硫酸盐纸浆化工废水中。为治理甲醇废水，国内目前已研制并采用的方 法有汽化法、微生物法、化学氧化法等【”。汽化法处理甲醇废水是依据废水中醇类 沸点低的特性，对于高浓度甲醇废水而言可达到治理废水与回收原料的目的，但 能耗较大。化学氧化法则利用0 3 、c 1 2 、h c l 0 3 等进行催化氧化，但氧化剂的制各 与使用很不方便。微生物法处理甲醇废水，国内外针对的主要是c o d 值较高的甲 醇废水。另外，还有上流式厌氧污泥床( u a s b ) 、氧化沟、好氧生物流化床等处理 方法。国外的研究主要是在脱n 除p 的情况下，将甲醇作为外加碳源予以去除。 这些方法有的尚处于试验阶段，效果不够理想。由于甲醇的生物可降解性很大， 生物处理方法就显得更为重要。但是，醇类有机化合物能使蛋白质发生变性或使 蛋白质脱水而使微生物致死，甲醇对于微生物毒害作用的最高允许浓度是 2 0 0 m g l ，所以对于高于这一浓度的甲醇废水用传统的生物方法处理是行不通的。 固定化细胞技术处理处理浓度较高的甲醇废水，就体现出了固定化细胞技术的优 点，不仅具有生物处理方法的优点，又有固定化微生物对高浓度专一性有毒有机 废水去除效率高的特点。 目前，微生物固定化方法特别是包埋固定化废水处理工艺主要仍处与实验室阶 段，实际工程应用很少，国内的应用实例几乎没有。本课题来源于国家教育部项 目合成有机高分子载体材料固定化性细胞技术研究。论文旨在利用较高浓度的 甲醇废水来作为实验用废水，致力于对固定化微生物技术中包埋固定化方法对废 水处理的研究。一方面，本课题通过利用目前固定化包埋技术中最常运用的两种 载体材料海藻酸钠( 天然高分子载体材料) 和聚乙烯醇( p v a ) ( 人工合成高 分子载体材料) 固定化优势菌种对甲醇废水进行处理研究，来对比人工合成高分子 载体材料和天然高分子载体材料的优缺点，以及对废水处理效果的影响；另一方 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 面，通过实验模拟以及控制进水浓度、温度、p h 值与水力停留时间等影响因素得 出固定化微生物技术对甲醇废水的最佳处理效果。通过实验研究为固定化微生物 包埋技术处理废水进行基础研究，为目前工业上难处理、专一性强的有机废水处 理新方法的后续实验研究和实现工业化提供有利经验和参考数据。 重庆大学硕士学位论文2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 2 1 固定化微生物技术 2 1 1 固定化微生物技术的分类 微生物的固定化方法目前国内外尚无一个统一的分类标准，方法多种多样， 新方法也层出不穷，加之不同的研究者采用不同的分类方法，很难做出精确的分 类。但根据其制备方法的不同，主要可以分为【6 ，8 j ：表面吸附( 结合) 固定技术、 胶联( 键联) 固定化、( 多聚体) 包埋固定化和自身固定化( 微生物细胞间自胶联 固定化) 等几种方法。 表面吸附( 结合) 固定化 表面吸附( 结合) 固定化，又称载体结合法，系指通过物理吸附、化学或离 子结合将微生物吸附在非溶性的载体表面而固定的方法。物理吸附法是使用具有 高效吸附能力的硅胶、活性炭、多孔玻璃、石英砂、纤维素等吸附剂将细胞吸附 到表面上使之固定化，这是一种最古老的方法，操作简单，反应条件温和，载体 可以反复利用，但结合不牢固，细胞容易脱落。化学或离子结合法是根据细胞在 解离状态下可因静电引力( 即离子键合作用) 而固着于带有相异电荷的离子交换 剂上，如d e a e 一纤维素，d e a e s e p h a d e x ，c m 一纤维素等。 该方法操作简单，而且由于载体的惰性并且没有化学试剂参与过程，所以被 固定的微生物处在于悬浮微生物相同的胜利条件下，因此微生物固定的过程对细 胞活性的影响小，但所固定的微生物数量受所用的载体的数量及其表面积的限制， 反应稳定性和反复使用性差，以及它的结合强度低。 胶联固定化 胶联固定化是利用两个或两个以上的功能基团，是微生物菌体相互连结成网 状结构，即使功能基团直接与微生物细胞表面的反应基团如氨基，烃基等进行胶 连，形成共价键而达到固定化的目的。由于在形成共价键的过程中，往往会对微 生物细胞的活性造成较大的影响，而且是用于此类固定化的胶联剂大多比较昂贵， 因而其在应用中受到一定的限制。 包埋固定化 包埋固定化是使微生物细胞包埋在半透性的聚合物或膜内，或使微生物细胞 扩散进入多孔性的载体内部，小分子产物及反应代谢产物可自由出入这些多孔或 凝胶膜，而微生物细胞却不能移动。这种固定化方法操作简单，能保持多酶系统， 且对微生物细胞的活性影响小，并且制作的固定化微球的强度高，是目前制备固 定化微生物最常用、研究最广泛的方法。 6 重庆大学硕士学位论文 2f 酗定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 按照包埋系数的结构又可分为凝胶包埋和微胶囊法。凝胶包埋法基本原理是 在需要包埋的细胞周围形成胶联的聚合物网络，通常是将聚合物单体，胶联剂和 微生物悬浮液混合，然后加入适当的催化剂使之发生聚合反应，微生物被限制在 聚合网络内部而被固定。微胶囊法是通过乳化作用，利用半通透性聚合物薄膜将 细胞包埋起来，形成微型胶囊，真径一般在1 1 0 0 1 t m ，具体又可分为界面聚合法， 液体干燥法，分相法，液膜法等几种。 自身固定化 是一种利用处理装置结构的合理设计、运行工况的良好控制及微生物自身作 用进行微生物固定化的方法。是通过严格控制生物处理反应器的运转负荷、处理 过程中的影响因素，在一定的水流条件下，依靠微生物自身的絮凝作用而形成的 固定化微生物。此法一般不需使用人工载体或包埋剂，所需固定化时间长且受环 境因素的影响大。升流式厌氧污泥床反应器和厌氧折流板反应器中的颗粒污泥的 形成就属于微生物的自身固定化过程。 2 1 2 固定化微生物载体的选择 开发筛选理想的固定化载体材料是固定化技术的一个基础。目前，对于固定 化技术来说，理想的载体材料应该具备以下特点 8 1 0 】： 1 ) 在固定化过程及固定化之后对微生物没有毒性： 2 ) 传质性能良好，传质稳定，也就是固定化微生物载体通透性能良好； 3 ) 具有足够的机械强度： 4 ) 固定化过程简单，容易在常温下实现： 5 ) 具有一定的物理和化学稳定性； 6 ) 具备一定的容量 7 ) 价廉易得。 传统的载体主要可分为两大类：一类是无机载体，如活性炭，多孔玻璃、石 英砂、氧化铝、硅胶、硅藻土、高岭土、沸石等；另一类是有机载体，这也是研 究的重点，有机载体又可以分为天然载体和人工载体两大类，天然高分子凝胶载 体，如琼脂，角叉胶，海藻酸钙等；有机合成高分子凝胶载体，如聚丙烯酰铵 ( a c a m ) 凝胶，聚乙烯醇( p v a ) 凝胶，硅胶，光硬化树脂，聚丙烯酸凝胶等。 由这些物质制成的凝胶小球通常表面有一层较薄的均匀球壳，结构为外密内疏， 内部呈蜂窝状，有大量孔洞，可以包埋许多微生物。这种多孔结构有利于微生物 的包埋、基质及降解产物的传递，凝胶表面的球壳还可以阻止生物从小球中泄出 “。一般而言，天然高分子凝胶对微生物无毒，传质性能较好，但强度较差，在 厌氧条件下易被微生物分解；有机合成高分子凝胶，一般强度较好，但传质性能 稍差，对细胞活性有时会产生影响。常见的固定化载体的性能如表1 - 1 【1 1 ： 重庆大学硕士学位论文2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 表1 1 几种微生物固定化载体的性能 f i g1 1 t h ec a r r i e rc a p a c i t i e so f d i f f e r e n ti m m o b i l i z a t i o n m i c r o o r g a n i s m s t e c h e s + 基质为葡萄糖 料有效系数：【固定化微生物氧利用速度( i 口go 加) 臌碎载体后微生物氧利用速度( t 1 1 90 2 e n ) 1 0 0 海藻酸钠作为一种天然的高分子载体材料，其价格低廉，是应用最为广泛的固 定化微生物载体材料之一。rj a m u n a 等i l2 j 利用海藻酸钠固定枯草芽孢杆菌细胞， 结果表明固定化细胞在发酵产酶十次后，酶活性都在2 5 0 u 左右。郝建平掣1 3 1 等用 海藻酸钠固定柴胡细胞，以及王克明【l4 】用海藻酸钠固定混合多菌种，都取得一定 成功。陈九武等1 15 j 采用海藻酸钠固定产酯酵母细胞，比较不同的海酸钠浓度在 o 2 m o l l 的c a c l 2 溶液中固定化成球情况，发现载体浓度为1 5 3 o 之间较适宜， 而浓度在2 5 时细胞增殖良好，产酯活性也最高。w a n g 等研究者【1 6 1 用海藻酸钠 固定p s e u d o m o n a ss p ，用于降解邻苯二甲酸二正丁酯，实验表明，整个固定化菌 体在培养期间呈现梯度呼吸活性。刘健等 18 】应用正交法研究了海藻酸钙固定化对 x a n t h o m o n a sc r r e p e s t r i s 2 0 6 冰核活性的影响，结果表明，对固定化小球冰核活性影 响程度大小的顺序依次为：菌悬液用量 海藻酸钠用l c a c l 2 浓度 固化时间。宋 向阳等【l7 j 以树干毕赤酵母为发酵菌株，利用海藻酸锰凝胶代替海藻酸钙，固定化酵 母使用寿命明显增加。翟晓萌【l 圳将筛选出的菌种用海藻酸钠为载体进行固定化包 埋，对黄浦江水进行处理，测试发现经4 8 h 处理，其对源水中浓度为5 3 4ug l 酚 具有9 0 左右的降解率。mb e c e r r a 等【2 0 1 利用海藻酸钠包埋细胞，研究了海藻酸钠 珠体的结构与直径对酶活的影响，发现珠体的直径越小，酶活性越高。目前人们 通常采用海藻酸钠一c a c l 2 形成海藻酸钙凝胶来实现固定化，但是海藻酸钙凝胶在高 浓度的磷酸盐溶液，或还有m g ”、k + 等微生物生长所必需的阳离子溶液中不稳定， 易破碎和溶解，不易于固定化细胞的多次回收再利用，这正是要将其用于大规模 废水处理所急需解决的问题【l 叩”。有人将制备好的0 l 胶珠用聚乙燃亚胺4 戊二醛 处理，凝胶小珠机械强度大大增强，反应过程中不再有融化现象发生，但酶活性 也急剧下降。有些人则向珠内加入添加剂，如黄豆粉，几丁质，脂肪酸麦角醇等 重庆大学硕士学位论文2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 2 2 , 2 3 】，增加其比重，减少发酵过程中凝胶珠上浮、崩溃，增强海藻酸钠的机械强 度和稳定性。 聚乙烯醇( p v a ) 做为一种应用最广的人工合成有机高分子载体材料，是日本 学者开发的一种新型的固定化材料【2 4 ，2 5 1 ，其价格低廉，相对其他的一些人工载体 材料，对微生物的毒性小，是目前国内外学者研究最多的一种载体材料。赵海霞 等【2 2 】以土壤作为微生物来源。利用p v a 为主要包埋材料，其他添加剂为混合载体， 对微生物进行包埋处理含酚废水，通过研究得出了最佳除酚效果。陈敏 2 3 】利用 聚乙烯醇包埋活性炭与微生物的固定化技术，给出较好的制备工艺，并对有机磷 农药水肢硫磷的降解进行了试验研究。周剑平 2 6 】以聚乙烯醇复合凝胶作为载体固 定化糖化酶，最终酶活达到l ，5 5 8 u g 干胶，酶活回收率是3 0 2 。袁林江【2 ”将反 硝化菌用聚乙烯醇包埋，并研究了其最佳的包埋条件以及固定化反硝化菌废水脱 氮的特性。但是，聚乙烯醇作为固定化微生物细胞载体又有其一定的局限性，由 于在聚乙烯醇固定化过程中引入的交联剂是硼酸溶液，所以在交联过程中，硼酸 溶液的酸性对固定化的微生物有一定的抑制作用，致使微生物活性不高；聚乙烯 醇是一种高粘性物质，在交联反应过程中容易发生粘连现象，成球困难；聚乙烯 醇固定化颗粒在应用中存在很大的水溶胀性，随着使用时间的增长，强度大大减 弱，在实际应用中极为不利。所以，近年来很多研究都是基于这些问题而进行的。 陈敏【2 3 j 等在聚乙烯醇的固定化过程中添加了活性碳，不仅使得固定化有吸附和包 埋的双重效果，而且改善了通透性并有助于成球。k u r a r a y 等在聚乙稀醇溶液中加 入少量海藻酸钠，然后滴入c a c l 2 溶液中，这样形成的凝胶颗粒的机械强度比一般 p v a 固定化颗粒高。桥本奖等报道，在p v a 固定化过程中添加酪蛋白、铝盐、铜盐、 钛盐有利于提高固定化颗粒的强度且减少活性损失【2 蚋。k u o c h e n gc h e n 等 2 9 1 人用 聚乙烯醇固定化之后用磷酸进行酯化，以固定凝胶球。李峰等人【3 0 在用聚乙烯醇 作为固定化载体材料的研究中，引入了o 1 5 的海藻酸钠来改善成球的难易性，加 入c a c 0 3 、s i 0 2 、f e 粉来改善球的性能。李花子等【3 1 研究者在使用聚乙烯醇作为 包埋剂的研究中，分别是用了延时包埋和加入丙烯酰胺和n - n 哑甲基双丙烯酰胺 来做为改善固定化凝胶球的方法。l o z i n s k y 和p l i e v a 3 2 】对p v a 凝胶作为固定化 载体作了较为全面的总结，他们认为聚乙烯醇凝胶固定化包埋技术优势有：低温 制备的p v a 凝胶 1 ) 有很高的大小孔隙率，提供最佳的菌体代谢物转运途径； 2 ) 有极好的流变学性能( 不易脆) ，可作为大多数反应器的固定化载体； 3 ) 有超常的热稳定性( 相比于热可逆性凝胶) ； 4 ) 对生物降解耐受性很高，对培养介质成分无不良反应； 5 ) 生物相容，无毒，低成本。 9 重庆大学硕十学位论文2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 显然，p v a 作为一种优良的固定化载体，将会得到更多的应用。 2 1 3 固定化微生物反应器口5 1 固定化微生物方应器主要有两大类，一类是纯种固定化反应器，另一类是混 合种群固定化反应器。混合种群固定化反应器主要是用于实现微生物自身固定化 的反应器，多通过合理控制反应器的结构、水力流态和投加必要的核心物质而达 到微生物的自身固定化，如工程上目前应用较广的u a s b 、a f b 、a b r 等等。纯 种的固定化反应器从最早由法国生物学家巴斯德设计的醋化器【3 3 j ，到目前应用最 多的流化床生物反应器、固定填充床、搅拌槽式反应器等几种类型，以及其他反 应器，近年来，反应器的研究也的到了发展。 流化床反应器( f l u i d i z e db e dr e a c t o r ，f b r ) f b r 是目前应用最广的固定化反应器，其内按照物质的存在状态可以分为气 相、液相和固相。借住上升流向( 通常为气体、液体混合相) 的作用使固定化颗 粒呈悬浮状态。具有良好的混合、传质特性和较高的氧传递系数，但流化床也存 在着处理要求较严、处理成本较高和不适用于有产物抑制的处理过程等缺点【3 4 1 。 固定填充床反应器( f i x e dp a c k e db e dr e a c t o r ，f p b ) f p b 在实验室中应用的较多，具有推流或近全混合的流态，适用于水力停留 时间较短、反应产物有抑制性的废水处理过程。其缺点是由于颗粒的重量与流体 压力，而使固定化微生物相互挤压、甚至破裂，降低颗粒与液体接触面，颗粒内 微生物活力下降。也可能在气液固三相运行时产生大气泡，运行不佳【3 5 。 搅拌槽式反应器( s t i r r e dt a n kr e a c t o r s ，s t r ) s t r 是批式反应器的衍生运行方式，可以作到反应液混合良好，各部位的成 分相同，但由于搅拌产生的强大剪切力，常常会破坏固定化细胞，导致包埋法和 交联法制成的固定化颗粒破裂。近来，人们通过将固定化颗粒固定在多孔的筛板 孔眼中与起搅拌作用的筛板一起转动来改进。 其他类型的反应器 除以上介绍的一些常用反应器以外还有膜生物反应器( m e m b r a n er e a c t o r ， m r ) 、转盘式生物反应器( r o t a t i n g d i s cr e a c t o r ) 、筛板反应器( d i e v e - p l a t er e a c t o r ， d p r ) 等等，这些反应器都有一定的应用前景。其中，膜生物反应器是用循环冷 冻法将固定化微生物制成平板膜状，适用于处理具有两个连续过程的废水处理方 式。 重庆大学硕士学位论文2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 2 2 固定化微生物在废水处理中的应用 2 2 1 固定化微生物在废水处理中的优点 利用化学或物理的手段将游离的微生物细胞限定在一定的空间区域，并保持 其活性以进行污染物的降解，这就是固定化细胞的污水处理技术扣j 。随着固定化微 生物技术的发展，在废水处理中微生物固定化技术的应用研究也越来越多，与普 通的活性污泥法相比，该技术的优点具体表现在以下几个方面： 密集的微生物，使得反应器中能保持较高的生物量浓度。微生物的浓度越 高，处理时间越短，而所需的反应器的容积也越小，从而有利于较少基建和运行 费用。传统的活性污泥法工艺中微生物的浓度一般在1 5 0 0 3 0 0 0 m g l ( 以m l v s s 表示) ，虽然负荷提高后可以促进微生物浓度的增长，但负荷或浓度过高后将造成 生物量的流失或泥水分离困难而间接的影响出水的水质，固定化后的微生物就克 服了活性污泥法的这一缺点。 容易实现固液分离。经过不溶性载体固定化后的微生物，微生物处于高度 的密集状态，易于与水分离，有利于微生物的截流与重复利用，随废水而流失的 微生物很少，有利于提高出水水质。 处理过程中微生物基本处于内源呼吸阶段，产生剩余污泥很少，因此不存 在二次污染的现象。同时，由于固定化将微生物限定在一定的空间内，不存在污 泥膨胀现象，避免了活性污泥法中依靠自然沉降分离而使一些悬浮于废水中但处 理能力较好的微生物流失，甚至由于污泥膨胀而致使水质变差的现象。 适用于含有有毒有害物质的废水处理，微生物的稳定性、抗毒性增强，对 不良环境的适应性也有所增强。微生物的高度密集或被高分子载体材料覆盖，一 方面增强了微生物的抵抗能力，另一方面载体材料也起到了缓冲和阻挡的作用， 削弱了有毒有害物质对微生物的冲击作用。 可以利用适合于特殊废水降解的微生物，选择性的固定一些优势菌种。对 一些特殊的难降解的废水或专一性废水的表现出较高的处理能力。 微生物固定化技术在废水处理上的诸多优点，吸弓l 了许多国内外研究者的目 光，固定化技术在废水处理领域的研究也得到了长足的发展。 2 2 2 固定化微生物在废水处理中的应用 处理难降解有机废水 固定化细胞废水处理技术，可筛选降解特定物质的优势菌属，对难降解废水的 专一、耐受性强、处理效果稳定，投资省、运行管理简单，降解效率明显由于传 统的生物处理技术。全向春等 3 6 将降解2 , 4 二氯酚的高效菌群固定化后，投加到 序批间歇式生物反应器中，研究表明，投加高效菌种能够缩短s b r 系统处理2 , 4 一 二氯酚的启动时间，增强其耐负荷冲击的能力，s b r 强化系统运行初期对2 , 4 二氯 重庆大学硕士学位论文2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 酚的去除主要靠固定化高效菌的作用，运行一个月后，固有菌和投加菌对2 , 4 一二 氯酚都具有很强的降解作用。a m a n d a 等【37 】以p v a - - h 3 8 0 3 包埋法固定化假单孢 菌，在流化床反应器中连续降解苯酚。固定化细胞在三相流化床中连续运行2 周， 进水酚浓度从2 5 0r a g 1 逐渐提高到1 3 0 0r a g 1 ，出水酚浓度均为0 。a n s e l m o 3 8 1 研 究了分别用海藻酸钙、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺来固定微生物降解苯酚，与游 离细胞进行相比，发现固定化细胞降解酚的速率要大得多，且细胞生物产量低。 南非r h o d e s 大学的l u k e 等人口9 j 用膜固定真菌的生物反应器处理含酚废水，该真 菌生产氧化酶，可以将酚降解，实验表明固定化后去除效率可以持续4 个月，而 未固定化的有效期仅为8 1 5 天。周定等【4 0 】用海藻酸钠包埋从活性污泥中分离得 到的热带假丝酵母菌，在自制的三相流化床内进行含酚废水的连续处理，进水酚 浓度3 0 0 m g l ，出水酚浓度小于0 5 m g l ，与悬浮生物相比，酚的容积负荷可提高 1 倍以上。l i n 4 1 利用活性炭和海藻酸钠复合载体包埋真菌降解五氯苯酚，5 0 0 h 固定化系统的五氯苯酚的降解率为4 6 ，是非固定系统的2 1 倍。v e k o v a 等 4 4 司 利用固定化土壤杆菌a g r o b a t e r i u mr a d i o b a c t e r 细胞降解除草剂，并于游离细胞进 行了比较，在选用的固定化载体：海藻酸钙、果胶酸钙和k 卡拉胶之中海藻酸钙 固定化细胞的降解速率最快。韩力平【4 3 】通过采用p v a 硼酸纱布法将筛选得到的 能够利用喹啉作为唯一碳源、氮源和能源的皮氏伯克霍尔德氏菌固定化，将固定 化细胞投加到流化床反应器中处理不同浓度的喹啉废水，结果表明：固定化细胞 流化床反应器内喹啉的降解过程遵循零级反应动力学，固定化细胞流化床反应器 可以高效的处理含喹啉废水。d a w y e r i 叫的包埋酚降解菌的降解实验表明：在分解 高浓度苯酚时，固定化菌优于游离菌；在低浓度条件下，固定化菌的分解效果就 不如游离菌的好。l e e 等m l 利用海藻酸钙固定化p i n e l o b a c t e rs p 细胞进行了降解 吡啶的研究，虽然研究结果表明与游离细胞相比，固定化细胞的比降解速率和对 吡啶毒性的承受能力并没有提高，但是由于固定化细胞具有较高的生物浓度，所 以其体积降解速率较高。l e e 等认为，固定化细胞具有较高的生物浓度和可以重 复利用，利用固定化细胞降解吡啶是可行的。 根据众多的研究实例可以看出，固定化细胞技术在难降解有机污染物治理中的 研究十分广泛，微生物经固定化后，对有毒物质的承受能力以及对于难降解物质 的降解能力都有明显提高。 处理高浓度有机废水 高浓度有机废水具有浓度高、难生物降解、毒性大等特点，废水所含的有机 物种类单一，采用一般的生物处理常达不到理想的效果。固定化细胞技术通过筛 选分离出高效菌株，或通过生物工程技术培养特异的菌株并进行扩大培养及固定， 不仅提高了处理构筑物中高效生物量的浓度，还可以大大提高反应速率和处理效 1 2 重庆大学硕士学位论文2 固定化微生物在废水处理中的研究现状及发展趋势 率【4 6 】。 罗志腾等【47 j 人以琼脂为载体，包埋固定化厌氧活性污泥细菌群，用o 5 的戍 二醛交联，在厌氧膨胀床中处理高浓度有机废水。研究发现，固定化细胞颗粒操 作稳定性较好，p h 在6 0 8 0 时，c o d 去除率均在7 5 以上，进水c o d 为 7 3 0 0 m g l ，回流比2 4 时，c o d 去除率达8 3 6 ，随着污水浓度的增高，c o d 最 高去除率可达9 6 。杨意东等【4 6 】定性定量的测定了制药行业高浓度有机废水的有 机物底物，筛选出降解以阿苯哒唑、扑尔敏和布洛芬为主要底物的3 种优势细菌； 应用了3 种结合固定化材料和2 种包埋固定化材料对优势菌群进行了固定化试验， 通过降解试验，在高负荷的情况下有机污染物最高去除率可达9 0 以上，比一般 活性污泥法提高功效1 ，3 ；提出了利用现有设施对高浓度有机废水的处理工艺设想。 陈敏等 4 8 , 4 9 以p v a 包埋活性炭与微生物，对有机磷农药一水胺硫磷的降解进行研究。 初始浓度为1 3 0 0 - - 2 5 0 0 m g l 时，去除率为5 5 7 2 。张小荷等 5 叫以p v a 作包埋 剂并添加活性炭的固定化微生物小球用于高浓度水胺硫酸的好氧降解。进水的 c o d 为2 1 4 5 - - 1 2 5 0 0 m g l ，每隔4 5d 用水冲洗4 8h ，在室温