（环境工程专业论文）固定化微生物技术处理乳品废水的研究.pdf

摘要 j i l l lrlllf l f l l l l f l l l li i jii l 17 4 6 6 71 摘要 固定化微生物技术( 简称i m c ) ，是指通过化学或物理手段，将筛选分离出的 适宜于降解特定废水的高效菌株，或通过基因工程技术克隆的特异性菌株进行 固定化，使其保持活性并反复利用。作为一种新的废水处理方法，是当今生物 工程领域中一个十分活跃的研究方向。本文以乳品废水为处理对象，研究其处 理的效果。 本研究采用天然高分子载体材料一海藻酸钠和人工合成高分子载体材料聚 乙烯醇( p v a ) 为包埋剂对微生物进行包埋，并应用于乳品厂废水处理中。实验以 三种不同的载体固定化方法进行，分别是：3 的海藻酸钠和1 0 c a c l 2 ；1 0 的 聚乙烯醇和饱和硼酸；7 5 1 0 的聚乙烯醇和o 5 1 0 的海藻酸钠联合，滴入 2 的c a c l 2 和4 饱和硼酸的混合溶液。经过最优条件实验，确定了p h 、温度、 小球浓度等影响因素，综合价格等因素，以废水处理效果为直接指标，评价各 种包埋剂的处理效果。 研究表明：( 1 ) 经固定化之后，活性污泥处理乳品厂废水的效果明显，三 种载体固定化方法的最佳处理效果都能使处理后的废水达到一级排放标准， c o d c r 控制在1 0 0m g l 以内。( 2 ) 三种载体固定化方法中以p v a 海藻酸钠包 埋法的处理效果最好。 ( 3 ) 三种包埋法的最佳条件是：温度3 0 ，p h = 8 ，固 定化颗粒与污水的比例为1 8 。( 4 ) 在最佳条件下，对乳品厂废水中c o d c r 的 去除率达到8 4 9 5 ，处理后废水的c o d c r 为6 8 5 5 m g l 。 关键词：固定化技术；载体；活性污泥；污水处理 a b s t r a c t i m m o b i l i z a t i o no fm i c r o b i a lt e c h n o l o g y ( i m c ) ，i sb yc h e m i c a lo rp h y s i c a l m e a n s ，w i l lb ei s o l a t e df r o mt h es c r e e n i n ga p p r o p r i a t et ot h es p e c i f i cd e g r a d a t i o no f t h ew a s t ew a t e re f f i c i e n ts t r a i n s ，o rt h r o u g hg e n e t i ce n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yt oc l o n ea s p e c i f i cs t r a i no ff i x e d ，t ok e e pa c t i v ea n dr e p e a t e du s e a san e ww a s t c w a t e r t r e a t m e n tm e t h o d s ，i st h eb i o l o g i c a le n g i n e e r i n gi nav e r ya c t i v ef i e l do fr e s e a r c h i n t h i sp a p e r ，f o rs e w a g ed a v yt r e a t m e n tt a r g e t s ，t h ee f f e c t0 1 1t h e i rt r e a t m e n t t h i ss t u d yu s e dn a t u r a lp o l y m e rc a r r i e r - a l g i n a t ea n ds y n t h e t i cp o l y m e rc a r r i e r m a t e r i a l s - p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) f o rt h ee m b e d d i n go ft h em i c r o o r g a n i s m s e m b e d d e da n da p p l i e dd a i r yp l a n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n t e x p e r i m e n tw i t ht h r e e d i f f e r e n tm e t h o d so ff i x e dc a r r i e r ，a r e ：3p e r c e n to ft h es o d i u ma l g i n a t ea n d10 c a c l 2 ；10 o ft h ep o l y v i n y la l c o h o la n ds a t u r a t e db o r i ca c i d ；7 5 - 10 o ft h e p o l y v i n y la l c o h o la n d0 5 - 1 o t h ej o i n ta l g i n a t e ，t h ei n f u s i o no f2 a n d4 s a t u r a t i o nc a c l 2m i x e db o r i ca c i ds o l u t i o n a f t e rt h e o p t i m a lc o n d i t i o n sf o r e x p e r i m e n t st od e t e r m i n et h ep h ，t e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o na n ds oo nt h eb a l l ， c o m p r e h e n s i v ep r i c ea n do t h e rf a c t o r s ，t ow a s t e w a t e rt r e a t m e n tf o rt h ee f f e c t so f d i r e c ti n d i c a t o r st oe v a l u a t et h ee f f e c to fe m b e d d i n g r e s e a r c hs h o w st h a t ：( 1 ) i m m o b i l i z e d , a c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n tt h e e f f e c to fd 嘶o b v i o u s l y ，t h et h r e ec a r t i e rf i x e dt h eb e s tm e t h o do f t r e a t m e n te f f e c tc a nb es ot r e a t e dw a s t e w a t e rt oa c h i e v ea ne m i s s i o ns t a n d a r d ，c o d e r c o n t r o li nt h e10 0m g lw i t h i n ( 2 ) t h r e ec a r r i e r si nt h ef i x e dm e t h o dt o p v a - a l g i n a t ee m b e d d i n gt h eb e s tm e t h o do ft r e a t m e n te f f e c t ( 3 ) t h r e eo ft h eb e s t e m b e d d e dc o n d i t i o n sa r e ：t e m p e r a t u r e3 0 ，p h = 8 ，i m m o b i l i z a t i o no f p a r t i c l e sa n d s e w a g er a t i ow a s18 ( 4 ) i nt h eb e s tc o n d i t i o n s ，t h ed a i r yf a c t o r yw a s t e w a t e r r e m o v a li nt h ec o d c rr e a c h e d8 4 9 5p e r c e n t , t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tc o d e rt o 6 8 5 5m g l k e y w o r d s ：i m m o b i l i z a t i o nt e c h n o l o g y ；v e c t o r ；a c t i v a t e ds l u d g e ；s e w a g et r e a t m e n t i l 1 1 3 常用的乳品废水处理方法2 1 2 固定化微生物技术的研究背景3 1 3 固定化微生物技术的研究现状5 1 4 固定化微生物技术的应用及展望6 1 4 1 固定化微生物技术在水处理中的应用6 1 4 2 固定化微生物技术在水处理中的展望8 1 5 固定化微生物的特点。8 1 6 固定化微生物的制备方法。9 1 6 1 吸附法9 1 6 2 包埋法10 1 6 3 共价结合法1o 1 6 4 交联法10 1 6 5 无载体固定化法1 0 1 7 固定化微生物的载体选择1 1 1 7 1 天然高分子载体1 1 1 7 2 有机合成高分子载体1 2 1 7 3 载体的混合使用：。1 2 1 7 4 常见细胞载体性能比较12 1 8 固定化原理一动力学基础1 3 1 8 1 微生物悬浮生长动力学1 3 1 8 2 固定化细胞动力学1 4 1 9 微生物固定化的影响因素1 4 i l l 目录 1 9 1 微生物的影响1 5 1 9 2 载体的影响1 5 1 9 3 环境特征的影响1 6 1 1 0 本研究的目的意义及内容1 6 1 1 0 1 研究目的意义一1 6 1 10 2 研究内容17 第二章实验原理、仪器设备及方法1 8 2 1 实验原理及流程18 2 1 1 实验原理18 2 1 2 实验流程18 2 2 主要实验仪器及设备18 2 3 主要实验材料：1 9 2 4 分析和计算方法1 9 2 4 1 分析方法。1 9 2 4 2 计算方法19 2 5 实验方法2 0 2 5 1 微生物的培养。2 0 2 5 2 固定化材料的选择及方法2 0 2 5 3 污水处理实验2 2 第三章实验结果与讨论2 3 3 1 单因素实验结果与讨论2 3 3 1 1p h 值对c o d c ，去除率的影响2 3 3 1 2 温度对c o d c ，去除率的影响2 6 3 1 3 固定化包埋颗粒浓度对c o d c 去除率的影响3 0 3 2 正交实验结果与讨论j 3 3 3 3 最佳工艺条件验证实验3 6 3 4 小结3 7 第四章结论与展望3 8 4 1 结论3 8 i v 目录 4 2 工作展望3 9 致谢4 0 参考文献4 1 攻读学位期间的研究成果4 4 v 第一章引言 第一章引言 1 1 课题背景 世界各国都在大力提倡乳与乳制品的消费。在发达国家，乳与乳制品已成 为人们日常膳食的重要组成部分。在发展中国家，其消费量也随着人们的收入 增加而逐年提高。如今随着生活水平的提高，我国人民也开始注重对乳与乳制 品的消费，尤其在城市更为突出，国家经贸委将乳制品加工业列入重点支持的 行业，中国政府还正在积极推行和实施“学生饮用奶计划”。由此可见，我国宏观 环境对乳品行业发展越来越有利。加之乳制品企业自身的努力，乳品行业已经 成为我国新兴而又极具发展潜力的食品行业，被社会公认为“朝阳行业”【l 】。 资料显示【2 】，2 0 0 2 年中国乳制品工业企业有1 6 0 0 多家，其中国有企业以及 年销售额在5 0 0 万元以上的非国有企业有4 6 2 家，规模以上乳品企业共完成工 业总产值3 5 8 亿元，销售收入3 4 0 亿元，同比增长2 5 2 ，利税总额3 6 亿元， 同比增长1 3 8 。2 0 0 3 年全国乳制品加工企业生产干乳制品1 4 0 5 万吨，比1 9 9 8 年增长1 5 5 9 ，平均年增长率为3 1 2 ；生产液态奶5 8 2 9 万吨，比2 0 0 0 年增 长3 3 4 9 平均年增长率为6 7 ；乳制品加工企业产值达5 0 0 4 亿元，比1 9 9 8 年增长3 1 倍1 3 1 。从整体情况看，国内大部分企业普遍规模小、技术落后、生 产效率低下，每生产吨液态奶耗水量在2 5 一 - t t 左右，相应排水量在2 2 - - - ，6 t 之间( 其主要污染物是有机物) ，约占全国工业废水排放总量的0 2 。乳品行 业的污水排放量虽然相对比较不是特别大，但污染物浓度相对较高，在有些城 市已影响人民的正常生活。 1 1 1 乳品废水来源 乳品工业包括乳场、乳品接收站和乳品加工厂。乳场废水主要来自容器的 洗涤水和冲洗水；乳品接收站废水主要是运送乳品设备的洗涤水；乳品加工厂 废水可以被分为三类：冷却水、环境卫生废水、生产废水。 ( 1 ) 冷却水。冷却水通常不受污染，它直接被排放到雨水管道系统，即从 雨水或雪水的排放系统排出。 ( 2 ) 环境卫生废水。环境卫生废水可先与生产废水混合再排放到污水处理 第一章引言 厂或直接排放到污水处理厂。 ( 3 ) 生产废水。生产废水来自于牛乳和其制品的泄露，以及与牛乳生产直 接接触的设备的清洗废水，废水的浓度和成分组成取决于生产程序、操作方法 和生产工厂的设计。 ， 因此，乳制品生产厂废水处理的目标主要是处理生产废水，本文以下所述 未经说明都是指生产废水而言。 1 1 2 乳品废水的特点及危害 乳品废水中主要含有糖类、蛋白质、脂肪酸、淀粉等有机物，不含对微生 物生长有毒害作用的物质，也不含大颗粒的悬浮物质，呈乳白色，c o d 、b o d 5 及s s 有一定差别。通常c o d 浓度平均为8 0 0 - - - 2 5 0 0 m g l ： b o d 5 平均浓度为 6 0 0 - - 15 0 0 m g l 。b o d 5 c o d 大于0 5 ，是可生化性较好的废水。水质和水量变 化一般比较大。 由于乳品废水中有机污染物含量高，直接排入水体后由于微生物生长需要 较大量的氧，大气复氧速度较慢，从而导致水体缺氧，其中的蛋白质在厌氧或 者缺氧状态下会水解，使水体中n h 4 + - n 的含量升高，会导致水体腐败变臭， 进而使水体中的其他生物缺氧窒息而死。因此，乳品废水对环境的危害比较大。 1 1 3 常用的乳品废水处理方法 现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物化学 处理法三类。 物理处理法是利用物理作用分离污水中的呈悬浮状态的固体污染物质。通 常作为生物方法和其他处理方法的预处理或者后处理工序。采用的处理方法与 设备主要有【4 】： ( 1 ) 筛滤截留法，主要包括筛网、格栅滤池和微滤机等； ( 2 ) 重力分离法，主要包括沉砂池、沉淀池、隔油池和气浮池等； ( 3 ) 离心分离法，主要是离心机和旋流分离器等。 工业废水的化学处理方法主要包括中和法、化学沉淀法、药剂氧化还原法、 电解法及其他氧化还原方法等。 废水生物处理的基本原理就是利用微生物的分解代谢作用，使废水中的有 机污染物得以矿化，无机污染物得以转化，并采用相应的工程设施，最终使污 2 第一章引言 染得以去除。由于乳品废水中有机物质含量高，可生化性很好，可以被微生物 直接或者间接利用。不含对微生物有毒害作用的物质，因此乳品废水处理主要 是采用生物方法。而在所有的生物方法中，固定化微生物技术由于其与游离微 生物相比，具有微生物密度高、反应速度快、产物易于分离、反应过程控制较 容易等优点【5 j 使得其得到迅速的发展，它是通过化学或物理手段将游离细胞或酶 定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用。是二十世纪后期发展 起来的新技术，最初主要集中于工业微生物的固定化及其发酵生产性研究。 1 2 固定化微生物技术的研究背景 最早的固定化可以追溯到古代，人们在酿造工业中添加各种固形物，使微 生物附着在其表面，以提高微生物的酿造效果。 1 9 1 6 年，n e l s o n 和g r i f f i n 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。现在所讲的固定化主要是以此为开端。随后，人们为了更有效地利 用酶，积极地进行了各种固定化技术研究和开发。 固定化微生物细胞的工业应用以日本千烟一郎等于1 9 7 3 年利用聚丙烯铵凝 胶包埋固定化具有高活性天门冬氨酸酶的大肠杆菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 生产l 天 门冬氨酸为标志。接着，他们于1 9 7 4 年又成功地固定了含延胡索酸酶的产氨短 杆菌( b r e v i b a c t e r i u ma m m o n i a g e n e s ) 用于生产l 苹果酸。 在我国，固定化生物催化剂的研究始于2 0 世纪7 0 年代初期，中国科学院 微生物研究所和上海生物化学研究所同时开始了固定化酶的研究工作。19 7 3 年， 中国科学院微生物所固定化酶研究小组首先成功地将黑曲霉葡萄糖淀粉酶吸附 到d e a e s e p h a d e x a 5 0 上，随后，应用s e s a 与甘蔗渣纤维素进行醚化反应得 到a b s e 纤维素，通过载体苯氨基重氮化偶联葡萄糖淀粉酶。7 0 年代后期，许 多单位相继开展了固定化酶和固定化细胞的应用研究。1 9 7 8 年，全国首届酶工 程会议后，固定化生物催化剂的研究和应用迅速扩展到全国各地，并取得了一 些可喜的成绩。 现在，固定化生物催化剂技术如雨后春笋般迅猛发展。它已由原来的单一 固定化酶，固定化微生物细胞发展到固定化动植物细胞，固定化细胞器，固定 化原生质体，固定化微生物分生孢子以及酶与微生物细胞，好氧微生物与厌氧 微生物的联合固定化( c o i m m o b i l i z a t i o n ) 等。其应用研究已涉及食品与发酵工 3 求开发高效废水处 其中日 微生物的研究是其主要内容之一。在同一时期，我国研究者在固定化微生物处 理废水、特别是难降解有机物废水处理方面做了许多基础性研究，并取得了一 系列研究成果。但迄今为止固定化微生物技术处理实际废水的研究仍处于试验 阶段。因此，应用固定化微生物技术现场处理实际废水，并考察其对各类废水 的适应性与广谱性研究既具有理论意义，又具有应用价值与紧迫性【7 】 目前，活性污泥法，氧化沟法s b r ( 间歇式活性污泥法) ，a b 法等是我国 城市污水处理厂普遍采用的工艺，这些都是成熟而有效的污水处理工艺，被全 世界广泛应用。但是在我国处理一吨水的费用较高，根据现阶段环境污染状况 及经济发展水平，必须开发和推广适合中国国情的城市污水处理技术。在工艺 选择方面要遵循科技含量高、设备国产化程度高、处理后水质质量高和投资低、 运行费用低的原则。因此迫切需要开发高效污水处理新技术哺】。 现在一直困绕化工废水处理的难题就是如何经济有效地去除难生物降解有 机物和浓度较高的氨氮。因难生物降解的有机物一般是人工合成物，具有毒性， 所以要严格控制其的排放。由于自然界存在的一般微生物对其降解能力很差， 采用传统的生物处理法，难于奏效。而采用其他的物理化学方法，处理费用往 往十分昂贵。废水中的氨氮排入水体，会影响作为生活饮用水水源的水体水质 和渔业生产，严重时会造成水体的富营养化。目前我国许多城市采用传统生物。 处理法中的硝化反硝化工艺处理生活污水和废水。这种方法可有效地去除废水 中低浓度的氨氮。但若某些化工废水中的氨氮浓度超过2 0 0m g l 时，一般的微 生物将会受到抑制，使生物硝化脱氮过程失效，而采用物理化学方法，同样存 在技术和经济上的问题例。 在固定化酶技术上发展起来的固定化细胞技术，由于其诸多的优点：生物 处理构筑物中微生物浓度高，反应速度快；固定对某种特定污染物有较强降解 4 第一章引言 能力的酶或微生物，使有毒难降解物质的降解成为可能；固定化技术为生理特 性不同的硝化菌、反硝化菌的生长繁殖提供了良好的微环境，使得硝化、反硝 化过程可以同时进行，从而提高了生物脱氮的速度和效率；固定化微生物特别 是混合菌相当于一个多酶反应器，对成分复杂的有机废水适应能力强，因而成 为近年来废水生物处理领域的研究热点。而为降解废水中不同类型的难降解有 机污染物所选育的可与之相抗衡的优势高效菌以及利用基因工程技术所构建的 基因工程菌，为固定化细胞技术处理废水提供了极大的潜力，使废水生物处理 技术将产生一次重大的技术革新1 0 l 。 固定化微生物技术应用于废水处理，具有反应器生物浓度高、处理能力大、 污泥产量少、菌种纯种高效、固液分离效果好、适应水质和p h 值变化能力强等 优点。这些优点使固定化微生物技术在废水处理中受到广泛的应用和重视，近 年来，成为各国学者研究的热点，并取得很大的进展【l l 】。 1 3 固定化微生物技术的研究现状 固定化微生物技术用于处理废水研究已经进入一个新的发展时期，相应的 理论构造己初步建立、并积累了较多的经验，换言之，固定化微生物处理废水 的广泛工业化应用已为期不远。目前的现状如下【1 2 】： ( 1 ) 固定化厌氧微生物利用较多。由于脱氮菌和甲烷发酵菌不必要提供氧， 因此对其进行固定化的研究较多。固定化方法可以恒定维持高浓度的具有很好 活性的脱氮菌和甲烷发酵菌，并且因厌氧菌的性质而不需考虑固定化易造成供 氧速度低下等问题。目前，对b o d 类物质去除效果好的活性污泥进行固定化的 研究较多，而对酚、胺等较难降解物质的细菌进行固定化研究较少。 ( 2 ) 固定化方法中以胶体包埋法为多。用水凝胶材料对微生物进行包埋为 常用的固定化方法，其直径一般在2 - 3 m m 。在基础研究中，使用天然高分子者 较多，而对实际废水长期连续性处理的应用研究中，由于天然高分子物质的初 期活性较低，因而多采用强度较高的p v a 等合成高分子物质为载体。 ( 3 ) 厌氧处理常用固定床，好氧处理多用于流化床。在厌氧处理时，固定 床容易操作，因此使用较多。在好氧处理中，载体的不断流动可实现快速和均 匀供氧，因而流化床使用较多。 ( 4 ) 在高负荷条件下运转。固定化微生物的运转一般为非固定化微生物的 5 第一章引言 3 1 0 倍，在处理浓度相同条件下，可实现高的微生物浓度和效率。通常场合， 好氧处理的b o d 负荷可达3 10 k g m 3 - d 。 1 4 固定化微生物技术的应用及展望 1 4 1 固定化微生物技术在水处理中的应用 固定化微生物法在废水处理中的最早应用是常规的活性污泥法废水处理系 统。活性污泥法中的微生物是以茵胶团形态存在于混合液中生长，并进一步形 成活性污泥絮体，所有的微生物几乎全部被包埋在微生物絮体内。因此，自然 形成的微生物絮体( 活性污泥) 可以看作是一种最原始的包埋固定化微生物1 1 3 1 。 2 0 世纪5 0 、6 0 年代，人们又开发出了生物膜法，它依靠微生物的自然附 着力在某些固形物的表面上形成附着性生物膜。如生物固定床、生物流化床、 生物接触氧化工艺等，这种固定化方法中生物膜内部含有多种微生物，特定的 高效微生物所占的比例较小。因此，不可避免的影响了废水处理的速率和效率 1 1 4 o 直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，人工强化固定化微生物逐渐引起人们的 注意。通过将微生物固定在高分子网络载体内，微生物不易脱落，可以利用那 些具有高活性但不易形成沉降的性能良好的絮体或生物膜的微生物，载体中的 微生物密度高。近些年来，各国学者对固定化微生物处理废水进行了大量的研 究【15 1 。 以下分别就几种废水为例介绍微生物固定化技术于废水处理的应用： ( 1 ) 处理含酚废水 含酚类物质属于环境优先控制的污染物，固定化微生物对废水中酚类等有 毒物质的降解能力远大于游离微生物。日本学者桥本浆对合成酚废水进行了连 续处理，并且对固定后的酚降解菌的净化机理进行了研究，发现在完全混合曝 气条件下的连续处理中，进水酚浓度从1 0 0 m g l 逐渐上升到1 0 0 0 m g l ，出水水 质良好，只有当酚的浓度高于3 5 0 0 m g l 时，出水酚浓度才开始上升【1 6 1 。 ( 2 ) 处理重金属废水 由于微生物经固定化后，其稳定性增强，抗生物毒性物质的能力大大增强。 因此，可被广泛地用于有机废水中重金属离子的去除。l l c h c 【广- j 等人利用 聚丙烯酰胺固定柠檬酸细菌【1 7 】。用于富集废水中的金属镉的去除。在最优化的 6 第一章引言 条件下，使用单级固定化微生物反应柱，金属镉的去除率达9 6 ，使用三级固 定化微生物反应柱，金属镉的去除率达1 0 0 。这种固定化微生物不仅能够去除 镉，同样也适用于去除铅、铜等金属。 ( 3 ) 处理氨氮废水 微生物去除氨氮需经好氧硝化，厌氧反硝化两阶段。而硝化菌、反硝化菌 的增殖速度慢，要想提高去除率，就要求反应器有较长的固体停留时间( s i h ) 的和较高的细菌浓度，采用固定化微生物技术可做到这点，故有利于去除氨氮。 周定等人将脱氮微生物包埋于聚乙烯醇中用以去除氨、氮废水，结果表明，在 低温，低p h 值的条件下，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。n i s s o n 用海藻酸钙固定假单细胞反硝化菌用填充柱对含2 0 m g l 硝酸盐的地下水进行连 续脱氮试验，脱氮效果良好，反硝化速度为6 6 r a g ( n ) ( h k s 凝胶) ，容积负 荷达至03 6 k s ( n ) ( m 3 d ) 1 1 剐。 中村曾用聚丙烯酰胺固定硝化细菌和反硝化细菌，用厌氧固定床和好氧流 化床对含氨废水进行生物脱氮试验，结果表明，在低温时，固定化硝化细菌的 硝化速度比悬浮系统增加6 - - 7 倍，反硝化速度比悬浮系统提高3 倍【1 9 1 。 喜 ( 4 ) 处理印染废水 印染废水具有水量大、有机污染物浓度高、色度深、水质变化大、成分复 杂等特点，属较难处理的工业废水之一。刘志培等人利用聚乙烯醇固定化混合 细菌细胞，进行了印染废水脱色的研究。实验结果表明：固定化细胞对印染废 水的脱色活性与其自然的细胞相比，最适宜的温度为3 0 - - , 4 0 。c ，p h - 7 0 ，在 p h = 6 0 - - 8 0 ，温度为2 5 - - 4 0 的范围内具有较高的脱色活性，并且热稳定性 增加。在连续运行一个月的试验中，水力停留时间小于3 h ，脱色率可维持在 7 0 - - 8 0 ，达到了处理要求。具有较高的实用价值【2 0 1 。 ( 5 ) 地表水的修复 传统的微生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 技术用于修复地表水尚存一定缺陷， 如：单位体积内优势菌浓度低、启动慢、菌体易流失、与土著菌竞争处于弱势、 抗毒性侵害能力差、对激烈的水力条件变化敏感等。李海波等采用改进的聚乙 烯醇、海藻酸钠包埋法固定微球菌修复受污染地表水，结果表明：相同时间， 条件下固定化细菌对c o d 的去除率明显高于游离菌，7 2 h 的去除率可达到 6 4 1 7 2 1 1 。 7 第一章引言 1 4 2 固定化微生物技术在水处理中的展望 固定化微生物技术是目前各国污水生物处理中竞相研究开发的内容之一。 它具有如下优点田j ： ( 1 ) 比普通活性污泥法的处理能力高1 3 倍，且出水水质好，抗水力、有 机负荷的冲击能力强，可降低运行费用，减少投资。 ( 2 ) 对于厌氧消化工艺，可保留对环境干扰敏感、生长缓慢的产甲烷细菌， 缩短了启动时间，使工艺稳定运行。 ( 3 ) 在降解有毒污染物方面，抗毒性作用明显加强。更有前途的是用包埋 高效率的混合微生物系作为投菌剂，能强化现场生物处理系统的处理效率。 固定化生物技术在处理难降解有机物、高c o d 和高色度废水以及除氮、处 理含重金属废水方面具有良好的效果，进来这种技术是水处理的热点技术之一， 已受到人们的广泛关注。迄今为止，国内外对固定化生物技术进行了大量的应 用研究，已经出现工业应用的实例，随着该技术的不断发展和成熟，固定化生 物技术必将大量出现在工业应用中。 1 5 固定化微生物的特点 固定化微生物处理废水的研究十分活跃，发展十分迅速，目前已进入实用 阶段的开发。与相同的生物处理法相比，固定化微生物技术的主要优势表现在： ( 1 ) 能够维持高的微生物浓度。一般情况下，反应器中的微生物浓度越高， 则需要的反应时间越短，并有利于废水处理设备的小型化。对常规的活性污泥 法，微生物浓度一般在1 5 0 0 3 0 0 0 m g l ，虽然会随着负荷增加而提高，但达到一 定程度后因流失严重而使之无法继续增加。当采用固定化微生物时，微生物浓 度可得到极大的提高，其负荷是常规活性污泥法的7 8 倍。 ( 2 ) 容易实现固液分离。微生物在不溶性载体上固定化后，使固液分离变 得容易，分离速度加快。分离后的出水中剩余微生物量很少，因此不需要大型 沉淀池。 ( 3 ) 可利用非絮凝体的微生物。常规的活性污泥靠自然沉降进行分离，因 此分解能力较高的微生物因易成悬浮状而流失。负荷等因素的变化亦会造成污 泥的膨胀从而使水质恶化。当采用固定化微生物时，微生物的利用与絮凝条件 无关。 8 第一章引言 ( 4 ) 可同时培养和利用增殖速度缓慢的微生物。硝化菌属于增殖速率较小 的微生物，需要很长的停留时间才能达到较高的微生物浓度，因而常规方法一 般通过循环，回流将流出的菌体返回。但是，这种方法对增殖速度大的微生物 而言在停留时间上存在不协调。当采用固定化微生物法时，微生物的流失远远 少于其它方法，增殖速度缓慢的微生物可得到充分利用，+ 该特点可以弥补停留 时间上的不协调性【2 3 1 。 ( 5 ) 可利用适合特殊废水处理的微生物。对于工业排放的特殊难降解化合 物，可通过某些专性菌的固定进行降解处理。例如在进行硝化、脱氮和甲烷化 的场合，即可利用固定高活性的专性微生物达到预期目的。 ( 6 ) 降低毒性物质对生物的影响。与非固定的悬浮系统相比，固定化系统 具有较强的抵抗有毒物毒性冲击的能力，能够忍耐有毒物质并能对有毒物进行 分解，特别是采用包埋法固定化技术时，微生物被高分子化合物所覆盖，形成 一个天然屏障。在各种蛋白质变性、蛋白酶以及其他高分子毒性物质突然涌入 的情况下，包埋法使微生物与毒性物质的接触受到限制，因此安全性大大增加。 ( 7 ) 去除效率高。由于选择性地固定了一些优势菌种，可使难降解有机物 较为快速地分解及转化，故去除效率较高。 。 ( 8 ) 剩余污泥产生量少。由于固定化微生物法的污泥转换率低，在高微生 物浓度下内源呼吸量大，因此剩余污泥产生量远比其他方法为少。对一般b o d 成分的好氧处理而言，其剩余污泥产生量仅为活性污泥法的几分之一1 2 4 】。 1 6 固定化微生物的制备方法 任何一种限制微生物自由流动的技术，只要满足微生物或其他反应物的可 透过性，提供反应的空间，就可作为微生物的固定方法。目前，固定化微生物 的方法多种多样，国内外没有统一的分类标准，主要有吸附法、包埋法、共价 结合法、交联法和无固定化载体法等【2 5 】。 1 6 1 吸附法 吸附法是利用微生物所具有的可吸附到固体物质表面或其他细胞表面的能 力，将微生物吸附在附加剂的表面的方法，可分为物理吸附和离子吸刚2 6 1 。物 理吸附是使用如硅胶、活性炭等具有高吸附能力的物质将微生物吸附在表面使 其固定化。离子吸附是利用微生物在解离状态下因静电力的作用而固定于带有 9 第一章引言 子交换剂上。吸附法操作简单，反应条件温和，对微生物活性影 定的微生物数目受所用载体的种类及其表面积的限制【2 7 1 ，微生物 力较弱，反应稳定性差，微生物菌体易脱落。 包埋法是将微生物菌体包埋在半透性的聚合物凝胶或膜内，或使微生物细 胞扩散进入多孔性的载体内部，小分子的底物和代谢产物可以自由出入这些多 孔或凝胶膜，而微生物却不会漏出【2 引。该方法操作简单，微生物固定过程对生 物的影响较小，包埋法所制备的高分子载体具有其他无机吸附剂所不具备的密 度低、易于流态化的优点，是目前最为常用的的方法，但包埋材料会在一定程 度上阻碍底物和氧的扩散，影响微生物的生长和产物的代谢。 1 6 3 共价结合法 共价结合法是利用细胞表面上官能团和固相载体表面的反应基团形成化学 共价键相连接，从而固定微生物。该方法固定化微生物稳定性好，不易脱落， 但限制了微生物的活性，同时反应激烈，操作与控制复杂。有研究者使用此法 固定卡尔酵母( s a c 2 c h a r o m y c e sl u t e u s ) 于已活化的多孔玻璃上【2 9 】，虽然细胞 已经死亡，但仍然保留生产尿酐酸的活性。 1 6 4 交联法 交联法是通过微生物与具有两个或两个以上官能基团的试剂反应，使微生 物菌体相互连接成网状结构而达到固定化微生物的目的【3 0 】。常见的交联剂有戊 二醛、乙醇二异氰酸酯等。s m i l e y 使用苯酚甲醛树脂d u o l i t ed s _ - 7 3 1 4 1 来吸附 枯草芽孢杆菌的a 一淀粉酶，再用戊二醛交联，形成酶一树脂复合物，用于连续 水解造纸废水中悬浮微纤维的胶态淀粉，效果很理想【3 l 】。交联法稳定性好，耐 反应环境的变化能力强，但反应条件激烈，对生物活性影响大。 1 6 5 无载体固定化法 无载体固定化法是利用某些微生物具有自絮凝形成颗粒的特性，使微生物 产生自固定，成为无载体固定化技术【3 2 】。这种固定化技术是一种全新的方法， 即在自絮凝颗粒形成过程中，同时形成了微生物适应的生态环境，使之有利于 微生物代谢之间的协调1 3 3 1 。这种方法相比以往的一些固定方法具有显著的优 1 0 第一章引言 势，将在环境工程中的污水处理领域得到广泛的应用【3 4 1 。 1 7 固定化微生物的载体选择 理想的固定化微生物载体应该具有以下特点【3 5 】： ( 1 ) 对微生物无毒性； ( 2 ) 传质性能良好； ( 3 ) 性质稳定，不易被生物分解； ( 4 ) 强度高，寿命长； ( 5 ) 价格低廉等。 固定化微生物包埋载体其归纳起来主要可分为两大类，一类是天然高分子 载体，如琼脂、角叉莱胶、海藻酸钙等；另一类是有机合成高分子载体，如聚 丙烯酰胺、聚乙烯醇( p v a ) 、光硬化树脂、聚丙烯酸等。天然高分子凝胶一 般对生物无毒，对微生物的亲和性优良并且传质性能较好，但强度较低，特别 是在厌氧条件下易被生物分解，其中琼脂强度最差。天然的角叉莱胶在分离出 影响其强度的一角叉莱胶成分后，强度和稳定性相应提高，相比之下应用较多， 但价格较高。 海藻酸钠价格较低廉，是其中应用较为广泛的微生物固定化载体，但海藻 酸钙( 海藻酸钠在氯化钙溶液中置换形成海藻酸钙，即钙化) 在高浓度的磷酸 盐溶液或含有m 9 2 + ，c 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，故其改性的研究倍受人们所关注。 包埋法由于其本身的优点，成为最普遍的固定化方法，本文主要讨论常用 于包埋法的载体。常用的包埋材料主要分为天然高分子凝胶类和有机合成高分 子化合物两大类。 1 7 1 天然高分子载体 天然高分子凝胶载体如琼脂、海藻酸钠、角叉莱胶等，一般对生物无毒， 传质性能好，但强度低，在厌氧条件下易被微生物分解，在实际运用中常加入 某种添加剂增强强度。 琼脂凝胶有良好的惰性，但机械性能与化学稳定性差，常在碱性条件下加2 ， 1 7 2 有机合成高分子载体 有机合成高分子化合物凝胶如聚丙烯酰胺( a c a m ) 、聚乙烯醇( p v a ) 等，一般强度较高，化学稳定性好，但传质性能稍差，包埋后对细胞的活性有 影响。在实际应用中应注意其表面亲水性，粒度均一性和内部孔的结构。p v a 因无毒，价廉，抗微生物分解和机械强度高等特点受到重视，被认为是目前最 有效的固定化载体之一。但存在传质阻力大，产气上浮及活性丧失大等缺陷。 1 7 3 载体的混合使用 实际中也常将几种载体混合使用，利用各自的优点以提高使用效率。p a i 用 含1 活性炭、4 海藻酸钙凝胶、l 湿菌体的海藻酸钙凝胶，包埋微生物以降 解苯酚废水，效果比较理想。l i n 利用海藻酸钙与吸附剂( 粉末活性炭) 联合包 埋固定p h a n e r o c h a t ec h r y s o s p o r i u m 菌，用于降解五氯酚，与非固定化和单独固 定化体系相比较，效果更佳【3 6 】。 本课题研究中，采用分别以海藻酸钠，聚乙烯醇( p v a ) ，海藻酸钠与聚 乙烯醇( p v a ) 两种包埋材料混合使用三种包埋剂。海藻酸钠包埋法是一种使 用最广、研究最多的包埋固定化方法，它具有固化、成形方便，对微生物毒性 小，固定化微生物密度高等优点。聚乙烯醇是一种新型的微生物包埋固定化载 体，它具有机械强度高，化学稳定性好，抗微生物分解性能强，对微生物无毒， 价格低廉等一系列优点，是一种具有实用潜力的包埋材料。 1 7 4 常见细胞载体性能比较 一些常见的细胞载体性能比较如表1 1 所示【3 7 】。 1 2 第一章引言 表1 1 几种固定化载体的性能比较 t a l b e1 1t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo fi m m o b i l i z e dv e c t o r s 1 8 固定化原理一动力学基础 孥 固定化过程通常很温和，固定化微生物本质上与悬浮微生物相似，在生长 过程中，都是通过底物( 污染物，溶解氧及各种必需营养物) 的吸收而代谢生 成产物。因此，扩散过程是固定化微生物动力学行为必须考虑的因素。在固定 化微生物反应器中，污染物，溶解氧以及各种必需营养物首先要经过液相扩散 到固定化颗粒表面，进而到固定化颗粒内部，只有扩散到固定化颗粒表面或内 部的污染物才能有机会被微生物所分解与转化，最终形成各种代谢产物( c 0 2 ， 1 2 0 等) 。由于底物及产物在液相及固相均存在浓度梯度，产物则沿相反方向扩 散。因此，固定化微生物生长动力学与悬浮生长动力学有很大差异。物质传递 现象是造成这种差异的主要原因1 3 引。 1 8 1 微生物悬浮生长动力学 微生物悬浮生长的培养方式可为间歇培养( b a t c hr e a c t o r ) ，补料分批培养 ( f e d b a t c h ) 和连续培养( c o n t i n u o u sr e a c t o r ) 。间歇培养时，在灭菌的培养基上 接种相应的微生物，然后不再加入新的培养基；补料分批培养是指培养过程中在 不同时期加入越来越多的营养物，但不除去旧的培养基；连续培养是指在培养过 1 3 第一章引言 程中不断加入新鲜的培养基，同时除去等体积的旧的含悬浮微生物的培养物【3 9 1 。 1 8 2 固定化细胞动力学 1 8 2 1 效率因子 固定化微生物的活性通常是以每克微生物在一小时内转化产生的产物克 数，或单位时间每毫升反应器体积形成的产物的克