（环境工程专业论文）粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究.pdf

硕士论文粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 ab s t r s ct t h ep r e p a ra t l on o f i m m o b i l l z ed h i gh e ffic i e n cy b a c t e r i a勿 g r o ， 改 ho f th e cel l s on 卯w d e rm 水r i a l sh a sbe ns tu d i e di nth i sarti c l e . th心 a s p e cts hav c阮e nma i n l y inve st i g a t e d : th e c u lt iv at io n and a c c l im at io n o f h i g h- e 币 c i e ncy b a c te ri a ， the best以i o o f th em i x 司 m ateri a l sand叔 p r o pert i e so fcok i ng was te w a t e rd e g r a d a t i o nby th e i m m o b i l 过 e d h i g h 一 e ffic i e ncy b a c t e ri a. t h r e e k in d s o f b a c t e d a p re s e rved in th e 1 a bor a l 0 卿h ave bec n a d o p 比 d ， 即d h a v e g o o d 。 a p abi l ityo f pol l utants deg r 翻a t i o n . 丁 加 。 bostm i xratiois3 : 1 : 3 . theo p t i m u mc u l 加 re c o n d it i o n s h a v e bee n fo u n d : 2 5 3o ac， a d d it io nal amo u mo f b ac te ri a i s z m l ， tabl e s pee d i s 1 2 5 r/min a ro u n d . the o r ig in a l w a te r q ua litya rec o o2 4 8 0 m g l 一 1， p h e n o l 3 8 7 l m g l 一 1， n h 3 刊5 5 .7 s m g l 一 1， a n d 小 e d e g r a d at io n ra te b y h ig h 一 e 伟 c ie n 即b ac t e r ia tre ated 3 d 即 s a re 7 4 乃 7 %， 8 3 .4 9 %， 6 5 . 0 5 %re s p e ct i v e l y . t h ro u g h t h e c o m p a r i s o n o f q u a nt i tyo f c e l l s a b s o rbed o n t h e e i ght k i n d s o f m ater i a i s ， act i v ated c a r b o n ， z e o l i te ， s a w d u s t and mi d d i i n g s h ave bee n c h o s e n t o u s e asm a 比 r i a l s o f i m m o b i l i z e d h i gh一 e ffi o 1 o n c yb a c te r ia劫cord l n g tot heq u a m it y o f 优l l s a b s o r 悦d o n u n it m a s s o f m i x e dm ater i a l s ， th e bestrati o o f th e fourm a 1 e r i a l s are 2 5 0 0 % ， 2 5 乃 0 %， 3 7 5 0 % a n dl z 万 0 % re s p e ct i v e l y . the0 p t im u mc u ltu rec o n d it io n so f h ig h 一 e ffic i e n c yb 朗 teri a g r o w i n g o n the m ixed m ater i a l s h a v e beenfo und : 3 0 ，c， a d d it io nal a m o u nto f b 邵 te r i a i s z m l and t a b l e s pee d i s l z 峨 扮 / mi n aro u nd. u i1 d e r th e c o ndit i o n o f s ame run n i n g t i me， th e d e g ra d at i o n ra t e o n c o k i n g w a s te w a t e r byi m m o b i l i zed h i g h 一 e ffic i e n c y b a c t e ri a i s s i g n i fi c antl yh i g h e r t h anbyfree c e i l st h e best dcg r a d at i onc o n d iti ons o f t hemh ave be e n fo und : a d d it io n a l amo u n t is 4 gp h7 8 ， 3 0 ，c an d ta b le sp e edis l 2 5 r/min . 仆e o r ig in a l w a t e r q u a li钾are c o o2 4 l o 毗l 一， ， 曲 e n o l 3 s z om g l 一 ， ，洲3 入 8 7 .s o m g u ，a n dth ed e g radat io nrateby im m o b i liz e d h i gh一 e ffic i e n c y b ac t e r ia treat e d 3 d a y s a re8 3 . 1 4 % ， 8 8 .4 7 % ， 7 0 . 5 2 %re s pec t iv e l y . t h e p e rfor m a n c e o f im m o b i l 论 e dh igh记 币c ie ncyb a c te ri a h ave bce ns tu d ied u n d er c o n d it i o n s o f d i ffere ntw ayso f p re se rv at i o n ， d i ffere ntt i m eo f pre s e rv at i o n . a n dt h e a v a i l a b i i i tyo f e xten s i v e c u l t i v atio n h asa l s o bee n i n v e s t i g ated k e ， w o rds : h i g h 一 e mc i enc y b ac te ri a ， m ater ia l ， i m m o b i l 吐 ， t io n ， c o ki n g w a s t e w a t e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在本 学位论文中.除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 必斗 问年 ， 月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 州扛 呻了 ” 日 硕 ! 二 论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 1绪论 1 . 1焦化废水概述 1 . 1 . 1焦化废水来源、成份及其水质特点 1 . 1 . 1 . 1焦化废水的来源 焦化厂以烟煤为原料生产焦炭和煤气， 同时回收炼焦过程， 】 . 产生的苯、 焦油、 氨、 酚等各类化工产品。 在生产过程中的各个工段都会有不同的废水产生， 经混合形成焦 化废水， 其组成成分复杂多变， 主要来源川 为: (l ) 煤高温干馏和荒煤气冷却过程中 产 生的剩余氨水， 炼焦原料煤的表面水及化合水在高温炼焦过程中挥发溢出和裂解析出 并随荒煤气进入初冷、 冷凝土序， 在初冷、 冷凝过程中与其它沸点较低的废水冷却形 成;( 2)煤气净化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水，包括煤气终冷的直接冷却 水，洗苯、洗蔡过程中的直接冷却水，粗苯加工过程的直接蒸汽冷凝分离水;( 3)粗 焦油加工、苯精制、精酚生产及古马隆生产等过程产生的污水;( 4)接触煤、焦粉尘 等物质的废水。 1 . 1 . 1 . 2焦化废水的成分 焦化废水所含污染物可分为无机物和有机物两大类，无机物一般以按盐形式存 在， 包括 困比万 c 0 3 、 n h 4 h c 03 、 困h 4 ) 2 5 04 、 n 践c i 、 n 践c n 、 n 比h s 、 n h 4 s 侧 、 侧h 4 磷2 伪等， 它们是 焦 化废 水中 n h 3 一的 一部 分。 孔令东 等川 运用 液一 液萃 取 和层 析法对水样进行前处理， 测出了2 44种有机污染物， 其中含量最高的是酚类， 其次为 毗咙、哇琳类、苯胺、苯系物以及联苯、峡喃类、咔哇、叫噪、己烷、蔡、唾吩等杂 环化合物， 及少量的 醇、 醛、 酸、 酉 旨 、芳烃类; 赵建夫 等阁 利用色谱/ 质谱仪分析得 到北京焦化厂进入曝气池的废水成分， 发现主要有机污染物为苯酚、甲酚、 二甲 酚及 苯， 约占 废水总有机碳量的82% ; 何苗等习 对焦化废水进行了 g c / m s 分 析， 共检出 51 种有机物，全部属于各类芳香族化合物及杂环化合物，其中苯酚类及其衍生物、 哇琳类化合物和苯类及其衍生物构成了焦化废水中的主要有机物( 占83.3 9 % ) 。 1 . 1 . 1 . 3 焦化废水的 水质特点 ( 1)成分复杂，如前所述，含有几十种有机物，还有大量以钱盐、硫化物、氛化 物等形 式 存在的无机物同 ; (2 ) 含有大 量有毒有害物质， 对水体中 微生 物的 生 长具 有抑 制作用， 废水中的 不少多 环芳 烃和杂 环化合物是“ 三致” 物质， 危害人体健康风 1 ; 硕_ 1 ; 论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 (3 ) 含有大量难生物降解的有机物，含量最高的污染物是酚类物质，具有代表性的四 种难降解物质是哇琳、 叫噪、毗咙、联苯，可生化性较差， b o d s /co d 值较低，约为 0.3.4 ， 甚 至低于认 3 阁 ， (4 ) 色 度高， 由 于 焦 化 废水 成分 复 杂 且含 有 大量难降 解物 质， 因此色度较高:( 5)对于不同的焦化厂， 其焦化废水中污染物的组成和浓度差异较大; 对于同一座焦化厂， 在不同的季节以及生产条件下， 废水中的污染物浓度也有较大波 动9l 。 1 . 1 . 2焦化废水处理技术现状及其存在的问题 焦化厂广泛使用的普通生化处理工艺， 基本上由除油池、 调节池、 浮选池、 曝气 池， 污泥沉淀池、 混凝沉淀池和鼓风机等设施设备组成，由于氨氮浓度太高， 故在进 入生化处理装置前， 废水先混合送蒸 氨装置脱去大部分氨氮 污染物侧 。 采用传统处 理 工艺， 虽然对焦化废水中的油、高浓度酚、氰化物、 硫化物等有较好的去除效果， 但 对氨氮和难降解有机物的 去除不理想，其处理出口 排水中的 c o d cr，n h 3 入等污染物 指标均难于达标。除此之外，大多数处理设施建造于20世纪70， 80年代，普遍存在 设备老化、 管理不善、 处理效率低下等问题，同时由于我国口 前焦化行业普遍经济效 益下滑， 在废水处理上普遍开工不足，多数厂家脱酚、蒸氨装置停置，导致废水处理 效果不佳。冯玉军等lln 指出国内 外各种焦化废水处理技术， 普遍存在以下三个问题: 废水难以达标排放; 绝大多数企业未考虑焦化废水的回用; 废水水处理成本偏 高，企业难以接受。 为了 提高c o d ， n h 3 一的去除率，国内 外许多学者对焦化废水的 特性进行了 大量 的试验研究， 提出了许多切实可行的处理技术和工艺， 这些处理技术， 对减轻焦化废 水对环境的危害、保护水资源起到了积极的作用。 ( 1)焦化废水预处理技术， 焦化废水中所含的高浓度氨氮物质、 微量有高毒性的 cn ， s cn一， 5 2 一 以 及生 物 难降 解的 焦油 类、 蔡 类等 不溶 性 有机 物 等， 均 对微生物 有 抑 制 作用， 需要采用适当的预处理技术， 尽可能在生化处理前降低其浓度或改变其分子结 构，提高废水的可生化性。预处理还具有除油、去除废水中的分散颗粒和胶体物质、 吹脱氨氮等作用。 主要 有: 厌氧水解( 酸化) 法tl l 、 fenton 试剂法呱3 1 、 稀释法 4 、 蒸 汽气提法、 气浮法圈以 及只相分离技术， 旧 等。 ( 2)焦化废水二级处理技术方法很多， 有生物强化 技术lv幻 、 湿式催化氧化技术 ( c w o ) ， ， 、 队c t- 硝 化 一 反 硝化 技 术之。 ， 、 三相 气 提升循 环流 化 床， ， 等。 ( 3) 焦化废水深度处理技术， 焦化废水成分复杂且难降解物质多， 考虑到生化处 理本身具有一定的局限 性， 有些污染物并不能通过生化处理降解， 为使出水水质能全 面达标，就须对焦化废水进行深度处理。目 前有多种深度处理技术，主要有: 投加多 种混凝剂22 一 24 、 折点 加 氯法、 氧化塘处理法圈、吸附 法阶洲 、 生物铁炭法等。 2 硕j : 论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 根据焦化废水有机物的特性，研究开发新型的高效水处理工艺，对于减轻焦化 废水对受纳水体的污染， 保护、改进饮用水源水质都有很大的意义， 在国内科学工作 者的 努力 下不断 有新的处 理方法出 现， 如固 定化生物技术卜川 ， 等离子体处理 技术32， 超声波法侧， 辐照 法34 等等。 另 外， 也有人提出“ 以 废治废”， 这样不 仅具 有投资省、 运行费 用 低的 优点， 处 理效果 也很好， 如用含低浓度5 仇的 烟气处理焦化废水圈， 利 用烟道气处理焦化剩余氨水或焦化废水国。 尹承龙等人9 根据我国焦化废水处理的实 际情况， 指出重新兴建一套废水处理设施当然是最理想的解决办法， 但是弃旧重建必 然造成资金和上地资源的浪费， 并影响实际生产。 他提出了两种较为适宜的解决方法: 其一是按照现有处理工艺的设施情况，酌情改造将普通生化处理技术改造为改进型 a /o生物脱氮处理技术; 二是将焦化厂废水实行分流处理，新建一套催化湿式氧化处 理设施，处理剩余氨水，并取代蒸氨设施。 深人研究焦化废水的先进处理技术， 既是当前经济建设面临的现实问题， 也是将 来进行技术攻关的重点， 只有不断提高现有处理技术的处理能力、 增强新技术的经济 技术可行性， 将各种方法有机地结合起来， 取长补短才能找到治理焦化废水的最佳方 法。其中优势菌技术也是当前研究的热点之一。 1 . 2高效菌技术 1 . 2 . 1高效菌技术在废水处理中的优越性 微生物处理有机污染物的能力是巨大的， 但在一定空间和时间内其降解能力却是 有限的阁。 为了 提高 废水处理系 统的处理能力常向 该系 统中 投加从自 然界中 筛 选的高 效菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种， 它是通过向自然菌群中投加具有特殊作 用的微生物来增加生物量， 强化微生物对某一特定环境或特殊污染物的反应。 投入的 菌种与底质之间的作用主要有: ( 1)直接作用， 就是通过驯化、筛选、诱变、基因重组 等技术得到1 株或儿株以目 标降解物质为主要碳源或能源的微生物， 向处理系统中投 入一定量的该菌种，就会达到对目 标去除物去除效果的增强作用;( 2)共代谢作用， 就是对于一些有毒有害物质， 微生物不能以其为碳源或能源生长， 但在其他基质存在 下能够改变这种有机物的化学结构使其降解. 与普通的活性污泥相比， 高效优势菌具有以下优越性: ( 1) 达到预定处理程度所 需的反应时间减少， 处理效果得到加强， 提高了对口 标去除物的去除效果， 从而降低 了 运行成本川 ; ( 2)可以 增强污泥沉降性能， 有效消除污泥膨胀， 还可以大大减少污 泥的产生。 一般可使污泥容积降低 1 7 %30%。 这样不仅改善了出水水质， 而且减少 了 排放和消 化剩余污泥消耗的能源【朋 。 刹 : ( 3)通过向 污水处理系统中 直接投加一种或 几种具有特殊作用的微生物， 强化系统生物量及其对特定污染物的作用来扩大和改善 硕士论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 系统性能 ， 增强了 耐负 荷冲击能力 和系统的 稳定性刚。 1 . 2 . 2高效菌的获取 1 . 2 . 2 . 1筛选分离驯化高效菌 ( 1) 直接筛选分离从受污染物长期污染的上壤、河水、底泥和海水以及废水 生物处 理装置中筛选分离出能 对难降 解污染物进行降 解转化的 高效 菌; 孙艳111 2 等从 北京焦化厂排放的含酚废水中分离纯化一种降解苯酚的细菌， 经驯化其苯酚耐受力达 9.5 m 叭， 大 大 高 于 活 性 污 泥中 微 生 物的 苯 酚 耐 受 极 限 。 张 西 玉 等 圈 从 焦 化 厂 污 泥 样 品中分离筛选出的两株优势菌株a 一 3和a 一，能明显降低生化处理后废水的色度及 c 0 d ， 两株菌暂分别归 类于芽 抱杆菌属和奈瑟氏 球菌属。 聂 麦茜等人44从 长期被 焦化 废水污染的污泥中分离的特效优良菌，能够扫开芳环结构， 破坏芳环共扼体系，降解 转化多环芳烃及杂环芳 烃。 刘涛等俐 从废水中 分离筛选到一株苯酚高效降 解菌l 68， 它能在以 苯酚为唯一碳源和能源的 无机培养基上生长， 在苯酚浓度为0. 5 叭的 培养液 中接种一定量的该菌， 经过24h 培养， 用4 一 氨基安替比琳法不能检测到酚， 经形态、生 理生化以及 1 6sr d n a同源性等指标分析， 鉴定该菌种为洋葱柏克霍尔德氏菌 (b u rkhol de ri a ce pacia)。 雷 萍 等圈 从 武 钢焦 化 厂 活 性污泥中 分 离 筛 选出8 个能以 蔡或 毗咤为唯一碳源的 优势菌株， 并试验了它们对焦化废水的降解效果，发现其中 c n 3 ， c n 4 和d b z 投加到活性污泥中后可提高污染物降解率。 ( 2 ) 驯化后获得许多微生物并不是天生就具有降解有毒有害污染物的能力， 而是通过驯化逐渐 “ 学会”的， 即催化有毒化合物的酶系是可以诱导的， 因此有些研 究人员利用待处理的 废水对微生物种群进行自 然筛选，使微生物对污染物逐步适应， 驯化一定时间后也可得到降解特定有机物的高效菌。 为了减少分离筛选菌种的重复劳动， 研究人员已经开始建设高效降解菌株库， 构 建系统进化树， 从分子生物子水平探讨降解代谢途径的起源与进化， 极大地丰富了微 生物资源，井促进了微生物资源的利用。 1 . 2 . 2 . 2构建工程菌 许多散布于环境中的污染物是人工合成的物质， 可能是抗生物降解的， 也可能被 转化为抗生物降解性产物， 被微生物降解的速度极慢， 或者降解不完全。由于它们在 自 然界中存在的时间同生物进化过程相比是短暂的， 在某些情况下， 这个阶段还不足 以使生物进化产生相应的降解酶， 或形成与酶催化位点相关的功能基团， 要降解这些 污染物， 仅靠自然界中的微生物有时是不够的， 需要对微生物及其酶系进行改造， 使 之获得高耐毒性、 高降解活性以及特异或广谱降解污染物等的优良遗传性状， 并将其 硕士论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 应用于污染治理， 特别是难降 解有机废水的处 理， 即 构建工程菌147。 故构建高效工程 菌日益受到人们重视，目 前研究比较多的是利用诱变、 原生质融合和基因工程等高科 技手段来构建高效菌。 应用工程菌净化污染物的主要优点: 集中构建目的基因， 提供综合性代谢新污 染物的通路和杂种细胞: 提高代谢通路结构基因表达， 针对新的污染物， 改变表达 的调节方式: 控制降解途径的限制性步骤， 提高分解酶的合成或其他生化反应过程 的效率: 防止有毒终端污染物的产生，防止非需要产品的出现，用确定的基因实 现最初的目的。 虽然人工构建基因工程菌具有较高的降解难降解污染物及其有毒有害 污染物的能力， 但基因工程菌在污水处理中的应用， 以下问题还有待进一步研究: 目的基因的定位与调节; 工程菌在生物处理构筑物中的生存能力;克隆基因的 表达能力等【 阁 。 尽管将构建的工程菌释放于环境的 风险尚 不清楚， 但是人们不能因 噎 废食，构建使有机物矿化和解毒的新降解途径，仍然具有广阔的前景。 1 . 2 . 3高效菌技术在焦化废水处理中的应用 把能够降解特定污染物的高效菌种，有针对性地投加到已有的污水处理系统中， 能够快速提供大量具有特殊作用的微生物， 在有毒有害污染物治理中显示出巨大的潜 力妇 ， 刚 ， 该方法是新兴的 废水处理方法， 具有专门处理某些污染物指标或特种废水的 特点， 尤其适用于难降 解有机废水sl 刘 。 所投加的 微生物应满足三个基本条件: 投 加后， 菌体活性高; 菌体可快速降解目 标污染物: 在系统中不仅能竞争生存， 而 且可维持相当数量。 雷萍等困 将3 种优势菌种投入活性污泥， 对焦 化废水进行降 解， 结果 表明， 改良 污泥的 降 解率比 先 前 分别 提 高了16 .3 % ， 13 % 和3 .3 % 。 wangji an fo ng 等【胡 在 焦化 废 水 的处理中，以哇琳为目 标污染物， 将命名为b u r k h o l deri a p ic kettii 的哇琳降解优势菌投 加到a z /o系统的好氧反应器中， 能 有效 提高难降 解有机化合物的 去除率。 上海某环保 公司【洲 在我国台 湾某公司帮助下， 于1 9 9 7 一1 9 98年先后在上海、 杭州两焦化厂进行 模拟试验。 结果表明， 采用高效菌群( h s b)技术去除 氨氮时不需 加碱， 效果 很好。 高 效菌群仅需一次投放， 经调试成功后无需补加。 王景等【翻 通过驯化培养，从处理焦 化废水的 活性污泥中 分离出2 株蔡降 解菌( w 刊 1 ， w n 2) 和1 株毗吮降 解菌( w b i ) ， 研 究了投加高效菌种及微生物共代谢对焦化废水生物处理的增强作用。 结果表明， 投加 共代谢初级基质、fe3+ 和高效菌种均能促进难降解有机物的降解，提高焦化废水c od 去除率，三者协同作用时效果更好。 投加高效菌种可有效地增强生物反应器对难降解有机物的降解能力， 但高效菌种 的投加必须解决两个问题: ( 1) 高效菌种的保持。由于一般高效菌种从难降解有机物 降解过程中获得的能量较少， 世代周期较长，易流失;( 2) 高效菌种活性的保持。一 5 硕士论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 般菌种优先降解易降解基质，投加后环境的改变使菌种特殊降解活性退化。 1 . 2 . 4高效混合菌的研究 微生物混合培养技术主要是利用微生物之间互惠共生或共栖现象， 有些微生物群 会形成以特殊营养物为纽带的相互关系， 有些则通过消耗抑制性产物而相互联系， 微 生物依靠相互间的协同作用、 增殖关系而形成一个成分复杂、结构稳定、 功能广泛的 高效微生物菌群。 有些有毒化合物的降解不是群落中的某种微生物的作用， 而是依赖 于群落中各种微生物的协同作用， 直至完全矿化， 这说明单独一种微生物并不具备有 毒化合物彻底降解的全部酶系， 而是借助各种微生物间的接力作用， 共同完成降解任 务闹。 国内 外大 量 研究表明 不少有机物特别是生 物难降 有机物， 仅用单一菌株是不能 完成的或只能微弱进行， 必须借助两种或两种以上的微生物的共生和互生作用共同完 成。 在纯培养条件下不能明显降解的物质常在混合培养条件下降解或转化。 混合菌培 养技术在生产实际中具有重要意义。 近年来，各国科学家在高效混合菌的研究与开发方面做了大量的1作: ( 1 ) h . 5 3 菌( h i g h s o l ut i o n b 耽 r i a ) 台 湾省中 科院生物于1 9 9 1 年 研究出 hs b 生物技术， 并获得专利【57 。 h.s. b 菌系是一个复合的 微生物群， 包括的微生物有15个 属 100 余种。 该技术主要依靠微生物之间互生、 共生的协同作用， 菌种相互依赖形成 特殊的分解链，以达到净化水质的目的， 尤其使抗有机毒素抑制能力较强。 根据报道 冈，h.s. b 技术去除氨氮时不需加碱，具有运行费用低、处理效果好、污泥产量少等 优点， 将其运用于焦化废水治理能取得一般生化处理难以 取得的治理效果。 周祖鸿侧 利用h . 5 . b 菌种处理某钢铁有限公司焦化厂废水，发现一个月左右，废水中c o d c r 去 除效率大于98%，而nh3 一 n 去除率近100 %。 ( 2 ) e m 菌( e 价ct i v e m i c ro o 唱 anis m s ) 2 0 世纪8 0 年代初，日 本 琉球大学比 嘉照 夫教授等人制出 一种复 合微生物制剂， 称为eml刹 。 即菌液是水溶性液体刚 ， 是以 光合 细菌、 乳酸菌、 酵母菌和放线菌等为主的10个属80余种微生物组成的复合菌剂。 在 生长过程中各个微生物产生有用物质与其分泌物形成相互生长的基质和原料， 通过相 互共生、 增值关系形成一个组成复杂、 结构稳定、 功能广泛地具有多种细菌微生物群 落的生物菌体。 经过复活的e m菌液， 具有生物絮凝性。 e m最初是作为一种土壤改良 剂问世的，随着应用技术不断开发，其应用领域也不断拓宽。日前，e m活菌剂主要 是应用于农业、畜牧业、 养殖业、环境净化等方而， 但它的各种功能只有在适宜的环 境条件下，以及各种微生物相互促进、 共同生长、 不断繁殖的过程中才能较好的表现 出 来。 e m 菌在水处理中的 作用得到了 初步的认定。 孟范平等人le 对e m 菌液在生活污 水处理中的应用效果的研究表明， e m菌在好氧条件下能显著提高污水n 比+ 一的硝化 程度。 王国 平等圆 将e m 菌与生物接触氧化工艺结合起来对废水中有机物进行降解发 6 硕士论文粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 现， c o d 去除率最大增幅达 10%。与其他特殊菌群处理污水一样，阳用于污水处理， 主要存在着菌液复壮，防止菌液流失和选择合适的菌液载体问 题阅。 1 . 2 . 5高效菌技术发展 利用高效菌降解工业废水中难降解有机污染物具有降解效率高、 运行成本低等显 著优点， 是一项极具开发前途和应用前景的水污染治理技术。 结合该领域目 前的研究 现状，建议今后的研究集中在以下几个: ( 1) 进一步开展高效菌的选育研究，采用驯化培养和诱变、遗传、克隆等现代 科学技术，构建出高效降解持久性污染物的新型微生物菌种，扩大其应用范围;( 2) 目前国内外在研究难降解有机污染物处理方而己取得了显著的成效。 然而， 总的说来 各种高效降解菌的筛选和纯化比较盲日、 散乱， 应减少低水平的重复工作， 建立一个 有关环境污染物的高效菌种库以及基因库， 能极大加速高效降解菌的实际应用和工程 菌的 构建与实际 应用【胡 ; ( 3)高效菌 可能 会在实际应用中 存在流失现象， 应采用适当 方法来防止。细胞固定化是个较好的解决手段，但前提是要采用适合的固定化载体， 并开发高效曝气和混合设备;( 4) 防止二次污染问题。随着基因工程的发展， 在高效 菌种的选育上也逐渐采用现代生物技术， 如用物理、 化学因子处理诱变菌株， 用基因 重组或细胞融合技术创建高效优势菌等。 高效工程菌的利用要考虑在泄漏情况下该菌 对周围生态环境的影响。 固定化技术为防止其泄露而引起二次污染问题提供了一个十 分有效的手段;( 5)大力加强高效菌应用工艺的开发研究，确定反应器构型、操作条 件等工艺参数，建立示范工程，尽快使高效菌的应用产业化。 随着高效菌技术在难降解有机工业废水处理中应用研究的不断深人， 必将在改善 水生态环境、保护人体健康、促进可持续发展的事业中发挥重要作用。 1 . 3固定化微生物技术 1 . 3 . 1固定化微生物技术概述 固定化微生物技术是指通过物理或化学的方法将游离微生物定位于限定的空间 区域，使其保持固有的活性并可反复利用的一种新型生物技术。 年代发展起来的一项新兴技术，它具有细胞密度高，作用时间长， 液易分离等优点，因而在环保领域显示出良 好的应用前景64 . 该技术是_ 卜 世纪 7 0 微生物流失少，固 1 . 3 . 1 . 1固定化微生物技术分类 固定化微生物的方法多种多样， 任何一种限制微生物自由流动的技术， 都可用于 固定化微生物， 关于固定化方法的分类，目 前国内外尚无统一的分类标准， 但总体可 硕士论文粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 分为吸附法、共价结合法、交联法、包埋法和无载体固定化法。 ( 1) 吸附法: 系指微生物吸附在载体表面而固定的方法， 分物理吸附法和离子吸 附法， 前者是使用具有高度吸附能力的硅胶、 活性炭、 多孔玻璃等吸附剂将细胞吸附 到载体表面使之固定化。 该法操作简单、反应条件温和、 载体可重复使用，但细胞结 合不牢固宜脱落， 后者是根据细胞在解离状态下可因静电引力而固着于带有相异电荷 的离子交换剂上。 生物膜法中的生物滤池、 生物转盘以及生物流化床等工艺是结合固 定化的典型例: ( 2) 共价结合法: 利用细胞表面上的功能基团和固相支持物表面的反 应基团之间形成共价键来制得固定化细胞。此法中微生物大多死亡，应用并不广泛; ( 3 )交联法:利用双功能或多功能的试剂，直接与细胞表面反应基团进行反应，使 细胞彼此交联，形成网状结构， 和共价结合法一样， 都是靠化学结合的方法使细胞固 定化，同样反应条件剧烈， 对细胞活性影响大， 而且适用于此类固定化的交联剂大多 比较昂贵因而其在应用中受到一定的限制; ( 4) 包埋法: 包埋法是是目 前制备固定化 微生物最常用、 研究最广泛的方法。 将微生物细胞包埋在凝胶的细小空格内或埋于半 透膜聚合物的超滤膜内， 分为微胶囊法和凝胶包埋法。 该方法能保持多酶系统， 对微 生物细胞的活性影响较小且制备的固定化细胞球强度高，目 前厂泛应用于废水处理; ( 5) 无载体固定 化法词 : 这是一种全新的 概念， 它是利用某 些微生 物细胞具有自 絮 凝形成颗粒的能力， 使微生物产生自固定。 在自絮凝颗粒形成过程中，同时形成了微 生 物的适宜生态环境， 使之有利于微生物代谢之间的 协调圆。 微生 物絮凝是 一个极复 杂的 现象， 不仅受环 境、 生理等方面影响， 如无 机离子、 基质 浓度、 基质种 类、 p h， 温度、 时间 等， 而且与 遗传因 子、 蛋白 质有关圃。 升流式厌氧 污泥床反应器( vas b) 和厌氧折流板反应器(ab r)中颗粒污泥的形成， 即属于微生物的白身固定化过程。 这 种固定化技术在高浓度有机废水的处理方而正在发挥越来越大的作用。 1 . 3 . 1 . 2固定化微生物的载体 确定合适的载体材料是固定化细胞技术的关键， 理想载体应该具有以下特征: a 具有高的载体活性，固定化酶或微生物的活性回收率要高;b . 材料要容易获得;c. 价格便宜;d . 操作制作方便，能适用于大规模生产:e 具有较高的机械强度，能较长 时间 使用和重复 使用训 。 固定 化细胞载体的 种 类很多， 主要可分为 三大 类网 : ( 1)无机载体， 如砖粒、 多孔玻璃、 硅藻土、活性炭和高岭土等。 此类载体带有多孔结构， 依靠吸附作用和电 荷效应将微生物细胞固定， 具有价格便宜、 对细胞无毒害、 强度大、 传质性好等优点， 但是它们具有密度大实现流化的能效高、 微生物吸附有限和易脱落等缺点; ( 2) 天然 高分子有机载体，如琼脂、角叉莱胶、海藻酸盐、卡拉胶、明胶和骨胶原等，此类载 体对微生物无毒害作用、 传质性好、 操作简单、 价格便宜， 但在处理废水过程中，受 吕 硕士论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 到各种离子的侵蚀， 会逐渐溶解，寿命缩短:( 3) 人工合成高分子有机载体，如聚丙 烯酞胺( a c a m) 凝胶、 聚乙烯醇(p、 认) 凝胶、光硬化树脂和聚丙烯酸凝胶等， 此类载 体强度较高， 化学稳定性好、抗微生物分解性，因而具有很大的应用价值。 1 . 3 . 1 . 3影响微生物固定化的重要因素 影响微生物固 定 化的因 素侧 主要有以 下三个方面: 微生物的 本身 性质( 如浓度、 活性等) ，所使用载体的性质( 如种类、表面特性、化学性质等) 以及环境特征。 ( 1)微生物的性质: 在微生物固定化过程中，高的悬浮态微生物浓度， 将加速微 生物向载体表面的传递，增加其与载体的接触机会，有利于微生物在载体上固定化: 同时高的微生物活性， 也有利于其代谢作用分泌更多的多聚糖类物质， 多聚糖所具有 的粘性作用可促进微生物与载体的粘附， 缩短可逆附着的时间， 从而加快固定化进程， 较高的微生物活性可使其具有较高的能量水平， 而能量水平的提高也有利于其在向载 体表面的主动或被动输送和附着过程中， 克服或削弱各种作用力的不利影响， 提高其 初始积累速率。 ( 2 ) 载体的性质: 载体的表面粗糙度及其电荷是影响固定化速率的重要因素， 载 体材料的 表面越粗糙， 越有利于微生物在其表面附着固定， 同时粗糙表面上空洞、 缝 隙等的存在， 对已吸附的微生物具有保护伞的作用， 使它们免受水力扰动、 剪切和冲 刷的影响; 在一般环境条件下，微生物表面通常带负电荷，根据异性相吸原则，使 用表面带有正电荷的材料作为载体将有利于加速固定进程， 使微生物在液相中向载体 表面的输送变得更为容易。 ( 3) 环境特征: 主 要有 废水的p h值和水力 流态 两个方面。 废水 液相的p h值对 微生物在载体表面的固定化速率的影响主要表现影响微生物的表面带电特性; 水力流 态的控制是从以下两方面考虑: 一方面为实现良好的处理效果，需增加微生物与废水 接触的机会， 因而需要一定紊动程度， 另一方面载体表面不同的水流速度将产生不同 的水力剪切作用， 为有利于微生物在载体表面的附着生长， 要求将水流紊动程度控制 在微生物与载体的结合体所能承受的范围内。 1 . 3 . 1 . 4固定化微生物技术的主要特征 固定化微生物技术在近几年来发展迅速， 在废水生物处理中的应用研究也与日 俱 增， 并得到越来越普遍的关注，目前已进入开发使用阶段。 该技术在废水中的应用具 有以下特点: ( 1) 密集微生物， 维持反应器中生物的浓度170。 根据废水生物处理的 基本原理， 反应中微生物浓度越高， 所需的反应时间越短， 反应器的容积也就越小， 从而有利于 降低处理设施的造价。传统活性污泥法处理工艺中，曝气池中微生物的浓度一般在 9 硕二 卜 论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 1 500 一 3 0 0 0m叭 ， 且处于完全混合的悬浮生 长状态， 所以当负荷提高或浓度过高后 将造成生物量的流失或污水分离困难， 严重影响处理出水水质。 采用固定化微生物技 术后，反应器中微生物浓度可大大提高，比如生物膜法生物量浓度可达 2 2 0 00一 15 0000m 叭， 是传统 活性污泥法的7 一 20倍; ( 2)易 于实 现固 液分离70。 由 于微生 物生 长在不 溶性载体的 表面， 其密度远 较水 大， 且处于高度密集状态， 所以易于与水分离， 利于微生物的截流及重复利用， 实现 了 水力停留时间与固体停留时间的分离， 为研究、 开发和设计应用高效处理工艺创造 了十分有利的条件。 此外，良 好的固液分离， 还大大简化了传统工艺中所需的污泥回 流和沉淀分离设备， 并大大减少处理出水中悬浮物的浓度， 有利于提高出水水质。 同 时固定化微生物良 好的固液分离性能在废水处理中应用还使得反应器保持高浓度低 生长速率的微生物成为可能; ( 3) 可使用于含有毒有害物废水的处理。 微生物经固定化后， 对有毒物质的承受 能力及难降解能力都有明显提高， 这可能是因为l礼2: 固定化载体对细胞起一种保 护作用， _ 且 对有机污染物的扩散会产生阻碍作用， 使得细胞表面的实际污染物浓度降 低， 毒性减小: 细胞经固定化后， 在载体与细胞之间建立了某种物理或化学联系， 细胞膜的稳定性增加了。 固定化细胞所处的微环境与游离细胞不同， 这种微环境的 变化可能会引起细胞的形态结构、生理特性及代谢活性的改变。 1 . 3 . 2固 定化微生 物技术在焦化废水处理中的应用 a m an da等圈以 p va一 h ob 氏 包埋 法固 定 化假单抱菌 p se n d omo n as ， 在 流化反 应器中 连 续运行2 周， 进水酚 浓度从2 50m g 几 逐渐提高到13 00m g 几， 出 水酚浓度均为0 : 孙艳 等人l， 幻 利用固定化优势菌降解含酚焦化废水， 发现与游离菌相比， 苯酚的降 解速率 大大 提高， 且固定 化细胞生物产量低; 吴立波叫以 哇琳为唯一碳源驯化高效菌种， 将 其一部分附着在陶粒载体上， 比较了自固定化前后菌种活性的变化， 且研究了不同投 加方式对保持菌种高效降解特性的作用，试验表明，菌种自固定化后活性略有下降， 但存泥 龄短时 活性保持较好明 显优于未固 定 化高效菌种; 朱柱等人圈 过同 一菌种在固 定状态和游离状态降解含酚废水的试验对比， 证明红砖是一种优良的载体材料; 全向 春等人76固定化皮氏 伯克霍尔德氏菌降 解哇琳的 研究中， 采用固定化凝胶小球和纱布 一聚乙烯醇(pv a ) 复合载体固定化， 对两种方法降解哇琳的效果进行了比较， 表明纱 布一p v a 复合载体固定化比凝胶小球的菌体活性高，此外纱布一p v 气 复合载体固定化 细胞的 制备比固 定 化凝胶小 球简单， 更易 于实 现工业化生产; 叶 正芳 等周固定 化微生 物为核心技术构成的曝气生物滤池具有微生物负载量大，反应速度快，处理效率高， 出水稳定的 特点;w i cse等润 固定化混合菌群降解多环芳烃，结果证明，固定化细胞 分别在培养 1 、 2 和 巧天后，酚、蔡、菲均能被彻底降解，与游离细胞相比，固定化 l 0 硕士论文 粉末固定化高效菌及其在焦化废水处理中的应用研究 细胞表现出生长稳定、具有较强的降 解能力:pai 等刻 采用颗粒活性炭吸附和海藻酸 钙凝胶包埋法制备固定化微生物， 结果表明， 与颗粒活性炭相比， 海藻酸钙颗粒具有 更 高的 苯酚 去 除 率; r o l h e n bu rg er 等侧 利用固 定 化细 胞生物反 应 器， 在 水 相 和 非 水 相 中进行了含氮杂环芳香烃类化合物的生物降解实验，结果表明，固定化哇琳降解菌 ps eu d o m o m s sp 一细胞开 始时 不能降 解6 一 甲 基哇琳， 但固定化细胞在含哇琳和6 一 甲 基 哇琳的混合液中长期培养后，能够降解6 一 甲基哇琳。 酚类化合物对大多说微生物都有毒性， 所以用于处理含酚废水的微生物不仅要有 很高的降解能力， 还必须拥有足够的活性。 对于处理有毒废水而言， 固定化体系具有 更高的活性和适应能力， 表现出更高的降解有毒化合物的能力l78 一 绷 。 微生物固定化技术以其特有的特点从在废水处理领域中引起了普遍的关注， 虽然 目前尚有许多问题， 但通过不断的深入研究和改进， 该技术必将作为一种高效、 实用 的废水处理技术而获得广泛的应用。 通过不断的研究改进， 固定化微生物技术将在废 水生物处理中发挥越来越重要的作用。 1 . 3 . 3固定化微生物技术研究现状及发展 与传统的废水生物处理法相比， 采用固定化技术有利于维持反应器内高浓度的生 物量，从而有利于去除高浓度有机物或某种难降解物质;有利于提高微生物的抗毒、 耐受力， 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， 与毒性物 质的接触受到限制， 安全性大大增加; 有利于固液分离， 分离后的剩余微生物量很少， 因此不需要大型沉淀池，固定投资少。该技术自70 年代后期被用到水处理领域后取 得了令人瞩目的成绩并显示出了广阔的应用前景， 涉及废水处理的各个领域， 主要有: 有色 废水脱色， 硝化脱氮nl 一 阳 ， 处理含酚废水闹，处理制药废水， 处 理洗涤剂 废水， 处理 其他有机废水( 如含 氰废水、 畦 琳废水、 豆制品 废水等 ) “ 7 处理重金属 废水等几 方面。该技术还广泛应用于农业、养殖业、医药业等行业中。 但现有各种固定化方法都尚有其局限性， 这大大