（市政工程专业论文）固定化微生物技术在苏州重污染河道治理中的应用研究.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 污染地表水体修复问题是最近几年才被广泛关注的环境保护课题，由于污 染地表水体的特殊性，常规修复方法难以发挥高效作用。以污染水体中的 n 地+ n 为例，由硝化细菌催化n h 4 + n 氧化的硝化作用是氮循环的关键步骤， 然而自然状况下的化能自养细菌具有生长速率低、生物量小和对环境因子敏感 等生理特点，为了提高对n h 4 + - n 的生物处理效率，需要对自然界中的硝化细 菌进行富集。固定化微生物可以通过提供特殊的微环境，较好地保护优势菌不 受土著菌恶性竞争，在保持高效修复能力的同时，可以将优势菌屏蔽于恶劣环 境之外，具有微生物浓度高、抗冲击负荷能力强等优点，在一定程度上克服了 传统修复工艺的不足。 本论文在国家“8 6 3 ”重大科技专项”苏州市城市水环境质量改善与综合 示范”项目资助下，在前人研究的基础上，根据苏州古城区污染河道的实际情况， 研究了微生物固定化技术对污染河水的净化效果及规律，得出以下结论： 1 1 活性污泥对n 1 4 + n 的处理效果好于底泥，而且其驯化完成所需时间要 远短于底泥；但底泥对t n 和t p 的去除效果要好于活性污泥；经过驯化之后， 活性污泥和底泥对n h 4 + - n 的去除效果均可以达到9 0 以上。 2 1 固定化活性污泥的活化时间远较固定化底泥短；固定化颗粒经过驯化 后，其对n h 4 + - n 的去除效果均好于未固定化，在低温下两者差距更加明显， 尤其是底泥；经固定化后，适宜运行温度范围变宽。 3 ) 在模拟河道试验中，固定化底泥和活性污泥对n h 4 + - n 的去除效果相差 不大，均远好于空白装置，经过1 3 天的试验运行后，固定化底泥的去除率为 9 8 4 9 ，固定化活性污泥的去除率为9 9 3 3 ；固定化底泥对河水的适应性较固 定化活性污泥的好；固定化底泥与固定化活性污泥对t p 和t n 均有一定的去除 效果，前者的去除效果要好于后者。 研究表明，微生物固定化技术改善城市污染河道水环境质量是可行的。 关键词：污染河水，底泥，活性污泥，固定化微生物 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e m e d i a t i o no f c o n t a m i n a t e ds u r f a c ew a t e ri saw i d e l yc o n c e m e d e n v i r o n m e n t a lt o p i ci nr e c e n ty e a r s s o m e t i m e st h ec o n v e n t i o n a lt e c h n i q u e sc a n n o t w o r ke f f e c t i v e l yr e s t r i c t e db yt h ew a t e r s p a r t i c u l a r i t i e s t a k en h ，- ni np o l l u t e d w a t e r sf o re x a m p l e n i t r i f i c a t i o n ，p e r f o r m e do x i d a t i o n i no fa m m o n i at on i t r a t eb y n i t r i f y i n g b a c t e r i ai sa k e yp r o c e s s i nt h e c y c l i n g o f n i t r o g e n b u t c h e m o l i t h o a u t o t r o p h i cn i t r i f y i n g b a c t e r i ah a v em a n yu n f a v o r a b l ep h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，n a m e l y , s l o wg r o w t h ，s m a l lb i o m a s sa n ds u s c e p t i b l ee n v i r o n m e n t f a c t o r s w ee n r i c hn i t r i l y i n gb a c t e r i ai ne n r i c h m e n tc u l t u r em e d i ai no r d e rt o i n c r e a s en i - 1 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c y t h et e c h n i q u eo fi m m o b i l i z e dm i c r o b e a b b r e v i a t e di m ，i sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tr e m e d i a t i o nm e t h o db e c a u s e o fi t s s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s i tc a nn o to n l yp r o v i d eas p e c i a lm i c r o e n v i r o n m e n tt op r o t e c t d o m i n a n tm i c r o b ef r o mm a l i g n a n tc o m p e t i t i o no fa b o r i g i n a lm i c r o b e ，b u ts h i e l d m i c r o b ef r o mt h ee n v i r o n m e n t a n di th a dm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h - d e n s i t y m i c r o o r g a n i s m ，s t r o n gc a p a c i t yo fa n t i s h o c kl o a d i n g ，w h i c hh a do v e r c o m et h e d e f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a lr e m e d i a t i o ni na c e r t a i ne x t e n t t h es t u d yw a si m b t t r s e db yt h en a t i o n a lt e n t hf i v em a g n i t u d ep r o j e c t s u z h o u c i t yw a t e re n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n ta n ds y n t h e s i z ed e m o n s t r a t i o ni t e m o nt h e b a s eo f t h ef o r m e r s w o r ka n du n d e rt h ef a c t u a lc o n d i t i o no f p o l l u t e dr i v e ro fs u z h o u a n c i e n tc i t yd i s t r i c t w es t u d i e dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c t sa n dr u l e so fi m m o b i l i z e d m i c r o b et e c h n o l o g yo np o l l u t e df i v e rw a t e r c o n c l u s i o n sw e r es u m m e du pi nt h e f o l l o w i n g ： 1 ) n h 4 + 一nt r e a t m e n te f f e c to f a c t i v a t e d s l u d g ew a sb e t t e rt h a nt h a to f s e d i m e n t ， a n dt h et i m et oa c h i e v ed o m e s t i c a t i o no ff o r m e rw a sm u c hs h o r t e rt h a nt h el a t t e r b u t t na n dt pt r e a t m e n te f f e c to fs e d i m e n tw e r eb e a e r n h 4 + nt r e a t m e n te f f e c to ft h e b o t hc a r la r r i v eu p w a r d9 0 a f t e rd o m e s t i c a t i o n 2 ) t h ea c t i v a t i o nt i m eo fi m m o b i l i z e da c t i v a t e ds l u d g ew a sm u c hs h o r t e rt h a n t l l a to fi m m o b i l i z e ds e d i m e n t a f t e rd o m e s t i c a t i o nt h en h 4 + - nr e m o v a le f f e c to f i m m o b i l i z e d g l o b u l eg r a n u l e w a sb e t t e rt h a n s u s p e n d i n g m i c r o b e a tl o w 玎 河海大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r et h eg a pw a sm u c hm o r ee v i d e n c e ，e s p e c i a l l yf o rs e d i m e n t m i c r o b e s a d a p t i v er a n g et ot e m p e r a t u r eb e c a m ew i d e r a f t e ri th a db e e ni m m o b i l i z e d 3 ) i nt h ee x p e r i m e n t a t i o no fs i m u l a t i o nr i v e r w a y ，n h 4 + - nt r e a t m e n te f f e c to f i m m o b i l i z e da c t i v a t e d s l u d g ew a sc l o s et ot h a to fi m m o b i l i z e ds e d i m e n ta n db o t ho f t h e mw e r eb e t t e rt h a nb l a n kd e v i c e a f t e r1 3d a y s e x p e r i m e n t a t i o no p e r a t i o n ，t h e r e m o v a lr a t eo fi m m o b i l i z e ds e d i m e n ta n da c t i v a t e d - s l u d g e w e r e9 8 4 9 a n d 9 9 3 3 t h ea d a p t a b i l i t yt or i v e rw a t e ro fi m m o b i l i z e ds e d i m e n tw a sb e t t e rt h a nt h a t o fi m m o b i l i z e da c t i v a t e d s l u d g e b o t hi m m o b i l i z e ds e d i m e n ta n da c t i v a t e d - s l u d g e h a dad e f i n i t er e m o v a le f f e c tt ot na n dt p , b u tt h ef o r m e rw a sm o r ee x c e l l e n tt h a n t h el a t t e l - t h er e s e a r c hs h o w e dt h a ti tw a sf e a s i b l et oi m p r o v ew a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y o f c i t yp o l l u t e dr i v e rb yt e c h n o l o g yo f i m m o b i l i z e d m i c r o b e k e y w o r d s ：p o l l u t e df i v e rw a t e r , s e d i m e n t ，a c t i v a t e ds l u d g e ，i m m o b i l i z e dm i c r o b e l i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：壶i 堑蜗2 0 0 7 年3 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学 术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复 印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：凄渔咀2 0 0 7 年3 月刁日 河海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 河流污染现状 第一章绪论 由于目前国际上防污、治污技术及行动的严重滞后，已经不可避免地造成 了水污染问题，尤其是城市水污染问题，造成的损失引人注目。本世纪水问题 将成为我国经济发展的制约因素，甚至可能是自然因素中唯一长期严重制约我 国发展进程的瓶颈因素。 城市河流水质的优劣对城市社会、经济与环境能否协调健康发展有至关重 要的意义。随着我国经济的发展和城市化进程的加快，工业用水和城市居民生 活用水急剧增加，排污量也随之增加，流域开发的加剧，给许多地区的水环境 造成了不良的影响，水体富营养化、水生态系统破坏以及水质恶化等环境问题 不断出现和发生，致使水生态系统遭到严重破坏，污染河水失去了资源功能和 使用价值，而且严重破坏周围的生态景观，造成重大经济损失，甚至危害人们 身体健康。因此污染河水的治理势在必行，刻不容缓。尽管近3 0 年来，我国在 水污染防治方面出台了一系列水质标准和法律法规，但水污染的发展趋势仍未 得到有效控制，虽然我国在城市水污染的防治工作中取得了一定成绩，但是污 染状况依然十分严重。 1 1 2 河道污染特征 归纳起来，河道污染的特征主要有以下几方面【，2 】：受污途径多，点源、 面源污染负荷增大，包括近水农田农药化肥流失、沿水区域居民橱余、生活垃圾 排放、工业厂矿废水排放、水路交通造成的油品泄露、旅游垃圾丢弃以及雨水径 流汇水携污等；流动性大，污染区域广，分布范围宽，难以异位集中处理； 污染程度和污染物分布受深度、流域、季节等多因素控制；具有晴储雨暴的污 染特征；城市内的景观湖、景观运河除作为休闲娱乐景观外，还作为各类污染 河海大学硕士学位论文 物的受体，一般不进入污水处理系统；多数污染地表水属于微污染水体，有机 物浓度较低，优势降解菌难以形成优势数量，是生长的限制因子。河道污染的这 些特殊性质增加了修复的难度，使其研究进展极其缓慢。 1 1 3 河道污染的修复技术 以往，人们过多关注严重污染的场合，而对于污染程度不是很严重且常被忽 视的地表水体污染问题却缺乏应有的重视【3 1 ，近年来，世界各国环境保护科研工 作者均开始对此展开专项研究，我国的环保科技人员近些年来也进行了一些积极 的研究和尝试，提出了各种控制对策和治理措施，例如用c e p t 技术、河流疏浚 技术、河道上筑坝或引水冲刷河流底泥和河流污水、生物修复技术等技术治理河 流。但限于地表水体的复杂性和庞大的治理工程丌支，研究进展极其缓慢，可推 广的成果不多。 1 1 3 1 常规修复技术 常规环境修复技术主要指化学修复法、物理修复法、生态修复法和生物修 复法( b i o r e m e d i a t i o n ) ，后两者常被归为统一的技术，工程上一般采取原位方式。 化学修复法的实质是利用化学药剂复杂的化学及物化作用( 包括中和、络 合、生成气体或沉淀、破乳化、胶体失稳、萃取、凝聚与絮凝等1 ，将污染物从 水相转移到另一种物相，污染物的物态虽然改变，但并未从根本上消灭污染物， 且投加化学药剂易产生二次污染。物理修复法是指利用阻隔物、过滤机、过滤 池或大型沉淀池等方式去除水体中污染物的技术修复对象的主要特征是悬浮 物( s u s p e n d e ds o l i d ，s s ) 污染，经常采取疏挖底泥、机械除藻、引水清淤等措施， 因适用范围的限制，往往与其他修复技术配合应用。生物修复指生物( 特别是 微生物) 对环境中的污染物进行吸收或氧化降解，从而减少或最终消除环境污 染的受控制或自发的过程 4 】。 污染地表水体的特殊性质增加了物理法、化学法修复的困难性，而且物理 法和化学法需要建筑大型的构筑物，费用高，但不能从根本上解决河道污染问 题。我国学者一般认为，生物修复就是利用特定的生物( 包括微生物土著 或外源微生物以及植物等) 在一定条件下吸收降解或富集环境污染物，从而达 河海大学硕士学位论文 到对被污染水体进行恢复的生物过程【5 ，6 】，修复过程可自然、原位地进行，工程 投资仅为物理法、化学法修复的3 0 5 0 【7 , 8 , 9 , 1 0 l 。生物生态修复技术由于具 有安全性、经济性、实用性、系统性等诸多优点而成为河流污染治理的主要技 术手段。我国在利用生物生态治理技术对河、湖进行综合治理方面起步较晚， 水体污染情况与国外有所不同，各地的水体污染种类和程度也不同。所以国家 科技部在十五期间针对我国当前面临的城市水环境问题设立了“水专项”，在 武汉、镇江、苏州等11 个城市开展城市水环境质量改善技术研究与示范1 。 目前国内外研究较多的生物生态修复技术主要有微生物制剂技术、河道曝 气技术、人工湿地技术、稳定塘技术、植物修复技术等。狭义的生物修复主要指 微生物修复。 1 1 3 2 微生物修复技术特点 为了改善人类的居住环境，人们采用活性污泥法、生物膜法，通过建造大型 污水处理厂来解决水体的污染，实践表明这些环境工程方法在解决点源污染中是 十分有效的，并发挥了巨大的作用；然而也存在一些问题，如需建造大型污水厂， 并需建造大量管道将污水纳入处理厂，其基建及运行费用非常昂贵。如将这类环 境工程的方法用于治理受污染的地面河道水体还会遇到更大的困难，我们几乎不 可能将污染成分运送至固定的处理厂处置。在这种情况下，人们设想在天然的环 境下通过某些工程手段以强化污染物降解的自净作用，使污染物在被污染的河道 现场得以降解、净化。微生物修复技术就是在这种历史背景下被开发、并在2 0 世纪9 0 年代得到迅速发展的一项污染治理工程技术。实践表明，微生物修复技术 具有以下优点【1 2 1 ： ( 1 ) 在温和的条件下经过酶催化即可高效并相对彻底完成，处理费用低廉， 为现有环境工程技术的几分之一； ( 2 ) 微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强和易实现变异 等特性，适当地对其加以培养繁殖，特别是在一定条件下加以驯化，就能使之很 好地适应各种有毒的生活污水等环境。通过有针对性地对菌种进行筛选、培养和 驯l 化，可以使大多数的有机物实现生物降解处理，应用面宽。 ( 3 ) 微生物不仅能去除有机物、病原体、有毒物质，还能去除臭味、提高 河海大学硕士学位论文 透明度、降低浊度等，处理效果良好。 ( 4 ) 环境影响小，不会形成二次污染，遗留问题少； ( 5 ) 原位就地修复，操作简便，可以避免铺设不雅观的机械设备。 微生物修复技术指利用天然存在的或特别培养的微生物，在可调控环境条 件下，通过微生物的降解和生物转化作用，变有毒有害污染物为无毒无害物质 的环境污染处理技术，其核心为微生物学过程。 微生物修复与污、废水生物处理间的关系既相联系又相区别，从原理上讲， 两者都利用微生物的降解、转化作用消除污染物，同时利用微生物的同化作用 扩大繁殖，使过程连续。不同之处在于：( 1 ) 处理对象不同。微生物修复的对象 是污染物浓度相对较低的自然水体，而污、废水处理的对象是污染程度较高的 生活和工业废水；f 2 ) 操作工艺不同。微生物修复的场所一般是复杂、开放的自 然环境，生物水处理的场所常指精心设计的工程系统；( 3 ) 目的不同。微生物修 复的目的是恢复自然环境原貌，生物水处理的目的是为避免污染物不经治理而 进入环境。 1 1 3 3 微生物修复的作用机理 受污染的环境中有机物除小部分是通过物理、化学作用被稀释、扩散、挥 发及氧化、还原、中和而迁移转化外，主要是通过微生物的代谢活动将其降解 转化的。因此，在微生物修复中首先须考虑适宜微生物的来源及其应用技术。 其次，微生物的代谢活动需在适宜的环境条件下才能进行，而污染的天然环境 中条件往往较为恶劣，因此我们必须认为提供合适的环境条件以强化微生物对 环境的修复作用。 应用于生物修复的微生物按照来源可分为土著微生物、外来微生物和基因 工程菌【1 引。 ( 1 ) 土著微生物 由于微生物的种类多、代谢类型多样、“食谱”广，凡自然界存在的有机物 都能被微生物利用、分解。例如，假单胞菌属在某些菌种，甚至能分解9 0 种以 上的有机物，可利用其中的一种作为唯一的碳源和能源进行代谢，并将其分解。 对目前大量出现且数量日益上升的众多人工合成有机物，虽说它们对微生物是 河海大学硕士学位论文 “陌生”的，但由于微生物有巨大的变异能力，这些难降解、甚至有毒的有机 化合物，如除草剂、杀虫剂、增塑剂、塑料和洗涤剂等，都已经陆续地找到了 能分解它们的微生物种类。据报道，能够降解烃类化合物的微生物有7 0 多个属、 2 0 0 余种。 天然的水体是微生物的大本营，存在着数量巨大的各种各样微生物，在遭 受有毒有害的有机物污染后，可出现一个天然的驯化选择过程，使适合的微生 物不断增长繁殖、数量不断增多。目前在微生物修复工程中大多应用土著微生 物，其原因一方面是由于土著微生物降解污染物的巨大潜力；另一方面是接种 的微生物在环境中难以保持较高的活性，此外工程菌因其安全性等原因应用受 到较严格的限制，引进外来微生物和工程菌时必须注意这些微生物对该地土著 微生物的影响。 ( 2 ) 外来微生物 在废水生物处理中我们己成功地用投菌法来提高有机物降解转化的速度和 处理效果，如应用珊瑚色诺卡氏菌来处理含腈废水，用热带假丝酵母来处理油 脂废水等。因此，在天然受污染的环境中，当合适的土著微生物生长过慢，代 谢活性不高，或者由于污染物毒性过高造成微生物数量反而下降时，我们可认 为地投加一些适宜该污染物降解的高效菌。 目前用于微生物修复的高效降解菌有不少已经被制成商业化产品。如光合 细菌( p s b ) ，这是一类在厌氧光照下进行不产氧光合作用的原核生物的总称， 它在厌氧光照及好氧黑暗条件下都能以有机物为基质进行代谢和生长，因此对 有机物有很强的降解转化能力，同时对硫、氮素的转化也起到了很大的作用。 目前华东师大、无锡海德生物工程公司等已有p s b 菌液、浓缩液、粉剂及复合 菌剂出售，经营用于水产养殖水体及天然有机物污染河道的治理已显示出一定 的成效。由玉垒环境生物技术公司生产的玉垒菌，是一类高温放线菌，为游动 放线菌属中的新种，其中的y l 活性生物复合剂h 1 5 经用于苏州河支流新泾港 程家桥河段后，1 8 0 天内对底泥中有机物( 在有外来污染物不断进入的条件下) 的降解率为2 0 左右，对促进底泥的矿化也显示出一定的效果。美国c b s 公司 开发的复合菌制剂，内含光合细菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌、硝化菌等多种 微生物，经过对成都府南河、重庆桃花溪等严重有机污染河道的试验，对水体 河海大学硕士学位论文 的c o d 、b o d 、n l - h + n 、t p 及底泥的有机质均有一定的降解转化效果。 f 3 1 基因工程菌 自然界中的土著菌，通过以污染物作为其唯一碳源和能源或以共代谢等方 式，对环境中的污染物具有一定的净化功能，有的甚至达到效率极高的水平， 但是对于日益增多的大量人工合成化合物，就显得有些不足。采用基因工程技 术，将降解性质粒转移到一些能在污水中生存的菌体内定向地构建高效降解难 降解污染物的工程菌的研究具有重要的实际意义。 要将这些基因工程菌应用于实际的污染治理系统中，最重要的是要解决工 程菌的安全性的问题，用基因工程菌来治理污染势必要使这些工程菌进入到自 然环境中，如果对这些基因工程菌的安全性没有绝对的把握，就不能将它应用 到实际中去，否则将会对环境造成可怕的不利影响。科学家们对某些基因工程 菌的考察初步总结出以下几个观点：基因工程菌对自然界的微生物和高等生物 不构成有害的威胁，基因工程菌有一定的寿命；基因工程菌进入净化系统之后， 需要一段适应期，但比土著菌种的驯化期要短得多；基因工程菌降解污染物功 能下降时，可以重新接种；目标污染物可能大量杀死土著菌，而基因工程菌却 容易适应生存。当然，对基因工程菌的安全有效性的研究还有待深入。 1 1 3 4 微生物修复技术局限 经实践检验，微生物修复技术尚存在着一定的局限性： ( 1 ) 微生物不能降解所有进入环境的污染物，污染物的难生物降解性、不 溶性以及与腐殖质结合在一起常常使微生物生物修复不能进行； ( 2 ) 特定的微生物只降解特定类型的化学物质，结构稍有变化的化合物就 可能不会被同一微生物酶破坏； ( 3 ) 微生物活性受温度和其他环境条件影响； ( 4 ) 微生物修复一般需要好氧的环境条件。 传统意义的微生物修复的特点是利用游离优势菌的降解作用，随着污染物 逐渐趋向成分更复杂、易积累难降解和毒性影响更长期，游离微生物修复技术 的不足逐渐显现。如：单位体积内有效降解菌浓度低、反应器启动慢、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 6 河海大学硕士学位论文 感等。 1 1 3 5 微生物固定化修复技术的提出 为了解决上述不足和缺点，近年来，人们将固定化( i m m o b i l i z a t i o n ) 技术引 入到微生物修复工艺中，取得了显著的效果。到目前为止，利用固定化微生物 技术修复污染地表水的研究尚处于起步阶段，直接相关文献极少，而关于利用 固定化微生物技术治理工业废水和生活污水文献则非常丰富，积累了很多的经 验。鉴于微生物修复和治理污染水体在有机化合物降解本质上的一致性，固定 化微生物治理污水技术存在向修复污染地表水移植的可能性。 利用固定化微生物技术治理工业废水和生活污水的研究从不同角度说明或 证实了固定化微生物在很多理化性质方面明显优于游离微生物，固定化微生物 生活在由固定化载体造成的奇特的微环境中有效地屏蔽了外界不利因素对微 生物细胞直接侵害；微生物被各种载体固定后，单位体积内的有效浓度提高， 导致了对污染物降解率的提高；且固定化后的成品再生性能好，可以长期反复 使用。同时，微生物固定化的一些缺点也被指出：固定化颗粒的传质性能下降， 微生物细胞繁殖速度慢，可能会因为固定化的原因发生生理形态改变【l ”。但无 论如何，比较于游离微生物治理污水，固定化微生物具有显而易见的技术优势。 微生物固定化修复技术( i m m o b i l i z e dm i c r o b er e m c d i a t i o n ，i m r ) 的主要特点 是对完整的微生物细胞进行固定，可避免人为破坏生物酶的活性和生化反应的 稳定性；可提高单位体积水体内微生物细胞密度，并可加快细胞的流动速率， 在稀释率高于微生物生长率的情况下，能够有效地解决污染环境修复问题；固 定化后的微生物能长期保持活性，固定化颗粒可重复使用，节省投资；固定化 细胞颗粒的微环境有利于屏蔽土著菌、噬菌体和毒性物质对微生物体的恶性竞 争、吞噬和毒害，使其在复杂环境中和激烈的操作条件下也可稳定地发挥高效 能。 对于污染物浓度较低、空间分布区域广、水力条件变化不显著的缓流或静 止地表水体而言，m r 无疑具有特殊的技术优势和光明的应用前景。 河海大学硕士学位论文 1 2 微生物固定化技术综述 1 2 。1 微生物固定化技术定义 早在1 9 世纪初叶，人们发现，某些微生物细胞具有一种吸附在固体物质表面 的天然倾向和特殊功能，并以这种方式被束缚，固定起来，当时，曾利用这种方 式被吸附的微生物细胞，在滴滤反应系统内生产醋酸 1 5 j 6 。从6 0 年代开始，国际 上固定化酶的研究迅速发展起来，n 7 0 年代，作为酶源的微生物菌体本身的固定 化，即固定化微生物( 也称固定化细胞) ，也引起了人们极大的注意。 固定化微生物技术( 又称固定化细胞技术) 是用化学或物理手段将游离微生 物定位于限定的空间区域，并使其保持活性，反复利用的方法，是现代生物工程 领域中的一项新兴技术。由于在生物工程中有广泛的应用前景，目前在应用研究 上的进展已大大超前于原来的固定化酶技术，逐步开始在医学、化学分析、环境 保护、能源开发等许多领域得到应用。 固定化技术的原理是利用微生物或酶的高度密集，从而比游离状态的过程成 倍的增长，加快反应速度，缩短工作周期，提高工作效率。且由于载体本身的渗 透性，培养液可以渗透到载体的内部，微生物就能获得营养而增殖，使其在连续 反应过程中保持旺盛的生长和繁殖功能，以达到连续应用于生产的目的。 1 2 2 微生物固定化常用方法 固定化细胞的制备方法多种多样，目前国内外仍未有统一的分类标准。但 总体可分为吸附法、包埋法、共价法和交联法四大类e 1 7 , 1 8 1 。 吸附法有物理吸附和离子吸附两类。物理吸附是使用具有高度吸附能力的 硅胶、活性炭等吸附剂将细胞吸附到表面使之固定化；离子吸附则是根据细胞 在解离状态下因静电引力而固着于带有相异电荷的离子交换剂( 如d e a e 纤维 素、c m 纤维素等1 上。吸附法操作简单，对细胞活性影响小，但所能固定的细 胞量有限。废水处理中的生物膜法是其代表性例子。 交联法是利用两个功能团或多功能团的试剂与细胞分子之间进行分子问的 交联的固定化方法。常用试剂有戊二醛，其它交联剂有异氰酸衍生物、双偶氮 河海大学硕士学位论文 联苯和n n 一乙烯双马来酰亚胺等。此法的缺点是交联过程中往往反应激烈， 对细胞活性影响很大，而且交联剂大多价格昂贵，限制此法广泛应用。 共价法就是细胞表面上功能团和固相支持物表面的反应基因之间形成化学 共价键连接，从而成为固定化细胞。该法细胞与载体之间的连接键很牢固，使 用过程中不会发生脱落，稳定性好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件苛 刻。利用此法制各的固定化微生物在进行反应时往往要进行活化，从而会造成 细胞大多死亡。共价键结合法主要有戊二醛法、肽键结合法、肽螯合法等。 包埋法则是使细胞扩散进入多孔性载体内部，或利用高聚物在形成凝胶时 将细胞包埋在其内部，从而达到固定细胞的目的。该法操作简单，可以将细胞 锁在特定的高分子网络结构中。这种结构紧密到足以防止细胞渗漏，然而允许 底物渗透和产物扩散，对细胞活性影响较小，制作的固定化细胞球的强度较高， 是目前研究最广泛的方法。 各种固定化方法及其优缺点见表1 - l 。 表1 1各种固定化方法的优缺点比较 吸附法 i _ 占1 定化方法 共价结合法 交联法 包埋法 物理吸附法离子吸附法 制备难易 易易较难难较难 结合程度弱中等强强强 细胞活力商，易流失高高低，易失活中等 固定化费用 低低低高中等 对底物的专一性不变不变不变有变化有变化 1 2 3 微生物固定化载体 固定化微生物技术所采用载体的物理化学性质直接影响所固定细胞的生物 活性和体系传质性能。理想的细胞固定化载体应该具备的条件是u 9 2 13 ：( 1 ) 对微 生物无毒；( 2 ) 性质稳定，不易被微生物分解，并能耐受由于生物繁殖引起的破 裂；( 3 ) 传质性能良好，透气性和透光性良好：( 4 ) 强度高，寿命长；( 5 ) 价格低廉。 开发具有上述性能的载体，是微生物固定化技术研究中十分重要的课题。 有关固定化微生物载体的研究报道很多，归纳起来，它可分为有机高分子 载体、无机载体和复合载体三大类f 2 2 】。 9 河海大学硕士学位论文 有机高分子载体又可分成两大类，一类是天然高分子凝胶体，如海藻酸钙、 琼脂、角叉菜胶等；另一类是有机合成高分子凝胶载体，如聚乙烯醇、聚丙烯 酰胺、聚砜硅胶、光硬化树脂等。由这些物质制成的凝胶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、基质及降解物的传递，凝胶表面的球壳 还可以阻止生物从固定化颗粒中泄出。 天然高分子凝胶般对生物无毒，传质性能良好，但强度较低，在厌氧条 件下易被微生物分解。由天然海藻提取的海藻酸钠温和无毒，适合于固定活细 胞或敏感细胞，它的价格较低，是应用比较广泛的微生物固定化载体。用海藻 酸钠与氯化钙交联生成的海藻酸钙固定包埋的微生物活性较高，但其缺点是在 含有多价阴离子以及高浓度电解质溶液中不稳定，钙离子容易脱落，包埋强度 随着钙离子的脱去而逐渐变弱，时问一长还有破裂现象。这正是要将其用于大 规模废水处理所急需解决的问题。 有机合成商分子凝胶一般强度较高，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。以海藻酸钙、琼脂、聚乙 烯醇、聚丙烯酰胺、明胶作为包埋固定细胞的载体，进行了比较研究，结果表 明聚乙烯醇凝胶机械强度和传质性能均较好，对生物无毒，耐生物分解性好且 固定操作容易，是目前最有效的微生物固定化载体之一，但由于其外部有一层 较厚的球壳，传质性能不及海藻酸钙。为了弥补有机合成高分子和天然高分子 各自的缺陷，很多人正设法采取不同的对策对其进行研究。针对前者传质性能 差，有人使用包埋法和吸附法相结合的办法，在包埋的同时添加吸附剂，来增 加固定化颗粒的微孔孔道，提高其传质性能，克服单纯包埋法细胞活性发挥在 空间上受限的不足。就后者机械强度差的问题，有人在其中加入某种添加剂， 使其强度增加，同时却不影响其传质性能。 无机载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时，利用吸附作用和电荷效 应，从而把微生物固定。它的操作方法是把载体放入含有一定微生物浓度的溶 液中，固定一段时f 司( 2 4 h 左右1 即可。 由有机载体和无机载体材料组成的复合载体材料，可以改进载体材料的性 能。如闵航等【2 3 】使用以聚乙烯醇为主要包埋材料的混合载体，其成分为聚乙烯 河海大学硕士学位论文 醇、0 1 5 的海藻酸钠、2 的铁粉、0 3 的碳酸钙、4 z - 氧化硅粉末。研究结 果表明，复合载体可有效解决固定化细胞应用于废水处理所面临的成球难、易 破碎、活性丧失大以及因产气而发胀上浮等问题。l i n 等【2 4 】将粉末活性炭和 p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 联合包埋固定，结果表明了复合固定化体系能更加 有效地用于降解五氮酚，显示出复合载体材料的优越性。 几种常用固定化微生物载体的性能比较见表1 2 。 表1 2各种固定化细胞载体的性能比较 、裁缮 性八 琼脂海藻酸钙角叉莱胶a c a mp v a 硼酸 压, 缩强度( k g c m 2 ) o 50 80 8 1 4 2 7 5 耐曝气强度差一般一般好好 扩散系数 s 4 4 6 6 7 6 8 ( 3 0 )37 5 ( 2 5 )3 4 2 ( 2 5 ) ( 1 0 4 c m 2 s 1 + ( 6 0 - - 7 5 ) 有效系数+7 56 8 5 86 0， 耐生物分解性差较差较差 好好 对生物毒性 无无 无 较强一般 固定化难易易易易 难 较易 成本便宜较便宜贵 贵 便宜 + 基质为葡萄糖 ”有效系数= 鬲砸墓耋嘉鬟墨妻等窨翁望昌希等墓恭。 1 2 4 微生物固定化技术应用于水处理的研究进展 以日本的千烟一郎【2 5 1 等于1 9 7 3 年利用聚丙烯胺凝胶包埋固定化具有高活 性天门冬胺酸的大肠杆菌生产l 天门冬胺酸为标志，固定化微生物技术进入了 工业应用的领域。该技术由于在实际应用中可以使工艺自动化连续化，提高细 胞的稳定性和反应效率，降低生产成本，2 0 世纪7 0 年代后迅速成为生物、环 境等领域的一个研究热点。在初期，它主要用于发酵生产【2 6 。目益严重的水污 染问题，迫切要求开发高效的废水处理新技术，人们开始利用细胞固定化技术 取代传统的活性污泥法，用于各种污染物的转化和降解。 固定化微生物法在水处理中的应用，可以追溯到活性污泥法( 人工强化生 河海大学硕士学位论文 物法) 的起源。活性污泥法自1 9 1 4 年由a r d e n 和l o c d e t t 开创以来，以其方法 灵活，可靠，出水质量高等优点成为应用最广泛的污水生物处理工艺【2 7 】。活性 污泥法可以看成是包埋固定化生物技术的雏形。在活性污泥中，所有微生物几 乎是全部被包裹( 或包埋) 在微生物絮体内，自然形成的微生物絮体( 活性污 泥) 可认为是一种最原始的包埋固定化微生物，这种方法形成的微生物絮体的 特点是靠自然形成，解体容易，即固定化强度不高，常发生污泥膨胀。 2 0 世纪5 0 、6 0 年代出现了高效生物膜法【2 8 】，该方法是依靠微生物的自然 附着力在某些固形物的表面形成固着型生物膜，如生物固定化床、生物流化床、 生物接触氧化法等工艺。这种生物膜固定化强度虽比生物絮体高，但仍没有摆 脱自然的力量。2 0 世纪7 0 年代末，8 0 年代初，由于水污染问题日趋严重，迫 切要求开发高效水处理新技术。利用固定化微生物技术，可以将选择性地筛选 出的优势菌种加以固定，构成一种高效的废水处理系统。人工强化的固定化微 生物则具备了能将微生物或酶的理论停留时间提高到趋近无穷大，微生物密度 高、流失少，反应迅速，产物易分离，反应过程易控制等优点，从而在2 0 世纪 8 0 年代初，国内外开始应用固定化微生物技术来处理工业废水和分解难生物降 解的有机污染物，并取得了令人瞩目的成就。 将从活性污泥中分离、筛选出来的优势菌种加以固定，组成一个快速、高 效、连续的废水处理系统，这样就可以免除污泥处理的二次污染【2 9 1 。另外，它 与传统的悬浮生物处理法相比，有处理效率高、稳定性强、反应易于控制、菌 种高纯高效、生物浓度高、产污泥量少、固液分离效果好、丧失活性可恢复等 优点p ，也利于除氮和除去高浓度有机物或某些难降解物质。 1 2 4 1 对废水处理的应用研究 ( 1 ) 用于硝化和反硝化的研究 国外最早进行硝化、反硝化方面研究的是n i l s s o n 3 1 , 3 2 ，他用海藻酸钙固定 假单抱反硝化菌( p s e u d o m o n a sd e n i t r i f i c a n s ) 取得了一定效果。随后，v a n o t t i 等【3 3 】 用p v a 冷冻法把硝化污泥固定在聚乙烯醇颗粒中，用来处理养猪废水。采用批 量试验和连续试验进行好氧处理，研究结果表明：固定化硝化污泥颗粒不受养 猪废水高b o d 浓度的影响，适用于快速和有效地去除厌氧养猪废水塘中的 河海大学硕士学位论文 n h 4 + - n 。 中村【3 4 】用聚丙烯酰胺固定硝化细菌和反硝化细菌，采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，固定化反硝化菌的反硝化速度比悬浮系统 提高3 倍。同时，硝化和反硝化所需的时间分别从4 h ，3 h 减少到2 h ，2 h ，可 以使处理设备减少容积5 0 。 周定等【3 5 】将脱氮微生物包埋于聚乙烯醇中，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，并且可减轻溶 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。这说明利用固 定化微生物可以在较低p h 值、较低温度和较高溶解度的条件下获得较好的处 理效果，即增加了脱氮过程对寒冷气候、入水条件的适应性。 曹国民等【3 6 蝽u 用两种常用的固定化载体海藻酸钠和聚乙烯醇( p v a ) 混合固 定硝化菌和反硝化菌，研究了好氧条件下同时硝化和反硝化的可行性及其脱氮 特性。结果表明：硝化菌和反硝化菌混合固定时，由于载体内部形成了适合硝 化和反硝化的环境，可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化，实现单级生物 脱氮。 从以上的研究可以看出，细胞固定化技术在处理氨氮废水中的主要优势在 于可以通过高浓度地固定细胞，提高硝化和反硝化速度，同时还可以使在反硝 化过程低温时易失活的反硝化菌，特别是亚硝酸还原菌保持较高的活性，提高 冬季处理的稳定性。 ( 2 ) 同时脱氮除磷 席淑琪等【”1 采用厌氧、好氧环境交替出现的培养条件，富集培养以假单胞 菌为主的除磷菌。使用p v a 硼酸法固定以假单胞菌为优势微生物的活性污泥， 制成的固定化污泥经过活化，可以保持细胞活性并略有提高，具有明显的除磷 能力和较好的抗酸、碱冲击能力，在起始浓度为8 7 5 m g l 时，6 h 可去除4 9 5 的磷。在酸性条件下，菌体会释放磷，而