（环境工程专业论文）高盐含油废水优势降解菌吸附固定化技术研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss t u d yw a su s i n gi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mt e c h n i q u ew i t hd o m i n a n ts t r a i n s w a su s e dt ot r e a th i g hs a l i n i t yo i lw a s t e w a t e na tf i r s t ，t h ed o m i n a n to i ld e g r a d a t i o n b a c t e r i aw e r es c r e e n e df r o mt h ea c t i v es l u d g ei nw e i z h o ui s l a n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t t h e nt h eg r o w t ha n do i ld e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o m i n a n ts t r a i n s w e r es t u d i e d a tl a s t ，t h es t r a i n sw e r ei d e n t i f i e d a f t e rp r e l i m i n a r ys c r e e n i n g ，2 0o i ld e g r a d a t i o ns t r a i n sw e r ei s o l a t e df r o ma c t i v e s l u d g et a k e nf r o ma no i lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h r e ed o m i n a n ts t r a i n sn a m e d j z 3 ，j z 4a n dj z l0 ，h a v eb e e ns e l e c t e da f t e ras e c o n d a r ys c r e e n i n ga c c o r d i n gt ot h e i r o i lr e m o v er a t e s t h e i ro i lr e m o v er a t e sw e r e5 2 9 ，5 2 2 7 a n d 5 0 6 5 ， r e s p e c t i v e l y t h eg r o w t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s et h r e ed o m i n a n ts t r a i n sh a v eb e e ns t u d i e d t h e o p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n sf o rj z 3w e r et e m p e r a t u r eo f4 0 ( 2 ，p ho f7 ，s h a k i n gs p e e d o f110 r r a i n ，i n o c u l a t i o na m o u n t so f3 ，t h eo p t i m a lc u l t u r et i m eo f6 h - 8 h t h e o p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n sf o rj z 4w e r et e m p e r a t u r eo f4 0 c ，p ho f6 ，s h a k i n gs p e e d o f13 0 r m i n ，i n o c u l a t i o na m o u n t so f3 ，t h eo p t i m a lc u l t u r et i m eo f2 0 h 2 2 h t h e o p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n sf o rj z l ow e r et e m p e r a t u r eo f4 0 c ，p ho f5 5 ，s h a k i n g s p e e do f 110 r m i n ，i n o c u l a t i o na m o u n t s o f2 ，t h eo p t i m a lc u l t u r et i m eo f2 0 h - 2 4 h u n d e rt h eo p t i m a lc u l t u r ec o n d i t i o n s ，a f t e ri n o c u l a t e d10 8 h ，t h eo i lr e m o v er a t e so f t h ej z 3 ，j z 4a n dj z10w e r e6 2 1 ，61 4 a n d6 5 ，r e s p e c t i v e l y t h em i x e dc u l t u r e o fj z 3a n dj z 4a c c o r d i n gt oap r o p o r t i o no f4 ：1h a sb e e np r o v e dt oh a v et h eb e s t d e o i l i n ge f f i c i e n c y , a f t e ri n o c u l a t e d6 0 h ，t h eo i lr e m o v er a t ew a s7 3 4 t h eo i ld e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mh a v eb e e n s t u d i e d i tw a ss h o w nt h a tt h eo i lr e m o v er a t e so fi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s mw i t h b a g a s s ea n ds p o n g e w e r eb e t t e rt h a nt h ef r e em i c r o o r g a n i s m t h e o p t i m a l i m m o b i l i z a t i o nc o n d i t i o n so ft h em i c r o o r g a n i s mi m m o b i l i z e do nb a g a s s ew e r et h a t ： t i m ew a s3 6 h ，p hw a s6 0a n dt h et e m p e r a t u r ew a s4 0 ( 2a n dt h eo p t i m a ld o s eo f b a g a s s ew a slg 5 0 m l t h eh i g h e s to i lr e m o v er a t ew a s8 4 5 w h e nt r e a t i n gt i m ew a s 10 8 h t h eo p t i m a li m m o b i l i z a t i o nc o n d i t i o n so ft h em i c r o o r g a n i s mi m m o b i l i z e do n s p o n g ew e r et h a t ：t i m ew a s4 8 h ，p hw a s7 0a n dt h et e m p e r a t u r ew a s3 5 c t h e h i g h e s to i lr e m o v er a t ew a s8 2 4 w h e nt r e a t i n gt i m ew a s9 6 h 1 1 桂林理工大学硕士学位论文 t h ej z 4a n dj z 3w e r er e s p e c t i v e l yi d e n t i f i e da sp s e u d o m o n a ss p ，p s e u d o m o n a s p a c h a s t r e l l a eb a s e do nt h e i r 16 sr d n as e q u e n c e ，p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：o i lw a s t e w a t e r , o i ld e g r a d a t i o nb a c t e r i a ，d o m i n a n ts t r a i n s ，a d s o r p t i o n i m m o b i l i z e d ，i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m i i i 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 含油废水概述 第1 章绪论 1 1 1 含油废水的来源 石油是一种以碳氢化合物为主要成分，并含有多种烃类物质及少量硫化物、 氮化物、烷烃酸类的复杂混合物。石油的成分以碳和氢为主，其中碳占8 3 8 7 ，氢占l o 1 4 ，硫占0 0 6 8 0 ，氮占0 0 2 - - 1 7 0 【1 1 。 随着工业生产的发展，石油逐渐成为人类生产和生活中不可缺少的能源之 一。石油通过炼制，可以获得日常生活中所必需的煤油、汽油、柴油等能源物质。 含油废水的来源很广。石油在开采、加工、提炼、储存以及运输的过程中都 会产生含油废水：机械制造加工过程中会产生含乳化油废水；运输工业中的洗车、 铁路机务段的洗油罐等也会排放含油废水；另外餐饮业、食品业、纺织业等排放 的废水中也含有大量的油。石油、石化行业所排放的含油废水成为含油废水的主 要来源，而采油废水是高盐含油废水的主要来源。 石油在开采过程中所产生的废水称为采油废水，一般是产油量的1 0 倍。油用 外排的采油污水，主要来源于油田生产过程中的采出水、注水井洗井水、注采不 平衡时产生的污水等。其中不仅富含石油类和无机盐类，还含有重金属、放射性 物质、多环芳烃、挥发酚和苯，以及在油水分离过程中加入的化学处理药剂【2 ，3 j 。 采油废水的有机物组成复杂，可检测到二氯甲烷等萃取物多达六十七种；这 些有机物可分为七类，分别是碳氢烃类、酚类、酯类、醇类、酮类、苯醌类、酸 类，并主要以酚类和碳氢烃类为主。 采油废水的成分复杂、含盐量高、水温高并且可生化性能较差【4 】。由于其所 含的无机盐和氯离子含量高达3 0 0 0 3 0 0 0 0 m g l ，使得生物处理尤为困难【5 l 。同时， 采油废水的温度较高，一般水温为5 0 6 0 ，这对微生物处理采油废水的应用也 产生了一定的影响1 6 j 。 1 1 2 含油废水的污染现状 一般海上油田每生产一桶原油就伴随有0 8 桶水采出。按美国规定，采油废 水排放的油的浓度不得超过7 2 m g l ，月平均排放浓度应低于4 8 m g l ，由此估算 全世界海上采油平台操作排入海洋的石油每年至少达到9 5x 1 0 3 t 【7 1 。 2 0 1 0 年4 月2 0 日，美国路易斯安那卅i 近海的一座钻井平台发生爆炸并引发大 桂林理工大学硕士学位论文 火，平台随后沉入墨西哥湾，其底部油井漏油不止，造成大面积的原油污染。这 场持续性的石油泄漏，初步估计有4 亿多升石油漏入海中。 我国已经在西部海域、渤海海域和南海东部合资开发了1 3 个油气田，年产原 油近2 0 0 0 1 0 4 t 。海上油田的开发在开采原油，缓解进口原油压力的同时，又因 其采油平台溢、漏油和采油平台操作排油污而成为一个海上污染源1 3 j 。 初步统计，目前中原油田因石油开采污染的土地高达2 6 6 6 6 7 h m 2 以上，而油 田因污染给农民支付的青苗赔偿款每年高达5 0 0 0 万元，而且每年因污染新增加的 污染土地约1 3 3 3 3 h m 2 ，每年新增加给农民的青苗赔偿费高达2 6 0 多万元一j 。 1 1 3 含油废水的危害 石油类污染物进入环境后，会对环境造成多方面的危害，主要体现在以下几 个方面【l o 1 1 】： ( 1 ) 对人类健康的影响 石油类污染物进入人体后，能溶解细胞膜，干扰酶系统，引起人体肾、肝等 内脏发生病变或诱发癌症。 ( 2 ) 对环境的污染 据测定，每滴石油在水面上能够形成0 2 5 m 2 的油膜，每吨石油能覆盖5 1 0 6 m 2 的水面。石油类污染物对水体的危害：一方面油膜使水面与大气隔绝，阻 止水体的复氧，从而减少水中的溶解氧，降低水体的自净能力。另一方面水面及 江河水中的石油烃能溶解部分卤代烃等污染物，使江河水体以及底泥的物理、化 学性质及组成发生变化，从而危害水生生物。 ( 3 ) 对生物的危害 进入水体的石油类污染物会覆盖在生物的表面、堵塞生物的微细结构，抑制 生物的正常运动，阻碍生物的正常摄食、呼吸等，进而影响生物的生长繁殖。进 入土壤的石油类污染物，会黏着于土壤颗粒表面影响土壤的通透性，破环土壤的 结构和土壤微生物的生存环境。 ( 4 ) 对水产业的影响 当水中石油类污染物的含量为o o l m g l 0 1 m g l 时，会使鱼虾贝类有石油 的臭味，从而给渔民造成一定的经济损失。 1 2 含油废水处理的研究现状 处理含油废水常用的方法有物理法、物理化学法和生物化学法。 2 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 1 物理法 处理含油废水的物理方法有吸附法、气浮法、粗粒化法、膜分离法等。 ( 1 ) 吸附法 吸附法是利用多孔的吸附材料，吸附废水中的一种或多种污染物质使其由液 相迁移到固相物质的表面，从而分离污染物的一种工艺。吸附法通常在油污清除 的最后阶段，去除用撇油器无法回收的薄层油膜。 吸附剂不仅能很好地吸附油污，而且能有效地吸附废水中的其他有机物。但 吸附剂的缺点是：成本较高，再生也较为困难。因此，一般只用于低浓度含油废 水的处理或深度处理。 ( 2 ) 气浮法 气浮法是在废水中通入空气或其他气体以产生细小气泡，水中的细小悬浮油 珠及固体颗粒与气泡粘附，然后随气泡一起上升到水面，将油撇去，从而达到去 除油污的目的。气浮法主要用于不含表面活性剂的分散油的分离，尤其是对乳化 油的去除效果尤为明显。 ( 3 ) 粗粒化法 粗粒化是使含油废水通过一种填有粗粒化材料的装置，使废水中的微细油珠 聚结成油膜，从而实现分离油污的目的。此法可适用于处理分散油和乳化油。 粗粒化材料有石英砂、陶粒、无烟煤、蛇纹石、聚丙烯、聚氨酯发泡体等。 材料的形状可分为粒状、纤维状、管状或胶结状。 粗粒化法除油的优点是：设备少、体积小、效率高、结构简单、无需添加化 学试剂、基建费用低等。缺点是：当有微量表面活性剂存在时，能抑制粗粒化床 的除油效果；另外，该法填料易堵塞，从而降低除油效率。 ( 4 ) 膜分离法 膜分离法除油主要是利用微孔膜拦截油粒，从而达到油水分离的目的。目前， 常用的分离油污的膜有：反渗透膜、超滤膜、微滤膜等。主要用来截留废水中的 乳化油和溶解油。含油废水中油的存在状态是选择膜的首要依据【1 2 】。 膜分离法的优点是：工艺流程相对简单、处理效果较好、出水一般不带有油； 缺点是：当大规模处理废水时设备的投资费用高，而且出水过滤器容易堵塞【1 3 】。 1 2 2 物理化学法 处理含油废水的物化法有盐析法、混凝法、电解法、化学氧化法、光化学催 化氧化法等。这些方法的目的主要是破乳，即破坏油珠的界膜，使油珠相互接近 并聚集成大滴油珠，从而浮于水面，为下一步的处理做准备。 ( 1 ) 盐析法 3 桂林理工大学硕士学位论文 盐析法就是将盐类电解质投加在废水中，以此来破坏乳化液油珠的表面界膜 和双电层结构，使油珠凝聚析出。盐析破乳的优点是：析出的油油质较好；缺点 是：出水水质浑浊，还需要进一步的处理。 ( 2 ) 絮凝法 絮凝法是目前处理含油废水的诸多方法中应用较多的一种，它常与气浮法联 合使用。铝盐和铁盐是常用的无机絮凝剂。混凝法的优点是：处理速度快：缺点 是：投药量大、伴随产生的污泥量也大，带来了污泥处理的问题。 ( 3 ) 电解法 电解法除油是指用金属铝或者铁阳极电解处理含油废水。主要适用于对机械 加工工业中经化学絮凝后的冷却润滑液进行二级处理【1 4 】。该方法的优点是：处 理效果好、操作简单：缺点是：耗电量、运行费用较高，难于应用到实际中。 ( 4 ) 化学氧化法 化学氧化法除油的原理是：在催化剂的作用下，用化学氧化剂如臭氧、f e n t o n 试剂【i5 j 等来处理含油废水一方面提高其可生化性，为下一步的生物处理做准备； 另一方面直接氧化降解废水中的有机物，使之稳定。 ( 5 ) 光化学催化氧化法 光催化技术是指利用半导体t i 0 2 等催化剂在光的照射下，吸收能量，当其 所吸收的能量大于基态能量时，产生电子跃迁现象，会在材料表面形成电子空穴 对吸附h 2 0 或o h 。等产生具有强氧化能力的氢基自由基，从而将有机污染物氧 化分解为c 0 2 和h 2 0 等无害物质的一种技术【1 6 】。 光催化氧化法的优点是：无二次污染、无刺激、安全无毒。应用于废水处理 较有前途。 物化法处理含油废水具有处理成本较高、易造成二次污染等特点，且单纯的 物理、化学方法已经很难使含油废水达标排放。用生化法处理含油废水不会对环 境造成二次污染且运行能耗低、工艺设施简单、处理效果良好、运行稳定，因此， 在实际中被广泛应用。 1 2 3 传统的生物处理方法 处理含油废水传统的生物方法有：活性污泥法、生物膜法( 生物滤池、生物 流化床、接触氧化法) 、氧化塘与湿地处理等。 在采油废水的活性污泥法处理中应用最多的是s b r 法( s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r ) 。陈进富等【1 7 l 用活性污泥法处理某油田采油废水，当h r t 为7 2 h 时，采 油废水经过曝气生化处理后，系统对c o d c r 的去除率仅为2 6 4 。连续流活性污 泥法处理采油废水的优点是：运行管理方便、能耗较小；缺点是：反应速度慢、 4 桂林理工大学硕士学位论文 所需h i 汀较长。 邹克华等【i8 】采用高效优势菌结合生物膜的方法处理油田采油废水，研究表 明，采用该工艺处理一般的采油废水( c o d 不太高、水温不超过6 0 ) 能使出 水完全满足要求。 许谦 1 9 1 采用s b b r ( 序批式生物膜法) 处理某油田采油废水。研究结果表明， 经过近两个月的连续稳定运行，系统对c o d 的平均去除率在8 0 以上，且经过 处理的污水可直接排放。 王新刚等【2 0 】采用水解酸化生物接触氧化法处理高盐度含油废水，水解酸化 可以使废水的可生化性提高1 0 2 ，在h r t 为1 4 h ( 水解8 h + 好氧6 h ) 时，系统 运行稳定，出水水质良好。系统对c o d 的去除率为8 5 ，对油的去除率为8 8 。 但要确保系统中进水盐质量浓度应小于2 0 9 l ，才会获得良好的去除效果。 氧化塘法处理采油废水在国内外也有广泛的应用。国内，闰毓霞【2 i j 利用氧 化塘技术处理胜利油田的采油废水的工程获得了成功，经处理的采油废水可达标 排放。在国外，关于采用氧化塘法进一步处理经隔油和气浮处理后的含油废水方 面的研究也有报道。c y n t h i am u r r a y g u i d e 2 2 】采用氧化塘技术处理经气浮单元处理 后的含油废水。当气浮单元出水的含油量在4 0 m g l 左右，h r t 超过2 0 d 后，出 水的含油量小于1 8 m g l 。 人工湿地系统在采油废水的处理中也有应用。c y n t h i a 等【2 3 】采用湿地处理系 统处理油田含盐采油废水，采出水经过反渗透预处理后，再经过推流式湿地处理 后，污水可直接排放到水体。 但是由于高盐含油废水成分复杂，水质变化大，传统的生物法处理高盐含油 废水对进水有较高的要求，同时需要结合其他的工艺，才能使含油废水达标排放。 由于这些自身的局限性，促使人们开始关注改进的生物处理方法_ 生物固定化方 法。 1 3 影响含油废水生物处理的因素 污染物的降解过程是在微生物的作用下发生的。其降解速度是由微生物种群 的性质和影响降解的环境因素决定的。影响含油废水生物处理的主要因素有：生 物因素( 微生物种属、活性、适应性等) 、石油烃类状况( 物理状态、化学组成、 浓度等) 和环境条件( 温度、盐度、氧气、营养物质、p h 等) 。 1 3 1 生物因素 自然界中能够降解石油类污染物的微生物有七十多属，数百种【2 4 1 。它们大 多存在于土壤和水体中。水中能有效地降解石油类污染物的细菌有假单孢菌属、 5 桂林理工大学硕士学位论文 无色杆菌属、红酵母菌属等。在土壤中，真菌的种属比细菌的种属还要多一些。 特定的微生物可代谢的污染物是有限的。污染地区的土著微生物种群可能无 法降解复杂的石油烃类污染物。因此，需要将一些优势菌株( 包括工程菌) 接种 到受污染的环境中，以提高处理效率。 1 3 2 石油烃类状况 石油烃类的状况对微生物降解油类污染物有显著的影响。相同条件下，微生 物对不同种类石油烃的降解能力是不同的。微生物利用石油烃类污染物作为唯一 碳源的能力，取决于非饱和烃和脂肪烃的组成。不同的原油，由于其非饱和烃和 脂肪烃含量的不同而导致微生物对其具有不同的降解性。 微生物对石油类污染物的降解与石油烃的物理状态密切相关。在水中，油的 存在状态可分为三类1 2 5 】：第一类是浮上油，油滴粒径大于l o o u m ，浮于水面； 第二类是分散油，油滴粒径介于l o - l o o u m 之间，悬浮于水中；第三类是乳化油， 油滴粒径小于l o u m ，能均匀地分散在水中。 由于含油废水中油的存在状态不同，其处理的方法也不同。含油废水中浮上 油和分散油一般用物理方法来去除，而乳化油的油珠极小且有一定的稳定性，较 难处理。因此首先要破乳，然后进行后续处理。溶解油用一般的物理及化学方法 都难以将其去除，目前用得较多的还是生化法【2 6 1 。 1 3 3 环境条件 微生物在适宜的环境条件下，可以利用石油类污染物中的一定组分来作为其 生长所需的有机碳源和能量的来源，同时将它们降解。对生物降解影响显著的环 境因素为温度、p h 值、反应体系中存在的氧量、营养物质等【2 7 1 。 1 3 3 1 温度 温度对石油烃类的生物降解速率起着关键作用2 引，这是因为一方面油类污 染物中的碳氢化合物的物理状态受温度的影响，进而影响生物降解的过程和速率 【2 们。另一方面微生物酶的催化性能只有在一定的温度范围内才能得以发挥，而 石油烃的降解正是在酶的催化作用下完成的。 研究表明，环境中油类污染物的降解速率与温度j 下相关。在o 一3 0 的范围 内温度每升高1 0 ，其油类污染物的降解速度会随之增加2 3 倍，而低温时某 些烃类呈固态，不易降解。好氧微生物降解油类污染物的最佳温度在1 5 3 0 之 间【3 0 l 。 因此，在对石油污染进行微生物处理的研究中，对环境的温度( 气温和培养 温度) 进行适宜的控制是十分重要的。 6 桂林理工大学硕士学位论文 1 3 3 2p h 值 微生物的生命活动、物质代谢与p h 值有密切的关系。不同的微生物要求不 同的p h 值环境。微生物的酶只有在最适宜的条件下才能发挥其最大活性，不适 宜的p h 值会降低酶的活性，进而影响微生物的对石油类污染物的降解速率。同 大多数微生物相同，能降解石油类污染物的土壤微生物生长繁殖的适宜p h 值为 6 8 ：最优p h 值为7 7 5 。 1 3 3 3 氧气 氧对好氧微生物有两个作用【3 1 1 ：一是作为微生物好氧呼吸的最终电子受体； 二是氧可参与甾醇类和不饱和脂肪酸的生物合成。 在自然环境中，石油烃类污染物大多是在好氧的条件下被降解的，这是因为 石油烃类污染物的降解过程实质上是污染物的氧化过程，需要有加氧酶和分子氧 的参与，因此氧气对微生物的生长繁殖来说是一个极其重要的限制因子： 虽然在好氧环境和厌氧环境中石油烃类污染物都能被微生物降解，但是相比 较而言，厌氧条件下的石油降解速率往往低于好氧条件下的石油降解速率【3 2 1 。 1 3 3 4 营养物质 微生物代谢需有n 、p 、f e ”、m g 等营养物质的参与才能顺利进行。石油烃 类污染物是微生物生长可以利用的大量碳底物，但它们只能够提供比较容易得到 的有机碳而不能为微生物提供生长所需的其他营养物，如n 、p 等。为了使石油 烃类污染物充分降解，适当地添加外源营养物质具有重要的作用。 1 3 3 5 其他因素 影响微生物对石油烃类污染物降解的其他因素还有表面活性剂、吸附剂等。 研究表明，疏水性有机污染物从污染水体表面到微生物细胞内部的传递速率是生 物降解的主要限制步骤，而表面活性剂可增加疏水性有机污染物在水相中的溶解 度，进而增加污染物的传递速率，对提高处理效率，降低处理费用具有非常重要 的意义【3 3 d 5 1 。在污染水体中加入一定量的表面活性剂，可增加污染物的脱附速率， 在一定程度上加快了污染物的降解，因此广泛应用于环境中的石油类污染物的去 除1 3 6 j o 1 4 固定化生物技术 固定化生物技术是在2 0 世纪6 0 年代兴起的一种新技术。它是由生物化工中 的固定化酶技术发展起来的一项生物技术【3 7 1 ，通过采用物理或化学的手段将游 7 桂林理工大学硕士学位论文 离的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的一种方 法。由于固定化微生物技术，与其他技术相比，具有以下优点：有利于提高生物 反应器内微生物的浓度和纯度，能够保持高效菌种，稳定性强，反应易于控制， 污泥产生量少，利于反应器的固液分离等3 引。因此，近年来，固定化生物技术 得到了迅速发展和广泛应用。 1 4 1 固定微生物的方法 目前，经常采用的生物催化剂固定化方法有：吸附法、包埋法、交联法、截 留法和多种固定化联合的方法【3 9 l 。 ( 1 ) 吸附法 吸附法又叫载体结合法。是指微生物细胞在静电、表面张力和黏附力等的作 用下固着在载体表面和内部的方法。吸附法可分为物理吸附和离子吸附。物理吸 附是指利用具有高吸附性能的物质，将微生物吸附在表面使其固定的一种方法 【删。离子吸附是在静电引力的作用下将解离状态下的细胞固着于带有相异电荷 的离子交换剂上的一种方法。 吸附法的优点是：微生物细胞与载体不起化学反应、操作简单、投资少、固 定化条件温和、细胞活性损失小、载体可以反复使用等；缺点是：细胞与载体的 结合力较弱、稳定性较差、微生物易脱落。 黄惠莉等【4 i 】将脱色菌用吸附固定化的方法固定在活性炭、纤维挂条上处理 印染废水。结果表明，在废水的流量小于6 7 m l m i n 1 时，以活性炭为载体的固定 脱色菌对其处理3 8 h 后，对脱色菌进行繁殖再生，又可继续处理废水约1 0 4 h ， 脱色率可达8 5 。刘幽燕等【4 2 】采用吸附固定化法将降氰菌株d n 2 5 固定在聚氨 酯泡沫上对其转化特性进行研究。结果表明，采用吸附生长法能较好地实现菌株 d n 2 5 的固定，固定化细胞对氰化物的转化速率明显优于游离细胞，并能够耐受 更高浓度的氰化物；固定化细胞的最大转化速率为5 0 7 m g ( l h ) ，是游离细胞 的2 8 倍。 朱文芳等1 4 3 】将高效除油工程菌用吸附固定化的方法固定在颗粒活性炭上处 理含油废水。结果表明，在相同的条件下，固定化微生物的除油率比游离细胞的 除油率提高2 0 ，并且固定化微生物，对p h 值及环境变化的耐受力明显优于游 离微生物。邵娟m j 采用吸附固定化法将微生物固定在秸秆上来降解原油。在最 佳固定化条件下，固定化除油菌s g 对原油的去除率最大，为8 2 7 8 。赵大传 等【4 5 】用核桃壳作为载体，固定优势菌处理人工配制印染废水。研究表明，出水 c o d c ，的去除率为9 4 5 ；脱色率为9 9 2 ，达到了行业的排放标准。 m a r i as k u y u k i n a 4 6 】在流化床生物反应器中将红球菌吸附固定在木屑、聚乙 8 桂林理工大学硕士学位论文 烯醇、聚丙烯酰胺等载体上处理石油废水。实验结果表明，微生物固定化结合流 化床生物反应器处理石油废水是一个高效的处理过程，在2 3 周后固定化微生物 对正构烷烃c i o c i 9 的去除率为7 0 - 1 0 0 ，对2 3 个环的芳烃类物质的去除率为 6 6 7 0 。 ( 2 ) 包埋法 包埋法是指将微生物细胞包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内，使 被包裹在该空间内的微生物不能进出，而底物和产物可以自由地进入这个空间的 一种方法。包埋法可分为凝胶包埋和半透膜包埋两种。凝胶包埋是指将细胞包埋 固定在凝胶内部的微孔中而使细胞固定的一种方法；半透膜包埋是指将细胞包埋 在由各种高分子聚合物制成的小球内而使细胞固定的方法【4 n 。 常用的制备包埋固定化微生物的载体材料有：海藻酸钙凝胶、卡拉胶、聚乙 烯醇( p v a ) 、聚丙烯酰胺( a c a m ) 等。 包埋法的优点是：所制备的高分子载体的密度低、易于流态化、并可制备成 各种形状( 球状、块状、圆柱状、膜状、布状、管状等) ；缺点是：制备工艺复 杂、成本高、载体无法再生、传质阻力大，严重影响了微生物的生长和产物的代 谢。 r 黄宝兴等【4 8 】采用包埋固定化法固定海洋光合细菌处理生活污水，研究结果 表明，以海藻酸钠为基质和以蒙脱石纳米材料为添加剂的固定化海洋光合细菌对 生活污水中的氮、磷均有一定的处理效果，前者对氨氮的去除率为：8 7 6 8 、对 总氮的去除率为：7 0 9 5 、对总磷的去除率为7 1 9 0 ；后者对对氨氮的去除率 为：9 1 3 0 、对总氮的去除率为：7 3 5 1 、对总磷的去除率为8 4 8 8 。 周运听【4 9 j 采用包埋固定化的方法将高效降解苯酚的假单胞菌属细菌 ( p s e u d o m o n a s s p ) 进行固定，研究固定化菌对苯酚的降解能力。研究结果表明， 在最佳工艺条件下，固定化高效菌株在2 4 h 内对1 0 0 m g l 苯酚的降解率可达9 9 以上。 吕荣湖等【5 0 】将微生物包埋固定在聚乙烯醇( p v a ) 海藻酸钠( s a ) 的复配 载体上处理含油废水。结果表明，在2 5 , - - 4 0 ，固液比为l ：1 0 ，h r t 为6 h 的 条件下，进水油含量在2 0 - - 5 0 m g i _ , 之间时，出水油含量低于5 m g l ，乳化油的 去除率可达8 5 0 0 , - - 9 0 。徐新阳p l j 通过几种固定化工艺的实验比较，得出结论， 菌株的固定化颗粒对含油污水中c o d c ，的去除率明显高于游离菌对c o d c r 的去 除率。谷妮娜f 5 2 】用p v a - n a a l g 包埋固定化方法，对固定化产品进行了含油废水 的c o d c ，降解实验，得出结论，固定化菌株对含油废水中c o d c r 的去除率高于 游离菌。并且固定化菌株对环境变化的耐受能力优于游离菌。 王婷【5 3 】用包埋固定化的方法将白腐真菌b f l 5 固定在海藻酸钠上处理染料 9 桂林理工大学硕士学位论文 酸性大红，在最适的固定化条件下，固定化微生物对染料酸性大红的降解率在 9 0 以上，明显高于游离态白腐真菌对酸性大红的降解率。并且用固定化白腐真 菌b f l 5 处理土霉素废水效果也很好，对c o d 的去除率可稳定在8 0 以上，对 土霉素的降解率在9 5 以上。 m k i y o n o 掣5 4 】用海藻酸钙包埋大肠杆菌制备固定化微生物开展吸附h 9 2 + 和c 6 h s h g + 的实验研究，结果表明，固定化大肠杆菌对h 9 2 + 和c 6 h s h g + 的去除率 均在9 0 以上。 ( 3 ) 交联法 交联法又称架桥法，它是利用多功能试剂与细胞表面的基团发生反应形成共 价键来固定细胞的一种方法。常用的交联剂有戊二醛、异氰酸酯、双偶氮联苯等。 交联法的优点是：结合强度高、稳定性好、对p h 值和温度的适应性强；缺点是： 化学反应激烈、对细胞活性影响大、会对活细胞产生毒害作用。所以实际应用中 交联法常与其他方法联合使用【5 5 l 。 张莉等1 5 6 j 采用吸附交联法和包埋交联法进行漆酶的固定化实验，研究发 现：固定化漆酶的稳定性均优于游离漆酶。杨云龙等【5 7 】将紫色非硫光合细菌 ( p s b ) 及其他异养菌采用聚集交联固定化的方法固定于活性污泥上，处理亚 硫酸钠造纸混合废水。结果表明，在好氧条件下，s b r 反应器系统稳定运行时， 对c o d 的去除率在7 0 左右，对木质素去除率为7 5 。 d e s h e n gj i a n g 5 8 】等以磁性壳聚糖微球为载体，采用交联固定化的方法制备 固定化漆酶。研究表明，与游离酶相比，固定化漆酶的热稳定性明显提高，并且 具有良好的操作和存储稳定性。 ( 4 ) 截留法 截留法是指利用半透膜、中空纤维膜、超滤膜等物质使产物和底物透过而生 物催化剂被截留在膜上的一种方法。 这种膜截留的固定化方法与其他的固定化方法相比，优点如下【5 9 j ：一方面， 可以使基质与微生物细胞充分接触，进行有效的反应：另一方面，该法操作简单， 通过控制膜的孔径可以选择性地控制底物和产物的扩散，防止细胞的泄露。缺点 是，膜容易被污染堵塞从而导致反应速率下降，并使处理成本增高。 孙翔等【6 0 】用竹炭挂膜法( 即膜截留的方法) 制备固定化微生物处理苯酚模 拟废水。实验表明，当苯酚浓度为4 0 m g l 、投菌量为1 0 0 m l 1 0 9 竹炭、竹炭量 为1 0 9 1 0 0 m l 污水时用固定化微生物处理废水5 h 后，苯酚的去除率为：9 5 、 c o d 的去除率为7 0 。 目前，由于该法处理成本较高，应用于废水处理的例子较少。 ( 5 ) 联合的方法 1 0 桂林理工大学硕士学位论文 牛志卿等1 6 l j 用聚集交联固定化法制备固定化微生物处理活性艳红x 3 b 染 液，比较了聚集交联固定化菌和海藻酸钠包埋固定化菌的脱色能力，结果表明， 复合固定化法比包埋固定化法的酶活力高、半衰期长、成本低，更易应用于工业 化生产。 贾省芬等【6 2 】将p v a 包埋的细菌固定于多孔载体棉布上，研究其在连续进水、 间歇进水不同运行方式下的脱色效率。结果表明，运行6 0 天后，间歇进水脱色 率仍能达到8 0 ，而连续进水的脱色率仅为6 0 。 吴国庆等【6 3 】采用吸附法及聚集交联固定化法固定紫色非硫光合细菌混合菌 体( p s b ) 制备固定化微生物处理印染废水。研究表明，聚集交联p s b 固定化 细胞经解毒活化后，在酶活性、脱氢酶活力、脱色速度方面均高于自然细胞。其 中脱氢酶活力比自然细胞高l 1 5 倍，脱色速度比自然细胞增长3 0 。 陶虎春等m j 以核桃壳粒为载体，采用核桃壳与p v a 复合固定化法制备固定化 微生物进行除油试验研究。结果表明，复合载体的除油率较高，处理6 0 h 后，除 油率高达9 0 0 3 。复合固定化方法较直接吸附固定化方法在保持细菌活性、抗水 质变化冲击方面的优势更为显著。 杨慧等1 6 列采用添加吸附剂粉末活性炭和凹凸棒土来增强固定化小球的除油 性能。研究表明，添加粉末凹凸棒土可提高石油的降解率。 黄毅等脚j 采用吸附包埋法制备固定化微生物处理含c r ( v i ) 的废水。采用 聚乙烯醇共包埋活性炭和纳米t i 0 2 的微球，处理模拟含铬废水。试验结果表明： 微球对废水中的c r ( v i ) 有较好的处理效果；在最佳固定化条件下，c r ( v i ) 的 去除率在9 0 以上，且复合固定化微生物颗粒使用方便，不会造成二次污染。 陈强【67 】以陶瓷为载体，戊二醛为交联剂采用复合固定化的方法开展固定乳 糖酶试验，当戊二醛浓度为1 2 ，固定化时间为4 h ，温度为3 9 时进行交联，可 以获得活性较高的固定化酶活。 曾玺【碣l 对脱硫菌h 4 1 2 用双载体固定化的方法进行固定并研究其脱硫性能。 试验中选择的吸附载体为玉米芯颗粒、包埋载体为聚乙烯醇，并以海藻酸钠为包 埋助剂、五硼酸铵为交联剂进行双载体复合固定。结果表明，固定化小球在最佳 固定化条件下，固定化微生物对d b t 的脱硫率最大为5 1 5 ，且固定化小球可重 复使用多次，该法比包埋法和游离菌的脱硫效果要好。 1 4 2 固定化微生物载体的选择 载体是制备固定化微生物的核心，其性能的好坏直接影响微生物的生长以及 固定化微生物的处理效果。载体的表面结构对生物膜的培养有较大影响。具有粗 糙表面的颗粒能为微生物提供生长空间，并且保护微生物不受剪切力的作用而脱 桂林理工大学硕士学位论文 落。 目前固定化微生物常用的载体可分为无机载体、有机高分子载体、复合载体 和其它载体。 1 4 2 1 无机载体 常用的无机载体有：多孔陶珠、红砖碎粒、砂粒、微孔玻璃、硅藻土、活性 炭、氧化铝等，由于无机载体对微生物无毒性、且具有不易被微生物分解、耐酸 碱、成本低、寿命长等优点，因而作为一类重要的载体材料被广泛应用。 朱柱纠6 9 】通过研究同一菌种在固定状态和游离状态下对含酚废水中酚类的 降解特性，得出结论：红砖碎粒是一种优良的载体材料，可作为制备固定化微生 物的载体。 d o e o r g i o u t 7 0 1 以多孔珠为载体固定厌氧菌来处理印染废水，废水在较低的水 力停留时间( 6 h ) 下即可全部脱色，同时可产生大量的沼气。 1 4 2 2 有机高分子载体 有机高分子载体分为天然高分子载体和合成有机高分子载体。 ( 1 ) 天然高分子载体材料 常见的天然高分子载体有琼脂、明胶、海绵、甲壳素、壳聚糖、海藻酸钠等。 此类载体一般对微生物没有毒害作用，且传质性能好。但强度较低，在厌氧的条 件下易被微生物分解，寿命短。常见的天然高分子载体中海藻酸钠因其价格低廉、 制备容易、传质性能好等优点而被广泛应用。 纵伟等【7 i j 以磁性壳聚糖为载体，用吸附法固定脂肪酶，对影响固定化的因 素进行研究，结果表明，固定化酶的p h 和热稳定性都优于游离酶，固定化酶可 连续多次使用，连续使用5 次后，其相对酶活仍为使用前的5 7 8 ，具有较好的 操作稳定性。表明磁性壳聚糖微球是固定脂肪酶的良好载体。 ( 2 ) 合成有机高分子凝胶载体 合成有机高分子凝胶载体的特点是：机械强度大、但传质性能较差、在进行 固定化时会影响细胞的活性。常见的有聚丙烯酰胺( a c a m ) 、聚乙烯醇( p v a ) 、 聚丙烯酸凝胶等。 聚乙烯醇凝胶的强度较高、化学稳定性好、抗微生物分解性能强、相对于 a c a m 凝胶来说，对生物的毒性很小、细胞的活性损失小，是目前国内外研究 最为广泛的一种包埋固定化载体。 c h ic h e n gc h a n g 等【7 2 】以5 0 的硝酸钠代替饱和硼酸做交联剂以改进硼酸交 联法制备p v a 凝胶的方法，所制备的固定化载体为优良载体，可大大降低对微 生物的毒害性，并可增加凝胶的成球性和传质性能。 1 2 桂林理工大学硕士学位论文 1 4 2 3 复合载体 复合载体是由有机材料和无机材料结合而成的一种新的载体材料，它可使两 类材料在许多性能上实现互补。 王克吲7 3 j 采用吸附包埋法将红曲霉菌细胞固定在玉米芯和海藻酸钠复合载 体上进行研究，试验结果表明，固定化粒子的机械强度较好，为固定化试验的优 良载体。 1 4 2 4 其它载体 谢冬瑾等【7 4 】用植物载体稻草粉末、棉花秆粉末、麸皮、花生壳粉末、木屑、 玉米芯、丝瓜瓤、活性炭等来制备固定化白腐真菌处理含苯酚废水。研究表明， 丝瓜瓤为所选载体中的最佳载体，处理时间为1 5 h 时苯酚的去除率为1 0 0 、c o d 去除率约为9 6 。 董新姣【7 5 】将无花果曲霉( a s p e r g i l l u s f i c u u m ) 固定在植物载体丝瓜瓤上，对 活性艳蓝k n r 进行脱色试验研究。结果表明，固定化菌体对活性艳蓝k n r 的 脱色效果优于菌丝球，它对实际染料废水的脱色率在8 0 以上；并可重复利用， 当重复利用6 次后，该固定化菌体对活性艳蓝的脱色率仍可达8 0 7 9 。 张秀霞等【7 6 】将高效降解菌q 5 固定在纳米多孔氧化硅载体上，对固定化降解 菌去除喹啉的性能进行研究。试验结果表明，固定化后的菌株q 5 ，对喹啉的去 除能力大大增强；且固定化微生物对于高浓度的底物的去除效果尤为明显，当初 始底物浓度为1 5 0 0 m g l ，反应7 0 h 后，去除率为9 1 6 ，并且该固定化微生物 的重复使用性能良好。 a k i h i r oh i d e n o t 7 7 】对载体进行乙酰化处理后固定产酶菌( 纤维素酶) ，研究 其产酶性能，结果表明，乙酰化的丝瓜瓤更适合作为固定化微生物生物处理的载 体。 综上所述，固定化生物技术以其处理成本低、处理效率高、稳定性强、耐负 荷、污泥产生量少等优点而在废水处理中被广泛采用。微生物固定化的方法，以 包埋法和吸附法最为常用，但包埋法所得固定化微生物因材料包埋网格而对分子 传质有所限制；吸附法固定化微生物的菌体易脱落、抗冲击能力较差。但是由于 吸附法操作简单、载体可再生、在生产上具有实际价值，成为当前需要研究的问 题。但该方法仍存在不足之处，使得固定化微生物处理废水的