固定化微生物技术在废水处理中的研究进展

知识水坝（豆丁网 pologoogle）倾心为您整理（双击删除） 固定化微生物 技术 在废水处理中的 研究 进展 祝丽思 （内蒙古建筑职业技术学院 市政工程系 ） 摘 要 固定化微生物技术是一种有效的废水生物处理技术 ,与普通生物处理法相比有许多优点。本文对固定化微生物技术、微生物的固定化方法、固定化载体及固定化技术在废水处理中的应用及研究进展状况进行了综述 ,并对其以后的发展作了探讨。 关键词 固定化微生物 废水处理 0 引言 固定化细胞技术是用化学或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区域，并使其保持活性，反复利用的方法，是六十年代发展起来的新技术。 生物固定化技术以其独特的 优点应用于城市废水的处理，近年来一直是 国内外学者研究的热点之一。同时也获得了令人鼓舞的研究成果。研究和应用表明 1，固定化微生物技术，具有微生物密度高、反应速度快、耐毒害能力强、微生物流失少、产物分离容易、处理设备小型化等优点。因此 ,该技术有着远大的应用潜力和发展前景。 1 固定化法 国内外不同的研究工作者对固定化法采用不同的分类方法，目前较合理的固定法大致有吸附法、包埋法、共价结合法和交联法四大类，其中以包埋法最为常用 2。 1.1 包埋法 包埋法是用物理方法将微生物细胞包埋在凝胶的微小空格内或埋于半透膜聚合物的超滤膜内。根据载体材料和方法的不同，包埋法可分为凝胶包埋法和半透膜包埋法两种。凝胶包埋法是将细胞包埋在各种凝胶内部的微孔中而使细胞固定的方法；半透膜包埋法是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。目前工业应用中以凝胶包埋法固定细胞最为广泛。 1.2 吸附法 吸附法又叫载体结合法，是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，而使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法，可分为物理吸附法和离子吸附法两种。从本质上来看，吸附固定法是微生物自我固定，它在废水生物 处理中已广泛应用，如生物塔滤池、生物接触氧化法、厌氧滤器、厌氧流化床等生物膜，以及上流式污泥床内厌氧颗粒污泥，都是依靠微生物吸附于载体（填料）表面或自聚凝而成，尽管成膜过程或颗粒化过程的机知识水坝（豆丁网 pologoogle）倾心为您整理（双击删除） 理不甚清楚，但技术工艺已非常成熟 3。 1.3 共价结合法 共价结合法是细胞表面上功能团（如 ， 氨基、 ， 或 羧基或羟基咪唑基、酚基等）和固相支持物表面的反应基团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。利用此法制备的固定化细胞，细胞大多死亡。有人用此法将卡尔酵母固定在已活化的多孔玻璃珠上 10，虽然细胞已经死亡，但仍然保留生产尿酐酸的活性。 1.4 交联法 交联法是利用双功能或多功能试剂，直接与细胞表面的反应基团（如氨基酸、羟基、硫基、咪唑基）发生反应，使其彼此交联形成网状结构的固定化细胞，其结合力是共价键。常用的交联剂有戊二醛、甲苯二异氰酸酯等。该法反应条件激烈，对细胞活性影响大。千烟一郎曾用此法制得具有天门冬氨酸活力的固定化大肠杆菌细胞 11。 2 固定化细胞的载体 开发筛选理想的固定化细 胞载体是固定化细胞技术能否投入实用的关键。适用于废水处理的理想固定化细胞载体应具备以下特点： 对微生物无毒性； 传质性能好； 性质稳定，不易被生物分解； 强度高、寿命长； 细胞的固定化操作容易； 水不溶性； 价格低廉等。研制开发具有这些特性的载体是固定化微生物研究中最为重要的课题之一。各种常用载体性能见表 2.1： 表 2.1 常用载体性能的比较 载体 琼脂 海藻酸钙 角叉莱胶 聚丙烯酰胺 PVA 硼酸 压缩强度 （ kg/cm2） 0.5 0.8 0.8 1.4 2.75 耐曝气强度 差 一般 一般 好 好 扩散系数（ cm2/s） 75 68 58 60 / 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 固定的难易 易 易 易 难 较易 成本 便宜 较便宜 贵 贵 便宜 3 固定化细胞在废水处理中的应用 知识水坝（豆丁网 pologoogle）倾心为您整理（双击删除） 3.1 在难降解有机污染物中的应用 难降解有机物用在常规生物处理工艺时一般去除效率很低，这主要是因为分解和转化这些有机物的微生物的增殖速度极慢、世代时间很长，难以在常规生物处理装置内积累到足以使这些污染物产生明显降解的浓度。利用固定化微生物的特点，可选择性地筛 选一些特殊优势菌种并加以固定化，增加其在生物处理装置内的生物浓度，以提高难降解有机物的处理效率。 Yang4用三乙酸纤维素脂与海藻酸钙的复合载体包埋混合好氧菌处理含酚废水，并与采用同样载体的表面吸附生物膜法进行了比较。当容积负荷小于 9.0kgCOD/ m3 d 时，包埋法固定的微生物的酚去除率达 90%以上，其中三乙酸纤维单载体从固定化操作容易来看出复合载体有利；与采用同样载体的表面吸附生物膜法比较，当负荷小于 1.3kgCOD/ m3 d 时，两种方法处理效果相差不大，但负荷较高时，包理法固定化微生物比生物 膜法处理效果好，显示出优势。 3.2 固定化细胞技术处理氨氮废水 在硝化、反硝化研究方面，最早是 Nilsson5用海藻酸钙固定假单胞反硝化菌，采用填充柱对地下水中浓度为 20mg L 的硝酸盐进行两个月的连续脱氮试验，脱氮效果良好，反硝化速度为 66mg（ h kg 凝胶），容积负荷为 3.6kg（ m3 d）。随后， Vanotti ， Hunt 等 6用 PVA 冷冻法把硝化污泥固定在聚乙烯醇小球里，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：硝化污泥小球不受养猪废水高 BOD 浓度的影响，适用于 快速和有效的去除厌氧养猪废水塘中的 NH4+。 3.3 对废水中重金属离子的去除 固定化微生物处理含金属离子废水研究也受到相应关注，这对于拓展固定化微生物处理废水领域而言意义重大。微生物固定化后，其稳定性增加，对毒性物质的承受能力和降解能力都明显增强，因此可被用于各种有机废水中各种重金属离子的去除。严国安、李益健 7研究了固定化小球藻对含 Hg2+废水净化及生理特征的影响，利用褐藻酸钙凝胶包埋固定化普通小球藻，并对人工配制的含汞废水进行静态净化试验。研究了不同 Hg2+浓度对固定化小球藻净化废水过程中氨氮、正磷 酸盐的处理效率以及小球藻的 4 个生理指标 (叶绿素 a、光和强度、生长和过氧化物酶 )的影响，并与悬浮藻对照比较。结果表明：由于小球藻的固定化增加了对 Hg2+毒性的抗性， 0.2 10-6 浓度的 Hg2+对其净化效率无多大影响，而悬浮藻的净化效率明显下降；随着 Hg2+浓度的增加，固定化小球藻对废水净化效率逐渐下降、但其净化效率仍高于不含 Hg2+废水中悬浮藻的净化效率。同时固定化藻的生长、叶绿素 a 含量、光和强度和过氧化物酶活性与悬浮藻一样随 Hg2+浓度的增加而降低，但悬浮藻降低幅度显著。 知识水坝（豆丁网 pologoogle）倾心为您整理（双击删除） 3.4 固定化细胞处理农药、杀虫剂废水的研究 陈敏，罗启芳 8利用聚乙烯醇包埋活性炭和微生物的固定化技术对有机磷农药水胺硫磷的降解进行了试验研究，结果表明，经固定的微生物对温度、 pH 值和水样水胺硫磷浓度的适应范围扩大，在三个月的连续试验中，水样初始 CODcr浓度为 13002500mg/L，水样 pH 为 7,停留时间 24 小时，在恒温摇床（ 30，150r/min）内降解，其去除率为 55%70%。 3.5 固定化细胞处理印染废水废水的研究 采用固定化微生物处理印染废水亦有不少报道。牛志卿，吴国庆，张琳等 9采用聚集 交联法固定化紫色非硫光合细菌用于处理活性艳红 X-3B 染液，比较游离微生物和固定化微生物的某些性质时发现，两种微生物的反应最适合温度均为 30-40，固定化微生物的反应适宜 pH 值范围较宽，热稳定性较好，但 Cu2+对两种微生物酶活力均有抑制作用。比较所得固定化微生物和由海藻酸钠包埋固定化微生物的脱色能力时，前者比后者脱色活力较高、成本低、操作方法简单，易于工业化应用。 4 细胞固定化技术的发展前景 细胞固定化技术以其特有的优点在废水处理领域中引起了普遍的关注 ,但目前尚处于实验研究阶段 ,要实现其实用化或工业 化 ,还有许多问题需要进一步研究解决 ,主要的研究方向如下 :(1)寻找高效、廉价、抗毒性强的生物 ;(2)寻找性能稳定、传质好、强度高、寿命长、价格低的固定化载体 ;(3)发展多种生物共生的固定化体系 ;(4)开发高效的固定化反应器 ;(5)研究对生物无破坏性、高效率的解吸剂 ;(6)大力发展生物再生技术。 相信通过不断的研究和改进 ,细胞固定化技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术 ,在废水处理中获得广泛的应用。 知识水坝（豆丁网 pologoogle）倾心为您整理（双击删除） 参 考 文 献 1 闫志明，普红平，阳立平 .生物固定化技术研究及应用评述 .四川化工， 2004， 7(1)： 1215. 2 李峰，吕锡武等 .聚乙烯醇作为固定化细胞包埋剂的研究 J .中国给排水， 2000， 16（ 12）： 14 17. 3 徐向阳 .固定化细胞技术在废水处理中的应用 J .中国给水排水， 1992， 8（ 2）： 3943. 4 Yang P Y.Packed-entrapped-mixed microbial cells for small wastewater treatment.Water Science and Technology.1990,22(3/4):343. 5 Nilsson I， et al.Eur J Appl Microbial Biotechnol， 1980， 10： 261； Nilsson I， et al.Eur J Appl Microbial Biotechnol， 1982， 14： 86. 6 Vanotti M B.Hunt P G.Nitrification treatment of swine wastewater with acclimated nitrifying sludge immobilized in polymer pelletsJ.Tansactions of the Asae,2000,43(2):405414. 7 严国安，李益健 .Hg2+对固定化小球藻污水净化及生理特征的影响 .环境科学， 1994， 14 (5)： 69. 8 陈敏，罗启芳 .聚乙烯醇包埋活性炭与微生物的固定化技术及对水胺硫磷降解的研究 J .环境科学， 1993， 15(3)： 1114. 9 牛志卿，吴国庆，张琳等 .固定化紫色非硫光合细菌降解活性艳红 X 3B 的研究 .环境科学， 1994， 15 (5) ： 4952. 感谢您的使用 “小萍 ，晚上 10 点以后你为什么老关机？ ”陈飞很直接的发过来一条这样的疑问。 有些按捺不住心头的怒火得力萍想起白天母亲那无休止的唠叨，在看看陈飞所发过来的令人气愤的短信，。平日有着高雅素养的她也很难一下子控制住心头怒火中烧的情绪， “我忙忙碌碌一整天，下班以后我只想回家安安静静好好的睡一觉，沉沉香甜的睡梦中，我不想被外界的因素所打扰，这就是我下班以后回家立刻关机的原因。陈飞你问这话到底是什么意思？ ”气愤填膺的李萍立刻回复着陈飞。 “我知道你白天为了饭店的生意劳碌不堪的，但是白天再累晚上下班以后也不至于回家就倒头大睡呀 ，你难道没有别的娱乐爱好吗？ ”陈飞这个令李萍还在踌躇考验的男人竟然还在不知深浅的试探着。 “什么娱乐项目？你难道说的是找一群人在一起花天酒地的吃喝？还是闲得无聊漫无目的的在大街上瞎溜达？还是醉醺醺的在酒醉迷离中鬼哭狼嚎？陈飞，我告诉你，我没有那多闲心和空闲的时间去干那些令人觉得无聊的事情 ”。看到陈飞竟然说出如此之话李萍彻底的被激怒了。 知识水坝（豆丁网 pologoogle）倾心为您整理（双击删除） “小萍。我不是那个意思，你真的误会我的意思了。我就是觉得你平日认识的朋友也是很多的，并且你也是非常的热情好客的。既然你的交友圈子广泛，晚上不至于就这样按部就班的在家蒙头大睡吧 ？ ”当一个男人表露内心所想的时候，小肚鸡肠或者说有点自私的男人本色也就显露无疑。 “那晚上我不睡觉我能去干嘛？陈飞，你到底想对我说些什么，如果你真的想知道什么你就直接对我说，你又何必拐弯抹角的用话语来伤人那？ ” “小萍，我说的真的不是那个意思，我就是随便的问一句。你千万别生气，我真的没有别的意思。 ”李萍的回复出乎陈飞意料，他觉得他的话令对方生气了。 “陈飞，我没有生气，我为什么要生气？我可以拍着胸脯对天发誓，我没干什么见不得人的事情。陈飞，我再告诉你一遍，以后不管白天你怎么发短信我都会全天开机，可是到了晚 上我十点钟准时关机，所以晚上 10 点以后你就别打我电话了。还有你觉得咱们有相处下去的必要，我就当