固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的研究進(jìn)展

1、固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的研究進(jìn)展祝麗思（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政工程系）摘要固定化微生物技術(shù)是一種有效的廢水生物處理技術(shù),與普通生物處理法相比有許多優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)固定化微生物技術(shù)、微生物的固定化方法、固定化載體及固定化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用及研究進(jìn)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述,并對(duì)其以后的發(fā)展作了探討。關(guān)鍵詞固定化微生物廢水處理0 引言固定化細(xì)胞技術(shù)是用化學(xué)或物理的手段將游離細(xì)胞定位于限定的空間區(qū)域，并使其保持活性，反復(fù)利用的方法，是六十年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。生物固定化技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于城市廢水的處理，近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)也獲得了令人鼓舞的研究成果。研究和應(yīng)用表明1，固

2、定化微生物技術(shù)，具有微生物密度高、反應(yīng)速度快、耐毒害能力強(qiáng)、微生物流失少、產(chǎn)物分離容易、處理設(shè)備小型化等優(yōu)點(diǎn)。因此,該技術(shù)有著遠(yuǎn)大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。1固定化法國(guó)內(nèi)外不同的研究工作者對(duì)固定化法采用不同的分類(lèi)方法，目前較合理的固定法大致有吸附法、包埋法、共價(jià)結(jié)合法和交聯(lián)法四大類(lèi)，其中以包埋法最為常用2。1.1包埋法包埋法是用物理方法將微生物細(xì)胞包埋在凝膠的微小空格內(nèi)或埋于半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)。根據(jù)載體材料和方法的不同，包埋法可分為凝膠包埋法和半透膜包埋法兩種。凝膠包埋法是將細(xì)胞包埋在各種凝膠內(nèi)部的微孔中而使細(xì)胞固定的方法；半透膜包埋法是將細(xì)胞包埋在由各種高分子聚合物制成的小球內(nèi)而使細(xì)胞固定的

3、方法。目前工業(yè)應(yīng)用中以凝膠包埋法固定細(xì)胞最為廣泛。1.2吸附法吸附法又叫載體結(jié)合法，是依據(jù)帶電的微生物細(xì)胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用，而使微生物細(xì)胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜的方法，可分為物理吸附法和離子吸附法兩種。從本質(zhì)上來(lái)看，吸附固定法是微生物自我固定，它在廢水生物處理中已廣泛應(yīng)用，如生物塔濾池、生物接觸氧化法、厭氧濾器、厭氧流化床等生物膜，以及上流式污泥床內(nèi)厭氧顆粒污泥，都是依靠微生物吸附于載體（填料）表面或自聚凝而成，盡管成膜過(guò)程或顆粒化過(guò)程的機(jī)理不甚清楚，但技術(shù)工藝已非常成熟3。1.3共價(jià)結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法是細(xì)胞表面上功能團(tuán)（如，氨基、，或羧基或羥基咪唑基、酚基等）和

4、固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)之間形成化學(xué)共價(jià)鍵連接，從而成為固定化細(xì)胞。該法細(xì)胞與載體之間的連接鍵很牢固，使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生脫落，穩(wěn)定性好，但反應(yīng)條件激烈，操作復(fù)雜，控制條件苛刻。利用此法制備的固定化細(xì)胞，細(xì)胞大多死亡。有人用此法將卡爾酵母固定在已活化的多孔玻璃珠上10，雖然細(xì)胞已經(jīng)死亡，但仍然保留生產(chǎn)尿酐酸的活性。1.4交聯(lián)法交聯(lián)法是利用雙功能或多功能試劑，直接與細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)（如氨基酸、羥基、硫基、咪唑基）發(fā)生反應(yīng)，使其彼此交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固定化細(xì)胞，其結(jié)合力是共價(jià)鍵。常用的交聯(lián)劑有戊二醛、甲苯二異氰酸酯等。該法反應(yīng)條件激烈，對(duì)細(xì)胞活性影響大。千煙一郎曾用此法制得具有天門(mén)冬氨酸活力的固定

5、化大腸桿菌細(xì)胞11。2固定化細(xì)胞的載體開(kāi)發(fā)篩選理想的固定化細(xì)胞載體是固定化細(xì)胞技術(shù)能否投入實(shí)用的關(guān)鍵。適用于廢水處理的理想固定化細(xì)胞載體應(yīng)具備以下特點(diǎn)：對(duì)微生物無(wú)毒性；傳質(zhì)性能好；性質(zhì)穩(wěn)定，不易被生物分解；強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)；細(xì)胞的固定化操作容易；水不溶性；價(jià)格低廉等。研制開(kāi)發(fā)具有這些特性的載體是固定化微生物研究中最為重要的課題之一。各種常用載體性能見(jiàn)表2.1：表2.1 常用載體性能的比較載體瓊脂海藻酸鈣角叉萊膠聚丙烯酰胺pva硼酸壓縮強(qiáng)度（kg/cm2）0.50.80.81.42.75耐曝氣強(qiáng)度差一般一般好好擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）75685860/耐生物分解性差較差較差好好對(duì)生物毒性無(wú)無(wú)無(wú)較強(qiáng)一

6、般固定的難易易易易難較易成本便宜較便宜貴貴便宜3 固定化細(xì)胞在廢水處理中的應(yīng)用3.1在難降解有機(jī)污染物中的應(yīng)用難降解有機(jī)物用在常規(guī)生物處理工藝時(shí)一般去除效率很低，這主要是因?yàn)榉纸夂娃D(zhuǎn)化這些有機(jī)物的微生物的增殖速度極慢、世代時(shí)間很長(zhǎng)，難以在常規(guī)生物處理裝置內(nèi)積累到足以使這些污染物產(chǎn)生明顯降解的濃度。利用固定化微生物的特點(diǎn)，可選擇性地篩選一些特殊優(yōu)勢(shì)菌種并加以固定化，增加其在生物處理裝置內(nèi)的生物濃度，以提高難降解有機(jī)物的處理效率。yang4用三乙酸纖維素脂與海藻酸鈣的復(fù)合載體包埋混合好氧菌處理含酚廢水，并與采用同樣載體的表面吸附生物膜法進(jìn)行了比較。當(dāng)容積負(fù)荷小于9.0kgcod/ m3d時(shí)，包埋法

7、固定的微生物的酚去除率達(dá)90%以上，其中三乙酸纖維單載體從固定化操作容易來(lái)看出復(fù)合載體有利；與采用同樣載體的表面吸附生物膜法比較，當(dāng)負(fù)荷小于1.3kgcod/ m3 d時(shí)，兩種方法處理效果相差不大，但負(fù)荷較高時(shí)，包理法固定化微生物比生物膜法處理效果好，顯示出優(yōu)勢(shì)。3.2 固定化細(xì)胞技術(shù)處理氨氮廢水在硝化、反硝化研究方面，最早是nilsson5用海藻酸鈣固定假單胞反硝化菌，采用填充柱對(duì)地下水中濃度為20mgl的硝酸鹽進(jìn)行兩個(gè)月的連續(xù)脫氮試驗(yàn)，脫氮效果良好，反硝化速度為66mg（hkg凝膠），容積負(fù)荷為3.6kg（m3d）。隨后，vanotti ，hunt等6用pva冷凍法把硝化污泥固定在聚乙烯醇

8、小球里，用來(lái)處理養(yǎng)豬廢水。采用批量試驗(yàn)和連續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行好氧處理，研究結(jié)果表明：硝化污泥小球不受養(yǎng)豬廢水高bod濃度的影響，適用于快速和有效的去除厭氧養(yǎng)豬廢水塘中的nh4+。3.3 對(duì)廢水中重金屬離子的去除固定化微生物處理含金屬離子廢水研究也受到相應(yīng)關(guān)注，這對(duì)于拓展固定化微生物處理廢水領(lǐng)域而言意義重大。微生物固定化后，其穩(wěn)定性增加，對(duì)毒性物質(zhì)的承受能力和降解能力都明顯增強(qiáng)，因此可被用于各種有機(jī)廢水中各種重金屬離子的去除。嚴(yán)國(guó)安、李益健7研究了固定化小球藻對(duì)含hg2+廢水凈化及生理特征的影響，利用褐藻酸鈣凝膠包埋固定化普通小球藻，并對(duì)人工配制的含汞廢水進(jìn)行靜態(tài)凈化試驗(yàn)。研究了不同hg2+濃度對(duì)固定化

9、小球藻凈化廢水過(guò)程中氨氮、正磷酸鹽的處理效率以及小球藻的4個(gè)生理指標(biāo)(葉綠素a、光和強(qiáng)度、生長(zhǎng)和過(guò)氧化物酶)的影響，并與懸浮藻對(duì)照比較。結(jié)果表明：由于小球藻的固定化增加了對(duì)hg2+毒性的抗性，0.210-6濃度的hg2+對(duì)其凈化效率無(wú)多大影響，而懸浮藻的凈化效率明顯下降；隨著hg2+濃度的增加，固定化小球藻對(duì)廢水凈化效率逐漸下降、但其凈化效率仍高于不含hg2+廢水中懸浮藻的凈化效率。同時(shí)固定化藻的生長(zhǎng)、葉綠素a含量、光和強(qiáng)度和過(guò)氧化物酶活性與懸浮藻一樣隨hg2+濃度的增加而降低，但懸浮藻降低幅度顯著。3.4固定化細(xì)胞處理農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑廢水的研究陳敏，羅啟芳8利用聚乙烯醇包埋活性炭和微生物的固定化

10、技術(shù)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥水胺硫磷的降解進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，經(jīng)固定的微生物對(duì)溫度、ph值和水樣水胺硫磷濃度的適應(yīng)范圍擴(kuò)大，在三個(gè)月的連續(xù)試驗(yàn)中，水樣初始codcr濃度為13002500mg/l，水樣ph為7,停留時(shí)間24小時(shí)，在恒溫?fù)u床（30，150r/min）內(nèi)降解，其去除率為55%70%。3.5固定化細(xì)胞處理印染廢水廢水的研究采用固定化微生物處理印染廢水亦有不少報(bào)道。牛志卿，吳國(guó)慶，張琳等 9采用聚集交聯(lián)法固定化紫色非硫光合細(xì)菌用于處理活性艷紅x-3b染液，比較游離微生物和固定化微生物的某些性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩種微生物的反應(yīng)最適合溫度均為30-40，固定化微生物的反應(yīng)適宜ph值范圍較寬，熱穩(wěn)定性較好

11、，但cu2+對(duì)兩種微生物酶活力均有抑制作用。比較所得固定化微生物和由海藻酸鈉包埋固定化微生物的脫色能力時(shí)，前者比后者脫色活力較高、成本低、操作方法簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化應(yīng)用。4 細(xì)胞固定化技術(shù)的發(fā)展前景細(xì)胞固定化技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)在廢水處理領(lǐng)域中引起了普遍的關(guān)注,但目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段,要實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化或工業(yè)化,還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究解決,主要的研究方向如下:(1)尋找高效、廉價(jià)、抗毒性強(qiáng)的生物;(2)尋找性能穩(wěn)定、傳質(zhì)好、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低的固定化載體;(3)發(fā)展多種生物共生的固定化體系;(4)開(kāi)發(fā)高效的固定化反應(yīng)器;(5)研究對(duì)生物無(wú)破壞性、高效率的解吸劑;(6)大力發(fā)展生物再生技術(shù)。相

12、信通過(guò)不斷的研究和改進(jìn),細(xì)胞固定化技術(shù)必將成為一項(xiàng)高效而實(shí)用的廢水處理技術(shù),在廢水處理中獲得廣泛的應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)1 閆志明，普紅平，陽(yáng)立平.生物固定化技術(shù)研究及應(yīng)用評(píng)述.四川化工，2004，7(1)：1215.2 李峰，呂錫武等.聚乙烯醇作為固定化細(xì)胞包埋劑的研究j.中國(guó)給排水，2000，16（12）：1417.3 徐向陽(yáng).固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用j.中國(guó)給水排水，1992，8（2）：3943.4 yang p y.packed-entrapped-mixed microbial cells for small wastewater treatment.water science

13、 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 t