PVA凝膠固定微生物法用于廢水處理的研究進展

1、    pva凝膠固定微生物法用于廢水處理的研究進展    何滔 朱旺平 茍青 賀磊摘要：pva 凝膠固定微生物法是一種廢水生物處理方法，具有微生物富集量高、 系統(tǒng)啟動快、 容積負荷高、 處理效果好、 污泥減量效果好及抗沖擊能力強等優(yōu)點，同時固定微生物的種類較多，可用于厭氧氨氧化脫氮、硝化反硝化等工藝，因此pva 凝膠固定微生物法用途較廣。關(guān)鍵詞：pva凝膠;固定微生物法;厭氧氨氧化：x703 ：a ：2095-672x（2019）08-0-03doi：10.16647/15-1369/x.2019.08.069research and progress

2、 of pva-gel immobilized microorganism method used in wastewater treatmenthe tao，zhu wangping，gou qing，he lei（china haisum engineering co.，ltd. r&d center，shanghai 201702，china）abstract： pva-gel immobilized microorganism method is a kind of wastewater biological treatment method， which has the ad

3、vantages of high microbial enrichment， quick system startup， high volume loading， good treatment effect， sludge reduction effect and powerful resistance to impact load. pva-gel could immobilize abundant microbial species which can be used for anaerobic ammonium oxidation， nitrification and denitrifi

4、cation and other processes， so the pva-gel immobilized microorganism method is widely used in the future.keywords： pva-gel;immobilized microorganism method;anammox20世紀70年代，固定化微生物技術(shù)開始用于廢水處理，是目前較為常見的廢水生化處理手段，與未固定化的微生物工藝（懸浮生物處理法）相比，具有以下優(yōu)點：所含微生物量不易流失、抗雜菌污染、降解有機物性能較強、耐沖擊負荷等。固定化微生物方法一般可分為物理固定法和化學(xué)固定法兩大類。物理

5、固定法主要有吸附法、包埋法和包絡(luò)法等，化學(xué)固定法包括共價結(jié)合法和交聯(lián)法等1。固定化微生物技術(shù)采用的載體類型主要為以下幾種：（1）無機載體類（活性碳、多孔陶土、微孔玻璃等）。此類載體強度較大、傳質(zhì)較好、對細胞無毒害、價格便宜且制備過程簡單，有較大的應(yīng)用價值;但它們密度大、實現(xiàn)流化的能耗高、微生物吸附有限和易脫落等缺點。（2）天然有機載體類（海藻酸鹽、瓊脂等）。此類載體對微生物無毒害作用，傳質(zhì)較好，但機械強度低，易被微生物分解。（3）人工合成有機載體類（聚丙烯酰胺（acam）凝膠、聚乙烯醇（pva）凝膠等）。聚丙烯酰胺中含有的丙烯酰胺單體對微生物活性有害，廢水處理中的應(yīng)用并不廣泛。pva凝膠是國內(nèi)

6、外研究最為廣泛的一種包埋固定化載體，它具有強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗微生物分解性強、對細胞無毒且價格低廉等一系列優(yōu)點，因而具有較高的研究價值2，3。1 pva凝膠固定厭氧氨氧化菌研究進展厭氧氨氧化菌（anammox）是目前研究較為熱門的一類脫氮細菌，為自養(yǎng)型細菌，可在缺氧條件下以亞硝酸鹽作為電子受體，以銨鹽為電子供體，產(chǎn)生氮氣，無需外加碳源，無需供氧，產(chǎn)堿量為零并且污泥量低。但是厭氧氨氧化微生物只有在高細胞濃度下才具有活性，倍增時間長，生長緩慢，抗沖擊負荷能力弱，對環(huán)境條件要求苛刻，需控制do、溫度、ph和有機物等，特別對氧氣敏感，反應(yīng)需在低氧濃度下（do國內(nèi)外學(xué)者對厭氧氨氧化做了大量研究，提出

7、過anammox菌種流加等技術(shù)4，5，但是這些技術(shù)對于厭氧氨氧化菌培養(yǎng)條件要求比較高，且培養(yǎng)過程緩慢，普遍存在著菌體流失和顆粒形成過程緩慢的問題6，7。為了截留微生物，保持厭氧氨氧化菌生物量和加快培養(yǎng)馴化厭氧氨氧化菌，一些學(xué)者將pva凝膠作為載體在高效反應(yīng)器中培養(yǎng)馴化厭氧氨氧化菌。圖1 流化床反應(yīng)器圖2 pva凝膠小球圖3 pva凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4 pva凝膠的fish照片albert magrí等人10，采用冷凍-融化法（平均溫度為-8）制備了長度為4mm的正方體型pva凝膠，該凝膠具有彈性和橡膠型外觀，內(nèi)部多孔且呈三維貫穿型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對該凝膠接種含厭氧氨氧化菌的活性污泥（11.89

8、mg tss/1g pva凝膠），見圖1-5。采用攪拌槽反應(yīng)器（stirred-tank reactor）模擬養(yǎng)豬場廢水進行廢水處理試驗，pva凝膠填充率為20%（w/v），見圖1-6。采用pva凝膠固定厭氧氨氧化菌的試驗不需要污泥回流，且在進水未滅菌的條件下，長期與厭氧氨氧化的化學(xué)計量學(xué)方程式較為吻合，同時，該過程不限制底物濃度（除非tn圖5 接種厭氧氨氧化菌的pva凝膠圖6 該實驗采用的攪拌槽反應(yīng)器過程muhammad ali等人11重點針對固定少量厭氧氨氧化菌的pva凝膠增強厭氧氨氧化過程的快速高效啟動進行研究，實驗結(jié)果表明，采用升流式圓柱形反應(yīng)器（up-flow column reac

9、tor），經(jīng)過35天運行，接種固定的微生物量濃度為0.33g vss·l-1的pva凝膠的容積負荷高達10.8kg n/m3/d，然而同樣的實驗條件下，含有厭氧氨氧化顆粒污泥濃度為0.33g vss·l-1的反應(yīng)器的容積負荷僅有3.5 kg n/m3/d，說明pva凝膠固定微生物法在較低濃度的種子微生物下，也能快速啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器;為更好地解釋上述現(xiàn)象，由微電極檢測固定化微生物的有效擴散系數(shù)（de）比顆粒污泥高3倍，且較高的厭氧氨氧化活性（nh4+和no2-的消耗率）歸因于pva凝膠具有更快和更徹底的底物傳質(zhì)，對比之下，顆粒污泥的厭氧氨氧化過程僅局限在顆粒表層，顆粒內(nèi)部

10、微生物沒有對氮的去除作出貢獻，通過fish等檢測手段也能夠進一步驗證pva凝膠固定微生物法的優(yōu)點。以上研究表明，經(jīng)pva凝膠包埋的厭氧氨氧化菌能夠維持反應(yīng)器中高濃度和高活性的生物量，有利于固液分離，有效的避免了anammox細菌因體積小、質(zhì)量輕隨進出水流失。并且pva凝膠固定化微生物的技術(shù)在提高生物性能的同時，使反應(yīng)器運行更加穩(wěn)定，也降低了對反應(yīng)器體積的要求12。相較于顆粒污泥更容易收集，可大大簡化運行操作，隨運行時間延長，包埋顆粒內(nèi)菌體富集將會實現(xiàn)更為高效的脫氮效能13。2 pva凝膠固定其他微生物研究進展除固定厭氧氨氧化菌之外，也可根據(jù)廢水污染物種類的不同，通過pva凝膠固定可降解該污染物

11、的微生物，達到廢水凈化處理的目的。sulaiman al-zuhair， muftah el-naas14使用pva凝膠將惡臭假細胞菌（pseudomonas putida）通過兩種固定方法固定，并在鼓泡塔（bubble column）和噴動床生物反應(yīng)器（spouted bed bioreactor）兩種不同類型的反應(yīng)器中開展苯酚廢水的生物降解試驗。固定方法一：取100g pva粉體與250ml蒸餾水和50ml細菌分散液在7080下攪拌1015min，倒入特殊模具，再將模具放置在-20冰箱24h冷凍成型，然后放置在4下自然融化，重復(fù)多次冷凍和融化過程即可制備出固定微生物的pva凝膠。冷凍-融化

12、法有利于pva凝膠結(jié)晶區(qū)域形成和pva分子之間的交聯(lián)度，增強聚合物機械強度。固定方法二：其固定過程與固定方法一相似，區(qū)別在于，使用50ml營養(yǎng)礦物鹽替代50ml細菌分散液，制成不含細菌的pva凝膠，再將該凝膠浸泡在含900ml細菌分散液、100ml礦物鹽溶液和150mg苯酚的混合液中好氧曝氣兩周，制成固定細菌的pva凝膠;固定細菌前后pva凝膠的橫截面顯微鏡照片見圖7和圖8，說明固定方法二制備的pva凝膠內(nèi)部已接種較多的細菌菌落。上述兩種固定方法均有其優(yōu)缺點，固定方法一中的微生物需忍耐較低溫度的外界環(huán)境，因此可能影響微生物活性;而固定方法二的細菌接種固定時間較長，且細菌直接暴露在廢水中，步驟較

13、為繁瑣。實驗證明，上述兩種微生物固定方式和兩種反應(yīng)器均能夠較好地降解廢水中的苯酚，去除效率取決于微生物的活性，但固定方法一和噴動床生物反應(yīng)器明顯更具優(yōu)勢。圖7 固定細菌前的pva凝膠圖8 固定細菌后的pva凝膠劉巍等人15從焦化廢水二級處理系統(tǒng)的生物膜中富集、培養(yǎng)、濃縮能夠降解苯胺的混合菌種gai，使用添加了活性炭纖維的pva凝膠小球?qū)⑵涔袒玫叫滦凸袒锘钚蕴祭w維小球（ibacfbs）。ibacfbs機械性能好、生化活性高、對高濃度苯胺溶液有優(yōu)異的降解效果，經(jīng)46 h的反應(yīng)，苯胺濃度從初始的526 mg.l-1降至9.6 mg.l-1，降解率達到了98.4%。由于特殊的多孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表

14、面積，其生物活性更加穩(wěn)定，特別是隨著循環(huán)次數(shù)的增加生物活性不但沒有降低，反而有一定程度的提升。zhang li-sheng等人16對改進型的pva凝膠固定活性污泥進行研究，三種pva凝膠分別為pva-硼酸凝膠、pva-硝酸鈉凝膠、pva-磷酸鹽凝膠，并采用耗氧速率（oxygen uptake rate（our）作為評價三種pva凝膠固定活性污泥的生物活性指標。研究結(jié)果表明，pva-磷酸鹽凝膠法是一種較為經(jīng)濟且生物活性指標較高的固定化微生物技術(shù)。王杏佳等人17采用硼酸-化學(xué)交聯(lián)法制備了可用于水處理的聚乙烯醇（pva）凝膠小球，通過對凝膠小球的彈性、力學(xué)強度、壓縮強度和比表面等性能的測試及sem照

15、片分析，考察了交聯(lián)劑種類和pva質(zhì)量分數(shù)對凝膠小球的影響。結(jié)果表明，選用cacl2作交聯(lián)劑、質(zhì)量分數(shù)為5%的pva，凝膠小球有較好的性能。將制備而成的pva固定化微生物凝膠小球（接種固定硝化菌）用于水處理中，氨氮的去除率在15 h后可達90%。3 pva凝膠固定微生物法用于廢水處理的技術(shù)展望pva 凝膠是一種親水性好、具有良好細菌棲息性的新型微生物固定化載體，具有微生物富集量高、 系統(tǒng)啟動快、 容積負荷高、 處理效果好、 污泥減量效果好及抗沖擊能力強等技術(shù)優(yōu)勢18。pva 凝膠固定微生物法適用范圍較為廣泛，可用于制藥廢水、化工廢水、垃圾滲濾液等毒性較大廢水，也可用于高效脫氮處理。pva 凝膠固

16、定微生物法用于廢水處理具有較好的研究價值和市場前景。因此，對pva 凝膠固定微生物技術(shù)的深入研究很有必要，尤其是微生物的加速培養(yǎng)和固定，以及載體本身的理化性質(zhì)進一步的優(yōu)化。相信通過不斷研究和改進，這種高效的水處理技術(shù)將會得到更為廣泛的應(yīng)用。參考文獻1 王廣金，褚良銀，楊平，等.固定化微生物技術(shù)及其在廢水處理中的應(yīng)用j. 重慶環(huán)境科學(xué)， 2003， 25（12）：171-173.2 劉帥， 張培玉， 曲洋， et al. 包埋法固定化微生物技術(shù)中的載體選擇及在污水生物處理中的應(yīng)用j. 河南科學(xué)，2009，27（a05）：554-558.3 黃真真.固定化微生物技術(shù)及其處理廢水機制的研究進展j.

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