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1、固定化微生物技術(shù)應(yīng)用與其在廢水處理辦法中應(yīng)用固定化微生物技術(shù)及其在廢水處理應(yīng)用固定化微生物技術(shù)及其在廢水處理應(yīng)用v研究目的及意義研究目的及意義v固定化微生物技術(shù)概述固定化微生物技術(shù)概述v在廢水處理中的應(yīng)用在廢水處理中的應(yīng)用研究目的及意義研究目的及意義v傳統(tǒng)工藝傳統(tǒng)工藝 :微生物以懸浮態(tài)生長(zhǎng),易于從反:微生物以懸浮態(tài)生長(zhǎng),易于從反應(yīng)器中流失;與水的密度差小,重復(fù)利用較應(yīng)器中流失;與水的密度差小,重復(fù)利用較困難。困難。v固定化微生物固定化微生物 :微生物固著生長(zhǎng),有利于:微生物固著生長(zhǎng),有利于提高微生物的數(shù)量,利于固液分離,利于去提高微生物的數(shù)量,利于固液分離,利于去除氮、高濃度有機(jī)物或者難以生物
2、降解物質(zhì),除氮、高濃度有機(jī)物或者難以生物降解物質(zhì),提高系統(tǒng)的處理能力和適應(yīng)性。提高系統(tǒng)的處理能力和適應(yīng)性。優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)(I) 可以保持反應(yīng)器內(nèi)微生物的高濃度和高活性,有助于提高污染物的處可以保持反應(yīng)器內(nèi)微生物的高濃度和高活性,有助于提高污染物的處理負(fù)荷和去除效率;理負(fù)荷和去除效率;(2)采用固定化微生物技術(shù)的工藝,污泥產(chǎn)量低,減輕了后續(xù)污泥處采用固定化微生物技術(shù)的工藝,污泥產(chǎn)量低,減輕了后續(xù)污泥處置的負(fù)擔(dān);置的負(fù)擔(dān);(3)微生物固定化形成顆粒態(tài),利于沉淀過程的泥水分離;微生物固定化形成顆粒態(tài),利于沉淀過程的泥水分離;(4)將具有降解某些難降解有機(jī)物特性的微生物固定化,可有效處理某些行將具有降解某些
3、難降解有機(jī)物特性的微生物固定化,可有效處理某些行業(yè)廢水;業(yè)廢水;(5)微生物固定化對(duì)有毒物質(zhì)的承受能力強(qiáng),穩(wěn)定性好;微生物固定化對(duì)有毒物質(zhì)的承受能力強(qiáng),穩(wěn)定性好;固定化微生物技術(shù)固定化微生物技術(shù) 定義:定義: 固定化微生物技術(shù)是指用物理或化學(xué)方固定化微生物技術(shù)是指用物理或化學(xué)方法將游離微生物細(xì)胞、動(dòng)植物細(xì)胞、細(xì)胞器法將游離微生物細(xì)胞、動(dòng)植物細(xì)胞、細(xì)胞器或酶限制或定位在某一特定空間范圍內(nèi),?;蛎赶拗苹蚨ㄎ辉谀骋惶囟臻g范圍內(nèi),保留其固有的催化活性,并能被重復(fù)和連續(xù)使留其固有的催化活性,并能被重復(fù)和連續(xù)使用的技術(shù)用的技術(shù) 。固定化微生物技術(shù)的發(fā)展固定化微生物技術(shù)的發(fā)展v雛形:活性污泥法可以看成是包
4、埋固定化生雛形:活性污泥法可以看成是包埋固定化生物技術(shù)的雛形物技術(shù)的雛形v20世紀(jì)五六十年代世紀(jì)五六十年代 :生物膜法,依靠微生物:生物膜法,依靠微生物的自然附著力形成固著型生物膜的自然附著力形成固著型生物膜v20世紀(jì)七十年代末:人工強(qiáng)化的固定化微生世紀(jì)七十年代末:人工強(qiáng)化的固定化微生物物固定化微生物技術(shù)固定化微生物技術(shù)v固定化方法固定化方法v不同固定化技術(shù)比較不同固定化技術(shù)比較v載體的選擇載體的選擇v固定化微生物的制備流程固定化微生物的制備流程v固定化微生物反應(yīng)器固定化微生物反應(yīng)器固定化方法固定化方法v吸附法吸附法v包埋法包埋法v交聯(lián)法交聯(lián)法v共價(jià)鍵結(jié)合法共價(jià)鍵結(jié)合法固定化方法固定化方法v吸
5、附法吸附法 :吸附法又叫載體結(jié)合法,是依據(jù)帶電的微生物細(xì):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,使微生物胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用,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。吸附法和離子吸附法兩種。v包埋法包埋法:包埋法是用物理方法將微生物細(xì)胞包埋在凝: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)。這膠的微小空格內(nèi)或埋于半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)。這種方法既操作簡(jiǎn)單,又不會(huì)明顯影響生物活性,是比種方法既操作
6、簡(jiǎn)單,又不會(huì)明顯影響生物活性,是比較理想的方法,目前應(yīng)用最多。較理想的方法,目前應(yīng)用最多。固定化方法固定化方法v交聯(lián)法交聯(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)表面的反應(yīng)基團(tuán)(如氨基酸、羥基、咪唑基如氨基酸、羥基、咪唑基)發(fā)生反應(yīng),使發(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。價(jià)鍵。常用的交聯(lián)劑有戊二醛、甲苯二異氰酸酯等。v共價(jià)結(jié)合法:是利用微生物細(xì)胞表面功能團(tuán)與固相載體共價(jià)結(jié)合法:是利用微生物細(xì)胞表面功能團(tuán)與固相載體
7、表面基團(tuán)之間形成化學(xué)共價(jià)鍵相連來固定細(xì)胞。表面基團(tuán)之間形成化學(xué)共價(jià)鍵相連來固定細(xì)胞。凝膠包埋法凝膠包埋法微膠囊包埋法微膠囊包埋法不同固定化技術(shù)比較不同固定化技術(shù)比較 表面吸附技術(shù)表面吸附技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 制備容易制備容易 可選用的載體類型多可選用的載體類型多 載體可再生回用載體可再生回用缺點(diǎn)缺點(diǎn) 被固定的微生物活性較低被固定的微生物活性較低 細(xì)胞與載體作用力較弱,需較長(zhǎng)時(shí)間細(xì)胞與載體作用力較弱,需較長(zhǎng)時(shí)間 完成初始固定化過程。完成初始固定化過程。包埋固定化包埋固定化v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 固定化強(qiáng)度高固定化強(qiáng)度高 易于固液分離易于固液分離 可工業(yè)化操作可工業(yè)化操作v缺點(diǎn)缺點(diǎn) 載體不能再生載體不能再生 制備工
8、藝復(fù)雜制備工藝復(fù)雜 機(jī)械強(qiáng)度弱,可使用壽命較短機(jī)械強(qiáng)度弱,可使用壽命較短交聯(lián)固定技術(shù)交聯(lián)固定技術(shù)v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 受環(huán)境因素影響小受環(huán)境因素影響小 細(xì)胞與載體間作用力較強(qiáng)細(xì)胞與載體間作用力較強(qiáng)v缺點(diǎn)缺點(diǎn) 可能改變細(xì)胞活性基可能改變細(xì)胞活性基 可選用載體相對(duì)較少可選用載體相對(duì)較少 費(fèi)用較高費(fèi)用較高共價(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 可連續(xù)使用時(shí)間較長(zhǎng)可連續(xù)使用時(shí)間較長(zhǎng) v缺點(diǎn)缺點(diǎn) 反應(yīng)條件劇烈,回收率低反應(yīng)條件劇烈,回收率低 操作復(fù)雜,對(duì)操作條件要求較高操作復(fù)雜,對(duì)操作條件要求較高 載體的選擇載體的選擇微生物固定化的理想載體應(yīng)該具備以下特性:微生物固定化的理想載體應(yīng)該具備以下特性:(1)制作
9、過程簡(jiǎn)單易行。制作過程簡(jiǎn)單易行。(2)對(duì)細(xì)胞無毒害作用。對(duì)細(xì)胞無毒害作用。(3)傳質(zhì)性能良好。傳質(zhì)性能良好。(4)不易被微生物分解。不易被微生物分解。(5)性質(zhì)穩(wěn)定。性質(zhì)穩(wěn)定。(6)強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)。強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)。(7)價(jià)格便宜。價(jià)格便宜。載體的類型(1)無機(jī)載體類(活性炭、多孔陶土、微孔玻璃等)。此類載體強(qiáng)度大、傳質(zhì)性好、對(duì)細(xì)胞無毒害、價(jià)格便宜且制備過程簡(jiǎn)單,有較大的應(yīng)用價(jià)值。但是它們有密度大、實(shí)現(xiàn)流化的能效高、微生物吸附有限和易脫落等缺點(diǎn)。(2)天然有機(jī)載體類(海藻酸鹽、瓊脂等)。這類載體對(duì)微生物無毒害作用,傳質(zhì)性好。但是機(jī)械強(qiáng)度低,易被微生物分解。(3)人工合成有機(jī)載體類(聚丙烯酰胺(A
10、CAM)凝膠、聚乙烯醇(PVA)凝膠等) 。ACAM 凝膠強(qiáng)度較高,傳質(zhì)性一般,由于丙烯酰胺單體對(duì)微生物活性有害,廢水處理中應(yīng)用并不廣泛。PVA凝膠是國(guó)內(nèi)外研究最為廣泛的一種包埋固定化載體,它具有強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗微生物分解性強(qiáng)、對(duì)細(xì)胞無毒且價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。因而具有很大的利用價(jià)值。固定化微生物制備流程固定化微生物制備流程固定化微生物反應(yīng)器固定化微生物反應(yīng)器v純種固定化微生物反應(yīng)器以單一種群微生物純種固定化微生物反應(yīng)器以單一種群微生物 細(xì)胞為生細(xì)胞為生物活性物質(zhì)物活性物質(zhì),利用特殊種類的載體利用特殊種類的載體 , 通過不同的方法將其通過不同的方法將其固定固定,實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中污染物的降實(shí)
11、現(xiàn)對(duì)廢水中污染物的降 解解 ?;蚶萌斯ぜ兓男?。或利用人工純化的形式式,篩選并富集特定的微篩選并富集特定的微 生物種群生物種群 ,以物理或化學(xué)的方式以物理或化學(xué)的方式,將將其固定其固定,適用于處理含有特定污染物質(zhì)的廢水適用于處理含有特定污染物質(zhì)的廢水v例如:流化床生物反應(yīng)器、固定填充床、攪拌槽式反例如:流化床生物反應(yīng)器、固定填充床、攪拌槽式反應(yīng)器、膜生物反應(yīng)器應(yīng)器、膜生物反應(yīng)器流化床反應(yīng)器 流化床型反應(yīng)器是一種裝有較流化床型反應(yīng)器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器。反小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器。反應(yīng)時(shí),底物溶液以足夠大的流應(yīng)時(shí),底物溶液以足夠大的流速,從反應(yīng)器底部向上通過固速,從反應(yīng)器底部向上通
12、過固定化微生物柱床,便能使固定化定化微生物柱床,便能使固定化微生物顆粒始終處于流化狀態(tài)。微生物顆粒始終處于流化狀態(tài)。由于反應(yīng)器內(nèi)混合程度高,因此,由于反應(yīng)器內(nèi)混合程度高,因此,傳熱、傳質(zhì)情況良好。傳熱、傳質(zhì)情況良好。圖4-5 流化床反應(yīng)器混合種群固定化微生物反應(yīng)器混合種群固定化微生物反應(yīng)器v通過合理控制反應(yīng)器營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)、投加必要的通過合理控制反應(yīng)器營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)、投加必要的核心物質(zhì)、控制反應(yīng)器水力流態(tài)而使微生物核心物質(zhì)、控制反應(yīng)器水力流態(tài)而使微生物實(shí)現(xiàn)自身固定化實(shí)現(xiàn)自身固定化vUASB .ABR. 等生物處理工藝等生物處理工藝固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用v主要特征主要特征密集微生物,維
13、持反應(yīng)器中的生物量濃度密集微生物,維持反應(yīng)器中的生物量濃度易于實(shí)現(xiàn)固液分離易于實(shí)現(xiàn)固液分離適用于含有有毒有害物的處理適用于含有有毒有害物的處理1處理氨氮廢水;處理氨氮廢水; 硝化菌、反硝化菌的增殖速度慢,要提高去除率就要硝化菌、反硝化菌的增殖速度慢,要提高去除率就要求反應(yīng)器有較長(zhǎng)的固體停留時(shí)間和較高的細(xì)菌濃度,采用求反應(yīng)器有較長(zhǎng)的固體停留時(shí)間和較高的細(xì)菌濃度,采用固定化生物技術(shù)可做到這點(diǎn)。固定化生物技術(shù)可做到這點(diǎn)。2處理難降解的有機(jī)廢水處理難降解的有機(jī)廢水處理氨氮廢水處理氨氮廢水vNilsson用海藻酸鈣固定假單細(xì)胞反硝化細(xì)菌用海藻酸鈣固定假單細(xì)胞反硝化細(xì)菌Pseudomonas denitr
14、ificans用填充床對(duì)含用填充床對(duì)含20 mgL硝硝酸鹽的地下水進(jìn)行兩個(gè)月的連續(xù)脫氮試驗(yàn),脫氮效果酸鹽的地下水進(jìn)行兩個(gè)月的連續(xù)脫氮試驗(yàn),脫氮效果良好。良好。v將脫氮細(xì)胞包埋于將脫氮細(xì)胞包埋于PVA(聚乙烯醇聚乙烯醇)中,結(jié)果表明在低溫、中,結(jié)果表明在低溫、低低pH的條件下,固定化細(xì)胞能夠保留比未包埋細(xì)胞更高的的條件下,固定化細(xì)胞能夠保留比未包埋細(xì)胞更高的脫氮活性。減輕溶解氧對(duì)脫氮的抑制作用。脫氮微生物在脫氮活性。減輕溶解氧對(duì)脫氮的抑制作用。脫氮微生物在固定化載體中可以增殖。固定化載體中可以增殖。高濃度有機(jī)廢水的處理高濃度有機(jī)廢水的處理方法:方法: 通過篩選分離出高校菌株或是通過生物工通過篩選
15、分離出高校菌株或是通過生物工程技術(shù)培養(yǎng)特異菌株并進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)及固定程技術(shù)培養(yǎng)特異菌株并進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)及固定優(yōu)勢(shì):優(yōu)勢(shì): 提高反應(yīng)速率和處理效率提高反應(yīng)速率和處理效率 減少污泥量和二次沉池的負(fù)荷減少污泥量和二次沉池的負(fù)荷 降低基建投資費(fèi)用降低基建投資費(fèi)用難降解有機(jī)廢水的處理難降解有機(jī)廢水的處理v含重金屬?gòu)U水的處理含重金屬?gòu)U水的處理v含氮廢水的處理含氮廢水的處理v印染、造紙等廢水的處理印染、造紙等廢水的處理v含醇類廢水的處理含醇類廢水的處理v含雜環(huán)芳烴類廢水的處理含雜環(huán)芳烴類廢水的處理含重金屬?gòu)U水的處理含重金屬?gòu)U水的處理 由于微生物經(jīng)固定化后,其穩(wěn)定性增強(qiáng),由于微生物經(jīng)固定化后,其穩(wěn)定性增強(qiáng),抗生物
16、毒性物質(zhì)的能力大大增強(qiáng)。因此,可抗生物毒性物質(zhì)的能力大大增強(qiáng)。因此,可以被廣泛地用于有機(jī)廢水中重金屬離子的去以被廣泛地用于有機(jī)廢水中重金屬離子的去除。除。含重金屬?gòu)U水的處理 M. Iqbal 等用一種新型經(jīng)濟(jì)的多孔載體絲瓜瓤固定黃等用一種新型經(jīng)濟(jì)的多孔載體絲瓜瓤固定黃孢原毛平革菌(孢原毛平革菌(Phanerochaete hrysosporium),制),制成吸附劑用以吸附溶液中成吸附劑用以吸附溶液中Pb2+、Cu2+和和Zn2+ ,并與懸浮,并與懸浮液做了對(duì)比研究。液做了對(duì)比研究。 在在pH 為為6.0 時(shí),吸附時(shí),吸附1 h達(dá)平衡,達(dá)平衡, Pb2+ 、Cu2+ 和和Zn 2+ 3 種金屬
17、離子的去除率分別是種金屬離子的去除率分別是88.2%、68.7%和和39.6%,相對(duì)于懸浮液,去除率分別提高了相對(duì)于懸浮液,去除率分別提高了14.6%、12.8%和和16.1%。 含重金屬?gòu)U水的處理v M.Y. Arica 等將黃孢原毛平革菌等將黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)固定在海藻酸鈣中,)固定在海藻酸鈣中,用于吸附人工靜態(tài)模擬廢水中用于吸附人工靜態(tài)模擬廢水中30600 mg/L 的的Pb2+和和Zn2+ ,對(duì)其吸附容量做了細(xì)致的研究。對(duì)其吸附容量做了細(xì)致的研究。v 結(jié)果表明,在結(jié)果表明,在pH 5.06.0、吸附、吸附60 min 后,加熱后,加熱滅活菌對(duì)滅活菌對(duì)Pb2+和和Zn2+的吸附容量為的吸附容量為355、48 mg/g,大于,大于活菌球的活菌球的282、37 mg/g。含重金屬?gòu)U水的處理含重金屬?gòu)U水的處理v嚴(yán)國(guó)安利用褐藻酸鈣包埋固定普通小球藻,對(duì)人工配制嚴(yán)國(guó)安利用褐藻酸鈣包埋固定普通小球藻,對(duì)人工配制的含汞污水進(jìn)行靜態(tài)凈化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,固定藻對(duì)汞的含汞污水進(jìn)行靜態(tài)凈化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,固定藻對(duì)汞的去除明顯高于懸浮藻,如表的去除明顯高于懸浮藻,如表2所示。所示。印染、造紙等廢水的處理v染料、造紙廢水色度高、成分復(fù)雜、有毒有害有機(jī)物多
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