固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展-

1、第34卷第6期2009年6月環(huán)境科學(xué)與管理ENV IRONM ENTAL SCIENCE AND M ANAG EM ENT Vol 134N o 16J une 2009收稿日期:2009-02-13作者簡(jiǎn)介:肖亦(1981-,男,江蘇泰興人,碩士研究生,工程師,主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、研究分析工作。通訊聯(lián)系人:肖亦文章編號(hào):1674-6139(200906-0082-03固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展肖亦1,鐘飛2,潘獻(xiàn)曉3(1.泰興市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,江蘇泰興225400;2.沙市大學(xué)化學(xué)工程系,湖北荊州434000;3.南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系,江蘇南京210048摘 要:

2、固定化微生物技術(shù)是一種有效的廢水生物處理技術(shù),與一般生物處理法相比具有微生物密度高、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)。對(duì)固定化微生物技術(shù)、微生物的固定化方法(包埋法、吸附法、共價(jià)結(jié)合法和交聯(lián)法、固定化載體的性能(壓縮強(qiáng)度、耐曝氣強(qiáng)度、擴(kuò)散系數(shù)、耐生物分解性、對(duì)生物毒性、固定的難易、成本及固定化技術(shù)在難降解有機(jī)污染物廢水,含氨氮、重金屬、農(nóng)藥、印染廢水處理中的應(yīng)用及研究進(jìn)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞:固定化微生物;廢水處理;研究進(jìn)展中圖分類(lèi)號(hào):X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AR esearch Advances i n App licati ons of Immo

3、bilized M i croorgan i s m Technol ogyon W aste water Treat m entX iao Y i 1,Zhong Fei 2,Pan X ianxiao3(1.Tai x i ng E nv i ron mentalMon itori ng Station ,T ai xi ng 225400,Ch i na ;2.Che m ical Eng i neeri ng D e part m en,t Shash iUn iversit y ,Ji ngz hou 434000,Ch i na ;3.Depart m ent ofApp lied

4、 Che m i stry ,Nan jing Che m i cal Che m istr y Co llege ,N an ji ng 210048,Ch i naA b stract :I m mob iliz ed m icr oor ganis m was an ef f ecti ve b iol ogical waste water treat me n t tec hnol ogy .It ha d many adva n ta gestha n co mmon b iol og i cal tr eat m e n ts ,such as h igherm icro b ia

5、l density ,f aster r esponse ,str onger ab ility f or r esistance t o poison ,f e 2werm i cro-organ i s ms l oss ,eas i er se par ati on of t he produc,t eas i erm i n m i iz ati on of t he pr ocess i ng equ i p m e n.t Th i s paper su mma 2ri ze d the stud ies on the app li cati on of m i mob iliz

6、ed m i cr oor ga n is m tec hnol ogy i n waste water treat men,t i ncl ud i ng the tec hnol ogy of m i mob iliz ed m i croor gan is m ,them ethods of m i mobili zatio n ofm icroorgan i s m ,t he capa b ility of the m i mob iliz ed carriers ,a nd t he technology of m i mob iliz ati on f or har d to d

7、egrade waste water .K ey words :m i mob ili ze d m icroorgan i s m ;waste water treat m en;t r esearch adva n ces固定化微生物技術(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)的新興生物技術(shù)。它以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于廢水的處理,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

8、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包埋法、吸附法、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2-4。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#82#成的小球內(nèi)而使細(xì)胞固定的方法。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)

9、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5。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A-,E-氨基、A-,B-或C-羧基或羥基咪唑基、酚基等和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

10、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,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6。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)冬氨酸活力的固定化大腸桿菌細(xì)胞。2固定化細(xì)胞的載體3-4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

11、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):(1對(duì)微生物無(wú)毒性;(2傳質(zhì)性能好;(3性質(zhì)穩(wěn)定,不易被生物分解;(4強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng);(5細(xì)胞的固定化操作容易;(6水不溶性;(7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1。表1常用載體性能的比較擴(kuò)散系數(shù)(c m2/s75685860/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

12、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。Yang7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)行比較,當(dāng)容積負(fù)荷小于910kgCOD/m3#d時(shí),包埋法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113kgCOD/m3#d時(shí),兩種方法處理效果相差不大,但負(fù)荷

13、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處理氨氮廢水的研究在硝化、反硝化研究方面,最早是N ilsson5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20mg/L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/(h# kg凝膠,容積負(fù)荷為316kg/(m3#d。隨后, V anotti等8用PVA冷凍法把硝化污泥固定在聚乙烯醇小球里,用來(lái)處理養(yǎng)豬廢水。采用批量試驗(yàn)和#83#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,適用于快速和有效地去除厭氧養(yǎng)豬廢水塘中的N H+4。3.3去除廢水中重金屬離子的研究

14、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9研究了固定化小球藻對(duì)含H g2+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H g2+濃度對(duì)固定化小球藻凈化廢水過(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)H g2+毒性的抗性,012

15、10-6濃度的H g2+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H g2+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H g2+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H g2+濃度的增加而降低,但懸浮藻降低幅度顯著。3.4處理農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑廢水的研究陳敏等10利用聚乙烯醇包埋活性炭和微生物的固定化技術(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、p H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COD cr濃度為1300mg/L 2500mg/L,

16、水樣p H為7,停留時(shí)間24小時(shí),在恒溫?fù)u床(30e,150r/m i n內(nèi)降解,其去除率為55% 70%。3.5處理印染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。牛志卿等11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30e40e,固定化微生物的反應(yīng)適宜p H值范圍較寬,熱穩(wěn)定性較好,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

17、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)。相信通過(guò)不斷的研究和改進(jìn),固定化微生物技術(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J.四川化工,2004,7(1:12-15.2李

18、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(12:14-17.3俞俊棠.生物化學(xué)工程M,北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1991.4沈耀良,黃勇,趙丹,等.固定化微生物污水處理技術(shù)M,北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.5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(2:39-43.6饒應(yīng)福,夏四清,姜?jiǎng)?等.固定化微生物技術(shù)在環(huán)境治理中的應(yīng)用J.能源環(huán)境保護(hù),2005,4(2:24-26.7Yang P Y.Packed-entrapped-m i xed m icrob i a l ce lls for s ma llwastewa ter treat m ent.W a terJ.Science and Technolo2 gy.1990,22(3/4:343.8VanottiM B.H unt P G.N itr ificati on trea t m ent of s wine wastewater with accli m a te