微生物固定化技术与污水处理

朱启忠,张玉波

(山东大学威海分校海洋学院,山东威海2209)

摘要:简要介绍了几种常用微生物固定化方法,重点讨论了微生物固定化技术在污水处理方面的应用,并对未来的发展方向进行了展望。

关键词:微生物;固定化技术;污水处理

中图分类号:X703 1 文献标志码:A 文章编号:1005 8141(2010)07-0585-04

Immobilization Technology of Microbial and Sewage Treatment

ZHU Qi-zhong,ZHANG Yu-bo

(Marine College,Shandong Uni versity at Weihai,Weihai 2209,China)

Abstract:This paper in troduced several common method of microbial im mobilization,focusing on applications of microbial i mmobilization in wastewater treatment,and its future development were also expected.

Key words:microorganisms;immobilization techniques;sewage treatment

收稿日期:2010-05-15;修订日期:2010-06-19

基金项目:威海海洋研究院课题(编号:00413420905)。

第一作者简介:朱启忠(1957-),男,山东省单县人,山东大学威海分校海洋学院生物工程系主任,教授,主要从事生物化学和酶工程方面的教学和科研工作。

微生物固定化技术是20世纪60年代发展起来的一项新技术。Hattori 等人首次实现了大肠杆菌的固定化。微生物固定化技术是利用化学或物理方法将游离的微生物(主要是细菌和真菌)限定于一定的空间区域内,使其保持生物活性,且可反复循环使用的一种基本技术。这项技术最初主要用于工业发酵。20世纪70年代后期,随着水环境污染的日益严重,逐渐开始了生物处理废水的研究。利用微生物固定化技术处理污水与其他环境治理技术相比,具有以下特点: 微生物固定化后可保持反应器内微生物的高浓度和高活性,有助于提高污染物的去除效率; 采用固定化微生物技术工艺处理污水,污泥产量低,可减轻后续污泥处置的负担; 微生物固定化可形成颗粒态,有利于沉淀过程的泥水分离; 具有固定化某些难降解有机物的特性,可有效处理某些行业的废水; 微生物固定化后对有毒物质的承受能力强、稳定性好。因此,近几年来在环境污染治理方面对微生物固定化技术进行了广泛研究和深入探讨,而微生物固定化技术也成为国内外废水处理领域的研究热点

[1-2]

。

1 微生物固定化方法

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吸附法:又称载体结合法,根据载体特性可分为物理吸附和离子交换吸附。吸附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,使

微生物细胞吸附在载体表面和内部以形成生物膜的方法。该方法操作简单,微生物固定过程对细胞活性的影响较小,但所固定的微生物数量受所用载体的种类及其表面积的,反应稳定性和反复使用性差,因此往往采用引入疏水和亲水配位体后制成载体衍生物。

包埋法:包埋法是利用高分子载体将微生物细胞包埋在半透明的聚合物或膜内,或使微生物细胞扩散进入多孔性的载体内部,小分子底物及反应代谢产物可自由出入这些多孔或凝胶膜,而微生物却不移动。这种固定化方法操作简单,对微生物细胞的活性影响较小,制作的固定化微球强度高,是目前制备固定化微生物最常用、研究较多的方法。但由于该法传递阻力较大,对大分子底物和难溶解底物不适用。

包络法:20世纪90年代初期,为了克服吸附法和包埋法固定微生物的缺点,提出用包络法固定微生物的新技术。包络法以人工合成生物相容性好的聚丙烯酸酯共聚物基体型多孔颗粒为载体,微生物既可在该多孔载体外表面生成机械强度高的生物膜,又可在载体内孔中聚集大量微生物,增大微生物的聚集密度,提高生物粒子承受水力负荷的能力。

交联法:交联法是利用微生物或其中的酶分子上的氨基、羟基等与交联剂的官能基团反应,交联形成共价键,使微生物菌体相互形成网状结构,从而实现微生物固定化的目的,常用试剂有戊二醛、乙醇二异氰酸酯等。由于酶蛋白的功能团参与此反应,所以酶的活性中心构造可能受到影响而使酶显著失活,且交联剂价格昂贵,故不常用。

共价结合法:共价结合法是利用细胞表面上的官

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无载体固定化法:无载体固定化法是利用某些微生物具有自絮凝形成颗粒的特性,使微生物本身产生自固定,故称为无载体固定化技术。这种固定化技术使微生物在自絮凝颗粒形成过程中同时形成微生物适应性的生态微环境,使其有利于微生物代谢之间的相互协调。该法一般不需使用人工载体或包埋剂,所需固定化时间长、受环境因素影响大。无载体固定和以往的固定方法相比具有显著优势,将会在污水处理领域得到广泛应用。

2 固定化微生物技术在污水处理中的应用

固定化微生物技术用于污水处理,能有针对性地对有效微生物菌群进行固定,可选择性地提高泥龄,保持有效微生物菌种的活性,大大提高高浓度难降解有机污水的处理效率,降低处理费用。同时,微生物人工强化固定化处理效率高,产泥量少,处理装置占地面积小,并能选择性地固定一些特殊菌种。近年来,该方法在污水处理特别是难降解工业污水处理中受到广泛关注[7]。

2.1 在难降解有机污染物治理中的应用

对含苯酚、氰、氯苯胺及DDT等难降解有机物的废水,如用常规生物处理方法其效率一般较低,这主要是由于在处理过程中那些能有效降解这类物质的微生物世代周期较长,很难在常规生物处理中大量存在,因此很多学者利用固定化微生物技术对其进行降解或处理。如Anselmo[8]等研究了用琼脂、海藻酸钙、卡拉胶和聚丙烯酰胺等载体包埋固定化微生物降解苯酚,又以聚氨脂泡沫为载体固定镰刀菌(Fusarium sp.)菌丝体,在完全混合器中降解酚。结果表明,与游离菌相比,固定化微生物降解苯酚的速率较大,且固定化微生物生物产量低。利用固定化微生物技术可有目的地选择优势菌群培养,并将其固定到载体上,增加微生物浓度,以达到高效地处理这类物质。Joshi N T等用海藻酸钙包埋降酚微生物处理含酚废水,当含酚1000mg/L 时,悬浮污泥48h将酚完全降解,固定化细胞只需32h;含酚为500mg/L时,悬浮污泥酚去除率达75%,固定化细胞为98%。Yang等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,其固定微生物的酚去除率达90%以上。Weasel等[9]利用固定化混合菌群降解多环芳烃表明,固定化细胞能利用这些物质进行生长并使其完全降解。固定化细胞分别在培养1d、2d和15d后,酚、萘、菲均能被彻底降解。与游离细胞相比,固定化细胞表现出生长稳定,且具有较强的降解能力。Lee等[10]用海藻酸钙凝胶包埋固定化Pimelobacter s p.细胞进行降解吡啶的研究。研究证明,与游离的微生物细胞相比,固定化微生物细胞的比降解速率和对吡啶毒性的承受能力并没有提高,这与多数研究者的结论相反。但其固定化的细胞具有较高的生物浓度,所以体积降解速率相对较高。这是由于固定化细胞具有较高的生物浓度并且可重复利用,所以他们认为利用固定化细胞降解吡啶是可行的。Lin 等[11]将微生物细胞与吸附剂联合包埋固定在水凝胶基质中,用于生物降解有毒有机污染物。他们利用海藻酸钙凝胶联合包埋固定Phanerochaete chrysos porium,结合吸附剂(粉末活性炭)一起用于降解五氯酚(PCP),并与非固定化体系和单独固定化体系进行了比较。结果表明,联合固定化体系能有效地降解PC P。日本学者桥本曾对合成酚废水进行了连续处理,并对固定化后酚降解菌的净化机理进行了研究,发现在完全混合曝气条件下的连续处理中,进水酚质量浓度从l0mg/L逐渐上升到1000mg/L,出水水质良好;只有当酚的浓度高于3500mg/L时,出水酚浓度才开始上升。Pal等[12]进行了固定化微生物填充床反应器在高负荷运行下降解苯酚的试验研究,他们采用颗粒活性炭吸附和海藻酸钙凝胶包埋法制备固定化微生物。结果表明,与颗粒活性炭相比,海藻酸钙颗粒具有更高的苯酚去除速率。黄霞等[13]采用聚丙烯无纺布(多孔结构)与PVA的复合载体包埋固定化优势菌种来降解含有喳琳、异喳琳、毗陡的高浓度氨氮焦化废水,3种难降解有机物经处理8h后降解率均在90%以上。

2.2 高浓度有机废水的处理

高浓度有机废水具有浓度高、生物降解难、毒性大等特点,往往废水中所含有机物种类单一,采用物理和化学处理工艺或一般的生物处理达不到理想的效果。而经微生物固定化技术处理后,微生物的密度增大,稳定性大幅度提高,其处理负荷可高达常规活性污泥的3.7倍,可耐有机物浓度变化、pH值变化等因素的冲击,因此利用优势微生物菌种对特定底物的高浓度难降解有机物废水的处理技术得到迅速发展。

在厌 好氧处理高浓度有机废水系统中,厌氧阶段的处理效果直接影响到后续的好氧处理,从而决定废水排放是否达标。而在高浓度有机废水的生物处理中,厌氧消化阶段的甲烷化速度是主要因素,要提高甲烷化速度就要加大产甲烷菌的浓度,其中将甲烷八叠

586球菌固定化,提高其滞留期,增加其浓度是解决这一问题的重要途径。赵军等[14]采用包埋法与吸附法相结合的方法固定甲烷八叠球菌,其最适pH值为7.2,用于处理高浓度人工废水时的C OD最高容积负荷为14.7kg/(m3 d),最高去除率为94.29%,且运行期间固定化介质不上浮、不膨胀,具有良好的传质和托气性能。徐红[15]等研究了各种材料固定化腮酶用于处理化肥厂的尿素废水,选择了明胶 戊二醛包埋法对其固定化条件和固定化脉酶的性质进行了探讨。结果表明,在50 下,尿素废水通过固定化酶柱只需停留3min就有92.5%的尿素分解。李海英等[16]驯化6个月后得到对氯代芳香类有机物(Aox)具有高效降解作用的混合菌,用聚乙烯醇包埋后在厌氧条件下处理含Aox废水,并与自由菌液进行比较。结果表明,固定化微生物细胞的酶活性及Aox去除率均高于自由菌液,对温度和pH的适应范围较宽;菌体包埋量及反应液中湿菌含量是影响固定化微生物细胞处理Aox废水酶活性的主要因素。在对造纸漂白废水为期一个月的连续处理试验表明,在停留时间为2.4h时,其去除率可稳定在65% 81%。朱文芳等[17]在实验室小试的基础上采用固定化微生物技术处理低浓度甲醇废水的结果表明,以甲醇为主的COD去除率可达70%以上。杨意东等[18]针对制药行业的高浓度有机废水,应用了3种结合固定化材料和2种包埋固定化材料对筛选出的优势菌群进行了固定化试验。通过降解试验,在高负荷的情况下有机污染物最高去除率可达90%以上,处理效果优于一般活性污泥法。

2.3 废水中重金属离子的去除

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,因此可用于去除有机废水中的各种重金属离子,并可将金属脱吸附回收进行重新利用。吴乾箐等利用聚丙烯酞胺固定化酵母菌细胞去除电镀废水中的C od( )。在pH为9、Cd(H)浓度为1 400mg/L时,反应lh,固定化细胞对Cod(H)的去除率为98.9%;而采用未固定化细胞其去除率仅37.6%。吸附的金属离子分别采用0.1mol/L盐酸和0.1mol/L的EDTA解吸,Cd的回收率分别为88.5%和87.6%。严利用褐藻酸钙包埋固定普通小球藻,对人工配置的含汞污水进行了净化试验。结果表明,固定藻对汞的去除效果明显高于悬浮藻。在固定化小球藻对汞的去除效率中,藻体的去除作用占70%、藻类代谢活动引起汞挥发20%、载体凝胶吸附10%。杨芬对水中Cu( )的吸附进行了静态实验研究。结果表明,固定化藻细胞对水中Cu( )的吸附率明显高于未固定化藻细胞。曹德菊等[19]采用明胶、琼脂、海藻酸钠作为载体对枯草杆菌进行固定,通过对3种载体的包埋效果、传质性能及操作难易的比较来选择适宜的固定化载体,比较了固定化微生物与游离微生物和固定化载体海藻酸钠处理含镉废水的效果。结果表明,海藻酸钠作为固定化载体其传质性能强、方法简便、机械强度好;固定化枯草杆菌对含镉废水去除效果明显高于游离枯草杆菌。土耳其科学家[20]也曾用海藻酸钙截留(包埋)真菌(Lentinus sajo r-caju)处理含Cd(II)废水,其效果也较好。

2.4 在废水脱色方面的应用

刘志培等[21]人利用聚乙烯醇固定化混合细菌进行了印染废水脱色的研究。实验结果表明,在适宜的条件下连续运行一个月的试验中,固定化细菌对印染废水的脱色率为70% 80%,达到了处理要求,具有较高的实用价值。Ohmomo S等将固定乳杆菌(Lacto-bacillus hilgardii)用于糖蜜废水脱色,在45 、pH值为5.0、添0.05%蛋白陈、1%葡萄糖时,连续工作1个月,其脱色率保持在90%以上。Sen S等[22]利用流化床式反应器(FB R),以浮石作为固定化材料(支持材料),采用厌氧处理棉纺厂废水,外加碳源(约2g/L葡萄糖)处理C OD、B OD5,在脱色方面取得了较好的效果。高千千等[23]曾利用植物载体丝瓜瓤对香菇进行固定,考察了固定化菌体的菌龄、pH、温度、转速、接种菌量对分散蓝-2B LN脱色的影响。结果表明,菌龄4d、pH值为3.0、温度为25 、转速90r/min,菌量对染料的脱色影响为5%>6%>4%;经8次重复利用之后,其脱色率仍可达75%。

2.5 处理含氮废水

含氮废水处理主要是利用细菌的硝化和反消化作用。该菌属于自养细菌,一般生长缓慢,在混合培养的活性污泥系统中无法与异养细菌竞争而难以取得优势。此外,该菌易受外界环境因子影响,对环境冲击尤其是毒物冲击非常敏感,因此硝化和反硝化过程在时间和空间统一上较难,脱氮效率低,造成生物脱氮在生物催化反应中受基质传递速率、底物和产物抑制等,对有机碳缺乏的工业废水(如火力发电厂等废水)必须添加外源性碳源进行生物脱氮,出水中的剩余有机物还需进行再曝气处理,这样既消耗动力又浪费资源。以上问题都是传统处理方法所不能解决的,这也正是固定化微生物的优势所在。硝化细菌被固定后,由于其本身在结构和空间分布上的特点,使上述有毒物质对硝化菌及亚硝化菌的抑制停留在细菌表面,而内层细菌则得到了保护,从而提高了对游离氨等毒物的耐受能力,因此也提高了硝化细菌的浓度和反应速度。固定化微生物的方法使硝化与反硝化能在一个反

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应器中进行,从而节省了氧气和有机碳。如安立超等利用固定化技术混合固定了硝化细菌和反硝化细菌,在体积为1.0L流化床中使用模拟废水进行研究。试验结果表明,当COD处于500 1000mg/L内、pH值在8.0 8.5之间、气体体积流量为24 42L/h时,脱氮速率非常高,此时氮的去除率达90%以上。宋军等用聚乙烯醇(PVA)在低温下包埋反硝化菌,在PVA浓度为10%、交联剂pH值为6.7、反硝化菌的浓度为10%、加入0.1%活性炭的适宜条件下,当温度很低(10土1 )时,固定化的微生物细胞在10h的脱氮率可达40%,而未固定化细胞几乎不能脱氮。Vanotti等用PVA冷冻法把硝化污泥固定在聚乙烯醇小球内用来处理养猪废水。结果表明,硝化污泥小球不受养猪废水高BOD浓度的影响,适用于快速和有效地去除厌氧养猪废水塘中的NH4+。

2.6 在地表水修复方面的应用

传统的微生物修复(Bioremediation)技术用于修复地表水尚有一定缺陷,如单位体积内优势微生物菌群浓度低、启动较慢、菌体容易流失、与土著菌竞争处于弱势、抗毒性侵害能力较差、对激烈的水力条件变化敏感等。李海波等采用改进的聚乙烯醇、海藻酸钠包埋法固定微球菌,然后用于修复受污染地表水。结果表明,在相同时间内、相同条件下固定化细菌对C OD的去除率明显高于游离菌,72h的去除率达.7%[7]。

3 微生物固定化技术用于废水处理展望

微生物固定化技术在污水处理方面应用非常广泛,但是将固定化微生物技术从实验室走向废水处理的实际应用还有一定的难度,仍有许多问题有待继续深入研究: 目前应用的固定化载体价格偏高,且使用寿命短,故需进一步研究开发性能稳定、强度高、寿命长、廉价、传递阻力小、性能优良的微生物固定化载体,这对微生物固定化技术的发展至关重要。 固定化材料、固定化方式、固定化条件等都对微生物细胞的活性有影响,人们对固定化细胞的稳定性问题还缺乏足够的认识和研究,所以如何提高固定化微生物细胞的稳定性、改善固定化技术处理效果也是今后的一个研究重点。 实际污染水源是一个十分复杂的混合体系,单一菌种无法达到较满意的效果,因此应该进一步开发多种微生物(包括藻类)共生的固定化体系,在反应器中建立混合微生物菌群组成的微生态环境,使各种固定化微生物协同发挥作用将是以后研究开发的重点。 筛选和构建高效、廉价、抗逆性强的高效能微生物菌种,拓宽其可处理污染物的种类,提高处理效率。 进一步开发各种废水处理工艺、高性能微生物反应器和研制固定化微生物细胞批量生产装置等也是固定化细胞技术从实验室走向实际应用的重要一步。总之,随着固定化微生物技术的不断研究和发展,许多不足将会得到逐步解决,该项技术在废水处理乃至环境保护中将发挥越来越重要的作用,它必将作为一种高效、实用的废水处理技术而得到广泛应用。

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