微生物固定化技术及其在污水处理领域的研究进展

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2011-7-1 14:49:37 来源:工业水处理 作者:屈佳玉  【大 中  小】
微生物固定化技术是生物工程中的一项新兴技术,其利用物理或化学手段将微生物限制或定位于限定的空间区域,使之成为水不溶性,但仍能保留生物活性且在适宜的条件下还可以增殖。微生物被固定化后具有密度高、反应速度快、耐毒害能力强、产物分离容易、能实现连续操作、可以大大提高生产能力等优势,因此近几年微生物固定化技术得到了迅速发展和广泛应用。

1 微生物固定化技术的分类方法

一般将微生物固定化方法分为载体结合法、交联法、载体分离法、系统截留法和联合固定化技术。

1.1 载体结合法

载体结合法是基于微生物与载体之间通过物理吸附、离子结合、共价结合及生物特异性吸附等作用将微生物固定在非水溶性载体上的方法。

1.2 交联法

交联法又称为无载体固定化法,可分为化学交联法和物理交联法。其中物理交联法是利用微生物自身作用进行微生物固定化的方法,即所谓的自身固定化。此法一般不需使用人工载体或包埋剂,但所需固定化时间长且受环境因素的影响大。

1.3 载体分隔法

载体分隔法是指依靠载体对生物催化剂的物理阻挡来实现生物催化剂的固定化。载体分隔法又可分为包埋法和微胶囊法。将生物催化剂限制在聚合网络中的方法称为包埋法;微胶囊固定化法是指通过乳化作用将生物催化剂包埋在各种多聚物制成的半透性微胶囊内的方法。

1.4 系统截留法

系统截留法是利用各种半透膜(如渗析膜、超滤膜等)将生物催化剂以可溶形式限定在一定的空间范围内,或将过滤、离心、沉淀后的生物催化剂返回到生物反应器中循环使用的方法。

1.5 联合固定化技术

联合固定化最初是指把外来酶结合于固定化完整细胞上。后来,又发展到将两种酶、两种微生物细胞或生物催化剂(酶、细胞)与底物或其他物质联合固定在一起。与普通的固定化酶或固定化细胞相比,联合固定化生物催化剂可以充分利用酶和细胞各自的特点,把不同来源的酶和整个细胞的生物催化性质结合到一起。

2 微生物固定化技术在废水处理中的研究与应用

2.1 处理氨氮废水

微生物去除氨氮需经过好氧硝化、厌氧(缺氧)反硝化两个阶段。硝化菌、脱氮菌的增殖速度慢,要想提高去除率,必须有较长的停留时间和较高的细菌浓度,而用固定化细胞技术就可解决这个问题。Nilsson 用海藻酸钙固定假单细胞反硝化菌Pseudomonas denitrificans,用填充床对含20 mg/L 硝酸盐的地下水进行两个月的连续脱氮试验,脱氮效果良好,反硝化速度为66 mg/(h·kg),容积负荷(以N 计)达到3.6 kg/(m3·d)。中村裕纪用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脱氮菌,用好氧硝化与厌氧反硝化两段工艺进行合成废水的脱氮试验,其结果表明:与悬浮生物法相比,低温下硝化速度(以N计)加快了6~7 倍,约为0.5 kg/(m3·d);脱氮速率提高了3 倍,约为l.5 kg/(m3·d);停留时间由原来的7 h(硝化4 h,反硝化3 h)缩短为4 h(硝化2 h,反硝化2 h),即处理装置容积可减少约50%左右。周定等将脱氮细胞包埋于PVA(聚乙烯醇)中,结果表明在低温、低pH 的条件下,固定化细胞能够保留比未包埋细胞更高的脱氮活性,减轻溶解氧对脱氮的抑制作用,脱氮微生物在固定化载体中可以增殖。

笔者用包埋有硝化细菌的微生物载体投入某生活污水厂的好氧池中,控制温度在20~38 ℃,pH6.0~9.0,溶解氧在0.5 mg/L 以下,污泥沉降比SV30为15%~30%,停留时间3~6 h,进水COD 为400~650 mg/L,出水COD 为60~100 mg/L,污泥回流比控制在1∶1~1∶4,进水硝酸盐和亚硝酸盐的质量浓度为150~400 mg/L。在添加硝化细菌载体工程中,氨氮去除率达到90%以上,明显高于不添加的处理工程,这说明在添加硝化细菌载体的工程中,载体有利于硝化细菌从外界污水中吸收氨氮转化成硝基氮,使最终出水氨氮达到国家一级A 标准。且在运行中,硝化细菌载体的投加较方便、抗冲击负荷能力较强,运行管理方便,成本较低。

2.2 处理难降解的有机废水

2.2.1含重金属废水的处理

M. Iqbal 等用一种新型经济的多孔载体丝瓜瓤固定黄孢原毛平革菌(Phanerochaete hrysosporium),制成吸附剂用以吸附溶液中的Pb2+、Cu2+和Zn2+,并与悬浮液做了对比研究。在pH 为6.0 时,吸附1 h达平衡,Pb2+、Cu2+和Zn2+ 3 种金属离子的去除率分别是88.2%、68.7%和39.6%,相对于悬浮液,去除率分别提高了14.6%、12.8%和16.1%。M.Y. Arica 等将黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)固定在海藻酸钙中,用于吸附人工静态模拟废水中30~600 mg/L 的Pb2+和Zn2+,对其吸附容量做了细致的研究。结果表明,在pH 5.0~6.0、吸附60 min 后,加热灭活菌对Pb2+和Zn2+的吸附容量为355、48 mg/g,大于活菌球的282、37 mg/g。2 种形态菌对离子的吸附也是随初始浓度的增加而增加,吸附符合Langmuir等温式。

2.2.2含氮废水的处理

黄正等富集、培养硝化细菌污泥,选用PVA 作为载体,添加适量粉末活性炭包埋固定硝化细菌污泥,处理养殖废水(NH4+-N 质量浓度45 mg/L),处理24 h 后, NH4+-N 去除率达82.5%。屈计宁等用提高基质浓度的方式大幅度提高了硝化细菌的含量,当温度为30 ℃、pH 为6.5~8.0、DO>2 mg/L 时,经过12~13 周的富集培养1 g污泥中硝化菌数量是未经富集处理的12~20 倍。安立超等混合固定硝化细菌和反硝化细菌,在体积为1.0 L流化床中使用模拟废水进行研究。试验表明:当COD 处于500~1 000 mg/L 内, pH 在8.0~8.5 之间,气体体积流量为24~42 L/h 时脱氮速率最高。此时,NH4+-N 去除率达90%以上。

2.2.3印染、造纸等废水的处理

染料、造纸废水色度高、成分复杂、有毒有害有机物多,用常规的物化方法处理成本高。利用微生物对染料脱色和降解被认为是行之有效的方法。王增长等利用筛选的高效优势脱色菌种固定在活性污泥上处理印染废水。试验结果表明,固定化脱色菌活性污泥显示了极大的优越性,出水CODCr<50 mg/L,出水色度0.005~0. 05 倍。处理后的水可回收利用。洪卫等采用还原铁床与固定化微生物技术相结合的工艺深度处理造纸中段废水,结果发现该工艺是可行的,在进水色度平均251 倍、CODCr平均319.9 mg/L的情况下,出水色度平均18.3 倍、CODCr平均31.9mg/L,色度去除率为92.7% 、CODCr去除率为90.0%。J. S. Chang分别用聚丙烯酰胺、海藻酸钙做载体固定假单胞菌(Pseudomonm luteola),对自配制含氮染料废水进行脱色处理,降解其中的活性艳红。结果表明,固定化细胞生物系统虽然脱色速度较慢,但受溶解氧和pH 影响较小,长时间运行也能保持较高的反应效率,且重复使用性好,更适合实际工业应用。

2.2.4含醇类废水的处理

王里奥等利用固定化包埋技术对高浓度甲醇废水进行了处理试验,确定了海藻酸钠和聚乙烯醇的最佳包埋条件,并对在最佳包埋条件下制成的固定化小球进行了性能的改进。同时,通过对固定化颗粒小球的比表面积、传质性能的测定以及电镜扫描分析了固定化小球的性能。试验表明,交联时间是固定化颗粒活性的主要影响因素;2 种材料均有适合微生物附着生长的网状结构;加入添加剂后,PVA 固定化小球的机械性能进一步得到改善,对甲醇5 h 的去除率达到了93.78%。

2.2.5含杂环芳烃类废水的处理

张波等采用大孔树脂白球固定化微生物强化SBR 工艺处理含对甲苯胺废水,结果表明,在进水TOC 为434.8 mg/L,对甲苯胺为326.9 mg/L 的条件下,强化组可在180 min 内将TOC 和对甲苯胺基本去除完全,去除率在98%以上,对照组则需要300 min才能达到相同的去除效果。Jianlong Wang 等用PVA 和纱布混合载体以及单独用PVA 凝胶固定皮氏伯克霍尔德氏菌(Burkholderia picketti)降解废水中的喹啉,当初始喹啉质量浓度在50~500 mg/L 时,喹啉降解过程符合零级反应速率方程。用海藻酸钙固定该菌处理含喹啉废水,固定化菌体的活性可保持100 h。

3 微生物固定化技术在污水处理行业的发展趋势

固定化细胞技术在废水处理领域中具有独特的优势,但要实现处理废水的规模化,还需解决几个问题:(1)研究开发性能稳定、强度高、寿命长、费用低、传质阻力小的新型固定化载体;(2)开发多种微生物共生的固定化体系,筛选、构建高效、抗逆性强的高性能微生物;(3)开发高效的废水处理工艺、固定化生物反应器和固定化细胞批量生产装置。相信固定化细胞技术将在废水处理领域中会发挥越来越广泛、重要的作用。


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