固定化生物技術在廢水處理中的研究

閆鵬

(呼和浩特鐵路局集體經濟管理處,內蒙古呼和浩特010050)

1 引言

固定化細胞技術是用化學或物理的手段將游離細胞定位于限定的空間區域,并使其保持活性,反復利用的方法,是20世紀60年代發展起來的新技術[1]。研究和應用表明[2],固定化微生物技術具有微生物密度高、反應速度快、耐毒害能力強、微生物流失少、產物分離容易、處理設備小型化等優點。

2 生物固定化的方法

國內外不同的研究者對固定化法采用不同的分類法,目前較合理的固定法有吸附法、包埋法、共價結合法和交聯法4大類,其中以包埋法最為常用[3]。

2.1 吸附法

吸附法又叫載體結合法,是依據帶電的微生物細胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用,使微生物細胞固定在載體表面和內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。從本質上看,吸附固定法是微生物自我固定,它在廢水生物處理中已被廣泛應用,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,盡管成膜過程或顆粒化過程的機理不甚清楚,但技術工藝已非常成熟[4]。

2.2 包埋法

包埋法是用物理方法將微生物細胞包埋在凝膠的微小空格內或埋于半透膜聚合物的超濾膜內。這種方法既操作簡單,又不會明顯影響生物活性,是比較理想的方法,目前應用最多。

2.3 共價結合法

共價結合法是細胞表面上功能團(如α-,ε-氨基 、α-,β-或 γ-羧基或羥基咪唑基、酚基等)和固相支持物表面的反應基團之間形成化學共價鍵連接,從而成為固定化細胞。該法細胞與載體之間的連接鍵很牢固,使用過程中不會發生脫落,穩定性好,但反應條件激烈,操作復雜,控制條件苛刻。利用此法制備的固定化細胞,細胞大多死亡。

2.4 交聯法

交聯法是利用雙功能或多功能試劑,直接與細胞表面的反應基團(如氨基酸、羥基、硫基、咪唑基)發生反應,使其彼此交聯形成網狀結構的固定化細胞,其結合力是共價鍵。常用的交聯劑有戊二醛、甲苯二異氰酸酯等。該法反應條件激烈,對細胞活性影響大。

3 固定化細胞技術在廢水處理中的應用

3.1 在難降解有機污染物中的應用

在常規生物處理工藝中難降解有機物一般去除效率很低,這主要是因為分解和轉化這些有機物的微生物的增殖速度極慢、世代時間長,難以在常規生物處理裝置內積累到足以使這些污染物產生明顯降解的濃度。利用固定化微生物的特點,可選擇性地篩選一些特殊優勢菌種并加以固定化,增加其在生物處理裝置內的生物濃度,以提高難降解有機物的處理效率。Vera L,Nadia M[5]用T richosporon sp.對酚進行降解,將微生物用海藻膠質固定化后的降解率進行比較實驗。結果發現,酚在固定化體系中的降解率遠高于微生物的懸浮體系,且微生物的連續使用時間也有極大提高。黃霞等[6]人針對焦化廢水中的3種難降解有機物篩選了具有較高降解能力的優勢菌群,采用無紡布-PVA復合載體對優勢菌群進行了包埋固定。研究了固定化優勢菌群對相應有機物的降解特性,結果表明,經優勢菌群處理8h,3種難降解有機物均可降解90%以上。

3.2 固定化細胞技術處理氨氮廢水

在硝化、反硝化研究方面,最早是Nilsson[7]用海藻酸鈣固定假單胞反硝化菌,采用填充柱對地下水中濃度為20mg/L的硝酸鹽進行兩個月的連續脫氮試驗,脫氮效果良好,反硝化速度為66mg/h?kg凝膠,容積負荷為3.6kg/m3?d。曹國民等[8]利用兩種常用的固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇(PVA)混合固定硝化菌和反硝化菌,研究了好氧條件下同時硝化反硝化的可行性及其脫氮特性。結果表明：硝化菌和反硝化菌混合固定時,由于載體內部形成了適合硝化和反硝化的環境,可以在好氧條件下同時進行硝化和反硝化,實現單級生物脫氮。

3.3 對廢水中重金屬離子的去除

固定化微生物處理含金屬離子廢水研究也受到相應關注,這對于拓展固定化微生物處理廢水領域而言意義重大。趙力,張利,孔德領等[9]研究了明膠包埋黑根霉菌絲體的包埋條件及包埋后對水中Pb2+的吸附作用。結果表明,包埋重量比例為6：1,交聯劑甲醛用量為25%,凝膠化溫度為40℃,pH值為10.0為包埋反應的最佳條件。包埋后的飽和吸附量可達121.2mg/g,比未包埋黑根霉下降10.8%。吸附平衡時間延長至800min。樸真三,李小鄂,陳亞光[10]。對自來水廠除錳細菌的3種固定化途徑進行了試驗分析,表明生態平衡的自然固定化能夠在短期內高效、穩定地除錳,通過控制運行參數和水質,把濾柱的除錳成熟期縮短為50d。

3.4 固定化技術處理農藥、殺蟲劑廢水的研究

陳敏[11]等利用聚乙烯醇包埋活性炭和微生物的固定化技術對有機磷農藥水胺硫磷的降解進行了試驗研究,結果表明,經固定的微生物對溫度、pH值和水樣水胺硫磷濃度的適應范圍擴大,在3個月的連續試驗中,水樣初始CODcr濃度為1 300～2 500m g/L,水樣 pH為 7,停留 24h,在恒溫搖床(30℃,150r/min)內降解,其去除率為55%～70%。

3.5 固定化技術處理印染廢水的研究

張琳等[12]將所篩選的高效脫色菌群,采用聚集-交聯法固定在活性污泥上,形成絮狀立體網狀微觀結構。固定化脫色菌的脫色活力較未經固定的活性污泥提高70%左右。經厭氧條件下處理針織廠印染廢水,色度平均去除率為77.3%,COD平均去除率為65.1%。梁沈平,王菊思,姜兆春[13]以凹凸棒粘土顆粒為載體,混合固定化篩選出的7株高效脫色菌,并組成固定化微生物反應柱。該生物柱對各種染料廢水均有良好的脫色作用,在染料為唯一碳源和能源時,對60mg/L的混合染料6h脫色率達91%,對于用染槽廢液與食堂廢水配制的實際廢水,能在72h的連續流動狀態下保持80%以上的脫色率。固定化微生物柱的脫色機理是凹凸棒顆粒對染料的吸附和細菌對染料的降解的雙重作用。

4 結語

細胞固定化技術以其特有的優點在廢水處理領域中引起了普遍的關注,但目前尚處于實驗研究階段,要實現其實用化或工業化,還有許多問題需要進一步研究解決,因此主要的研究方向包括尋找高效、廉價、抗毒性強的生物;尋找性能穩定、傳質好、強度高、壽命長、價格低的固定化載體;發展多種生物共生的固定化體系;開發高效的固定化反應器;研究對生物無破壞性、高效率的解吸劑;大力發展生物再生技術。相信通過不斷的研究和改進,細胞固定化技術必將成為一項高效而實用的廢水處理技術,在廢水處理中獲得廣泛的應用。

[1]王洪祚,劉世勇.酶和細胞的固定化[J].化學通報,1997,60(2)：22～27.

[2]閆志明,普紅平,陽立平.生物固定化技術研究及應用評述[J].四川化工,2004,7(1)：12～15.

[3]李 峰,呂錫武.聚乙烯醇作為固定化細胞包埋劑的研究[J].中國給水排水,2000,16(12)：14～17.

[4]徐向陽.固定化細胞技術在廢水處理中的應用[J].中國給水排水,1992,8(2)：39～ 43.

[5]Vera L Santos,Nadia M H eilbuth.Degradation of phenolby T richosporon sp.LE3 cells immobileized in alginate[J].Journal of Basic M icrobiology,2001(41)：171～ 178.

[6]黃 霞,陳 戈,邵林廣.缺氧——好氧固定床生物膜系統處理焦化廢水的試驗研究[J].中國環境科學,1995,15(1)：1～4.

[7]Nilsson IEur JAppl M icrobial Biotechnol[J].M icrobial Biotechnol,1982(14)：86.

[8]曹國民,趙慶祥,張 彤.單級生物脫氮技術的進展[J].中國給水排水,2000,16(2)：20.

[9]趙 力.聚合物固載的聚乙二醇季按鹽型相轉移催化劑的合成、表征及相轉移催化作用[J].中國環境科學,1996,12(5)：418～424.

[10]樸真三,李小鄂,陳亞光.自來水廠細菌固定化除錳及其水質條件的研究[J].環境科學,1998,19(5)：37～40.

[11]陳 敏,羅啟芳.聚乙烯醇包埋活性炭與微生物的固定化技術及對水胺硫磷降解的研究[J].環境科學,1993,15(3)：11～14.

[12]張 琳,吳國慶,王增長.固定化脫色菌——活性污泥的脫色性能研究[J].環境科學,1995,16(5)：67～69.

[13]梁沉平,王菊思,姜兆春.固定化微生物柱對染料廢水的脫色試驗[J].環境科學,1998,19(5)：10～ 13.