浅析微生物固定化技术在水污染控制中的应用论文_王书永

浅析微生物固定化技术在水污染控制中的应用论文_王书永

天津市绿通环保工程设备开发有限公司 天津市 300384

摘要:微生物固定化技术是 20 世纪 60 年代发展起来的新技术,与传统的废水处理方法相比,它有着很多独特的优势,因而将其用于水污染控制有着重要的意义。综述了生物固定化技术在水污染控制中的应用、研究现状,并对其前景进行了展望。

关键词:微生物固化技术;水污染控制

生物固定化技术是 60 年代发展起来的一项新兴技术,目前比较通用的概念是利用化学或物理的手段将游离的细胞或酶定位于限定的空间区域并使其保持活性和可反复使用的一种基本技术。最初主要用于工业微生物的发酵生产。70 年代后期,由于水污染问题日益严重,开发高效废水处理新技术的要求日益迫切,生物固定化技术以其处理效率高、稳定性强、能纯化和保持高效菌种、生物浓度高、产泥量少及固液分离效果好等优点逐渐取代了传统的活性污泥法,成为水处理领域的焦点而倍受瞩目。本文综述了生物固定化技术在水污染控制中的应用、研究现状,并对其前景进行了展望。

1.微生物固定化技术及分类

微生物固定化技术是指应用物理及化学的原理把细胞或酶固定在载体身上的技术。 相比于传统办法,微生物固定化技术的效果更好,更容易被控制,环境对自身影响相对较低,效率也更高,在治理污水废水上有着巨大的前景。 微生物固定化技术中理想的可固定载体需要具有性能稳定、 无毒,使用寿命长、低价格等特性。 常用的载体有:琼脂、活性炭、多孔陶珠等。 微生物固定化技术按不同特点可以做不同的分类。 根据微生物与载体的结合方式不同,可分为化学性质固定法和物理性质结合法。 其中,化学性质结合法包括交联法和共价结合法。 交联法是指戊二醛等常用交联剂的官能基团与微生物上酶分子的基团反应形成共价键,达到固定化微生物的效果。 共价结合法是指酶分子的非活性部位功能团与载体共价结合,但是该方法会降低酶的活性。物理固定法包括包络法、吸附法、包埋法。 吸附法原理简单,工艺流程简单,但是不能使用全部微生物;包埋法是指用多聚合物将微生物包裹在内部;包络法是兼顾吸附法和包埋法,既可以增强粒子的负荷力,又可以在载体内部聚集微生物。

2. 微生物固定化技术在水污染控制中的应用

2.1 微污染水的处理

微污染水指饮用水源受到有机物的污染,使一部分指标超出饮用水的卫生标准要求。 有机污染物中有一部分是天然的有机化合物, 主要由于水中动植物分解而生成的产物,其余是人工合成的部分有机物,主要是工业、生活和农业废水排水产生的,在生活饮用水卫生标准要求上的体现在氨氮磷的指标高,色度差异等。 目前生物活性炭是处理饮用水,除去有机物等微污染物的最有效途径,一方面,提高饮用水水质,有效去除水中可溶解性有机物, 延长活性炭的更换周期,减少了部分花费,减少了水中三卤甲烷的含量。但是另一方面,活性炭的价格高,附着在炭颗粒上的细菌难以被氯化消毒。 所以就需要将活性炭重复使用,并采用适当方法截留细小颗粒活性炭。

2.2 难降解有机废水的生物处理

对于难降解有机废水的生物处理采用海藻酸钠包埋小球藻细胞及混合菌株处理含酚废水, 需要在好氧条件下进行,才能明显提高去除酚的效率,减少净化废水时间。 这种途径对于环境温度、 pH 值的要求低,所以适用范围更广。 对于难降解有机废水中含芳香类化合物的降解也有多种处理办法,可以以颗粒活性炭为载体来固定化微生物,用流化床反应器来降解芳香类化合物,例如:苯、甲苯及二甲苯等混合物。 对于含磺酸的难降解有机废水采用流化床反应器以砂粒做载体进行固定化假单细胞菌。 以纱布 PVA 复合载体添加少部分海藻酸钙同样是一种增强固定化微生物强度的有效办法。 对于含氰的难降解有机废水,用流化床反应器一海藻酸钙作为载体来固定化具有活性的污泥微生物,海藻酸钙具有较高固定化效率 。含菲等难降解有机废水,依据菌种的成长周期不同,对于菌株的筛选时,可以找到活性高、降解率高的菌株,在做过固定化处理后,含菲等有效降解率将得到很大提高。

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2.3 脱氮除磷

对于含氮含磷的废污水,海藻酸钠、丙烯酞胺、聚乙烯醇是使用率较高的生物载体。 例如:采用 PVA 冷冻法来包埋固定化硝化污泥。 好氧反应器的应用会缩短处理氮的时间,提高硝化速率。 聚乙烯醇包埋脱氮微生物来建立固定化,在低pH 值、低温的环境中,固定化细胞的脱氮活性能高于未包埋的细胞,脱氮的微生物可以在固定化载体过程中产生增值现象,减弱了溶解氧对于脱氮的抑制效果。 这就说明了在低温、低 pH 值的环境中, 固定化微生物可以取得比较好的处理效果,也扩大了脱氮对于温度等环境条件的广泛适应性。

3.生物固定化技术的发展

生物固定化技术的发展主要是围绕高效菌和固定材料以及方法进行的。

3. 1 高效菌

高效菌是生物固定化技术的根本。高效菌是通过预先的专门培养驯化后获得的专项微生物。这种菌针对性强,但预先培养驯化很不方便。近年来,国外已有干粉状的专项微生物进入国内市场,为这一技术的进一步研究和工程化应用提供了便利条件。但目前市面上见到的只有 20 多种专项菌,满足不了实际工程中多样性的要求。专一性和实际水质的恰当配对也成问题。另外,该菌的有效保存期仅为半年,也妨碍了实际利用。所以使该技术国产化是当务之急。

3. 2 固定化材料及工艺

一次次水处理技术的大发展,都和材料工业的发展有关。生物固定化技术更离不开新材料的开发。从工艺要求出发,生物固定化材料必须满足对微生物无毒性、传质性能好、性质稳定、寿命长、价格低廉等特性。国内在这方面也做了大量的工作。曹国民等用“油包水”反相悬浮聚合法将烯丙基葡聚糖 N,N'- 亚甲基丙烯酰胺聚合交联后,直接包埋工业脂肪酶,在交联度为 15% 时,固定化酶在催化水解橄榄油时取得良好效果。彭立凤,谭天伟以纤维素滤膜为载体,对苯醌为交联剂固定化猪胰蛋白酶。此固定化酶在 4℃ 下储存 2 个月后,活力为85%,表现出良好的稳定性 。蕾福厚经研究发现将酪氨酸接枝到漆酚树脂上,再与 CuSO 4 络合成高分子络合物固定化多酚氧化酶,其固定化效果比用硝化纤维和活性炭载体效果好;将蚕丝与对 - β - 硫酸酯乙砜基苯胺反应,经重氮化后与葡萄糖氧化酶偶联,酶活力回收达 74%

3. 3 易实现工程化的工艺

目前生物固定化工艺中研究最多的是吸附工艺和包埋工艺。从效果上讲,这两种工艺差不多,但从工程应用的角度来讲,包埋法存在随着时间的延长,包埋材料会被微生物分解(但笔者初步研究表明,这个过程很长,可能不是影响该方法工程应用的主要问题)、包埋颗粒太小、易流失的缺点。如不改善包埋颗粒的形状(如从现在的小球状改为树状线型结构)很难实现工程应用。相对来说,吸附法较易实现工程化应用。这成为目前研究和发展的一个主要方向。

4.结束语

传统生物处理废水办法由于成本花费高,处理效率低已经难以满足我国工业社会的发展,微生物固定化技术在废水处理方面已经看到良好的效果,但这一技术仍存在很多问题没有得到解决,需要大力发展应用,需要更多专业人员的探索,才能使微生物固定化技术在废污水处理及环境保护中发挥更出色的作用。

参考文献:

[1]许婷. 固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展[J]. 黑龙江科技信息,2016(10):76.

[2]于鲁冀,李廷梅,刘攀龙,范铮. 微生物固定化技术在河流治理中的应用及研究进展[J]. 生物技术通报,2016,32(08):56-61.

[3]朱启忠,张玉波. 微生物固定化技术与污水处理[J]. 资源开发与市场,2010,26(07):585-588.

[4]唐渭,苏凤,曾晓东. 固定化微生物废水处理技术及其发展[J]. 环境研究与监测,2006(01):8-10.

论文作者:王书永

论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第12期

论文发表时间:2019/8/27

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