固定化微生物技術(shù)及其在污水處理中的應(yīng)用
摘要：固定化微生物技術(shù)是生物強化技術(shù)的一種，本文對微生物固定化方法及固定化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用進行綜述，對固定化技術(shù)應(yīng)用前景進行展望并提出在實際應(yīng)用中需要解決的問題。
關(guān)鍵詞：固定化微生物技術(shù)，污水處理
前言：固定化微生物技術(shù)是20世紀70年代在固定化酶技術(shù)的基礎(chǔ)上上發(fā)展起來的。固定化微生物技術(shù)是指用物理或化學(xué)方法將游離微生物細胞、動植物細胞、細胞器或酶限制或定位在某一特定空間范圍內(nèi)，保留其固有的催化活性，并能被重復(fù)和連續(xù)使用技術(shù)[1]。，固定化微生物技術(shù)的本質(zhì)是采用生物活性高分子載體固定、誘導(dǎo)和馴化出難降解有機物有特異性的特殊菌群，使微生物依據(jù)有機物的降解速度和次序分級排列，實現(xiàn)難降解有機物的高效去除；加之載體的高分子效應(yīng)的影響，創(chuàng)造出適宜微生物生存的微環(huán)境，提高微生物的耐受性。該技術(shù)的應(yīng)用，為污水處理提供了一條新的技術(shù)途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1、 微生物固定化方法
固定化微生物技術(shù)的方法分類多種多樣，目前在國內(nèi)外尚無一個統(tǒng)一的分類標準。固定化微生物的制備方法大致可以分為包埋法、吸附法、共價結(jié)合法和交聯(lián)法 [ 2] 以及新近發(fā)展的無載體固定化方法[ 3] 。
1.1包埋法
包埋法是將微生物限定在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內(nèi),同時能讓基質(zhì)滲入和產(chǎn)物擴散出來。凝膠聚合物的網(wǎng)絡(luò)可以阻止細胞的泄漏,同時能讓底物滲入和產(chǎn)物擴散出來。包埋法對微生物活性影響小、顆粒強度高,是目前制備固定化微生物最常用、研究最廣泛的固定化方法[4]。
1.2吸附法
吸附法在固定化微生物技術(shù)處理污水中是研究最早、應(yīng)用較廣泛、技術(shù)也較成熟的方法。在大多數(shù)生物膜反應(yīng)器啟動的早期，所應(yīng)用的都是吸附法的原理。固定化微生物方法可分為物理吸附和離子吸附兩類[5]。該方法操作簡單,微生物固定過程對細胞活性的影響小,條件溫和。但這種方法結(jié)合的細胞數(shù)量有限,反應(yīng)穩(wěn)定性和重復(fù)性差,所固定的微生物數(shù)目受所用載體的種類及其表面積的限制[6]，同時微生物與載體之間吸附強度也不夠牢固，故載體的選擇是關(guān)鍵。
1.3 共價結(jié)合法
共價結(jié)合法是利用微生物細胞表面功能團與固相載體表面基團之間形成化學(xué)共價鍵相連來固定細胞, 因此結(jié)合緊密, 穩(wěn)定性好, 但是基團結(jié)合時反應(yīng)激烈, 操作復(fù)雜、難控制。
1.4 交聯(lián)法
交聯(lián)法是通過微生物與具有兩個或兩個以上的官能基團的試劑反應(yīng)，使微生物菌體相互連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而達到固定微生物的目的[7]。使用該方法,微生物細胞間的結(jié)合強度高,穩(wěn)定性好,經(jīng)得起溫度和pH 值等的劇烈變化。但是由于在形成共價鍵的過程中，往往會對微生物細胞的活性造成較大的影響，而且適用于此類固定化的交聯(lián)劑大多比較昂貴，因而其在應(yīng)用中受到一定的限制。
1.5無載體固定化
無載體固定化法又稱為自固定化法， 這種方法是一種全新的概念。在自絮凝顆粒形成過程中，同時形成了微生物的適宜生態(tài)環(huán)境，使之有利于微生物代謝之間的協(xié)調(diào)或者說有利于微生物之間生物信息的傳遞[8]。這種方法與其他的固定化方法相比，具有傳質(zhì)擴散阻力小，細胞顆粒整體活性高，固定化方法簡單等優(yōu)勢，將在污水處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[9]。此法一般不需使用人工載體或包埋劑，但所需固定化時間長且受環(huán)境因素的影響大。升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器和厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)中，顆粒污泥的形成即屬于微生物的自身固定化過程[10]。
2、 固定化載體
不同的固定化方法對固定化載體有不同的要求，理想的固定化載體應(yīng)具有對微生物細胞無毒、傳質(zhì)性能好、性質(zhì)穩(wěn)定、使用壽命長、價格低廉等特點。新型固定化載體的開發(fā)研究也是固定化技術(shù)研究的重要組成部分。
目前常用的載體大致可分為三類：無機載體，如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等；有機載體，如瓊脂、聚乙烯醇凝膠( PVA ) 、聚丙烯酰胺( ACAM) 凝膠等；以及將有機載體與無機載體結(jié)合組成的復(fù)合載體。則可結(jié)合它們各自的優(yōu)點, 改進材料的性能。復(fù)合載體在降低成本、提高廢水處理效果等方面具有明顯的優(yōu)勢。
3、 固定化微生物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用
3.1高濃度氨氮污水的處理
隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)在生活污水氨氮濃度越來越高，傳統(tǒng)的處理工藝很難使得氨氮達標，利用固定化微生物技術(shù)可以大大提高氨氮的去除率。微生物去除氨氮需經(jīng)過好氧硝化、厭氧反硝化兩個階段。曹國民等[11]以PVA為載體，采用單級生物脫氮新技術(shù)，即利用一種固定化細胞膜兩側(cè)，分別與好氧的氨氮廢水、缺氧的乙醇碳源接觸，使固定于膜中的硝化菌將氨氧化為亞硝氮和硝氮，隨后被同膜中的反硝化菌還原為氮氣。該方法氨氧化的速率為單獨使用硝化菌的2 倍。葉正方等[12]采用功能化大孔載體FPUFS，以載體結(jié)合法固定化高效微生物菌群B350，所得固定化B350置于曝氣池中構(gòu)成一個有效容積為1500L的固定化微生物—曝氣生物濾池（I-BAF）污水處理系統(tǒng)。進水氨氮為451mg/L的污水經(jīng)處理后達0.285mg/L。
3.2 含難降解有機物廢水的處理
用常規(guī)的生物處理方法處理含難降解有機物廢水時，處理效率較低，主要是由于降解這類物質(zhì)的微生物世代期較長，而且難以在常規(guī)生物處理的構(gòu)筑物中大量存在。利用固定化微生物技術(shù)可有目的地選擇優(yōu)勢菌群培養(yǎng)，并將其固定到載體上,增加微生物的濃度，可以高效地處理這類物質(zhì)[13]。Jo-Shu Chang[14]以聚丙烯酰胺、海藻酸鈣做載體固定假單胞菌，對自配含氮染料廢水進行脫色處理，結(jié)果表明與游離細胞系統(tǒng)相比，長時間運行也能保持較高的反應(yīng)效率，且重復(fù)使用性好，更適合實際工業(yè)應(yīng)用.
4、 結(jié)語
固定化微生物技術(shù)以其獨特的優(yōu)點在污水處理領(lǐng)域中引起了普遍的關(guān)注，進行了廣泛的研究與應(yīng)用，但要實現(xiàn)其實用化或工業(yè)化，還需進一步研究解決。開發(fā)適合于固定化微生物細胞的高效生化反應(yīng)器亦是一個有待解決的問題；污水中含有的污染物是一個十分復(fù)雜的混合體系，單一菌種無法達到較滿意的效果，因此應(yīng)該進一步加強混合微生物固定化體系的研究與開發(fā),篩選、構(gòu)建高效、廉價、抗逆性強的高性能微生物,在反應(yīng)器中建立混合菌群組成的微生態(tài)環(huán)境，使各種固定化微生物發(fā)揮協(xié)同作用，拓寬可處理污染物的種類,提高處理效率；可以看出，伴隨著微生物技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展， 固定化微生物技術(shù)將成為污水處理的主流技術(shù)。
［1］ 王家玲.環(huán)境微生物學(xué)[M].北京：高等教育出版社。
［2］ 崔明超, 陳繁忠, 傅家謨, 等. 固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的研究進展. 化工環(huán)保, 2003, 23( 5) : 261~ 264
［3］ 王里奧, 崔志強, 錢宗琴, 等. 微生物固定化的發(fā)展及在廢水處理中的應(yīng)用, 重慶大學(xué)學(xué)報, 2004, 27( 3) : 126~ 129
［4］ 王建龍. 生物固定化技術(shù)與水污染控制[M].北京:科學(xué)出版社,2002.
［5］ 胡自偉,潘志彥,王泉源.固定化生物技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用研究進展[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002,3(9):19-23
［6］ 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，2002:265-266.
［7］ 劉鈞,周力.固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用分析[J].凈水技術(shù),1998,1:35-39.
［8］ 白鳳武.無載體固定化細胞的研究進展.生物工程進展，2000，20(2):32-36.
［9］ Loh K C,Chung T S,et al.Immobilixed-cell membrane bioreactorforhigh-strengh phenowastewater[J].Journal of Environmental Engineering, 2000,126:75-79.
［10］ 陳秉娟，周倩，嚴蓮荷。固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的研究進展。2010 二氧化氯與水處理技術(shù)研討會論文集。
［11］ 曹國民, 趙慶樣. 新型固定化細胞膜反應(yīng)器脫氮研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2001,21(2):189-193.
［12］ 葉正方，倪晉仁，李彥鋒，等。污水高效處理和資源化的固定化微生物技術(shù)研究。應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2002，10（4）：332-337.
［13］ 王廣金,褚良銀,楊平,等.固定化微生物技術(shù)及其在廢水處理中的應(yīng)用[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(12):171
［14］ Jo -Shu Chang. Decolorization of azo dyes with immobilized Pseudomonasluteola[J].Process Biochemistry ,2001 ,36(9):757-763
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
