固定化生物技术在废水处理中的研究

闫鹏

(呼和浩特铁路局集体经济管理处,内蒙古呼和浩特010050)

1 引言

固定化细胞技术是用化学或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区域,并使其保持活性,反复利用的方法,是20世纪60年代发展起来的新技术[1]。研究和应用表明[2],固定化微生物技术具有微生物密度高、反应速度快、耐毒害能力强、微生物流失少、产物分离容易、处理设备小型化等优点。

2 生物固定化的方法

国内外不同的研究者对固定化法采用不同的分类法,目前较合理的固定法有吸附法、包埋法、共价结合法和交联法4大类,其中以包埋法最为常用[3]。

2.1 吸附法

吸附法又叫载体结合法,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,使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法,可分为物理吸附法和离子吸附法两种。从本质上看,吸附固定法是微生物自我固定,它在废水生物处理中已被广泛应用,如生物塔滤池、生物接触氧化法、厌氧滤器、厌氧流化床等生物膜,以及上流式污泥床内厌氧颗粒污泥,都是依靠微生物吸附于载体(填料)表面或自聚凝而成,尽管成膜过程或颗粒化过程的机理不甚清楚,但技术工艺已非常成熟[4]。

2.2 包埋法

包埋法是用物理方法将微生物细胞包埋在凝胶的微小空格内或埋于半透膜聚合物的超滤膜内。这种方法既操作简单,又不会明显影响生物活性,是比较理想的方法,目前应用最多。

2.3 共价结合法

共价结合法是细胞表面上功能团(如α-,ε-氨基 、α-,β-或 γ-羧基或羟基咪唑基、酚基等)和固相支持物表面的反应基团之间形成化学共价键连接,从而成为固定化细胞。该法细胞与载体之间的连接键很牢固,使用过程中不会发生脱落,稳定性好,但反应条件激烈,操作复杂,控制条件苛刻。利用此法制备的固定化细胞,细胞大多死亡。

2.4 交联法

交联法是利用双功能或多功能试剂,直接与细胞表面的反应基团(如氨基酸、羟基、硫基、咪唑基)发生反应,使其彼此交联形成网状结构的固定化细胞,其结合力是共价键。常用的交联剂有戊二醛、甲苯二异氰酸酯等。该法反应条件激烈,对细胞活性影响大。

3 固定化细胞技术在废水处理中的应用

3.1 在难降解有机污染物中的应用

在常规生物处理工艺中难降解有机物一般去除效率很低,这主要是因为分解和转化这些有机物的微生物的增殖速度极慢、世代时间长,难以在常规生物处理装置内积累到足以使这些污染物产生明显降解的浓度。利用固定化微生物的特点,可选择性地筛选一些特殊优势菌种并加以固定化,增加其在生物处理装置内的生物浓度,以提高难降解有机物的处理效率。Vera L,Nadia M[5]用T richosporon sp.对酚进行降解,将微生物用海藻胶质固定化后的降解率进行比较实验。结果发现,酚在固定化体系中的降解率远高于微生物的悬浮体系,且微生物的连续使用时间也有极大提高。黄霞等[6]人针对焦化废水中的3种难降解有机物筛选了具有较高降解能力的优势菌群,采用无纺布-PVA复合载体对优势菌群进行了包埋固定。研究了固定化优势菌群对相应有机物的降解特性,结果表明,经优势菌群处理8h,3种难降解有机物均可降解90%以上。

3.2 固定化细胞技术处理氨氮废水

在硝化、反硝化研究方面,最早是Nilsson[7]用海藻酸钙固定假单胞反硝化菌,采用填充柱对地下水中浓度为20mg/L的硝酸盐进行两个月的连续脱氮试验,脱氮效果良好,反硝化速度为66mg/h◦kg凝胶,容积负荷为3.6kg/m3◦d。曹国民等[8]利用两种常用的固定化载体海藻酸钠和聚乙烯醇(PVA)混合固定硝化菌和反硝化菌,研究了好氧条件下同时硝化反硝化的可行性及其脱氮特性。结果表明：硝化菌和反硝化菌混合固定时,由于载体内部形成了适合硝化和反硝化的环境,可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化,实现单级生物脱氮。

3.3 对废水中重金属离子的去除

固定化微生物处理含金属离子废水研究也受到相应关注,这对于拓展固定化微生物处理废水领域而言意义重大。赵力,张利,孔德领等[9]研究了明胶包埋黑根霉菌丝体的包埋条件及包埋后对水中Pb2+的吸附作用。结果表明,包埋重量比例为6：1,交联剂甲醛用量为25%,凝胶化温度为40℃,pH值为10.0为包埋反应的最佳条件。包埋后的饱和吸附量可达121.2mg/g,比未包埋黑根霉下降10.8%。吸附平衡时间延长至800min。朴真三,李小鄂,陈亚光[10]。对自来水厂除锰细菌的3种固定化途径进行了试验分析,表明生态平衡的自然固定化能够在短期内高效、稳定地除锰,通过控制运行参数和水质,把滤柱的除锰成熟期缩短为50d。

3.4 固定化技术处理农药、杀虫剂废水的研究

陈敏[11]等利用聚乙烯醇包埋活性炭和微生物的固定化技术对有机磷农药水胺硫磷的降解进行了试验研究,结果表明,经固定的微生物对温度、pH值和水样水胺硫磷浓度的适应范围扩大,在3个月的连续试验中,水样初始CODcr浓度为1 300～2 500m g/L,水样 pH为 7,停留 24h,在恒温摇床(30℃,150r/min)内降解,其去除率为55%～70%。

3.5 固定化技术处理印染废水的研究

张琳等[12]将所筛选的高效脱色菌群,采用聚集-交联法固定在活性污泥上,形成絮状立体网状微观结构。固定化脱色菌的脱色活力较未经固定的活性污泥提高70%左右。经厌氧条件下处理针织厂印染废水,色度平均去除率为77.3%,COD平均去除率为65.1%。梁沈平,王菊思,姜兆春[13]以凹凸棒粘土颗粒为载体,混合固定化筛选出的7株高效脱色菌,并组成固定化微生物反应柱。该生物柱对各种染料废水均有良好的脱色作用,在染料为唯一碳源和能源时,对60mg/L的混合染料6h脱色率达91%,对于用染槽废液与食堂废水配制的实际废水,能在72h的连续流动状态下保持80%以上的脱色率。固定化微生物柱的脱色机理是凹凸棒颗粒对染料的吸附和细菌对染料的降解的双重作用。

4 结语

细胞固定化技术以其特有的优点在废水处理领域中引起了普遍的关注,但目前尚处于实验研究阶段,要实现其实用化或工业化,还有许多问题需要进一步研究解决,因此主要的研究方向包括寻找高效、廉价、抗毒性强的生物;寻找性能稳定、传质好、强度高、寿命长、价格低的固定化载体;发展多种生物共生的固定化体系;开发高效的固定化反应器;研究对生物无破坏性、高效率的解吸剂;大力发展生物再生技术。相信通过不断的研究和改进,细胞固定化技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术,在废水处理中获得广泛的应用。

[1]王洪祚,刘世勇.酶和细胞的固定化[J].化学通报,1997,60(2)：22～27.

[2]闫志明,普红平,阳立平.生物固定化技术研究及应用评述[J].四川化工,2004,7(1)：12～15.

[3]李 峰,吕锡武.聚乙烯醇作为固定化细胞包埋剂的研究[J].中国给水排水,2000,16(12)：14～17.

[4]徐向阳.固定化细胞技术在废水处理中的应用[J].中国给水排水,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]黄 霞,陈 戈,邵林广.缺氧——好氧固定床生物膜系统处理焦化废水的试验研究[J].中国环境科学,1995,15(1)：1～4.

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

[8]曹国民,赵庆祥,张 彤.单级生物脱氮技术的进展[J].中国给水排水,2000,16(2)：20.

[9]赵 力.聚合物固载的聚乙二醇季按盐型相转移催化剂的合成、表征及相转移催化作用[J].中国环境科学,1996,12(5)：418～424.

[10]朴真三,李小鄂,陈亚光.自来水厂细菌固定化除锰及其水质条件的研究[J].环境科学,1998,19(5)：37～40.

[11]陈 敏,罗启芳.聚乙烯醇包埋活性炭与微生物的固定化技术及对水胺硫磷降解的研究[J].环境科学,1993,15(3)：11～14.

[12]张 琳,吴国庆,王增长.固定化脱色菌——活性污泥的脱色性能研究[J].环境科学,1995,16(5)：67～69.

[13]梁沉平,王菊思,姜兆春.固定化微生物柱对染料废水的脱色试验[J].环境科学,1998,19(5)：10～ 13.