固定化微生物技術處理廢水的應用
1 固定化微生物技術方法
固定化微生物技術是用化學或物理手段將游離微生物定位于限定的空間區(qū)域，以提高微生物細胞的濃度，使其保持較高的生物活性并反復利用的方法。目前微生物的固定方法有很多種，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一分類標準，但主要有共價化合法、吸附法、交聯(lián)法和包埋法。
1.1 共價化合法
共價化合法是利用載體與微生物之間的化學共價鍵將微生物吸附在載體表面的方法。該方法結合力強、穩(wěn)定性高，但反應條件激烈、制備困難、難控制、活性回收較低，故應用較少。
1.2 吸附法
吸附法是利用微生物所具有的靜電、表面張力或其它細胞表面的能力，將微生物固定在載體表面的方法。該方法操作簡單、廉價、有效，但穩(wěn)定性和重復性較低，可分為物理吸附和離子吸附。常見的吸附劑有硅膠、活性炭、多孔玻璃、碎石及DEAE-纖維素、CM-纖維素等。
1.3交聯(lián)法
交聯(lián)法是一種不用載體的工藝，通過物理或化學手段，利用微生物中酶分子的氨基和羥基與交聯(lián)劑的官能基團反應，使酶或微生物細胞之間彼此附著相連形成網(wǎng)狀結構，實現(xiàn)微生物固定化目的？煞譃榛瘜W交聯(lián)法和物理交聯(lián)法。交聯(lián)劑有很多，主要有戊二醛、聚乙烯亞胺等。
1.4 包埋法
包埋法是最常用的微生物固定方法，該方法是將微生物細胞截流在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網(wǎng)絡空間中，阻止細胞的泄漏，同時能讓基質(zhì)滲入和產(chǎn)物擴散出來。常用的包埋劑有瓊脂、海藻酸鈉、卡拉膠、明膠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等。秦統(tǒng)福等選取聚乙烯醇作為凝膠劑，海藻酸鈉和活性炭作為助凝劑，采用凝膠包埋法固定化UBD菌用于煉油污水的處理。研究結果表明菌種固定化后明顯改善了煉油污水的處理效果，COD和石油類物質(zhì)的去除率均高于游離菌和無菌小球。
包埋法操作簡單、能保持多酶系統(tǒng)、對微生物活性影響小;但傳質(zhì)阻力較大，對大分子和難溶解底物不適用。
2 固定化微生物技術優(yōu)點
與傳統(tǒng)懸浮生物處理法相比，固定化為生物技術的優(yōu)點是：載體對細胞起一定保護作用，使固定化細胞對有毒底物的耐受性增強;微生物被載體固定后，單位體積內(nèi)能維持高濃度的生物量，提高了降解率，減少了生物處理裝置容積;且固定化后的成品再生性能好，可反復使用。以上優(yōu)點決定了微生物固定化具有一定的技術優(yōu)勢。
3 固定化微生物技術處理廢水的研究進展
3.1 難降解有機廢水的處理
有機廢水成分復雜、有毒有害物質(zhì)多，使用常規(guī)的物化方法處理成本高，利用微生物降解處理有機廢水被公認為是行之有效的方法。固定化微生物可提供較高的局部微生物濃度，有利于處理高濃度難降解的有機廢水，處理效果好于浮游微生物。張波、陳金龍等采用大孔吸附樹脂固定化微生物強化SBR 處理對甲苯胺模擬廢水，結果表明，與游離菌相比，固定化微生物降解對甲苯胺的速率較大，可將進水TOC 濃度為434.8 mg/L，對甲苯胺濃度為326.9 mg/L 的對甲苯胺模擬廢水在100 min 左右將TOC 和對甲苯胺基本去除完全，去除率在99 %以上。而游離菌則需300min 才能達到相近的去除效果。同樣王琳、羅啟芳研究以硅藻土為載體的播種式固定化微生物對鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)的生物降解特性，結果表明在DBP 初始濃度為100~500 mg/L 范圍內(nèi)、pH 為6~9 范圍內(nèi)、在20~40 ℃的溫度范圍內(nèi)，吸附固定化微生物的活性均高于游離微生物，對DBP 的降解24 h 分別可達80 %以上、82 %以上及84.5 %。
3.2 含氮廢水的處理
傳統(tǒng)的污水脫氮系統(tǒng)硝化菌的世代時間較長，在BOD 濃度較高時硝化反應會處于劣勢，故增大硝化菌濃度是提高硝化反應的有效方法。利用載體固定化硝化菌是提高硝化菌濃度的一個有效方法，因此許多學者對固定化為生物技術在含氮廢水的處理中進行了大量的研究。蔡昌鳳、孫菲利用添加麥秸、稻草粉末、顆；钚蕴(GAC)、粉末活性炭(PAC)的新型PVA 固定化球?qū)够瘡U水進行脫氮研究，結果表明固定化球具有較高的傳質(zhì)性和通透性，對焦化肥水中氨氮的降解率48 h 達到92.42 %，而硝酸鹽氮的降解率僅12 h 即達到73.77 %。李輝華、朱學寶等采用聚乙烯醇(PVA)—硼酸包埋固定化法，包埋固定馴化過的活性污泥，制成固定化活性污泥顆粒;以流化床作為生物反應器，對人工配制的含氮廢水進行處理實驗。結果表明，固定化活性污泥對氨氮的降解速率達32.5 mg/g(MLSS)·d，而懸浮活性污泥對氨氮的降解速率為18.3 mg/g(MLSS)·d。
3.3 含重金屬廢水的處理
微生物吸附法處理含重金屬廢水具有投資少、吸附率高等優(yōu)點，越來越受到人們重視。但傳統(tǒng)微生物處理方法具有機械強度差、不易于液體分離等缺點，因此采用固定化微生物保護細胞并增加耐毒性。徐雪芹、李小明等[15]采用新型固定載體絲瓜瓤固定簡青霉(Penicillium simplicissimum)，制成吸附劑吸附溶液中的Pb2+和Cu2+，并分析了吸附機理和動力學特性。結果表明，用絲瓜瓤固定簡青霉能高效去除廢水中Pb2+和Cu2+，溶液pH 對吸附過程有較大影響，最佳吸附pH 在5.5 附近，最佳吸附溫度為25~35 ℃;溶液濃度在10~500 mg/L 范圍內(nèi)，固定化簡青霉菌對重金屬的吸附隨金屬離子濃度的增加而增加;吸附過程符合 Langmuir 等溫吸附模型;生物吸附平衡時間約為60 min，用0.1 mol/L HCl 解吸，循環(huán)吸附—解吸5 次后，固定化簡青霉吸附重金屬的能力幾乎不受影響。
4 結語
綜上所述，雖然微生物固定化技術因其獨特的特點在污水處理的研究上取得了多方面的成效，但距離實際工程的應用還有一定的距離、還要有許多問題進一步解決，為此需要加強如下研究：(1)新型廉價載體的開發(fā)與選擇;(2)高效工程菌的構建;(3)混合固定化技術的進一步研究和發(fā)展;(4)開發(fā)成型的固定化微生物傳感器;(5)基因工程技術與固定化技術更好地結合;(6)運用分子生物學檢測評價固定化微生物處理廢水的效果等。
隨著研究方法的不斷發(fā)展及新穎實用的固定化技術的不斷出現(xiàn)，微生物固定化技術應用于廢水治理將具有廣闊的發(fā)展前景和實用價值。
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