微生物固定化技術處理廢水的應用研究進展
在(zai)當今(jin)環(huan)境問題中，水(shui)(shui)污染已(yi)成(cheng)為威(wei)脅人(ren)類(lei)生(sheng)(sheng)存健(jian)康的(de)(de)重要問題之一。微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)污水(shui)(shui)處理(li)技(ji)術(shu)具有成(cheng)本低、出水(shui)(shui)水(shui)(shui)質較好、且污泥(ni)肥分高等優(you)點，目前(qian)已(yi)被廣泛應(ying)(ying)用于廢水(shui)(shui)治理(li)中。但傳統(tong)的(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)技(ji)術(shu)存在(zai)耐毒(du)性(xing)小、易流失等缺陷，而固(gu)定化(hua)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)技(ji)術(shu)因(yin)其具有微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)密度高、反應(ying)(ying)速度快、耐毒(du)害能力強、微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)流失少、產物(wu)(wu)分離容易等優(you)點在(zai)環(huan)境污染治理(li)方面尤其在(zai)難(nan)處理(li)的(de)(de)有機廢水(shui)(shui)及重金(jin)屬污染的(de)(de)廢水(shui)(shui)治理(li)中得到了(le)迅速發展和廣泛應(ying)(ying)用[1-2]。
1 固定化微生物技術(shu)方法
固(gu)定化(hua)微生物(wu)技(ji)術是(shi)用化(hua)學(xue)或物(wu)理手段將游離微生物(wu)定位于限定的(de)(de)空(kong)間區域，以提高(gao)(gao)微生物(wu)細胞的(de)(de)濃度，使(shi)其保持較高(gao)(gao)的(de)(de)生物(wu)活性并反復利(li)用的(de)(de)方法(fa)[3]。目前微生物(wu)的(de)(de)固(gu)定方法(fa)有(you)很多種，國內(nei)外(wai)尚(shang)無統一分類標準，但主要有(you)包埋法(fa)、交聯法(fa)、吸附法(fa)和共(gong)價(jia)化(hua)合法(fa)。
1.1 包埋法(fa)
包埋法(fa)(fa)是(shi)(shi)最(zui)常用的(de)(de)微(wei)生物固定方法(fa)(fa)，該方法(fa)(fa)是(shi)(shi)將微(wei)生物細胞(bao)(bao)截(jie)流在水(shui)不(bu)溶(rong)性的(de)(de)凝(ning)膠(jiao)聚(ju)(ju)合物孔隙的(de)(de)網絡空間中，阻止細胞(bao)(bao)的(de)(de)泄漏，同時(shi)能讓基質滲入和產物擴散出來(lai)。常用的(de)(de)包埋劑(ji)(ji)有瓊脂(zhi)、海藻酸(suan)鈉(na)、卡拉膠(jiao)、明(ming)膠(jiao)、聚(ju)(ju)乙烯醇、聚(ju)(ju)丙烯酰胺等(deng)[4]。秦統福[5]等(deng)選取聚(ju)(ju)乙烯醇作為凝(ning)膠(jiao)劑(ji)(ji)，海藻酸(suan)鈉(na)和活(huo)性炭作為助凝(ning)劑(ji)(ji)，采用凝(ning)膠(jiao)包埋法(fa)(fa)固定化UBD菌(jun)用于煉(lian)油(you)污水(shui)的(de)(de)處理。研(yan)究結(jie)果表明(ming)菌(jun)種(zhong)固定化后明(ming)顯改善了(le)煉(lian)油(you)污水(shui)的(de)(de)處理效果，COD和石(shi)油(you)類物質的(de)(de)去(qu)除率(lv)均高于游(you)離菌(jun)和無菌(jun)小球(qiu)。
包(bao)埋法(fa)操作(zuo)簡單、能保持多酶系統、對微生物(wu)活性(xing)影響小；但傳(chuan)質阻力較大，對大分子和(he)難(nan)溶解(jie)底物(wu)不(bu)適用[6]。
1.2 交聯法
交(jiao)聯(lian)(lian)法(fa)是(shi)一種(zhong)不用(yong)載體的(de)(de)工藝，通過物(wu)理或(huo)化(hua)學(xue)手段，利用(yong)微(wei)生(sheng)物(wu)中酶分(fen)子的(de)(de)氨基和羥基與交(jiao)聯(lian)(lian)劑的(de)(de)官能基團反應，使酶或(huo)微(wei)生(sheng)物(wu)細胞之(zhi)間(jian)彼此附著(zhu)相連(lian)形成網(wang)狀結構，實現(xian)微(wei)生(sheng)物(wu)固定化(hua)目的(de)(de)[7]。可分(fen)為化(hua)學(xue)交(jiao)聯(lian)(lian)法(fa)和物(wu)理交(jiao)聯(lian)(lian)法(fa)。交(jiao)聯(lian)(lian)劑有很多(duo)，主(zhu)要有戊(wu)二醛、聚乙烯亞胺等。
1.3 吸附法
吸附(fu)法是(shi)利用微生物所具有(you)(you)的(de)靜電、表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)或(huo)其它細胞表面(mian)(mian)的(de)能力(li)，將微生物固定(ding)在載體表面(mian)(mian)的(de)方法。該方法操作簡單、廉價、有(you)(you)效，但(dan)穩定(ding)性和重復性較低，可(ke)分為(wei)物理吸附(fu)和離子吸附(fu)。常見的(de)吸附(fu)劑有(you)(you)硅膠、活性炭、多孔(kong)玻璃、碎石及DEAE-纖(xian)維素(su)、CM-纖(xian)維素(su)等[8]。
1.4 共價化合(he)法
共(gong)價(jia)化合(he)法(fa)是利用載(zai)(zai)體與微(wei)生物(wu)之間的化學共(gong)價(jia)鍵將微(wei)生物(wu)吸附(fu)在載(zai)(zai)體表面的方(fang)法(fa)。該方(fang)法(fa)結合(he)力強、穩定性(xing)高(gao)，但反應(ying)條件激烈、制備困難、難控制、活(huo)性(xing)回(hui)收較低，故應(ying)用較少。
2 固定化微生物技術優點
與傳(chuan)統懸浮生物(wu)(wu)(wu)處理(li)法相(xiang)比(bi)，固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)化為(wei)生物(wu)(wu)(wu)技(ji)(ji)術的(de)優點(dian)是：載體(ti)對細(xi)胞起一(yi)定(ding)(ding)(ding)保護作用，使固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)化細(xi)胞對有毒底物(wu)(wu)(wu)的(de)耐受性增(zeng)強；微生物(wu)(wu)(wu)被載體(ti)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)后，單位(wei)體(ti)積內能(neng)維持(chi)高濃度的(de)生物(wu)(wu)(wu)量，提高了降解(jie)率，減少了生物(wu)(wu)(wu)處理(li)裝置容積；且固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)化后的(de)成品(pin)再生性能(neng)好(hao)，可(ke)反復使用。以上優點(dian)決定(ding)(ding)(ding)了微生物(wu)(wu)(wu)固(gu)(gu)定(ding)(ding)(ding)化具有一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)技(ji)(ji)術優勢(shi)[9-10]。
3 固定化(hua)微生物技術處理廢水的研究進展(zhan)
3.1 難降解有機廢水的處理
有(you)機(ji)廢水(shui)成分復雜(za)、有(you)毒(du)有(you)害物(wu)(wu)(wu)(wu)質多，使用(yong)常(chang)規的(de)(de)(de)物(wu)(wu)(wu)(wu)化(hua)(hua)(hua)方法(fa)處(chu)理成本高(gao)，利用(yong)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)降(jiang)(jiang)解處(chu)理有(you)機(ji)廢水(shui)被公認為(wei)是(shi)行之有(you)效的(de)(de)(de)方法(fa)。固定(ding)(ding)化(hua)(hua)(hua)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)(ke)提供較高(gao)的(de)(de)(de)局部微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)濃度(du)，有(you)利于處(chu)理高(gao)濃度(du)難(nan)降(jiang)(jiang)解的(de)(de)(de)有(you)機(ji)廢水(shui)，處(chu)理效果(guo)好于浮游(you)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)。張波、陳金龍等(deng)采用(yong)大孔吸附(fu)樹脂固定(ding)(ding)化(hua)(hua)(hua)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)強化(hua)(hua)(hua)SBR 處(chu)理對甲苯(ben)胺模擬(ni)廢水(shui)，結(jie)果(guo)表明(ming)(ming)，與(yu)游(you)離(li)菌相比，固定(ding)(ding)化(hua)(hua)(hua)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)降(jiang)(jiang)解對甲苯(ben)胺的(de)(de)(de)速率(lv)較大，可(ke)(ke)將(jiang)進水(shui)TOC 濃度(du)為(wei)434.8 mg/L，對甲苯(ben)胺濃度(du)為(wei)326.9 mg/L 的(de)(de)(de)對甲苯(ben)胺模擬(ni)廢水(shui)在100 min 左右將(jiang)TOC 和對甲苯(ben)胺基(ji)本去(qu)除完(wan)全，去(qu)除率(lv)在99 %以(yi)上(shang)[11]。而游(you)離(li)菌則需300min 才能達(da)(da)到相近的(de)(de)(de)去(qu)除效果(guo)。同樣王琳、羅啟(qi)芳[12]研究(jiu)以(yi)硅藻土(tu)為(wei)載體的(de)(de)(de)播種(zhong)式固定(ding)(ding)化(hua)(hua)(hua)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)對鄰苯(ben)二(er)甲酸二(er)丁酯(DBP)的(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)降(jiang)(jiang)解特性，結(jie)果(guo)表明(ming)(ming)在DBP 初始濃度(du)為(wei)100~500 mg/L 范(fan)圍內(nei)、pH 為(wei)6~9 范(fan)圍內(nei)、在20~40 ℃的(de)(de)(de)溫度(du)范(fan)圍內(nei)，吸附(fu)固定(ding)(ding)化(hua)(hua)(hua)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)活性均高(gao)于游(you)離(li)微(wei)(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)，對DBP 的(de)(de)(de)降(jiang)(jiang)解24 h 分別可(ke)(ke)達(da)(da)80 %以(yi)上(shang)、82 %以(yi)上(shang)及84.5 %。
3.2 含氮廢水的(de)處理
傳(chuan)統的(de)(de)(de)(de)污(wu)水脫(tuo)氮(dan)(dan)系統硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)菌(jun)的(de)(de)(de)(de)世代(dai)時間較(jiao)長，在BOD 濃度較(jiao)高時硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)(ying)會處(chu)于劣勢，故增大(da)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)菌(jun)濃度是(shi)提高硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)有效方(fang)法。利(li)用(yong)載體固(gu)定化(hua)(hua)硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)菌(jun)是(shi)提高硝(xiao)(xiao)化(hua)(hua)菌(jun)濃度的(de)(de)(de)(de)一個(ge)有效方(fang)法，因此許多學(xue)者(zhe)對(dui)固(gu)定化(hua)(hua)為(wei)(wei)生物(wu)技術在含氮(dan)(dan)廢(fei)水的(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)中(zhong)進行了(le)大(da)量的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)。蔡昌(chang)鳳、孫菲利(li)用(yong)添(tian)加麥秸(jie)、稻草粉末、顆粒活(huo)性(xing)炭(GAC)、粉末活(huo)性(xing)炭(PAC)的(de)(de)(de)(de)新型PVA 固(gu)定化(hua)(hua)球對(dui)焦化(hua)(hua)廢(fei)水進行脫(tuo)氮(dan)(dan)研究(jiu)，結果(guo)(guo)表明固(gu)定化(hua)(hua)球具有較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)質性(xing)和通(tong)透性(xing)，對(dui)焦化(hua)(hua)肥水中(zhong)氨(an)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)降(jiang)解率(lv)48 h 達(da)到(dao)92.42 %，而硝(xiao)(xiao)酸鹽氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)降(jiang)解率(lv)僅12 h 即達(da)到(dao)73．77 %[13]。李輝華、朱(zhu)學(xue)寶[14]等采用(yong)聚乙烯醇(PVA)—硼酸包埋固(gu)定化(hua)(hua)法，包埋固(gu)定馴化(hua)(hua)過的(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)污(wu)泥(ni)，制成(cheng)固(gu)定化(hua)(hua)活(huo)性(xing)污(wu)泥(ni)顆粒；以流化(hua)(hua)床作為(wei)(wei)生物(wu)反(fan)應(ying)(ying)器，對(dui)人工(gong)配制的(de)(de)(de)(de)含氮(dan)(dan)廢(fei)水進行處(chu)理(li)實(shi)驗。結果(guo)(guo)表明，固(gu)定化(hua)(hua)活(huo)性(xing)污(wu)泥(ni)對(dui)氨(an)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)降(jiang)解速率(lv)達(da)32.5 mg/g(MLSS)·d，而懸浮活(huo)性(xing)污(wu)泥(ni)對(dui)氨(an)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)降(jiang)解速率(lv)為(wei)(wei)18.3 mg/g(MLSS)·d。
3.3 含重金屬廢水的處理
微生(sheng)(sheng)物(wu)吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)法處(chu)理含重金屬(shu)(shu)(shu)廢水具有投資少、吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)率(lv)高等(deng)優(you)點(dian)，越(yue)來越(yue)受到人們重視(shi)。但傳統微生(sheng)(sheng)物(wu)處(chu)理方法具有機械(xie)強(qiang)度差、不易于液體分離等(deng)缺點(dian)，因(yin)此(ci)采用固(gu)(gu)定(ding)化(hua)微生(sheng)(sheng)物(wu)保護細胞(bao)并(bing)增(zeng)加耐毒(du)性。徐雪(xue)芹、李小明等(deng)[15]采用新型固(gu)(gu)定(ding)載體絲瓜瓤固(gu)(gu)定(ding)簡(jian)青霉(Penicillium simplicissimum)，制成(cheng)吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)劑吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)溶液中的(de)Pb2+和(he)(he)Cu2+，并(bing)分析了吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)機理和(he)(he)動力(li)學特性。結果表(biao)明，用絲瓜瓤固(gu)(gu)定(ding)簡(jian)青霉能(neng)高效去除廢水中Pb2+和(he)(he)Cu2+，溶液pH 對吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)過程(cheng)有較大影(ying)響，最佳吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)pH 在5.5 附(fu)(fu)(fu)近，最佳吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)溫度為25~35 ℃；溶液濃度在10~500 mg/L 范圍內(nei)，固(gu)(gu)定(ding)化(hua)簡(jian)青霉菌(jun)對重金屬(shu)(shu)(shu)的(de)吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)隨金屬(shu)(shu)(shu)離子濃度的(de)增(zeng)加而增(zeng)加；吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)過程(cheng)符合 Langmuir 等(deng)溫吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)模型；生(sheng)(sheng)物(wu)吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)平衡時間(jian)約為60 min，用0.1 mol/L HCl 解(jie)(jie)吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)，循(xun)環吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)—解(jie)(jie)吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)5 次后，固(gu)(gu)定(ding)化(hua)簡(jian)青霉吸(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)重金屬(shu)(shu)(shu)的(de)能(neng)力(li)幾乎不受影(ying)響。
4 結語
綜(zong)上所述，雖然微生物(wu)固(gu)定(ding)化技(ji)術因其獨(du)特(te)的(de)特(te)點在污水(shui)處(chu)理(li)的(de)研究上取(qu)得了(le)多(duo)方面的(de)成效(xiao)，但距(ju)離實際工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)的(de)應用(yong)還(huan)有一(yi)定(ding)的(de)距(ju)離、還(huan)要(yao)有許多(duo)問題進一(yi)步解決(jue)，為此需要(yao)加強如下研究：(1)新型廉(lian)價(jia)載體的(de)開(kai)發與選(xuan)擇(ze)；(2)高效(xiao)工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)菌的(de)構(gou)建(jian)；(3)混合固(gu)定(ding)化技(ji)術的(de)進一(yi)步研究和發展；(4)開(kai)發成型的(de)固(gu)定(ding)化微生物(wu)傳感器；(5)基因工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)技(ji)術與固(gu)定(ding)化技(ji)術更好地結合；(6)運用(yong)分(fen)子生物(wu)學檢測評價(jia)固(gu)定(ding)化微生物(wu)處(chu)理(li)廢水(shui)的(de)效(xiao)果(guo)等。
隨著研究(jiu)方法的(de)不(bu)斷(duan)發展及新(xin)穎實用的(de)固(gu)定化(hua)技(ji)術的(de)不(bu)斷(duan)出現，微(wei)生物固(gu)定化(hua)技(ji)術應用于廢水治(zhi)理(li)將具有廣闊的(de)發展前景和實用價值(zhi)。
參考文獻
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(本文文獻格式：賈彩云，甄海欣．微生(sheng)物固定(ding)化技術處理廢(fei)水的(de)應用研究進展[J]．廣東化工，2011，38(9)：253)
[作者簡介] 賈彩云(yun)(1981-)，女，河南平頂山人，碩士，主要研究方向為環境生物(wu)技(ji)術。
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