固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于飲用水處理有哪些優(yōu)點(diǎn)

【專家解說】：固定化微生物技術(shù)是用化學(xué)或物理的手段，將游離細(xì)胞或酶定位于限定的區(qū)域，使其保持活性并可反復(fù)利用的方法。最初主要用于發(fā)酵生產(chǎn)，70年代后期，被用到水處理領(lǐng)域，近年來則成為各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)。固定化微生物技術(shù)克服了生物細(xì)胞太小，與水溶液分離較難，易造成2次污染的缺點(diǎn)，保持了效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、能純化和保持高效菌種的優(yōu)點(diǎn)，在廢水處理領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用過程中，如何固定、何種載體，才能使固定化微生物能較長時(shí)間的保持一定強(qiáng)度和活度，才能降低固化的成本，延長固定微生物的使用壽命，是該技術(shù)在污水處理中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。文本著重介紹近年來廢水處理中常用的固定化材料，及比較成熟的固定方法和影響因素。 參考--------------------------------------------------------------------------------------------- 2 常用固定化方法 廢水處理中常用微生物固定化方法主要有:包埋法、交聯(lián)法、載體結(jié)合法。 2.1包埋法 包埋法是利用線性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物載體的加裹作用，將游離細(xì)胞截留在形成的高分子材料內(nèi)，其結(jié)構(gòu)可防止細(xì)胞滲出到周圍培養(yǎng)基中，但底物仍能滲入與細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)。包埋法操作簡便，微生物本身不參與水不溶性膠網(wǎng)格或微膠囊的形成，活力較高，應(yīng)用廣泛。但包埋材料會一定程度阻礙底物和氧擴(kuò)散，并對大分子底物不適用。Joshi用海藻酸鈣、聚丙烯酸酯、瓊脂、蛋白質(zhì)等，分別包埋產(chǎn)苯化工廠的活性污泥用于含酚廢水處理。結(jié)果表明，海藻酸鈣有最大的酚降解率，能市郊降解濃度在1000mg/L以上的含酚廢水，固定化污泥反復(fù)使用12次而酚降解率不變。 2.2交聯(lián)法 交聯(lián)法是使用雙功能或多功能的試劑與酶分子進(jìn)行分子間的交聯(lián)固定化方法。由于酶蛋白的功能團(tuán)參與此反應(yīng)，所以酶的活性中心構(gòu)造可能受到影響，而使酶顯著失活。此外，在劑如戊二醛等價(jià)格昂貴，限制了其應(yīng)用，實(shí)際常與其它方法結(jié)合。陳陶聲等報(bào)道，Smiley使用苯酚甲醛樹脂Duolite DS-73141，來吸附枯草芽孢桿菌的α-淀粉酶交聯(lián)，形成酶-樹脂復(fù)合物，用于連續(xù)水解造紙廢水中懸浮微纖維的膠態(tài)淀粉，效果很理想。 2.3吸附法 又稱載體結(jié)合法，是通過物理吸附、化學(xué)或離子結(jié)合，將微生物固定于非水溶性載體。這種方法操作簡單，對微生物活力影響小，但所結(jié)合的微生物量有限，反應(yīng)穩(wěn)定性和反復(fù)使用性差。美國賓州大學(xué)培養(yǎng)從活性污泥中分離出的優(yōu)勢菌絲孢酵母(Frichosporon cutaneum)和假單胞菌(Pseudomona sp)，提取高酶活的酚氧化酶，再以化學(xué)手段結(jié)合到玻璃珠上，用于處理冶金工業(yè)酚廢水，使固定酶活性可達(dá)游離細(xì)胞的90%。 3 載體的選擇 水處理中對載體的要求是: 1) 具有足夠的機(jī)械、物理和化學(xué)穩(wěn)定性; 2) 具有惰性，不能干擾生物分子的功能; 3) 具備一定的容量; 4) 價(jià)廉易得。 載體包括2大類:無機(jī)載體如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等;有機(jī)載體如瓊脂、聚乙烯醇凝膠(PVA)、角叉萊膠、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺(ACAM)凝膠等。無機(jī)載體常用于吸附法，高質(zhì)量無機(jī)載體的指標(biāo)之一是有較大的表面積。無機(jī)載體常與包埋載體結(jié)合，以提高包埋載體的強(qiáng)度，擴(kuò)大孔徑，提高包埋微生物的使用效率與壽命。吸附法中微生物與載體結(jié)合不牢固，易脫落，吸附數(shù)量不多;膠聯(lián)法固定微生物活性較低，很少單獨(dú)使用。 本文則主要討論常用于包埋法的載體，而包埋載體品種很多，主要在天然高分子凝膠和有機(jī)合成高分子載體2類。 3.1天然高分子載體 天然高分子載體有瓊脂、海藻酸鈣、角叉萊膠等，它們無生物毒性，傳質(zhì)性好，但強(qiáng)度較低，在厭氧條件下易被生物分解。瓊脂凝膠有良好的惰性，但機(jī)械性能與化學(xué)穩(wěn)定性差，常在堿性條件下加2，3-二溴丙醇交聯(lián)，以提高其穩(wěn)定性。瓊脂凝膠在實(shí)際操作時(shí)應(yīng)避免劇烈攪拌破壞結(jié)構(gòu)，同時(shí)也應(yīng)盡量避免冷凍。海藻酸鹽的分子式為(C8H8O8)n，聚合度可從80到750，無毒、不易被降解，一價(jià)鹽為水溶性，二價(jià)以上的為水不溶性?？尚纬赡蜔岬哪z的重要依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中常添加其它物質(zhì)以增加強(qiáng)度。 3.2合成有機(jī)高分子載體 合成有機(jī)高分子聚合物有ACAM、PVA、聚乙酰幾丁酯、光敏聚乙烯醇等。一般強(qiáng)度較好，但傳質(zhì)性能較差，包埋后對細(xì)胞活性有影響。實(shí)際應(yīng)用需注意其表面親水性、粘度均一性和內(nèi)部孔的結(jié)構(gòu)。PVA因無毒、價(jià)廉、搞微生物分解和機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)受到重視，被認(rèn)為是目前最有效的固定化載體之一。但存在包埋顆粒易破碎、傳 質(zhì)阻力大、產(chǎn)氣上浮及活性喪失大等缺陷。實(shí)際常以PVA為主要包埋骨架，添加其它能提高包埋效果的添加劑。閔航等以PVA為主要包埋材料的混合載體，來固定厭氧活性污泥，以處理有機(jī)廢水?；旌陷d體由聚乙烯醇、0.15%海藻酸鈉、2%鐵粉、0.3%碳 酸鈣、4%二氧化硅組成。中野報(bào)道，PVA膠制備過程中，加入少量粉末活性炭可提高凝膠強(qiáng)度，且制成的固定細(xì)胞在進(jìn)水不穩(wěn)定、難降解組分突然進(jìn)入處理系統(tǒng)的情況下，與單一PVA凝膠相比顯示出優(yōu)勢。 3.3載體的混合使用 實(shí)際中常將幾種載體混合使用，利用各自的優(yōu)點(diǎn)以提高使用效率。Pai用含1%活性炭、4%海藻酸鈣凝膠、1%濕菌體的泫藻酸鈣凝膠，包埋微生物以降解苯酚廢水，效果比較理想。Lin利用海藻酸鈣與吸附劑(粉末活性炭)聯(lián)合包埋固定Phanerochate chrysosporiun菌，用于降解五氯酚，與非固定化和單獨(dú)固定化體系比較的結(jié)果表明，聯(lián)合固定化體系更有效。孫艷利用添加硅藻土和用已二胺一戊二醛，對降酚菌種(以海藻酸鈉包埋固定)的表面進(jìn)行化學(xué)處理，使固定細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度、降酚活性和穩(wěn)定性得到了提高。陳敏提出聚乙烯醇包埋活性炭與微生物的固定化技術(shù)，并用于有機(jī)磷農(nóng)藥水胺硫磷的降解，結(jié)果表明固定微生物對廢水溫度、pH值和水胺硫磷濃度的適應(yīng)范圍擴(kuò)大。混合載體法有效地緩解了實(shí)際固定化細(xì)胞成球難、易破碎、活性易喪失等難題。 3.4常見固定細(xì)胞載體性能比較 一些常見的固定細(xì)胞載體性能比較如表1。 表1 各種固定化細(xì)胞載體的性能比較 性能 載體 瓊脂 海藻酸鈣 角叉萊膠 ACAM PVA-硼酸 壓縮強(qiáng)度(kg/cm2) 0.5 0.8 0.8 1.4 2.75 耐曝氣強(qiáng)度 差 一般 一般 好 好 擴(kuò)散系數(shù)(·10-6cm2/s) / 6.8(30