固定化微生物废水处理技术的现状和前景吴光前

第16卷第4期污染防治技术2X()3年12月固定化微生物废水处理技术的现状和前景吴光前,王丽萍(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008)摘要:综述了固定化微生物的主要方法,以及固定化微生物技术应用在废水处理中的发展过程及现状,包括去除BOD物质、硝化一脱氮、难降解废水的治理、去除和回收重金属离子、产氢等,最后对应用于废水处理中的存在问题和发展方向进行了评价。关键词:固定化微生物;废水生物处理;应用前景中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1仪抖一的SX(2的3)04一0198一以APlPieaitonofMicroorga城smmImobiilzaitonTechnologyotW韶tewaterTreatmentWUGuang一qian,WANGU一ping(SehoolofEn”ironmen:alandSPa忿iallnj石narztics,CUMT,义.汰。u,加几g3u221X()8,hCianA城acrt:hTisaP伴rintordueesthemaineationOfthisteehno1Ogyinwastewaetrbioloigemehtodsofmie姗吧anismimmobiliaztion,htery哪5ofimmobiliaztionea币er,andtheappli-alt沈atmentifeld,ineludingtheermovalofBOD,nitirifeation一deniitrifeation,eliminationofheavymetalsandhyd哪enporduetion.hTeporblemsofthisteehno10助anditsdeveloPmentinthefutueraerdiseussedheer.Keywords:innobilizedmieosarnism;wasetwaetrbioloigealteratment:aPplieation固定化微生物技术是指将微生物固定在载体上,使其保持高度密集并保持其生物活性功能,在适宜的条件下还可以增殖以满足应用之需的生物技术。这种技术最初主要用于发酵生产。上世纪70年代后期,研究人员在固定化酶的基础上,相继开发出固定化细胞和固定化微生物技术,该技术可以将筛选出的优势菌种和微生物加以固定,从而建立起高效的废水处理系统〔’〕。固定化微生物技术应用于废水处理,具有反应器生物浓度高、处理能力大、污泥产量少、菌种高纯高效、固液分离效果好、适应水质和pH值变化能力强等优点。这些优点使固定化技术在废水处理中受到广泛的重视,近年来,成为各国学者研究的热点,并取得了很大的进展〔2」。1微生物固定化方法与反应特性1.1微生物固定化方法根据所固定微生物种类的不同,采用的固定化方法也不同。理想的固定化微生物的制备方法应该能够控制固定化细胞颗粒的大小和孔隙度,并且能够使底物、产物和其他代谢产物自由扩散,单位80体积的固定化系统拥有尽可能多的微生物量。目前,常用的固定化微生物方法主要有:吸附法、包埋法、交联法和载体偶联法。在废水处理领域中,以吸附法、包埋法为主,交联法大多与吸附法和包埋法结合使用。而载体偶联法目前主要应用在固定化酶领域,在废水处理领域应用较少。(l)吸附法在废水处理领域主要采用物理吸附法。这种方法是利用微生物体和吸附载体之间的作用(主要是范德华力、氢键及静电作用)将微生物体吸附到载体的表面上,从而固定微生物的方法。在吸附法中,要求载体内部多孔、比表面积大、无生物毒性、传质性能良好、性质稳定不易分解、机械强度高、价格低廉。目前,常用的载体有硅藻土、多孔砖、石英砂、活性炭、聚氨醋泡沫、大孔树脂和多孔陶瓷等。根据所采取处理工艺的不同,而采用不同的载体。吸附法是固定化技术中最简单的方法,其优点是制备简单、载体可以再生,但是,微生物和载体的结合力弱,当环境中的pH值、离子强收稿日期二2X()3一肠一2;7修订日期:2003一oo一22作者简介:吴光前(1978一),男,江苏徐州市人,在读硕士研究生,主攻方向为水污染控制工程。第61卷第4期吴光前等.固定化微生物废水处理技术的现状和前景2田3年12月度、温度、底物浓度等外界条件变化时,酶或微生物常会部分或全部脱落。(2)包埋法是使微生物细胞扩散进人多孔性载体内部,或利用高聚物在形成凝胶时,将细胞包埋在内部,小分子底物及代谢反应产物可以自由进人这些多孔或凝胶膜,而微生物细胞却不能够移动。这种固定化方法操作简单,能保持多酶系统,并且对微生物细胞的活性影响较小,是目前制备固定化微生物最常用、研究最广泛的方法。此法所用的载体通常有聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酞胺(ACAM)、琼脂、海藻酸钙、角叉莱胶等。(3)交联法又称为无载体固定法。这种方法不使用载体,而是利用双功能或多功能试剂,使微生物细胞之间相互连接成网状结构。即使功能基团直接与微生物细胞表面反应基团如氨基、经基等进行交联,形成共价键而达到固定化的目的。这种方法往往对微生物细胞的活性造成较大的影响,而且此类固定化的交联剂大多比较昂贵,因而在应用中受到一定的限制。1.2固定化微生物的反应特性3[]微生物经过固定化以后发生如下的特性变化:(l)固定化后微生物稳定性的变化经过固定化后的微生物与载体之间发生共价键或范德华力的作用,使主键结构得到加强,不易流失,不易破坏,能够耐pH值、有机物浓度和毒性物质的冲击,从而使微生物更为稳定。(2)固定化后微生物活性的变化微生物经过固定化以后,由于官能团稳定性的变化,生物活性有所减弱,但是,由于在固定化载体内的微生物的密度大大提高,从而弥补了由于活性减弱所带来的负面影响。(3)固定化后氧与底物传质速率的变化由于载体的作用,使得反应系统中在载体内氧传质受阻碍,所以在好氧系统中,受此因素的影响,限制了高密度微生物活性的发挥。厌氧情况下,由于不受氧传质速率的影响,废水中的有机物浓度可以大大高于好氧的条件,固定化微生物的处理能力得到充分的体现。2固定化技术在废水处理中的应用风51固定化微生物法在废水处理中的最早应用就是常规的活性污泥法废水处理系统。活性污泥法中的微生物是以菌胶团形态存在于混合液中生长,并进一步形成活性污泥絮体,所有的微生物几乎全部被包埋在微生物絮体内。因此,自然形成的微生物絮体(活性污泥)可以看作是一种最原始的包埋固定化微生物。20世纪五六十年代,人们又开发出了生物膜法,它依靠微生物的自然附着力在某些固形物的表面上形成附着性生物膜。如生物固定床、生物流化床、生物接触氧化工艺等,这种固定化方法中生物膜内部含有多种微生物,特定的高效微生物所占的比例较小,因此,不可避免的影响了废水处理的速率和效率。直到20世纪70年代末80年代初,人工强化固定化微生物逐渐引起人们的注意。通过将微生物固定在高分子网络载体内,微生物不易脱落,可以利用那些具有高活性但不易形成沉降的性能良好的絮体或生物膜的微生物,载体中的微生物密度高。近些年来,各国学者对固定化微生物处理废水进行了大量的研究,研究主要集中在以下几个方面:(l)一般高浓度有机废水的厌氧处理;(2)难降解有机废水如含酚废水、含芳香族类化合物废水的处理等;(3)印染废水的处理;(4)废水硝化反硝化的研究;(5)固定化细胞产氢技术等。2.1高浓度有机废水的处理对于高浓度有机废水,目前一般采用厌氧生物处理。在这种处理方法中,产甲烷菌的数量和代谢活性是其处理效率的重要制约因素,而产甲烷菌的较低的生长速率则是导致厌氧处理系统启动时间长,运行破坏后恢复困难。因此,采用具有热力学和动力学优势的固定化微生物技术,对于产甲烷菌的高效持留和活性的保留提供了可能。不仅如此,采用这种技术处理高浓度有机废水,进一步提高了生物处理构筑物中高效生物量的浓度,大大提高了反应效率和处理效能,减少了污泥量和二沉池的负荷,降低了投资。赵军等囚采用吸附包埋法对甲烷八叠球菌进行了固定,使固定化后的微生物兼有吸附法和包埋法的优点,并用人工配制的高浓度有机废水对吸附包埋的甲烷八叠球菌特性进行了研究。55d的运行数据表明:吸附包埋的甲烷八叠球菌在处理人工废水时取得了显著的成效,COD最高容积负荷达到14.7kg(/扩·d),最高去除率为94.29%,运行期间固定化介质不上浮,不膨胀,具有很好的传质和脱气性能。罗志腾等〔7〕以琼脂为载体,包埋固定化厌氧活性污泥菌群,用0.5%的戊二醛交联,用于厌氧膨81第16卷第4期吴光前等固定化微生物废水处理技术的现状和前景0023年12月胀床中处理高浓度有机废水,固定化细胞颗粒操作稳定性较好。pH在6.0一8.0时,CoD去除率均在75%以上,进水COD为7.39/L,回流比为24时,COD去除率达83.6%。2.2难降解有机废水的处理采用固定化微生物废水处理技术可以筛选降解特定物质的优势菌属,因此,对难降解废水的专一性好,耐受性强,处理效果稳定,投资省,运行管理简单,降解效率明显优于传统的生物处理技术闭。uGiot5Rtg〕研究了uAsB工艺,发现用藻阮酸盐凝胶包埋甲烷细菌联合体后,苯酚及其衍生物的去除率提高2倍以上。黄霞等〔’“〕针对焦化废水中的3种主要难降解有机物:唆琳、异哇琳、毗吮,筛选了具有较高降解能力的优势菌种,采用无纺布一VPA复合载体对优势菌种进行包埋固定,研究其对相应有机物的降解特性,结果表明,经优势菌种处理sh,3种难降解有机物去除率可以达到90%以上。李小明等仁川研究了在厌氧条件下固定化微生物对五氯酚的去除,实验分别以海藻酸钙和聚乙烯醇为固定化微生物包埋剂,研究发现,虽然这两种方法对五氯酚的去除效率稍有差异,但是,均显著地高于未经过包埋的微生物。周定等忆`2飞利用从活性污泥中分离出来的以海藻酸钙为包埋体的热带假丝孝母菌固定化细胞三相流化床对含酚废水的处理,研究表明,在相同处理效率下,固定化细胞的有机物负荷可以达到活性污泥法的2倍,而污泥的产生量仅为后者的11/0,当进水酚浓度为300mg/L,负荷3一4kg(/矽·d)时,出水中酚含量仅为o.smg/oL2.3含重金属废水的处理使用生物吸附法处理废水中重金属污染的基本概念最早是由Rhuhoft在1949年提出的川。他利用活性污泥去除废水中的放射性重金属uP,认为uP的去除是由于微生物的繁殖形成较大面积的凝胶网,而使微生物具有吸附能力。大量研究结果显示,一些微生物如细菌、真菌、酵母和藻类等,对重金属有很强的吸附能力。在生物吸附重金属的过程中,使用固定化细胞技术已有报道,徐容等[’3]研究了利用固定化产黄青霉废菌颗粒吸附bPZ十,确定了其最佳pH值为5.0一5.5,初始浓度与吸附剂之比对吸附量影响很大,EDAT是洗脱固定化产黄青霉废菌颗粒所吸附重金属的最佳脱附剂。822.4固定化微生物脱氛氮技术现行的固定化微生物废水处理技术可以利用包埋体的内部空间对氧扩散情况的影响,自然形成由内对外的好氧区、缺氧区和厌氧区,从而实现好氧条件下的同时硝化反硝化,省去了传统过程中要用两个反应器,以及采用相应的回流措施分别实现硝化和反硝化的复杂性,实现单级生物脱氮。日本uemor。和saiki[`41对混合固定的硝化菌和反硝化菌研究也证明了这种现象的存在。因此,通过聚乙烯醇(VPA)、海藻酸钠、光致交联树脂等多聚体化合物将硝化菌和反硝化菌混合包埋,是目前生物脱氮中最常应用的固定化方式。曹国民等〔’5〕研究了将硝化菌和反硝化菌混合包埋,利用载体对氧产生扩散阻力在颗粒内部形成好氧区、缺氧区和厌氧区,使硝化和反硝化两个过程有机的结合起来,在好氧条件下同时进行硝化反硝化,实验结果表明:固定化后细胞的活力回收率大于70%,混合固定的硝化菌和反硝化菌在好氧条件下进行间歇生物脱氮时,至少可以稳定操作22d,其脱氮速率达到0.llk留(衬·d),同时得到单级生物脱氮的最佳pH值和温度为8.2和30℃。葛文准等〔’6]研究了以海藻酸钙、卡拉胶、VPA、ACAM固定化硝化细菌处理氨氮废水,在最佳工艺下,氨氮去除率达到70%。2.5固定化细胞处理印染废水印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性强、水质变化大等特点,属难