固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展

摘要 综述了固定化微生物的制作方法及载体的选择 ,并对固定化技术在废水 、大气和土壤等环境工程中的应用和研究进展 状况进行了简介 ,同时对固定化技术的应用前景及存在的问题进行了评述 。 关键词 固定化微生物技术 载体 应用
Overvie w on immobilized microorganism technique in environmental engineering W an g X i n1 ,2 , L i Pei j un3 , S on g S houz hi1 , Zhon g Yon g1 , S u D an3 , Gon g Zon gqi an g3 . (1. S chool of Resou rce & Ci vi l En gi neeri n g , N ort heastern U ni versit y , S heny an g L i aoni n g 110004 ; 2. S chool of S cience , S heny an g U ni versit y of Technolog y , S heny an g L i aoni n g 110023 ;3. I nstit ute of Ecolog y , Chi nese A ca dem y of S cience , S heny an g L i aoni n g 110016)
第一作者 :王 新 ,女 ,1973 年生 ,博士研究生 ,讲师 ,主要从事环境污染治理方面的研究 。 3 国家高科研发展计划“863”资助项目 (No . 2002AA601022) ;国家基础研究发展规划“973”资助项目 (No . 2004CB418506) ;国家重点基金 资助项目 (No . 20337010) 。
可将 COD 去除率作为固定化微生物对农药降解活性 的常用评价指标 [12 ]
纱布2PVA 复合载体的处理效果好 ; 固定化细菌降解 喹啉的反应符合零级反应动力学[13 ]
与 CA 、琼脂和 ACAM 及流离态微生物细胞相比 , 此 固定化微生物细胞的处理效果提高 ,且稳定性好[14 ]
固定化微生物反应器方法可用于甲醇废水的深度处 理 [15 ]
68 较差
无 易 较便宜 长
角叉菜胶
0. 8 一般 3. 73 ×10 - 6 (25 ℃)
58 较差
无 易 贵 长
A CA M
1. 4 好 5. 44 ×10 - 6 ～6. 67 ×10 - 6 (60～70 ℃)
60 好 较强 难 贵 很长
PVA2硼酸 2. 75 好
3. 42 ×10 - 6 (25 ℃)
·536 ·
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
王 新等 固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展
广泛的应用[18 ] 。
配水含喹啉
配水含萘
甲醇废水
啤酒废水
配水含吲哚
研制了新的固定化方法 —半透明包埋法 ,可提高处理 效率 ,可长期连续使用[9 ]
厌氧和好氧污泥固定前 2 ,4 ,62TCP 不能矿化 ,而将其 混合固定后则可以矿化 ,且寿命延长[10 ]
固定化细菌对较高温度 、较高 p H 和废水中毒物均有 较强的耐受力[11 ]
表 1 几种固定化细胞载体的性能
性能 压缩强度/ ( kg ·cm - 2)
耐曝气强度 扩散系数/ (cm2 ·g - 1) 3
有效系数 3 3 耐生物分解性 对生物毒性 固定的难易
成本 使用寿命
琼脂 0. 5 差 -
75 差 无 易 便宜 较长
海藻酸钙
0. 8 一般 6. 8 ×10 - 6 (30 ℃)
聚氨基甲酸酯泡沫
颗粒活性炭
棒状活性炭
凝聚剂加戊二醛
光合细菌
厌氧和好氧污泥 不动杆 菌 和 产 碱 杆 菌 活性污泥 皮氏伯 克 霍 尔 德 氏 菌 假单包菌 N GK1 可降解 甲 醇 的 微 生 物 废水中细菌
胶质红环菌
味精厂 、屠宰厂排放 废水 2 ,4 ,62三氯苯酚 苯甲 酸 类 化 合 物 的 配水 配水含水胺硫磷
王 新等 固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展
固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展 3
王 新1 ,2 李培军3 宋守志1 钟 勇1 苏 丹3 巩宗强3
(1. 东北大学资源与土木工程学院 ,辽宁 沈阳 110004 ;2. 沈阳工业大学理学院 ,辽宁 沈阳 110023 ; 3. 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,辽宁 沈阳 110016)
有独特的优越性和巨大的潜力 ,但要实用化还有许 多问题亟待解决 : (1) 寻找高效 、廉价 、抗毒性强的微 生物 ,发展多种生物共生的固定化体系 ; (2) 开发性 能稳定 、强度高 、寿命长 、费用低 、传质阻力小的固定 化载体 ; (3) 开发高效的固定化反应器 ; (4) 高强度废 水固定化处理和其他优化组合的处理工艺的开发 。 相信通过不断研究 ,固定化微生物技术在废水处理 中会成为一项高效而实用的废水处理技术 ,并获得
交联法是使微生物细胞与带 2 个以上多功能团 的非水溶性交联剂进行交联 ,稳定性好 ,但反应激 烈 ,会使细胞活性降低 。 吸附法是靠多空载体本身的吸附作用或静电引 力将微生物细胞吸附固定 。优点是反应温和 、对细胞 活性影响较小 、操作简单、载体可重复利用 ,是传统的 固定微生物的方法 ;缺点是抗冲击负荷相对较低 ,所 固定的细胞数量受载体种类及其表面积的限制 。 包埋法是将微生物细胞包埋在半透性多聚物膜或 凝胶小格中 ,具有操作简单、能保持微生物细胞的多酶 体系、对微生物活性影响较小的特点 ,在废水处理中得 到广泛的研究 ,是固定化微生物最常用的方法。 无载体固定化方法是利用某些微生物具有自絮 凝形成颗粒的特性 ,使微生物产生自固定 ,成为无载 体固定化技术 。这种固定化方法是一种全新的概 念[4] :在自絮凝颗粒形成过程中 ,同时形成了微生物 的适宜生态环境 ,使之有利于微生物代谢之间的协 调 。这种方法相比于以往的一些固定方法具有显著 的优势 ,将在环境工程中的污水处理领域得到广泛 的应用[5 ] 固定化载体通常包括两大类 : 无机载体 ,如多 孔玻璃 、硅藻土 、活性炭 、石英砂等 ; 有机载体 ,如
1 固定化的方法和载体的选择
固定化微生物的制备方法大致可以分为共价结 合法 、交联法 、吸附法和包埋法[2] 与新近发展的无载 体固定化方法[3] ,这些方法各有优缺点 。 共价结合法是利用微生物细胞表面功能团与固 相载体表面基团之间形成化学共价键相连来固定细 胞 ,因此结合紧密 ,稳定性好 ,但是基团结合时反应 激烈 ,操作复杂 、难控制 。
假单胞菌
高浓度苯酚废水
浓度为 1 200 mg/ L 的苯酚在 95 h 内可完全降解[7 ] 。
包埋法 褐藻酸钠
小球藻
பைடு நூலகம்
重金属汞
固定藻对汞的去除率明显高于悬浮藻[8 ]
包埋法 包埋法 包埋法 包埋法 包埋法 吸附法 吸附法 吸附法 聚集2交联法
半透膜 k2角叉藻聚糖/ 明胶 凝胶 CA PVA2H3BO3 添加粉 末活性炭 PVA2H3BO32纱布
好 一般 较易 便宜 很长
注 : 3 基质为葡萄糖 ; 3 3 有效系数 = [ 固定化细胞氧利用速度 ( mg/ h) / 将固定化细胞破碎时的氧利用速度 ( mg/ h) ] ×100 。 表 2 固定化微生物技术在废水处理中的应用实例
固定方法 载体
微生物
处理对象
主要结论
包埋法 聚砜纤维膜
用固定化微生物细胞 ,用生物流化床的复合型生物反 应器 ,用内循环工艺 ,可提高废水的处理效率[16 ]
确定了该菌固定化后的最佳降解条件及几种金属离 子对降解性能的影响[17 ]
2 固定化微生物技术在废水中的应用
固定化微生物技术在废水处理中应用较广 ,被 处理废水的种类主要有 :造纸废水 、印染废水 、含氮 废水 、含难降解污染物的有机废水 、重金属废水 、其 他废水 。近年来固定化微生物技术在废水处理中的 应用实例见表 2 。 固定化微生物技术在废水生物处理领域中 ,具
3 固定化微生物技术在大气中的应用
固定化微生物技术在水相污染物处理中显示了 一定的技术优势 ,近年来气相污染物 (恶臭 、VOC 等) 的生物处理逐渐普遍[1] ,从 20 世纪 90 年代我国才开 始研究固定化微生物净化大气 ,目前仅有同济大学 、 昆明理工大学等少数机构在研究 。马红[19] 采用固定 床反应器 ,以海藻酸钠包埋活性污泥进行含 N H3 臭 气处理 ,气相 N H3 去除率大于 92 % ,千克固定化湿颗 粒的硝化速度 (以 N 计) > 0. 63 g/ d。硝化速度最高 可达 2. 93 g/ d 。邵立明[20] 采用海酸钠包埋 ,CaCl2 胶 联法 ,利用滴滤塔反应器净化含 H2 S 气体 ,最大有效 处理 H2 S 的体积负荷可达 6 000～6 500 g/ (m3 ·d) , 净化效率保持在 87 %以上 。袁志文[21] 采用固定化微 生物处理含甲硫醇恶臭气体 ,颗粒填充床生物脱臭塔 运行试验表明 ,在空塔停留时间不大于 13 s 时 ,对低 浓度甲 硫 醇 气 体 ( < 12. 9 mg/ m3 ) 的 去 除 率 在 99. 0 %以上 ,对高浓度甲硫醇气体 ( > 21. 4 mg/ m3 ) 去除率在 99. 0 %以上 ,当空塔停留时间减少到 6. 5 s 时 ,对 低 浓 度 甲 硫 醇 气 体 的 去 除 率 仍 可 维 持 在 80. 0 % ,脱臭塔对由于浓度和进气量升高造成的冲 击负荷具有较强的缓冲能力[22] 。
·535 ·
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
环境污染与防治 第 27 卷 第 7 期 2005 年 10 月
琼脂 、聚乙烯醇凝胶 ( PVA) 、角叉菜胶 、海藻酸钠 、 低 ,很少单独使用 。 聚丙烯酰胺 ( ACAM) 凝胶等 。无机载体常用于吸 不同的固定化方法对固定化载体有不同的要 附法 ,高质量无机载体的指标之一是有较大的表 求 ,理想的固定化载体应具备以下条件 : 对细胞无 面积 。无机载体常与包埋载体结合 ,以提高包埋 毒 ;传质性能好 ;性质稳定 、不易被生物降解 ;机械强 载体的强度 ,扩大孔径 ,提高包埋微生物的使用效 度高 、使用寿命长 ;价格低廉 。新型固定化载体的开 率与寿命 。吸附法中微生物与载体结合不牢固 , 发研究是固定化技术研究的重要组成部分 ,常见的 易脱落 ,吸附数量不多 ; 交联法固定微生物活性较 几种固定化细胞载体的性能见表 1[6] 。
Keywords : Immobilized microorganism technique Carrier Application
固定化技术包括固定化酶技术与固定化微生物 技术 。20 世纪 70 年代后 ,固定化微生物技术才直 接从固定化酶技术发展而来 。固定化微生物技术是 用化学或物理手段将游离微生物定位于限定的空间 区域 ,并使其保持活性及反复利用的方法 。由于该 技术既不需要把酶从细胞中提取出来 ,又不需要加 以纯化 ,因而酶活性损失小 。研究和应用表明 ,固定 化微生物技术有微生物密度高 、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[1] 。目前 ,固定化微生物技术广泛应用 于环境污染治理方面的研究 ,主要的治理对象为难 处理的有机废水及重金属污染的废水 ,同时研究还 涉及到大气和土壤的污染治理 。
Abstract : The paper overviews t he p reparations of immobilized microo rganism and it s selectio n of carriers. The uses of immo bilized technique in t he environmental engineering , such as wastewater , at mo sp here and soil , are de2 scribed. Finally , t he current sit uatio n and suggestio ns on t he develop ment of immobilized microo rganism technique is co mmented.