固定化微生物技术应用于饮用水处理有哪些优点

【专家解说】：固定化微生物技术是用化学或物理的手段，将游离细胞或酶定位于限定的区域，使其保持活性并可反复利用的方法。最初主要用于发酵生产，70年代后期，被用到水处理领域，近年来则成为各国学者研究的热点。固定化微生物技术克服了生物细胞太小，与水溶液分离较难，易造成2次污染的缺点，保持了效率高、稳定性强、能纯化和保持高效菌种的优点，在废水处理领域有广阔的应用前景。在实际应用过程中，如何固定、何种载体，才能使固定化微生物能较长时间的保持一定强度和活度，才能降低固化的成本，延长固定微生物的使用寿命，是该技术在污水处理中得到广泛应用的关键。文本着重介绍近年来废水处理中常用的固定化材料，及比较成熟的固定方法和影响因素。 参考--------------------------------------------------------------------------------------------- 2 常用固定化方法 废水处理中常用微生物固定化方法主要有:包埋法、交联法、载体结合法。 2.1包埋法 包埋法是利用线性网状结构的高分子聚合物载体的加裹作用，将游离细胞截留在形成的高分子材料内，其结构可防止细胞渗出到周围培养基中，但底物仍能渗入与细胞发生反应。包埋法操作简便，微生物本身不参与水不溶性胶网格或微胶囊的形成，活力较高，应用广泛。但包埋材料会一定程度阻碍底物和氧扩散，并对大分子底物不适用。Joshi用海藻酸钙、聚丙烯酸酯、琼脂、蛋白质等，分别包埋产苯化工厂的活性污泥用于含酚废水处理。结果表明，海藻酸钙有最大的酚降解率，能市郊降解浓度在1000mg/L以上的含酚废水，固定化污泥反复使用12次而酚降解率不变。 2.2交联法 交联法是使用双功能或多功能的试剂与酶分子进行分子间的交联固定化方法。由于酶蛋白的功能团参与此反应，所以酶的活性中心构造可能受到影响，而使酶显著失活。此外，在剂如戊二醛等价格昂贵，限制了其应用，实际常与其它方法结合。陈陶声等报道，Smiley使用苯酚甲醛树脂Duolite DS-73141，来吸附枯草芽孢杆菌的α-淀粉酶交联，形成酶-树脂复合物，用于连续水解造纸废水中悬浮微纤维的胶态淀粉，效果很理想。 2.3吸附法 又称载体结合法，是通过物理吸附、化学或离子结合，将微生物固定于非水溶性载体。这种方法操作简单，对微生物活力影响小，但所结合的微生物量有限，反应稳定性和反复使用性差。美国宾州大学培养从活性污泥中分离出的优势菌丝孢酵母(Frichosporon cutaneum)和假单胞菌(Pseudomona sp)，提取高酶活的酚氧化酶，再以化学手段结合到玻璃珠上，用于处理冶金工业酚废水，使固定酶活性可达游离细胞的90%。 3 载体的选择 水处理中对载体的要求是: 1) 具有足够的机械、物理和化学稳定性; 2) 具有惰性，不能干扰生物分子的功能; 3) 具备一定的容量; 4) 价廉易得。 载体包括2大类:无机载体如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等;有机载体如琼脂、聚乙烯醇凝胶(PVA)、角叉莱胶、海藻酸钠、聚丙烯酰胺(ACAM)凝胶等。无机载体常用于吸附法，高质量无机载体的指标之一是有较大的表面积。无机载体常与包埋载体结合，以提高包埋载体的强度，扩大孔径，提高包埋微生物的使用效率与寿命。吸附法中微生物与载体结合不牢固，易脱落，吸附数量不多;胶联法固定微生物活性较低，很少单独使用。 本文则主要讨论常用于包埋法的载体，而包埋载体品种很多，主要在天然高分子凝胶和有机合成高分子载体2类。 3.1天然高分子载体 天然高分子载体有琼脂、海藻酸钙、角叉莱胶等，它们无生物毒性，传质性好，但强度较低，在厌氧条件下易被生物分解。琼脂凝胶有良好的惰性，但机械性能与化学稳定性差，常在碱性条件下加2，3-二溴丙醇交联，以提高其稳定性。琼脂凝胶在实际操作时应避免剧烈搅拌破坏结构，同时也应尽量避免冷冻。海藻酸盐的分子式为(C8H8O8)n，聚合度可从80到750，无毒、不易被降解，一价盐为水溶性，二价以上的为水不溶性。可形成耐热的凝胶的重要依据，实际应用中常添加其它物质以增加强度。 3.2合成有机高分子载体 合成有机高分子聚合物有ACAM、PVA、聚乙酰几丁酯、光敏聚乙烯醇等。一般强度较好，但传质性能较差，包埋后对细胞活性有影响。实际应用需注意其表面亲水性、粘度均一性和内部孔的结构。PVA因无毒、价廉、搞微生物分解和机械强度高等特点受到重视，被认为是目前最有效的固定化载体之一。但存在包埋颗粒易破碎、传 质阻力大、产气上浮及活性丧失大等缺陷。实际常以PVA为主要包埋骨架，添加其它能提高包埋效果的添加剂。闵航等以PVA为主要包埋材料的混合载体，来固定厌氧活性污泥，以处理有机废水。混合载体由聚乙烯醇、0.15%海藻酸钠、2%铁粉、0.3%碳 酸钙、4%二氧化硅组成。中野报道，PVA胶制备过程中，加入少量粉末活性炭可提高凝胶强度，且制成的固定细胞在进水不稳定、难降解组分突然进入处理系统的情况下，与单一PVA凝胶相比显示出优势。 3.3载体的混合使用 实际中常将几种载体混合使用，利用各自的优点以提高使用效率。Pai用含1%活性炭、4%海藻酸钙凝胶、1%湿菌体的泫藻酸钙凝胶，包埋微生物以降解苯酚废水，效果比较理想。Lin利用海藻酸钙与吸附剂(粉末活性炭)联合包埋固定Phanerochate chrysosporiun菌，用于降解五氯酚，与非固定化和单独固定化体系比较的结果表明，联合固定化体系更有效。孙艳利用添加硅藻土和用已二胺一戊二醛，对降酚菌种(以海藻酸钠包埋固定)的表面进行化学处理，使固定细胞的机械强度、降酚活性和稳定性得到了提高。陈敏提出聚乙烯醇包埋活性炭与微生物的固定化技术，并用于有机磷农药水胺硫磷的降解，结果表明固定微生物对废水温度、pH值和水胺硫磷浓度的适应范围扩大。混合载体法有效地缓解了实际固定化细胞成球难、易破碎、活性易丧失等难题。 3.4常见固定细胞载体性能比较 一些常见的固定细胞载体性能比较如表1。 表1 各种固定化细胞载体的性能比较 性能 载体 琼脂 海藻酸钙 角叉莱胶 ACAM PVA-硼酸 压缩强度(kg/cm2) 0.5 0.8 0.8 1.4 2.75 耐曝气强度 差 一般 一般 好 好 扩散系数(·10-6cm2/s) / 6.8(30