固定化微生物技術應用與其在廢水處理辦法中應用

1、固定化微生物技術應用與其在廢水處理辦法中應用固定化微生物技術及其在廢水處理應用固定化微生物技術及其在廢水處理應用v研究目的及意義研究目的及意義v固定化微生物技術概述固定化微生物技術概述v在廢水處理中的應用在廢水處理中的應用研究目的及意義研究目的及意義v傳統(tǒng)工藝傳統(tǒng)工藝 ：微生物以懸浮態(tài)生長，易于從反：微生物以懸浮態(tài)生長，易于從反應器中流失；與水的密度差小，重復利用較應器中流失；與水的密度差小，重復利用較困難。困難。v固定化微生物固定化微生物 ：微生物固著生長，有利于：微生物固著生長，有利于提高微生物的數(shù)量，利于固液分離，利于去提高微生物的數(shù)量，利于固液分離，利于去除氮、高濃度有機物或者難以生物

2、降解物質(zhì)，除氮、高濃度有機物或者難以生物降解物質(zhì)，提高系統(tǒng)的處理能力和適應性。提高系統(tǒng)的處理能力和適應性。優(yōu)勢優(yōu)勢(I) 可以保持反應器內(nèi)微生物的高濃度和高活性，有助于提高污染物的處可以保持反應器內(nèi)微生物的高濃度和高活性，有助于提高污染物的處理負荷和去除效率；理負荷和去除效率；(2)采用固定化微生物技術的工藝，污泥產(chǎn)量低，減輕了后續(xù)污泥處采用固定化微生物技術的工藝，污泥產(chǎn)量低，減輕了后續(xù)污泥處置的負擔；置的負擔；(3)微生物固定化形成顆粒態(tài)，利于沉淀過程的泥水分離；微生物固定化形成顆粒態(tài)，利于沉淀過程的泥水分離；(4)將具有降解某些難降解有機物特性的微生物固定化，可有效處理某些行將具有降解某些

3、難降解有機物特性的微生物固定化，可有效處理某些行業(yè)廢水；業(yè)廢水；(5)微生物固定化對有毒物質(zhì)的承受能力強，穩(wěn)定性好；微生物固定化對有毒物質(zhì)的承受能力強，穩(wěn)定性好；固定化微生物技術固定化微生物技術 定義：定義： 固定化微生物技術是指用物理或化學方固定化微生物技術是指用物理或化學方法將游離微生物細胞、動植物細胞、細胞器法將游離微生物細胞、動植物細胞、細胞器或酶限制或定位在某一特定空間范圍內(nèi)，?；蛎赶拗苹蚨ㄎ辉谀骋惶囟臻g范圍內(nèi)，保留其固有的催化活性，并能被重復和連續(xù)使留其固有的催化活性，并能被重復和連續(xù)使用的技術用的技術 。固定化微生物技術的發(fā)展固定化微生物技術的發(fā)展v雛形：活性污泥法可以看成是包

4、埋固定化生雛形：活性污泥法可以看成是包埋固定化生物技術的雛形物技術的雛形v20世紀五六十年代世紀五六十年代 ：生物膜法，依靠微生物：生物膜法，依靠微生物的自然附著力形成固著型生物膜的自然附著力形成固著型生物膜v20世紀七十年代末：人工強化的固定化微生世紀七十年代末：人工強化的固定化微生物物固定化微生物技術固定化微生物技術v固定化方法固定化方法v不同固定化技術比較不同固定化技術比較v載體的選擇載體的選擇v固定化微生物的制備流程固定化微生物的制備流程v固定化微生物反應器固定化微生物反應器固定化方法固定化方法v吸附法吸附法v包埋法包埋法v交聯(lián)法交聯(lián)法v共價鍵結(jié)合法共價鍵結(jié)合法固定化方法固定化方法v吸

5、附法吸附法 ：吸附法又叫載體結(jié)合法，是依據(jù)帶電的微生物細：吸附法又叫載體結(jié)合法，是依據(jù)帶電的微生物細胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用，使微生物胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用，使微生物細胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜的方法，可分為物理細胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜的方法，可分為物理吸附法和離子吸附法兩種。吸附法和離子吸附法兩種。v包埋法包埋法：包埋法是用物理方法將微生物細胞包埋在凝：包埋法是用物理方法將微生物細胞包埋在凝膠的微小空格內(nèi)或埋于半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)。這膠的微小空格內(nèi)或埋于半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)。這種方法既操作簡單，又不會明顯影響生物活性，是比種方法既操作

6、簡單，又不會明顯影響生物活性，是比較理想的方法，目前應用最多。較理想的方法，目前應用最多。固定化方法固定化方法v交聯(lián)法交聯(lián)法 ： 交聯(lián)法是利用雙功能或多功能試劑，直接與細胞交聯(lián)法是利用雙功能或多功能試劑，直接與細胞表面的反應基團表面的反應基團(如氨基酸、羥基、咪唑基如氨基酸、羥基、咪唑基)發(fā)生反應，使發(fā)生反應，使其彼此交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固定化細胞，其結(jié)合力是共其彼此交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固定化細胞，其結(jié)合力是共價鍵。常用的交聯(lián)劑有戊二醛、甲苯二異氰酸酯等。價鍵。常用的交聯(lián)劑有戊二醛、甲苯二異氰酸酯等。v共價結(jié)合法：是利用微生物細胞表面功能團與固相載體共價結(jié)合法：是利用微生物細胞表面功能團與固相載體

7、表面基團之間形成化學共價鍵相連來固定細胞。表面基團之間形成化學共價鍵相連來固定細胞。凝膠包埋法凝膠包埋法微膠囊包埋法微膠囊包埋法不同固定化技術比較不同固定化技術比較 表面吸附技術表面吸附技術 優(yōu)點優(yōu)點 制備容易制備容易 可選用的載體類型多可選用的載體類型多 載體可再生回用載體可再生回用缺點缺點 被固定的微生物活性較低被固定的微生物活性較低 細胞與載體作用力較弱，需較長時間細胞與載體作用力較弱，需較長時間 完成初始固定化過程。完成初始固定化過程。包埋固定化包埋固定化v優(yōu)點優(yōu)點 固定化強度高固定化強度高 易于固液分離易于固液分離 可工業(yè)化操作可工業(yè)化操作v缺點缺點 載體不能再生載體不能再生 制備工

8、藝復雜制備工藝復雜 機械強度弱，可使用壽命較短機械強度弱，可使用壽命較短交聯(lián)固定技術交聯(lián)固定技術v優(yōu)點優(yōu)點 受環(huán)境因素影響小受環(huán)境因素影響小 細胞與載體間作用力較強細胞與載體間作用力較強v缺點缺點 可能改變細胞活性基可能改變細胞活性基 可選用載體相對較少可選用載體相對較少 費用較高費用較高共價結(jié)合共價結(jié)合v優(yōu)點優(yōu)點 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 可連續(xù)使用時間較長可連續(xù)使用時間較長 v缺點缺點 反應條件劇烈，回收率低反應條件劇烈，回收率低 操作復雜，對操作條件要求較高操作復雜，對操作條件要求較高 載體的選擇載體的選擇微生物固定化的理想載體應該具備以下特性：微生物固定化的理想載體應該具備以下特性：(1)制作

9、過程簡單易行。制作過程簡單易行。(2)對細胞無毒害作用。對細胞無毒害作用。(3)傳質(zhì)性能良好。傳質(zhì)性能良好。(4)不易被微生物分解。不易被微生物分解。(5)性質(zhì)穩(wěn)定。性質(zhì)穩(wěn)定。(6)強度高、壽命長。強度高、壽命長。(7)價格便宜。價格便宜。載體的類型(1)無機載體類(活性炭、多孔陶土、微孔玻璃等)。此類載體強度大、傳質(zhì)性好、對細胞無毒害、價格便宜且制備過程簡單，有較大的應用價值。但是它們有密度大、實現(xiàn)流化的能效高、微生物吸附有限和易脫落等缺點。(2)天然有機載體類(海藻酸鹽、瓊脂等)。這類載體對微生物無毒害作用，傳質(zhì)性好。但是機械強度低，易被微生物分解。(3)人工合成有機載體類(聚丙烯酰胺(A

10、CAM)凝膠、聚乙烯醇(PVA)凝膠等) 。ACAM 凝膠強度較高，傳質(zhì)性一般，由于丙烯酰胺單體對微生物活性有害，廢水處理中應用并不廣泛。PVA凝膠是國內(nèi)外研究最為廣泛的一種包埋固定化載體，它具有強度高、化學穩(wěn)定性好、抗微生物分解性強、對細胞無毒且價格低廉等一系列優(yōu)點。因而具有很大的利用價值。固定化微生物制備流程固定化微生物制備流程固定化微生物反應器固定化微生物反應器v純種固定化微生物反應器以單一種群微生物純種固定化微生物反應器以單一種群微生物 細胞為生細胞為生物活性物質(zhì)物活性物質(zhì),利用特殊種類的載體利用特殊種類的載體 , 通過不同的方法將其通過不同的方法將其固定固定,實現(xiàn)對廢水中污染物的降實

11、現(xiàn)對廢水中污染物的降 解解 。或利用人工純化的形。或利用人工純化的形式式,篩選并富集特定的微篩選并富集特定的微 生物種群生物種群 ,以物理或化學的方式以物理或化學的方式,將將其固定其固定,適用于處理含有特定污染物質(zhì)的廢水適用于處理含有特定污染物質(zhì)的廢水v例如：流化床生物反應器、固定填充床、攪拌槽式反例如：流化床生物反應器、固定填充床、攪拌槽式反應器、膜生物反應器應器、膜生物反應器流化床反應器 流化床型反應器是一種裝有較流化床型反應器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應器。反小顆粒的垂直塔式反應器。反應時，底物溶液以足夠大的流應時，底物溶液以足夠大的流速，從反應器底部向上通過固速，從反應器底部向上通

12、過固定化微生物柱床，便能使固定化定化微生物柱床，便能使固定化微生物顆粒始終處于流化狀態(tài)。微生物顆粒始終處于流化狀態(tài)。由于反應器內(nèi)混合程度高，因此，由于反應器內(nèi)混合程度高，因此，傳熱、傳質(zhì)情況良好。傳熱、傳質(zhì)情況良好。圖4-5 流化床反應器混合種群固定化微生物反應器混合種群固定化微生物反應器v通過合理控制反應器營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、投加必要的通過合理控制反應器營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、投加必要的核心物質(zhì)、控制反應器水力流態(tài)而使微生物核心物質(zhì)、控制反應器水力流態(tài)而使微生物實現(xiàn)自身固定化實現(xiàn)自身固定化vUASB .ABR. 等生物處理工藝等生物處理工藝固定化微生物技術的應用固定化微生物技術的應用v主要特征主要特征密集微生物，維

13、持反應器中的生物量濃度密集微生物，維持反應器中的生物量濃度易于實現(xiàn)固液分離易于實現(xiàn)固液分離適用于含有有毒有害物的處理適用于含有有毒有害物的處理1處理氨氮廢水；處理氨氮廢水； 硝化菌、反硝化菌的增殖速度慢，要提高去除率就要硝化菌、反硝化菌的增殖速度慢，要提高去除率就要求反應器有較長的固體停留時間和較高的細菌濃度，采用求反應器有較長的固體停留時間和較高的細菌濃度，采用固定化生物技術可做到這點。固定化生物技術可做到這點。2處理難降解的有機廢水處理難降解的有機廢水處理氨氮廢水處理氨氮廢水vNilsson用海藻酸鈣固定假單細胞反硝化細菌用海藻酸鈣固定假單細胞反硝化細菌Pseudomonas denitr

14、ificans用填充床對含用填充床對含20 mgL硝硝酸鹽的地下水進行兩個月的連續(xù)脫氮試驗，脫氮效果酸鹽的地下水進行兩個月的連續(xù)脫氮試驗，脫氮效果良好。良好。v將脫氮細胞包埋于將脫氮細胞包埋于PVA(聚乙烯醇聚乙烯醇)中，結(jié)果表明在低溫、中，結(jié)果表明在低溫、低低pH的條件下，固定化細胞能夠保留比未包埋細胞更高的的條件下，固定化細胞能夠保留比未包埋細胞更高的脫氮活性。減輕溶解氧對脫氮的抑制作用。脫氮微生物在脫氮活性。減輕溶解氧對脫氮的抑制作用。脫氮微生物在固定化載體中可以增殖。固定化載體中可以增殖。高濃度有機廢水的處理高濃度有機廢水的處理方法：方法： 通過篩選分離出高校菌株或是通過生物工通過篩選

15、分離出高校菌株或是通過生物工程技術培養(yǎng)特異菌株并進行擴大培養(yǎng)及固定程技術培養(yǎng)特異菌株并進行擴大培養(yǎng)及固定優(yōu)勢：優(yōu)勢： 提高反應速率和處理效率提高反應速率和處理效率 減少污泥量和二次沉池的負荷減少污泥量和二次沉池的負荷 降低基建投資費用降低基建投資費用難降解有機廢水的處理難降解有機廢水的處理v含重金屬廢水的處理含重金屬廢水的處理v含氮廢水的處理含氮廢水的處理v印染、造紙等廢水的處理印染、造紙等廢水的處理v含醇類廢水的處理含醇類廢水的處理v含雜環(huán)芳烴類廢水的處理含雜環(huán)芳烴類廢水的處理含重金屬廢水的處理含重金屬廢水的處理 由于微生物經(jīng)固定化后，其穩(wěn)定性增強，由于微生物經(jīng)固定化后，其穩(wěn)定性增強，抗生物

16、毒性物質(zhì)的能力大大增強。因此，可抗生物毒性物質(zhì)的能力大大增強。因此，可以被廣泛地用于有機廢水中重金屬離子的去以被廣泛地用于有機廢水中重金屬離子的去除。除。含重金屬廢水的處理 M. Iqbal 等用一種新型經(jīng)濟的多孔載體絲瓜瓤固定黃等用一種新型經(jīng)濟的多孔載體絲瓜瓤固定黃孢原毛平革菌（孢原毛平革菌（Phanerochaete hrysosporium），制），制成吸附劑用以吸附溶液中成吸附劑用以吸附溶液中Pb2+、Cu2+和和Zn2+ ，并與懸浮，并與懸浮液做了對比研究。液做了對比研究。 在在pH 為為6.0 時，吸附時，吸附1 h達平衡，達平衡， Pb2+ 、Cu2+ 和和Zn 2+ 3 種金屬

17、離子的去除率分別是種金屬離子的去除率分別是88.2%、68.7%和和39.6%，相對于懸浮液，去除率分別提高了相對于懸浮液，去除率分別提高了14.6%、12.8%和和16.1%。 含重金屬廢水的處理v M.Y. Arica 等將黃孢原毛平革菌等將黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）固定在海藻酸鈣中，）固定在海藻酸鈣中，用于吸附人工靜態(tài)模擬廢水中用于吸附人工靜態(tài)模擬廢水中30600 mg/L 的的Pb2+和和Zn2+ ,對其吸附容量做了細致的研究。對其吸附容量做了細致的研究。v 結(jié)果表明，在結(jié)果表明，在pH 5.06.0、吸附、吸附60 min 后，加熱后，加熱滅活菌對滅活菌對Pb2+和和Zn2+的吸附容量為的吸附容量為355、48 mg/g，大于，大于活菌球的活菌球的282、37 mg/g。含重金屬廢水的處理含重金屬廢水的處理v嚴國安利用褐藻酸鈣包埋固定普通小球藻，對人工配制嚴國安利用褐藻酸鈣包埋固定普通小球藻，對人工配制的含汞污水進行靜態(tài)凈化實驗。結(jié)果表明，固定藻對汞的含汞污水進行靜態(tài)凈化實驗。結(jié)果表明，固定藻對汞的去除明顯高于懸浮藻，如表的去除明顯高于懸浮藻，如表2所示。所示。印染、造紙等廢水的處理v染料、造紙廢水色度高、成分復雜、有毒有害有機物多