固定化技术在重金属废水含酚废水处理中的应用-电子教案

1、水处理微生物教案知识点固定化技术在重金属废水含酚废水处理中的应用学时2学时教学内容1.固定化酶2.酶的固定化方法3.固定化技术在重金属废水和含酚废水处理中的应用教学重点固定化酶教学难点固定化微生物的制备酶的固定化方法参考资料现代环境微生物技术 清华大学出版社环境工程微生物学 化学工业出版社污染控制微生物工程 化学工业出版社环境生物资源 化学工业出版社环境微生物 化学工业出版社一、 概述从20世纪60年代开始，国际上固定化酶的研究迅速发展起来，到20世纪70年代，作为酶源的微生物本身的固定化，即固定化微生物引起了人们的极大关注，近年来，固定化细胞污水处理技术已成为各国研究的热点。 所谓固定化技术

2、，就是利用化学的或物理的一种技术。包括固定化酶技术和固定化微生物技术。微生物被固定后，细胞内酶系统保存完整，相当于一个多酶反应器，可进行复杂的多步降解反应。与传统的悬浮生物处理法相比，它据有处理效果高、稳定性强、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度高、污泥量少、固液分离效果好，丧失活性可恢复等特点。二、 固定化酶的含义1. 含义固定化酶是指通过物理或化学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶束缚在一定的空间范围内，限制酶分子的自由流动，可以反复使用而能发挥催化作用的酶制剂。2. 酶的发展历史 1953年， 德国的Schleith首先开始了酶固定化研究，并第一次实现了酶的固定化。1960年，日

3、本的千细一郎开始了氨基酰化酶固定化研究，开始了将酶应用在工业的第一步。1969年，千细一郎成功将氨基酰化酶反应用于DL-AA的光学分析，实现了酶连续反应的工业化，这是世界上固定化酶用于工业的开端。1971年，第一次国际酶工程会议上正式提出固定化酶的概念，70年代以后，固定化酶技术被广泛研究并被应用。3. 固定化酶的优点与缺点固定化酶与水溶性酶相比，具有以下优点：（1）固定化酶可以在较长时间内反复使用，有利工艺的连续化、管道化；而且在多数情况下，酶的稳定性提高，因而单位酶催化的底物量增加，用酶量减少，单位酶的生产能力高。（2）易将固定化酶与底物、产物分开；产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺，

4、产率较高，产品质量较好；（3）酶反应过程可以严格控制，有利于工艺自动化和微电脑化，节约劳动力，减少反应器占地面积；（4）能适应于多酶反应；（5）酶的使用效率提高，产物得率提高，产品质量有保障，成本低。固定化酶虽然有上述优点，但用于工业生产的实例至今仍然不多，原因就在于固定化酶仍存在其困难和缺点。（1）固定化所需载体和试剂较贵，成本高，投资大；（2）加上固定化酶过程中，酶活力有损失；即酶的活力回收率低，增加了工业生产的投资困难。若果用胞内酶进行固定化，还要增加酶的分离成本。（3）固定化酶一般只能用于可溶性底物，较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；大分子底物常受载体阻拦，不易接触酶，致使催化活

5、力难以发挥。（4）目前，固定化酶只局限于单级反应，与完整细胞相比，不适于多酶反应。三、酶的固定化方法 1. 吸附法 是指通过氢键、疏水作用、电子亲和力等物理作用，将酶吸附到固体吸附剂表面的方法成为物理吸附法，简称吸附法。常用的吸附剂：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶等。 硅藻土氧化铝活性炭硅藻土优点：操作条件温和，固定化时酶分子的构象较少或者不变 化，载体廉价，可反复使用；缺点：酶与载体结合不牢固，易脱落； 吸附法制成固定化酶或细胞，操作简便，条件温和，不会引起酶变性失活，载体廉价易得，而且可以反复使用。但由于靠物理吸附作用，结合力较弱，酶与载体结合不牢固而容易脱落。所以使用受

6、到限制。2.包埋法包埋法是指将酶和含酶菌包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法。根据包埋材料和包埋方法的不同，可分为：凝胶包埋法和半透膜包埋法两类。 （1）凝胶包埋法 凝胶包埋法是指将酶或含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中，制成一定形状的固定化酶或固定化菌体，大多数为球状或片装，也可按需要制成其他形状。常用的凝胶有天然凝胶和合成凝胶。天然凝胶条件温和，操作简便，对酶活性影响小，但强度差。如，琼脂凝胶、海藻酸钙凝胶、角叉凝胶、明胶等；合成凝胶：强度高，对温度、pH值变化耐性强，需要特定的聚合条件，酶易变性。如，聚丙烯酰胺凝胶、光交联树脂等；（2）半透膜包埋法（微囊化法）半透膜包埋法是指将酶包埋在

7、各种高分子聚合物职称的小囊中，制成固定化酶。用于制备固定化酶的半透膜有聚酰胺膜、火棉胶膜等。半透膜的孔径为几十至几百纳米，比一般酶分子小，固定化的酶不会从小球中漏出来。但只有小于半透膜孔径的小分子底物和小分子产物可以自由通过半透膜，而大于半透膜孔径的大分子底物和大分子产物却无法进出。因此，半透膜包埋法仅适用于底物和产物都是小分子物质的酶的固定化，例如天门冬酰胺酶、尿酸酶、过氧化氢酶等。半透膜包埋法职称的固定化小球，直径一般只有几微米至几百微米，成为微胶囊。制备时，一般将酶液分散在与水互不相容的有机溶剂中，再在酶液表面形成半透膜，将酶包埋在微胶囊中。3. 结合法（1）离子键结合法 通过离子键使酶

8、与载体结合在一起的固定化方法。离子结合法所用载体是某些不溶于水的离子交换剂，常用的有：DEAE-纤维素、TEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。用离子键结合法进行酶固定化，条件温和，操作简便。只需在一定的pH值，温度和离子强度等条件下，将酶液与载体混合搅拌几个小时，或者将酶液缓慢地留过处理好的离子交换柱，就可使酶结合在离子交换柱上，制备得到固定化酶。用离子键结合法制备的固定化酶，活力损失较少。但由于通过离子键结合，结合力较弱，酶与载体结合不牢固，在pH值和离子强度等条件改变时，酶容易脱落。所以用离子键结合法制备的固定化酶，在使用时一定要严格控制好pH、离子强度等操作条件。（2）共价键结合法通

9、过共价键使酶与载体结合在一起的固定化方法。共价键结合法所用载体主要有：纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、甲壳质、氨基酸共聚物、甲基丙烯醇共聚物等。酶分子中可以形成共价键的基团只要有氨基、羧基、羟基、酚基等。要使载体与酶形成共价键，必须首先使载体活化，即借助于某种方法，在载体上引进某一活泼基团，然后此活泼基团再与酶分子上的某一基团反应，形成共价键。使载体活化的方法很多，主要有重氮法、叠氮法、溴化氢法和烷化法。4.交联法利用双功能试剂，在酶分子间或酶与载体间，或酶与惰性蛋白间进行交联反应，以制备固定化酶的方法。 交联试剂：戊二醛、乙二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯等。常用的是戊二醛。 交联反应可以发生在

10、酶分子间，也可以发生在酶分子内。在低酶浓度下一般形成分子内交联，交联后的酶通常保持溶解状态。在酶浓度升高情况下，分子间交联比例不断上升，形成的固定化酶通常为不溶解状态。优点：结合牢固，酶不会脱落，可长时间使用。缺点：交联反应条件激烈，酶的多个基团被交联，指示酶的活力损失大。制备的固定化酶颗粒较小，不便于使用。共价交联法和共价结合法一样，反应条件比较激烈，固定化酶的回收率比较低，一般不单独使用，但如能降低交联剂浓度和缩短反应时间，则固定化酶的比活会有所提高。四、固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用1.含酚废水的处理用海藻酸钙包埋热带假丝酵母菌，在三相流化床反应器中连续处理含酚废水，进水酚浓度

11、为300mg/L，出水酚浓度0.5mg/L，酚的最大容积负荷比活性污泥高1倍，其污泥发生量仅为活性污泥的1/10，污泥发生量减少90%。流化床反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器。反应时，底物溶液以足够大的流速从反应器底部向上通过固定化微生物柱床，便能使固定化微生物颗粒始终处于流化妆台。由于反应器内混合程度高，因此，传热、传质情况良好。采用颗粒活性炭吸附海藻酸钙凝胶包埋法制备固定化微生物，进行固定化微生物填充床反应器在高负荷运行下降解苯酚的试验研究。海藻酸钙凝胶颗粒中喊1%颗粒活性碳，4%海藻酸钙，1%湿菌体。将该颗粒在聚乙烯亚氨溶液中浸泡可以提高固定化颗粒的机械强度。结果表明：与颗粒活性

12、炭相比，海藻酸钙颗粒具有更高的苯酚去除效率。此外，国内外大量学者做了大量研究，见下表。 表1 固定化细胞处理含苯酚等芳香族有机废水污染物固定化材料固定化微生物内容酚海藻酸钙热带假丝酵母酚浓度从300mg/L降低至0.5mg/L苯酚卡拉胶热带假丝酵母容积负荷比传统活性污泥曝气池提高3.5倍琼脂热带假丝酵母处理150mg/L的苯酚废水琼脂酚降解菌处理高达2000mg/L酚废水效果优于游离细胞活性炭、ACAM酚降解菌处理含酚废水及其衍生物废水PCP聚氨酯黄色杆菌酚浓度300mg/L，降解速率3.5-4.0mg/(g.d)聚氨酯黄色杆菌连续处理最大去除浓度为300mg/L的PCP废水碳，海藻酸钙真菌及

13、酶与非固定式比较处理PCP废水氯苯胺海藻酸钙假单胞菌处理含3-氯苯胺废水2.含重金属废水的处理由于微生物经固定化后，起稳定性增强，抗生物毒性物质的能力大大增强。因此，可以被广泛用于有机废水中重金属离子的去除。M.Iqba等用一种新型经济的多孔载体丝瓜瓤固定黄孢原毛平革菌（Phanerochaete hysosporium），制成吸附剂用以吸附溶液中Pb2+、Cu2+和Zn2+，并与悬浮液做了对比研究。在pH为6.0时，吸附1h达到平衡， Pb2+、Cu2+和Zn2+ 3种离子的去除率分别是88.2%、68.7%和39.6%，相对于悬浮液，去除率分别提高了14.6%、12.8%和16.1%。M.Y.Arica等将黄孢原毛平革菌（Phanerochaete hysosporium）固定在海藻酸钙中，用于吸附人工静态模拟废水中30600mg/L的Pb2+和Zn2+，对其吸附容量做了细致研究 。结果表明，在pH5.0-6.0间，吸附60min后，加热灭活菌对Pb2+、和Zn2+ 的吸附容量为355mg/g、48mg/g，大于活菌球的282mg/g、和37mg/g。严国安等利用褐藻酸钙包埋固定普通小球藻，对人工配制的含汞废水进行静态净化实验。结果表明，固定藻对汞的