固定化微生物技术应用与其在废水处理办法中应用

1、固定化微生物技术应用与其在废水处理办法中应用固定化微生物技术及其在废水处理应用固定化微生物技术及其在废水处理应用v研究目的及意义研究目的及意义v固定化微生物技术概述固定化微生物技术概述v在废水处理中的应用在废水处理中的应用研究目的及意义研究目的及意义v传统工艺传统工艺 ：微生物以悬浮态生长，易于从反：微生物以悬浮态生长，易于从反应器中流失；与水的密度差小，重复利用较应器中流失；与水的密度差小，重复利用较困难。困难。v固定化微生物固定化微生物 ：微生物固着生长，有利于：微生物固着生长，有利于提高微生物的数量，利于固液分离，利于去提高微生物的数量，利于固液分离，利于去除氮、高浓度有机物或者难以生物

2、降解物质，除氮、高浓度有机物或者难以生物降解物质，提高系统的处理能力和适应性。提高系统的处理能力和适应性。优势优势(I) 可以保持反应器内微生物的高浓度和高活性，有助于提高污染物的处可以保持反应器内微生物的高浓度和高活性，有助于提高污染物的处理负荷和去除效率；理负荷和去除效率；(2)采用固定化微生物技术的工艺，污泥产量低，减轻了后续污泥处采用固定化微生物技术的工艺，污泥产量低，减轻了后续污泥处置的负担；置的负担；(3)微生物固定化形成颗粒态，利于沉淀过程的泥水分离；微生物固定化形成颗粒态，利于沉淀过程的泥水分离；(4)将具有降解某些难降解有机物特性的微生物固定化，可有效处理某些行将具有降解某些

3、难降解有机物特性的微生物固定化，可有效处理某些行业废水；业废水；(5)微生物固定化对有毒物质的承受能力强，稳定性好；微生物固定化对有毒物质的承受能力强，稳定性好；固定化微生物技术固定化微生物技术 定义：定义： 固定化微生物技术是指用物理或化学方固定化微生物技术是指用物理或化学方法将游离微生物细胞、动植物细胞、细胞器法将游离微生物细胞、动植物细胞、细胞器或酶限制或定位在某一特定空间范围内，保或酶限制或定位在某一特定空间范围内，保留其固有的催化活性，并能被重复和连续使留其固有的催化活性，并能被重复和连续使用的技术用的技术 。固定化微生物技术的发展固定化微生物技术的发展v雏形：活性污泥法可以看成是包

4、埋固定化生雏形：活性污泥法可以看成是包埋固定化生物技术的雏形物技术的雏形v20世纪五六十年代世纪五六十年代 ：生物膜法，依靠微生物：生物膜法，依靠微生物的自然附着力形成固着型生物膜的自然附着力形成固着型生物膜v20世纪七十年代末：人工强化的固定化微生世纪七十年代末：人工强化的固定化微生物物固定化微生物技术固定化微生物技术v固定化方法固定化方法v不同固定化技术比较不同固定化技术比较v载体的选择载体的选择v固定化微生物的制备流程固定化微生物的制备流程v固定化微生物反应器固定化微生物反应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交联法交联法v共价键结合法共价键结合法固定化方法固定化方法v吸

5、附法吸附法 ：吸附法又叫载体结合法，是依据带电的微生物细：吸附法又叫载体结合法，是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，使微生物胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法，可分为物理细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法，可分为物理吸附法和离子吸附法两种。吸附法和离子吸附法两种。v包埋法包埋法：包埋法是用物理方法将微生物细胞包埋在凝：包埋法是用物理方法将微生物细胞包埋在凝胶的微小空格内或埋于半透膜聚合物的超滤膜内。这胶的微小空格内或埋于半透膜聚合物的超滤膜内。这种方法既操作简单，又不会明显影响生物活性，是比种方法既操作

6、简单，又不会明显影响生物活性，是比较理想的方法，目前应用最多。较理想的方法，目前应用最多。固定化方法固定化方法v交联法交联法 ： 交联法是利用双功能或多功能试剂，直接与细胞交联法是利用双功能或多功能试剂，直接与细胞表面的反应基团表面的反应基团(如氨基酸、羟基、咪唑基如氨基酸、羟基、咪唑基)发生反应，使发生反应，使其彼此交联形成网状结构的固定化细胞，其结合力是共其彼此交联形成网状结构的固定化细胞，其结合力是共价键。常用的交联剂有戊二醛、甲苯二异氰酸酯等。价键。常用的交联剂有戊二醛、甲苯二异氰酸酯等。v共价结合法：是利用微生物细胞表面功能团与固相载体共价结合法：是利用微生物细胞表面功能团与固相载体

7、表面基团之间形成化学共价键相连来固定细胞。表面基团之间形成化学共价键相连来固定细胞。凝胶包埋法凝胶包埋法微胶囊包埋法微胶囊包埋法不同固定化技术比较不同固定化技术比较 表面吸附技术表面吸附技术 优点优点 制备容易制备容易 可选用的载体类型多可选用的载体类型多 载体可再生回用载体可再生回用缺点缺点 被固定的微生物活性较低被固定的微生物活性较低 细胞与载体作用力较弱，需较长时间细胞与载体作用力较弱，需较长时间 完成初始固定化过程。完成初始固定化过程。包埋固定化包埋固定化v优点优点 固定化强度高固定化强度高 易于固液分离易于固液分离 可工业化操作可工业化操作v缺点缺点 载体不能再生载体不能再生 制备工

8、艺复杂制备工艺复杂 机械强度弱，可使用寿命较短机械强度弱，可使用寿命较短交联固定技术交联固定技术v优点优点 受环境因素影响小受环境因素影响小 细胞与载体间作用力较强细胞与载体间作用力较强v缺点缺点 可能改变细胞活性基可能改变细胞活性基 可选用载体相对较少可选用载体相对较少 费用较高费用较高共价结合共价结合v优点优点 稳定性好稳定性好 可连续使用时间较长可连续使用时间较长 v缺点缺点 反应条件剧烈，回收率低反应条件剧烈，回收率低 操作复杂，对操作条件要求较高操作复杂，对操作条件要求较高 载体的选择载体的选择微生物固定化的理想载体应该具备以下特性：微生物固定化的理想载体应该具备以下特性：(1)制作

9、过程简单易行。制作过程简单易行。(2)对细胞无毒害作用。对细胞无毒害作用。(3)传质性能良好。传质性能良好。(4)不易被微生物分解。不易被微生物分解。(5)性质稳定。性质稳定。(6)强度高、寿命长。强度高、寿命长。(7)价格便宜。价格便宜。载体的类型(1)无机载体类(活性炭、多孔陶土、微孔玻璃等)。此类载体强度大、传质性好、对细胞无毒害、价格便宜且制备过程简单，有较大的应用价值。但是它们有密度大、实现流化的能效高、微生物吸附有限和易脱落等缺点。(2)天然有机载体类(海藻酸盐、琼脂等)。这类载体对微生物无毒害作用，传质性好。但是机械强度低，易被微生物分解。(3)人工合成有机载体类(聚丙烯酰胺(A

10、CAM)凝胶、聚乙烯醇(PVA)凝胶等) 。ACAM 凝胶强度较高，传质性一般，由于丙烯酰胺单体对微生物活性有害，废水处理中应用并不广泛。PVA凝胶是国内外研究最为广泛的一种包埋固定化载体，它具有强度高、化学稳定性好、抗微生物分解性强、对细胞无毒且价格低廉等一系列优点。因而具有很大的利用价值。固定化微生物制备流程固定化微生物制备流程固定化微生物反应器固定化微生物反应器v纯种固定化微生物反应器以单一种群微生物纯种固定化微生物反应器以单一种群微生物 细胞为生细胞为生物活性物质物活性物质,利用特殊种类的载体利用特殊种类的载体 , 通过不同的方法将其通过不同的方法将其固定固定,实现对废水中污染物的降实

11、现对废水中污染物的降 解解 。或利用人工纯化的形。或利用人工纯化的形式式,筛选并富集特定的微筛选并富集特定的微 生物种群生物种群 ,以物理或化学的方式以物理或化学的方式,将将其固定其固定,适用于处理含有特定污染物质的废水适用于处理含有特定污染物质的废水v例如：流化床生物反应器、固定填充床、搅拌槽式反例如：流化床生物反应器、固定填充床、搅拌槽式反应器、膜生物反应器应器、膜生物反应器流化床反应器 流化床型反应器是一种装有较流化床型反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器。反小颗粒的垂直塔式反应器。反应时，底物溶液以足够大的流应时，底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固速，从反应器底部向上通

12、过固定化微生物柱床，便能使固定化定化微生物柱床，便能使固定化微生物颗粒始终处于流化状态。微生物颗粒始终处于流化状态。由于反应器内混合程度高，因此，由于反应器内混合程度高，因此，传热、传质情况良好。传热、传质情况良好。图4-5 流化床反应器混合种群固定化微生物反应器混合种群固定化微生物反应器v通过合理控制反应器营养结构、投加必要的通过合理控制反应器营养结构、投加必要的核心物质、控制反应器水力流态而使微生物核心物质、控制反应器水力流态而使微生物实现自身固定化实现自身固定化vUASB .ABR. 等生物处理工艺等生物处理工艺固定化微生物技术的应用固定化微生物技术的应用v主要特征主要特征密集微生物，维

13、持反应器中的生物量浓度密集微生物，维持反应器中的生物量浓度易于实现固液分离易于实现固液分离适用于含有有毒有害物的处理适用于含有有毒有害物的处理1处理氨氮废水；处理氨氮废水； 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应器有较长的固体停留时间和较高的细菌浓度，采用求反应器有较长的固体停留时间和较高的细菌浓度，采用固定化生物技术可做到这点。固定化生物技术可做到这点。2处理难降解的有机废水处理难降解的有机废水处理氨氮废水处理氨氮废水vNilsson用海藻酸钙固定假单细胞反硝化细菌用海藻酸钙固定假单细胞反硝化细菌Pseudomonas denitr

14、ificans用填充床对含用填充床对含20 mgL硝硝酸盐的地下水进行两个月的连续脱氮试验，脱氮效果酸盐的地下水进行两个月的连续脱氮试验，脱氮效果良好。良好。v将脱氮细胞包埋于将脱氮细胞包埋于PVA(聚乙烯醇聚乙烯醇)中，结果表明在低温、中，结果表明在低温、低低pH的条件下，固定化细胞能够保留比未包埋细胞更高的的条件下，固定化细胞能够保留比未包埋细胞更高的脱氮活性。减轻溶解氧对脱氮的抑制作用。脱氮微生物在脱氮活性。减轻溶解氧对脱氮的抑制作用。脱氮微生物在固定化载体中可以增殖。固定化载体中可以增殖。高浓度有机废水的处理高浓度有机废水的处理方法：方法： 通过筛选分离出高校菌株或是通过生物工通过筛选

15、分离出高校菌株或是通过生物工程技术培养特异菌株并进行扩大培养及固定程技术培养特异菌株并进行扩大培养及固定优势：优势： 提高反应速率和处理效率提高反应速率和处理效率 减少污泥量和二次沉池的负荷减少污泥量和二次沉池的负荷 降低基建投资费用降低基建投资费用难降解有机废水的处理难降解有机废水的处理v含重金属废水的处理含重金属废水的处理v含氮废水的处理含氮废水的处理v印染、造纸等废水的处理印染、造纸等废水的处理v含醇类废水的处理含醇类废水的处理v含杂环芳烃类废水的处理含杂环芳烃类废水的处理含重金属废水的处理含重金属废水的处理 由于微生物经固定化后，其稳定性增强，由于微生物经固定化后，其稳定性增强，抗生物

16、毒性物质的能力大大增强。因此，可抗生物毒性物质的能力大大增强。因此，可以被广泛地用于有机废水中重金属离子的去以被广泛地用于有机废水中重金属离子的去除。除。含重金属废水的处理 M. Iqbal 等用一种新型经济的多孔载体丝瓜瓤固定黄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（孢原毛平革菌（Phanerochaete hrysosporium），制），制成吸附剂用以吸附溶液中成吸附剂用以吸附溶液中Pb2+、Cu2+和和Zn2+ ，并与悬浮，并与悬浮液做了对比研究。液做了对比研究。 在在pH 为为6.0 时，吸附时，吸附1 h达平衡，达平衡， Pb2+ 、Cu2+ 和和Zn 2+ 3 种金属

17、离子的去除率分别是种金属离子的去除率分别是88.2%、68.7%和和39.6%，相对于悬浮液，去除率分别提高了相对于悬浮液，去除率分别提高了14.6%、12.8%和和16.1%。 含重金属废水的处理v M.Y. Arica 等将黄孢原毛平革菌等将黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）固定在海藻酸钙中，）固定在海藻酸钙中，用于吸附人工静态模拟废水中用于吸附人工静态模拟废水中30600 mg/L 的的Pb2+和和Zn2+ ,对其吸附容量做了细致的研究。对其吸附容量做了细致的研究。v 结果表明，在结果表明，在pH 5.06.0、吸附、吸附60 min 后，加热后，加热灭活菌对灭活菌对Pb2+和和Zn2+的吸附容量为的吸附容量为355、48 mg/g，大于，大于活菌球的活菌球的282、37 mg/g。含重金属废水的处理含重金属废水的处理v严国安利用褐藻酸钙包埋固定普通小球藻，对人工配制严国安利用褐藻酸钙包埋固定普通小球藻，对人工配制的含汞污水进行静态净化实验。结果表明，固定藻对汞的含汞污水进行静态净化实验。结果表明，固定藻对汞的去除明显高于悬浮藻，如表的去除明显高于悬浮藻，如表2所示。所示。印染、造纸等废水的处理v染料、造纸废水色度高、成分复杂、有毒有害有机物多