固定化微生物与游离菌净化SO性能的初步对比实验

固定化微生物与游离菌净化SO2性能的初步对比实验

摘要：本文对固定化微生物和游离菌净化SO2的性能进行了初步对比实验研究，分别测试了固定化微生物与游离菌在液相和气相环境中对SO2的净化性能，同时考察了在气相条件下二者对SO2的净化效果。实验表明，利用复合固定化方法即吸附—包埋—交联法制备的固定化小球，与游离菌相比，对SO2的净化性能有显著提高。

关键字：固定化微生物二氧化硫降解0引

言我国是以煤为主主要能源的国国家。1990年煤在一次次能源中占76.2%，2000年占70%，预计2050年仍占60~700%[1]，这表表明我国以煤煤为主要能源源结构在今后后相当长时期期内不会改变变。我国煤炭大多数数都直接燃烧烧，因此造成成烟尘和SO2等污染物大大量排放到环环境中，导致致我国城市的的空气污染十十分严重。造造成了严重的的酸雨污染和和生态损害。根根据有关研究究，1995年我国由于于酸雨和SO2污染造成农农作物、森林林和人体健康康等方面的经经济损失为1100多亿，已接接近当年国民民生产总值到到2.0%[22]。如不严严格控制，SO2问题将成为为制约我国国国民经济发展展和社会发展展的重要因素素，因此，削削减和控制燃燃煤SO2污染是我国国能源和环境境保护面临的的严峻挑战。早在50年代，Leathhan等（1953年）及Templle等（1954年）就分别别发现某些化化能自养型细细菌与煤中FeS2的氧化有关关，并从煤矿矿废水中分离离出氧化亚铁铁硫杆菌（Thiobbaciluusferrroxiddans）[3]。然而而，当时，此此发现并未引引起足够的重重视，直至70年代，因世世界范围的大大气污染和酸酸雨问题日益益严重，世界界各国才开始始重视与煤炭炭脱硫有关的的微生物研究究。微生物脱硫是利利用化能自养养微生物对SOX的代谢过程程，将烟道气气中的硫氧化化物脱除。在在生物脱硫过过程中，氧化化态的污染物物如SO2，硫酸盐、亚亚硫酸盐及硫硫代硫酸盐经经微生物还原原作用生成单单质硫去除[[4]。目前前，传统的生生化处理存在在着生物浓度度低，会产生生大量的污泥泥，并且给后后处理带来麻麻烦，同时占占地面积大，投投资高、动力力消耗多等问问题。这些问问题采用传统统方法不能解解决，而固定定化微生技术术却展现了广广阔的前景[[5-6]固定化微生物技技术即固定化化细胞技术，是20世纪60年代开始迅速发展起来的一项新技术，它是通过化学的或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可以反复利用[7]。固定化微生物技术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。固定化生物技术克服了生物细胞太小，与水溶液分离较难，易造成二次污染的弊端，具有微生物密度高、反应迅速、微生物流失少、产物易分离、反应过程易控制等优点，是一种很有前途的污染物处理技术[8-10]。采用固定化技术可以使微生物封闭在载体内，减少菌体的脱落，同时微生物在载体内可以繁殖，当酶失去活性后，通过培养可恢复其活性而被反复利用[11]。近年来，随着世世界经济的发发展及工业的的进步，环境境问题已成为为全球性问题题，固定化微微生物技术作作为一种新的的处理方法，已已成为生物工工程和环境工工程技术的一一个重要分支支，越来越受受到人们的重重视。固定化化微生物法净净化低浓度烟烟气SO2技术的研究究不仅拓展了了生物技术在在废气治理领领域的研究与与应用，而且且为低浓度烟烟气SO2的生物治理理提供了一个个新途径。因因此本研究对对固定化微生生物与游离菌菌净化SO2的性能的进进行了对比，以以确认固定化化微生物法净净化SO2的可行性。1实验条件与与方法1.1菌种培养养实验装置本驯化实验中所所使用的菌种种溶液为某污污水处理厂氧氧化沟中段的的污水，采用用诱导驯化方方式对菌种进进行驯化，即即向菌液中每每日通入一定定量的SO2气体，并不不断地提高SO2气体的量，使使微生物逐步步适应并经多多代繁衍。经经过一定时间间的驯化后，分分析菌种对液液相中亚硫酸酸根的降解性性能，来判断断菌种对SO2的净化性能能。实验装置置如图1所示。Fig.1eexperiimentaalequuipmenntoftrainningmmicrobbe图中1、2、33为SO2气体发生装装置，即H2SO4溶液和Na2SO3溶液在3中反应生成SO2气体，并在在风机的作用用下，将气体体吹入装有菌菌液的驯化装装置6。1.2固定化微微生物制备方方法常用的固定化制制备方法可分分为三种：吸吸附法、交联联法和包埋法法[12]。现现分述如下：：1)吸附法吸附法是通过静静电吸引或利利用载体对细细胞的亲和性性将细胞直接接吸附在水不不溶性载体上上。一般只要要把载体放在在细胞悬浮液液中搅拌或浸浸泡，然后洗洗去没有被吸吸附的游离细细胞，就制成成了固定化细细胞。该法操操作简单，对对细胞活性影影响小，但所所能固定的细细胞数量有限限。吸附法分分为物理吸附附和离子吸附附两种。2)交联法交联法不使用载载体，是利用用双功能或多多功能试剂直直接与细胞表表面的基团如如氨基、烃基基等进行交联联，使细胞之之间相互接成成网状结构。最最常用的交联联剂有戊二醛醛，顺丁烯二二酸酐、甲苯苯二异氰酸酯酯等。此法化化学反应激烈烈，对细胞活活性影响大。另另外，交联剂剂大多价格昂昂贵，限制了了它的广泛应应用。3)包埋法包埋法是将细胞胞包裹在凝胶胶的网格结构构中或者包裹裹在半透性聚聚合薄膜内，小小分子的底物物和产物可以以自由扩散，而而细胞却不会会扩散到周围围介质中去。包包埋的载体主主要有聚丙烯烯酰胺、琼脂脂、明胶、K—卡拉胶和海海藻酸钙等。包包埋法的优点点在于包埋方方法简单、条条件温和，可可以保持较高高的细胞酶活活力，是应用用最为广泛的的细胞固定化化方法之一[[12]。根据本课题组的的前期实验，增增加活性炭的的投加量，可可使固定化微微生物小球的的活性和耐酸酸性均有不同同程度的提高高，但机械强强度基本不变变。增加己二二胺的投加量量，使小球的的相对活性、机机械强度和耐耐酸性均有不不同程度的增增加；交联时时间增加也会会使小球的机机械强度增强强。通过本研研究前期正交交实验确定的的固定化小球球最佳制备工工艺，来制备备固定化微生生物。本课题的前期实实验研究，分分别选用三种种复合固定化化方法中的最最佳条件和包包埋法最佳固固定条件，制制备固定化微微生物小球，其其性能比较结结果如表1所示[13]]。固定方法性能指指标标海藻酸钠包埋法法吸附—包埋复合合固定法包埋—交联复合合固定法吸附—包埋—交交联法相对活性%225.6261.9221.3246.2机械强度g2727404272h失重率%%36.331.736.028该结果证明采用用复合固定方方法即吸附—交联—包埋复合固固定法制备固固定化小球，不不仅保证了固固定化微生物物很高的相对对活性，而且且还提高了固固定化小球的的机械强度及及耐酸性。因因此本研究采采用复合固定定方法即吸附附—交联—包埋复合固固定法，以如如图2所示的工艺艺流程来制备备固定化微生生物。图2固定化微微生物制备工工艺流程图

FFig.2Flowcharttofmmakinggimmoobilizzedmiicrobiialbiiomasss1.3固定床反反应器以实验室制备的的含SO2气体为处理理对象，将固固定化微生物物小球填充在在固定床内，对对其中的SO2气体行生化化处理，其整整套净化实验验装置流程如如图3所示。整个流程包括SSO2气体的发生生系统和净化化SO2气体的固定定床生化反应应器二个部分分。实验中，SO2气体是通过Na2SO3溶液1和稀H2SO4溶液2在SO2气体发生器3内反应制得得的，并利用用风机4将发生器内内所生成的SO2气体由底部部直接吹入固固定床生化反反应器。循环环液体由高位位槽7进入6内并从顶部部向下喷淋到到固定化微生生物小球上（喷喷淋液体的主主要作用是润润湿固定化微微生物小球，向向微生物提供供生长所需要要的氮磷等营营养物，同时时将微生物的的代谢产物带带走），而后后由反应器底底部排入循环环水槽8，再由耐酸酸泵9打回到高位位槽循环使用用。SO2气体在塔内内上升的过程程中与固定化化微生物接触触而被吸收，净净化后的气体体由反应器顶顶部排出。为为了避免造成成污染，在尾尾气排空前设设置了SO2尾气吸收瓶10。1.4实验分析析方法气相中SO2和和液相中SO32-的分析方方法采用碘量量法。用奥立立龙818型精密酸度度计测液相pH值。2实验结果与讨讨论2.1在液相环环境中净化SO2能力随时间间的变化比较较将一定浓度的SSO32-溶液中分分别加入含有有等量微生物物的固定化微微生物和游离离菌，每隔一一段时间测定定溶液中SO32-浓度，并并计算出净化化效率。如图图4所示，曝气气量为0.1m3/h时，固定化化小球的净化化速率大于游游离菌的，在在反应开始进进行的20分钟内，固固定化小球的的净化速率是是增大的，游游离菌的基本本不变；20min以后，二者者的净化速率率都呈下降趋趋势。在生化化反应的有效效时间内，固固定化小球的的净化速率高高于游离菌的的。这表明固固定化微生物物净化SO2的性能优于于游离菌的性性能。2.2在不同同pH值的液相环环境下对SO2净化性能的的比较因为SO2为酸酸性气体，所所以只研究在在偏酸性环境境下固定化微微生物和游离离菌对SO2的净化效率率。选择从pH=3到pH=6四个pH值作为实验验点，用NaOH溶液和盐酸酸溶液来调节节其液相环境境的pH值，考虑到NaOH溶液会消耗SO2，因此将pH值调节好后后液相中SO32-的浓度作作为SO2的初始浓度度，测试游离离菌与固定化化微生物净化化SO2的效率，实实验结果如图图5所示。图5显示固定化化小球的净化化效率明显高高于游离菌的的，pH=5时固定化小小球的净化效效率高达70%，而游离菌菌的只有30%。这也表明明固定化微生生物对SO2的净化性能能优于游离菌菌的净化性能能。Fig.4

Changgingoofpurrificaationveloccitywwithiincreaasingoftiime

Fig.5

EffecctofpHonnpuriificattioneefficiiency2.3固定化化微生物与游游离菌净化SO2气体的性能能对比研究将固定化小球装装入如图3所示的固定定床6中，制得的SO2气体由风机机吹入反应器器6，在G处测入口浓浓度，在改变变入口浓度的的条件下测固固定化微生物物的净化效率率。在相同的的条件下将SO2气体通入菌菌液中，在相相同的时刻测测菌液中SO32-浓度和出出口SO2浓度，计算算出其净化效效率，结果如如图6所示。当入入口浓度为5.1gg/m3时，固定化化微生物和游游离菌的净化化效率都为98%。但随着入入口SO2气体浓度的的增大，游离离菌的净化效效率急剧下降降。当入口气气体浓度为7.2g//m3时，游离菌菌的净化效率率只有40.7%，而固定化化微生物的净净化效率仍保保持在80%以上。二者者的净化效率率都随着入口口浓度的增大大而降低，其其原因主要是是当入口浓度度较低时，微微生物可以和和SO2气体充分接接触，进而被被生化吸收。随随着入口SO2浓度的增加加，多余的SO2在较短的时时间内未能被被微生物吸收收净化，而是是随着气相主主体排出。因因此就出现了了随着入口SO2浓度的增加加其净化效率率反而下降的的现象。但是，如图6所所示，固定化化小球的SO2净化效率高高于游离菌的的。其原因主主要是因为采采用的是好氧氧微生物，固固定化微生物物可以与气相相接触，即可可耗用连续相相的气相中的的氧来对SO2进行生化吸吸收，而游离离菌主要耗用用的是液相中中数量有限的的溶解氧。因因此富氧的反反应气氛是固固定化微生物物净化效果优优于游离菌净净化效果的一一个重要原因因。3结论本研究对固定化化微生物与游游离菌净化SO2的对比实验验结果表明，经经固定化后的的微生物在液液相和气相环环境中均对SO2有较强的净净化去除作用用，其净化性性能明显优于于游离菌的净净化性能，因因此有继续开开展深入研究究的价值和必必要。参考文献[1]郝吉明明，王书肖，陆陆永琪编著

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