固定化微生物的制备

固定化微生物的制备

1固定化微生物的应用随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，废水生产和生活的排放量急剧增加，世界水污染日益严重，威胁到社会经济乃至人类自身的可持续发展。水环境的管理法规日趋完善及严格,传统的污水生物处理技术已难于适应污水处理的发展要求,研究开发和应用新型废水处理工艺、技术及材料,已成为世界水体污染控制与防治工程领域的研究热点[1~3],固定化微生物技术及其在水处理领域的应用逐渐成为国内外研究者的热点之一[2~4]。与传统的废水生物处理技术相比,固定化微生物技术处理废水时可较大幅度地提高微生物浓度,具有反应启动快、处理效率高、操作稳定、产污泥量少、固液分离容易、能纯化和保持优势菌群,以及基建占地少等优点而倍受关注,并取得了令人瞩目的研究成果[3~6]。然而,迄今报道较多的仍是以人工废水为处理对象的实验室研究结果,并大多采用包埋及物理吸附类固定化方法。研究较多的固定化材料则主要是琼脂、角叉莱胶、海藻酸钙等天然高分子凝胶载体,以及聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、光硬化树脂、聚丙烯酸等有机合成高分子凝胶载体。天然及合成高分子凝胶材料的水溶性大、稳定性差、机械强度不佳,同时,包埋法所得固定化微生物因材料包埋网格而对分子传质有所限制,物理吸附法固定化所得生物膜也易于脱落,耐冲击性不佳,这些使得固定化微生物处理污水的实际应用受到限制,与实际应用要求的差距较大。带有氨基、羧基、环氧基等反应性基团的大孔载体在固定化过程中会与微生物发生化学键合,其大孔形态结构的物理吸附和截陷着床作用等将构成载体结合微生物固定化系统,既有利于所固定微生物的代谢增殖,又呈现优良的传质性能,还因反应性基团的键合作用提高所得固定化微生物的稳定性能。反应性大孔载体所得固定微生物的耐冲击性能优异、微生物负载量大,赋予较高废水处理效率,应该是固定化微生物废水处理技术从实验室走向工程应用的有效途径之一[6~9]。本文以大孔球状树脂MR-PAM/PVA与功能化多孔陶粒为微生物固定化载体,借助载体结合法把活性污泥和高效微生物固定于这两类载体之上,所得固定化微生物置于带有曝气装置的玻璃管中构成固定化微生物流化床、固定床污水处理系统,并进行了实际生活和化工污水的处理研究。通过检测污水处理系统进水与出水的化学需氧量(CODCr)与氨氮浓度,考察了所得固定化微生物及其不同工艺的污水处理性能及其影响因素。同时,应用克氏定氮法考察了所得大孔载体的微生物负载量,并借助SEM观察了固定化微生物前后载体的表面形态。2实验部分2.1材料和机器2.1.1陶粒、微生物和活性污泥聚(N-二乙烯二胺基)丙烯酰胺-聚乙烯醇大孔载体(MR-PMA/PVA)按文献合成,该载体的粒度范围在0.1mm~0.8mm,交联度为15%,湿视密度为0.74g/cm3,持水量为86.4%,水中膨胀率可高达220%,平均孔径为4900nm,平均孔度为37%;功能化多孔陶粒载体按专利合成,该陶粒载体带有反应性功能团,孔隙率58%~68%,比表面为1.5×105cm2/g,密度为1.5g/cm3;普通陶粒购于江西萍乡家佳能环保公司,孔隙率55%~58%,比表面为2.0×104cm2/g,密度为2.5g/cm3;活性污泥取自兰州炼化公司动力厂含硫污水工段;高效微生物菌群B500(美国Bio-System公司产品,微生物含量为30~50×108个/g);通用增菌培养基;实验用生活污水和工业污水取自兰化动力厂一沉池出口。2.1.2phs-3数字phph计及氨氮快速测定方法H-600SEM扫描电子显微镜,Germany;PHS-3C型数字pH计,上海雷磁仪器厂;HI93715氨氮快速测定仪,HANNA公司;HI93706总磷快速测定仪,HANNA公司。2.2固定化-养殖养生阶段参考文献方法,本文微生物的固定化与驯化程序如下:首先将大孔载体用蒸馏水洗净,加入到含5000mL培养基的反应器,投加一定量的活性污泥上清液或B500以及双官能团交联剂,曝气培养3d、控制体系溶解氧(DO)为3mg/L。从第4天起,每天用实际废水更换反应器1/5的培养基进入固定化-驯化养生阶段,测定反应器中污染物浓度的变化,逐渐增加实际废水的用量。驯化养生期间,定期取出少许载体、用pH=12的NaOH溶液浸泡4h,用自来水、蒸馏水冲洗干燥后,并以克氏定氮法测其含氮量,含氮量计算相应蛋白质含量、即微生物负载量,根据所得微生物负载量确定固定化微生物的驯化养生周期(一般为15d至25d左右)。固定化驯化完成后,滤出载体,用生理盐水洗净,即得固定化微生物,备用。2.3生物处理系统用Φ200mm×850mm的有机玻璃管组装试验反应器,反应器底部设有曝气盘、反应器中部设有隔板、投加占反应器体积1/3的前述固定化微生物组成固定化微生物废水处理系统。载体投加前应再用自来水冲洗3次以除去游离生物基质。向废水处理系统中加入其有效体积3/4的待处理废水,于控制DO为3mg/L~6mg/L的曝气条件下进行废水生物处理水,定时从反应器下端取水样进行出水质量检测。用纳氏试剂光度法测定原废水及其处理出水的氨氮浓度,按重铬酸钾法测定原废水及其处理出水CODCr。依据载体密度的不同,MR-PMA/PVA载体固定化微生物构成曝气生物流化床废水处理系统,功能化多孔陶粒载体及普通陶粒载体固定化微生物构成曝气生物固定床废水处理系统。3结果与讨论3.1污水脱氮及氨氮去除能力图1为MR-PAM/PVA载体固定化活性污泥的污水生物脱氮曲线。从图1中可知,所得固定化活性污泥在好氧条件下进行生物处理时,9h出水氨氮即可小于15mg/L。其生化反应6h以前出水氨氮呈现增加趋势、生化反应6h以后则较快下降,至生化反应进行到15h后,出水氨氮则呈现平稳下降趋势。这可能是生活污水的蛋白质等有机氮氧化生成氨氮,导致氨氮浓度升高,随着反应时间的延长,系统中溶解氧逐渐降低,有利于硝化和反硝化反应的进行,废水中的氨氮浓度开始降低。图2为MR-PAM/PVA载体固定化B500的污水生物脱氮曲线。从图2中可见,固定化高效微生物菌群B500对生活污水的生物脱氮动力学趋势基本相同于固定化活性污泥、在生化反应进行3h时出水氨氮依然呈现增加趋势随后即下降,生化反应9h的出水氨氮已降至15mg/L、NH4+-N去除速度快及效果明显。这表明固定化B500比固定化活性污泥的生物处理效率更高,其适应性与选择性更好。比较图2结果可知,MR-PAM/PVA载体固定化B500对工业污水中NH4+-N的去除能力基本呈平稳下降趋势,两者的差别既可能与生活污水中有机氮的氨氧化以及表面活性剂对微生物活性的抑制作用有关,也可能与工业污水中充足的碳源有关。图3、图4分别表示陶粒载体固定化B500对生活污水和工业污水的单级脱氮曲线。图3显示出不同于图2的生活污水脱氮趋势,即处理出水的氨氮浓度基本没有反弹随后即下降,而图4中工业污水的脱氮趋势与图2基本相同。比较图2、图3和图4可知,固定化微生物随其载体的不同会产生不同的污水氨氮去除效果。MR-PAM/PVA载体比重较小,故MR-PAM/PVA载体固定化微生物在曝气条件下构成流化床处理工艺,充分的好氧条件对反硝化菌的生长有所抑制,同步硝化和反硝化反应几率较小,陶粒载体因其比重较大而构成固定床型固定化微生物污水处理工艺,陶粒载体固定化微生物处于相对静止状态以致形成更多的缺氧环境,则有利于同步硝化和反硝化反应地进行,显示出较好的污水氨氮去除能力。比较图3和图4曲线可知,功能化陶粒载体固定化微生物的污水脱氮性能优于普通陶粒载体固定化微生物,这应是前者生物负载量大于后者的结果。此外,图1~图4皆存在脱氮能力随生化反应时间延长的某种增强过程,这应当是亚硝酸菌与硝酸菌生长缓慢,致使生化反应体系中亚硝酸根与硝酸根短期积累的缘故。3.2固定化微生物污水处理能力图5为功能化陶粒载体和MR-PAM/PVA载体固定化B500单级去除工业污水中CODCr的曲线。在进水CODCr浓度为1002mg/L的条件下,水力停留时间(HRT)为3h时,CODCr去除率已达33%~37%,且随HRT的延长而增大,然而,HRT为24h时的出水CODCr仍大于100mg/L、表明单级处理时出水CODCr不能达标。将HRT为24h的出水移至另一对应的反应器并在相同条件下继续进行反应时得图6曲线,可知其出水CODCr达到国家一级排放标准,这说明可通过两级或多级串联方式来提高固定化微生物技术的污水处理效率。由图5和图6曲线表明,MR-PAM/PVA固定化微生物污水处理系统去除污水CODCr的能力优于功能陶粒固定化微生物系统,这应是呈流化床状态的MR-PAM/PVA固定化微生物污水处理系统会增加微生物与废水中污染物的接触几率,增大污水CODCr去除速度的结果,这有利于高CODCr污水的处理。对功能陶粒载体而言,所得固定化微生物系统在生化反应过程中呈固定床状态,故其初期的CODCr降解反应速度较慢,但随着生化反应时间的延长,功能陶粒固定化微生物固定床的过滤作用使出水SS也降低、也随即降低了出水CODCr。表1为3种固定化微生物处理生活污水的实验数据。从表1可见,在HRT为8h及DO为5mg/L的条件下,所得3种固定化微生物皆可将生活污水处理至国家一级排放标准。MR-PAM/PVA固定化微生物系统去除CODCr和NH4+-N污染物的能力最好、功能化陶粒固定化微生物系统次之,普通陶粒固定化微生物系统最差。MR-PAM/PVA和功能化陶粒固定化微生物系统皆显示优异的悬浮固体(SS)去除能力,但后者好于前者。这反映了流化床和固定床两者对污水中不同污染物去除选择性的差别,即固定化微生物流化床适合于高浓度废水的处理,而固定化微生物固定床有利于低浓度污水的深度处理。至于普通陶粒固定化微生物系统去除污水中污染物效果不佳的原因,也许是其生物负载量较低以致降解污染物能力较差的缘故。根据图5、图6及表1结果,可设想,若流化床与固定床通过适当方式以多级串联组合构成固定化微生物污水处理系统时,将有利于高浓度污水的生物处理。3.3固定化微生物的生物负载量微生物是由大量的蛋白质构成,蛋白质又是由氨基酸组成,大多数蛋白质含氮量较为恒定,平均N=16%,即1g氮相当于6.25g蛋白质,故6.25称为蛋白质系数。含氮量与蛋白质之间的定量关系如下:样品中蛋白质含量=样品中的含氮量×6.25(mg)当以Kjeldahl定氮法测定所得固定化微生物的含氮量后,即可根据前述关系式求出单位重量载体上的生物负载量(mg/g),并根据相应载体的密度及其固定化微生物填料所占床体积求得每升水微生物负载量(g/L水)、结果列于表2。表2结果显示,MR-PAM/PVA固定化微生物的生物负载量大于20g/L水、功能化陶粒固定化微生物的生物负载量居中、普通陶粒固定化微生物的生物负载量最小,这与前述各自的污水处理效果次序相吻合。MR-PAM/PVA固定化微生物的生物负载量是传统活性污泥法生物负载量的5倍以上,有利于高浓度污水的生化降解处理。MR-PAM/PVA载体与功能化陶粒载体固定化微生物前后,用pH=12的NaOH溶液浸泡4h,用自来水、蒸馏水反复冲洗,以除去游离微生物和其它杂质,然后置于冷冻干燥仪中脱水,干化,借助扫描电子显微镜(SEM)进行表面形态了观察,得图9中的SEM照片。从这些照片可见,载体本身的SEM照片(a)显示典型的特大孔结构,表面较为平整,载体的大孔结构既有利于污水处理过程中的传质,也有利于微生物的着床固定化以及固定化微生物的繁殖代谢和耐冲击性。而固定化微生物后的载体(b)虽然显示典型的特大孔结构,但表面有许多不规则的颗粒状附着物存在,应该是载体上固定化微生物脱水后形成的,证实了有大量的微生物固定于大孔载体上。3.4固定化微生物填料实验发现,在长期不曝气和不加营养液的条件下,本文所得固定化微生物污水处理系统将变成以厌氧菌为主的厌氧状态,其固定化微生物填料呈黑色;当厌氧型固定化微生物污水处理系统开始曝气并运转一周时,即可转换为以好氧菌为主的氧化反应状态,固定化微生物填料也随之转变为灰黄色。这表明本文所得固定化微生物污水处理系统可容易实现好氧与厌氧环境的相互转变,具有休眠保存及快速启动转化的特点。这是传统的污水生物处理系统无法比拟的优点,有利于拓宽其应用领域。4流化床水处理的生物固定化微生物1.MR-PAM/PVA和功能化陶粒载体可借助载体结合法而有效地固定化高效微生物菌群或活性污泥,并依所用载体密度的不同而构成流化床或固定