２０１第ｌ６卷第３期 ０年３月 江苏技术师范学院学报 Ｖｏ１．１６．Ｎｏ．３ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＡＮＧＳＵ ＴＥＡＣＨＥＲＳ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ Ｍａｒ．．２０１０ 固定化微生物技术在废水治理中的应用 尚通明 ，谢小东 ，陈娴 ，程洁红 ，刘永祥 （１．江苏技术师范学院化学与环境工程学院，江苏常州２１３００１；２．常州金梓科技有限公司，江苏常州２１３０００） 摘要：介绍了固定化生物技术在国内外污水治理领域的应用情况，并着重阐述了广谱性个性化固定生物基的 概念、材料特点、制作工艺、作用原理、与同类技术相比的技术特点以及在农村污水治理工程中的应用前景。 关键词：固定化微生物；生物载体；农村污水 中图分类号：Ｘ５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—８５２２（２０１０）０３－０００６－－０５ Ｏ 引 言 随着人们对污水处理的不断深入研究和实践，国内外利用微生物治理环境的产品与日俱增。但迄今 为止，国内外的微生物制剂多为水剂或粉剂，真正的微生物固定化产品并不多，包括人造生物膜产品大部 分存在着名不副实，存在易流失、有效期短、效果不稳定、应用成本高等弊端，从而了其功能的充分发 挥。 微生物固定化技术是２Ｏ世纪６０年代由生物化工中的固定化酶技术发展起来的生物技术，应用化学 或物理手段，将游离细胞定位于限定的区域，使其保持活性并可反复利用的方法。随着日益严重的水污染 问题，迫切要求开发高效的废水处理新技术，人们开始利用微生物固定化技术取代传统的活性污泥法，将 筛选、选育出的适宜降解特定废水的优势菌种加以固定，组成一个快速、高效、连续的废水处理系统，用于 各种污染物的转化和降解。该技术具有诸多优点：生物处理反应器中微生物浓度高，反应速度快；可以免 除污泥处理的二次污染；选择性地固定优势菌种，为微生物生长繁殖提供良好的微环境；硝化、反硝化过 程可同时进行，生物脱氮速度和效率高；抗毒、抗冲击能力强，对成分复杂的废水适应性好等【Ｉ】。微生物固 定化技术已成为近年来废水生物处理领域的研究热点。 １ 广谱性个性化固定生物基的概念、制作工艺及优点 广谱性个性化污水生物处理新技术是针对国内现有产品和技术存在的不足，通过特殊的微生物富集 与生物强化、固定组装等综合技术研制形成的可随机移动的固定生物基。根据所固定的微生物菌群具有 很强的适应性，可以用于多种废水的治理，因而具有光谱性；如果固化经专门驯化的工程菌，该生物基又 可用于特种废水的治理，因而又具有个性化的特点。 １．１ 生物基所用材料 广谱性个性化固定生物基选用两种载体用于微生物固定。一种是无机载体一多孔颗粒，一种是有机 合成高分子材料一涤纶无纺布。这两种材料都具有多孔结构，在与微生物接触时，利用吸附作用和电荷效 应，从而固定化微生物。而且内部有较大的孔隙度，可以容纳不断增殖的微生物，使得载体内细胞浓度增 收稿日期：２００９—１２—２０ 作者简介：尚通明（１９５６一），男，甘肃永登人，教授，研究方向为固体废弃物处置、无机材料。 第３期 尚通明谢小东陈娴等：固定化微生物技术在废水治理中的应用 ７ 大，提高了处理效率。多孔颗粒具有机械强度大、对微生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿 命长等特性。 １．２制作工艺 采用吸附法固定微生物简单易行，且载体可再生。但传统的颗粒微生物固定是将颗粒载体浸泡在微 生物凝胶液中进行吸附，再加固定液固定，其缺陷是微生物只是固定在表面，单位生物量少，易脱落，易崩 解。而采用真空吸附法制备固定化微生物颗粒，可有效弥补传统吸附法的缺陷。该工艺可广泛用于各种污 染水体生物治理的应用、微生物颗粒产品的工厂化生产。 １．３作用原理 利用高压喷涂法将应用微生物浓缩液固定在各种不同的载体上，形成可随机移动、针对性极强的污 水生物膜治理生物基。利用微生物的新陈代谢作用，吸附、消化、分解水中的有机污染物，使之转化为 ＣＯ：、Ｈ２０、ＮＨ。、ＳＯ 等稳定的小分子及无害化物质，达到净化水质的目的。 １．４特点 选用材料都具有多孑Ｌ结构，利用吸附作用和电荷效应固定化微生物，而且内部有较大的孑Ｌ隙度，使得 载体内细胞浓度增大，提高了处理效率；多孔颗粒具有机械强度大、对微生物无毒性、不易被微生物分解、 耐酸碱、成本低、寿命长等特性。涤纶无纺高表面积平面布料，载体比表面积９００～２ ０００ ｍ２／ｍ，性质稳定， 基质传递良好，并且在批量生产上制作较易，价廉易得，废料可再利用；采用真空吸附法制备固定化微生 物颗粒，可有效弥补传统吸附法的缺陷，利用真空吸附固定法比传统浸泡吸附法单位生物量可高出ｌ０～ ２０倍，而且稳定性强，不脱落，不崩解，持效期长；适用于自然河道，景观水体的生态修复，农村生活污水 治理，并可配合各种污水处理设施，取代软性或半软｝生填料和活性污泥，处理高浓度污水。 ２ 农村污水的特点、常见的处理技术及其局限性 农村水系一般没有固定的污水排放口，排放比较分散，其污水的水质、水量、排水方式有自身特点。农 村污水浓度低，变化大，水量小；很多农村尚无排水系统，雨水和污水均沿道路边沟或路面排至就近水体。 农村污水主要为生活污水和以农产品为原料的加工污水的混合水体，其中５０％以上是生活污水，大部分 农村污水的性质相差不大，一般ＢＯＤ５≤２５０ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤｃｒ￣＜５００ｍｇ／Ｌ，ｐＨ值６—８，ＳＳ≤５００ｍｇ／Ｌ，色度（稀释 倍数）≤１００，水中基本上不含重金属和有毒有害物质，含一定量的氮和磷，水质波动不大，可生化性好。 过去，在农村多采取污水在宅前宅后土壤中自然下渗，粪便储存在各式粪池中就地处理的简易方式， 严重污染环境。为保护环境，当前农村污水处理主要采用无动力的厌氧生物——生态工艺或厌氧生 物——好氧生物——生态处理工艺形式。但在现行的生物处理单元，有的没有生物载体，有的即使设有生 物载体，但效率低下。往往存在生物量低，适应性差，处理效率低等问题。 ３ 固定生物基的国内外应用情况 固定化微生物技术用于废水生物处理，与传统的悬浮生物处理法相比，能纯化和保持高效菌种，微生 物浓度高，污泥产量少，固液分离效果好。固定化微生物技术已用于ＢＯＤ物质的去除、脱氮除磷、去酚、氰 的降解、ＬＡｓ降解、重金属离子的去除与回收以及印染废水的脱色处理等。 ３．１ 难降解有机废水处理 微生物经固定化后，对有毒物质的承受能力和降解能力都有明显提高，对于有毒物质的降解显示出 独特的优势，用于降解含酚废水、含芳香族化合物废水具有游离细胞无可比拟的优越性。Ａｎｓｅｌｍｏ等嘲研 究了用琼脂、海藻酸钙、卡拉胶和聚丙烯酰胺等载体包埋固定化微生物降解苯酚；又以聚氨脂泡沫为载体 固定镰刀菌Ｆｕｓａｒｉｕｍ ｓｐ菌丝体，在完全混合器中降解酚。结果表明，与游离菌相比，固定化微生物降解苯 酚的速率要大得多，且固定化微生物生物产量低。李香兰口睬用固定化光合细菌及间歇式反应器工艺处理 ８ 江苏技术师范学院学报 第ｌ６卷 焦化废水２ｌ ｈ，水中大部分有机污染物如喹啉类、吲哚类、吡啶类、萘类等被有效降解，使焦化废水中有机 污染物成分的ＣＯＤ从１ ５４０ｍｇ／Ｌ降至２００ｍｇ／Ｌ。 ３．２含重金属废水处理 利用固定化微生物技术处理废水中的重金属的实例也日趋增多。Ａｒｉｃａ等用海藻酸钙固定白腐真菌 菌种去除溶液中的镉，固定黄孢原毛平革菌去除溶液中的锌和铅，固定Ｆｕｎａｌｉａ ｔｍ西ｉ菌种去除溶液中的 汞、铬和锌，结果表明固定化微生物对重金属有很好的吸附效果［８－１０］。另外，我国学者在固定微生物技术处 理重金属废水也做了大量研究，通过与悬浮细胞进行对比试验寻找性能良好的固定化载体 埘。 ３．３印染废水处理 从２０世纪８０年代末９０年代初国内外就开始有人用固定化细胞技术进行印染废水脱色研究，脱色 率在８０％以上，ＣＯＤｃｒ的去除效果良好，这预示着固定化细胞技术在处理印染废水方面同样具有广阔的 应用前景。王孔星等【１３等用吸附固定法，选用一种多孔硅酸盐ｗＶ一１和一种自制的多孔陶作载体固定化 混合脱色菌ＷＤ一１，固定后的菌株在有少量氮源的条件下，ｐＨ ５—１０，温度２Ｏ一４０℃范围内对印染废水的 脱色率可达７５％；与常规的活性污泥法相串联，对印染废水进行深度处理，脱色率达到８５．１５％ 。贾省 芬等０５１采用吸附包埋相结合的固定化方法，将ＰＶＡ包埋的细菌细胞涂布并固定于作为多孔载体的棉布 上，再将固定化细胞装填于反应柱中，分别用连续和间歇进水２０ｄ后二者脱色率均在９Ｏ％以上。 ３．４含氮磷废水处理 在废水的生物脱氮方面，固定化技术有着重要的意义。曹国民 母报道了一种单级生物脱氮新技术， 即以廉价的ＰＶＡ为载体，采用循环冷冻法把固定化细胞制成平板膜状，固定于膜中的硝化菌将氨氧化为 亚氮和氮，随即被同一膜中的反硝化菌还原成Ｎ：。硝化菌与反硝化菌混合固定于膜内时的氨氧 化速率约为硝化菌单独固定时的二倍。刘敏敏【 ７】采用三种固定化方法，生物活性炭（ＢＡＣ）、海藻酸钙包埋 微生物（ＩＭ）、海藻酸钙包埋生物活性炭颗粒（ＩＢＡＣ）对生活污水的处理效果进行比较研究。结果表明，海 藻酸钙包埋生物活性炭处理废水的效果最优，其对污水中ＰＯ４３－的去除率可到８８．０８％、ＣＯＤｃｒ最高可达 ８７．２６％、ＮＨｇ－Ｎ的最高去除率可达８９．２５％。 ４ 固定生物基与传统的生物处理工艺相比的优点 生物固定生长法污水处理方法依赖载体使得微生物在其上面大量繁殖，从而提高微生物的有机降解 能力。与传统的生物处理工艺相比 固定化微生物处理工艺的特点在于：生化池内装填高效悬浮大孔载体 和接种高效微生物。载体比表面积大，孔隙率高；在载体中引量的活性和强极性基团，采用固定化技 术，将大量变异菌和酶制剂牢牢固定在载体上，载体单位体积生物量大，微生物固定化后不易脱落，一次 性驯化后可长期使用，对污水中自然微生物难解的物质降解速度快、耐毒能力强，处理效果好。 与其它生物处理工艺相比，固定化微生物处理工艺有以下优点： （１）载体单位体积生物负载量大，是传统生物处理工艺的ｌ０～２０倍。 （２）微生物活性高，适应性广，其降解能力和降解速度是传统生物处理工艺的ｌ０倍以上。 （３）微生物固定化后不易脱落，各池均能形成微生物优势菌群，降解能力强，成本低，系统恢复启动 快。 （４）ＢＯＤ 容积负荷大，依据载体性能可维持生物的多样性，具有较好的脱氮除磷效果。 （５）池容积和占地面积小 可节省占地面积和基建投资。 （６）抗冲击性能好，对水量和污染物浓度的冲击具有较强的适应能力。 ５ 广谱性个性化固定生物基应用前景 广谱性个性化固定生物基既可用于农村生物污水原位处理，节省大量管网费用，又可用于自然河道、 第３期 尚通明谢小东陈娴等：固定化微生物技术在废水治理中的应用 ９ 景观水体的生态修复，同时还可配套其他污水处理设施，取代软性填料、半软性填料及活性污泥，属无公 害制剂，用于高浓度工业废水的处理及污水处理厂的升级改造。 通过示范工程证实，广谱性个性化固定生物基用于农村生活污水净化效果良好，对推进环太湖流域 污水治理进程、逐步缓解和解决环太湖地区农村面源污染、缓解太湖富营养化，以及净化和治理水环境、 保护合理利用水资源有重要意义。 参考文献： ［１】沈耀良，黄勇，赵丹，等．固定化微生物污水处理技术［Ｍ】．北京：化学工业出版社，２００２． ［２］王建龙．生物固定化技术与水污染控制［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２． ［３］曲洋，张培玉，郭沙沙，等．复合固定化法固定化微生物技术在污水生物处理电的研究应用【Ｊ】．四 １ｌ环境，２００９，２８（３）： ７８－８４． ［４］黄霞，陈戈，邵林广，等．固定化优势菌处理焦化废水中几种难降解有机物的试验研究【Ｊ】．中国环境科学，１９９５，１５（１）：１－４． ［５］Ｋｉｒａｎ Ｂ，Ｋａｕｓｈｉｋ Ａ，Ｋａｕｓｈｉｋ Ｃ Ｐ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｃａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ叩ｔｉｍｉｚｉｎｇ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｃｒ（ＶＩ）ｆｒｏｍ ａｑｕｅｏｕｓ ＳＯ— ｌｕｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ【Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃｌａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００６，２３（６）：１－７． ［６］Ａｎｓｅｌｍｏ Ａ Ｍ，Ｎｏｖａｉｓ Ｊ Ｍ．Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｅｎｏｌ ｂｙ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｍｙｅｅｉｆｕｍ ｏｆ Ｆｕｓａｒｉｕｍ ｆｌｏｃｃｉｆｅｒｕｍ ｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｕｌｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｗａｔ． Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，１９９２，２５（１）：１６１—１６８． ［７］李香兰．固定化光合细菌处理焦化废水中难降解有机物成分的鉴定叨．光谱实验室，２００３，２０（３）：４—７． 【８］Ａｒｉｃａ Ｍ Ｙ，Ｋａｃａｒ Ｙ，Ｇｅｎｃ ０．Ｅｎｔｒａｐｍｅｎｔ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｆｕｎｇｕｓ Ｔｒａｍｅｔｅｓ ｖｅｒｓｉｃｏｌｏｒ ｉｎ Ｃａ—ａｌｇｉｎａｔｅ Ｂｅａｄ：Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｉｏｓｏｒｐｔｉｏｎ ｋｉ— ｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓ！ｓ ｆｏｒ ｃａｄｍｉｕｍ ｒｅｍｏｖａｌ ｆｒｏｍ ａｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏ１．，２００１，８０（２）：１２１—１２９． 【９］Ａｒｉｃａ Ｍ Ｙ，Ｂａｙｒａｍｏｇｌｕ Ｇ，Ｙｉｌｍａｚ Ｍ，ｅｔ １ａ．Ｂｉｏｏｓｒｐｔｉｏｎ ｏｆＨｇ２＋，Ｃｄ ａｎｄ ｂｙ Ｃａ－ａｌｇｉｎａｔｅ ａｎｄ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｗｏｏｄ－ｒｏｔｉｔｎｇ ｆｕｎｇｕｓ Ｆｕｎａｌｉａｔｒｏｇｉｉ［Ｊ］．Ｈａｚａｒｄ．Ｍａｔｅｒ．，２００４，１０９：１９１—１９９． 【ｌＯ］Ａｒｉｃａ Ｍ Ｙ， ａＣ，Ｅｒｇｅｎｅ Ａ，ｅｔａ１．Ｃａ—ａｌｉｇｎｍｅ ａｓ ａｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒ Ｐｂ（１Ｉ）ａｎｄＺｎ（Ⅱ）ｂｉｏｓｏｒｐｆｉｏｎ ｗｉｔｈ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｈｙｄ．Ｐ由．，２００３，５２：１６７－１７４． － 【１１】赵力．明胶包埋黑根酶菌丝体对水中Ｐｂ 吸附性能的研究叨．离子交换与吸附，１９９６，１２（５）：４１８． ［１２］王琰．非活性菌丝体对水中铅离子的吸附【Ｊ】．环境科学，１９９８，１９（３）：６２－６６． ［１３】王孔星，黄晓维．用无机载体固定脱色混合菌处理印染废水的模拟试验叨．环境科学与技术，１９８９，（４）：２６—２９． ［１ ４］王孔星，黄晓维．用固定化细菌处理印染废水的中试研究［Ｊ］．环境科学与技术，１９９０，（２）：２＿４． ［１５］贾省芬，杨惠芳．双载体固定化细胞的脱色研究【Ｊ］．微生物学通报，１９９３，２０（１）：９－１２． 【１６］曹国民，赵庆祥，龚剑丽，等．固定化微生物在好氧条件下同时硝化和反硝化【Ｊ］．环境工程，２０００，１８（５）：１７—１９． ［１７］刘敏敏．固定化微生物处理生活污水的研究［ＤＪ．南京：河海大学，２００８． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ＳＨＡＮＧ Ｔｏｎｇ－ｍｉｎｇ￣，ＸＩＥ Ｘｉａｏ—ｄｏ， ＣＨＥＮ Ｘｉａｎ ，ＣＨＥＮＧ Ｊｉｅ－ｈｏｎ６￣，ＬＩＵ Ｙｏｎｇ－ｘｉａｎｇ￣ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３００１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉｎ Ｚｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｈｔ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｏａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｚｅｄ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｂｉｏｂａｓｅ ｏｆｒ ｒｕｒａｌ ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｔａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｍｉｃｒｏ－ｏｒｇａｎｉｓｍｓ；ｂｉｏ－ｃａｒｒｉｅｒ；ｒｕｒａｌ ｓｅｗａｇｅ 责任编辑张志钊
