1、文章編號(hào):1672-058X(200502-0117-05微生物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用景佳佳,鄭旭煦(重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院,重慶400067摘要:對(duì)應(yīng)用于污水處理的部分微生物新技術(shù)進(jìn)行概述,即:固定化微生物技術(shù)在有毒廢水中應(yīng)用廣泛;微生物絮凝技術(shù)因其絮凝范圍廣、活性高、安全無害無污染而易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,成為當(dāng)今世界絮凝劑方向研究的重要課題;生物吸附法主要用于重金屬離子的去除;電極生物膜法是一種針對(duì)性很強(qiáng)的方法,主要為反硝化菌的生長提供良好的條件。關(guān)鍵詞:污水處理;固定化;酸化;絮凝;生物吸附中圖分類號(hào):X131.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A在當(dāng)今環(huán)境問題中,水環(huán)境污染的問題1,2相當(dāng)難避免,水體污

2、染治理已成為人們頭疼的一大難題。尤其是近期全球科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展還帶來了一些無法預(yù)料的新污染物質(zhì),如農(nóng)藥、增塑劑、洗滌劑等。眾所周知,用物理的方法(如打撈雖可清除部分污染物,但對(duì)氨氮、亞硝酸鹽等化學(xué)污染物以及禽畜糞便等的處理難以奏效,用化學(xué)的方法則易造成二次污染。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,與物理、化學(xué)等處理方法不同,能夠“吃”污的微生物控制污染技術(shù)近年來逐漸受到重視,并在污水處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)了解,美國、日本和歐洲許多國家十分重視水質(zhì)處理問題。目前常用的水處理方法有:物理化學(xué)法,臭氧活性炭聯(lián)用處理技術(shù),微生物處理技術(shù),點(diǎn)水處理技術(shù),膜分離技術(shù)36。自1882年首次進(jìn)行向污水中鼓入空氣的試

3、驗(yàn)后,生物污水處理技術(shù)就作為一種獨(dú)立的工藝方法在污水處理領(lǐng)域中占有重要地位。它以成本低、出水水質(zhì)較好、且污泥肥分高等優(yōu)點(diǎn),而被世界各國廣泛采用。微生物污水處理技術(shù)是利用微生物代謝作用中產(chǎn)生的酶來氧化分解有機(jī)污染物,從而達(dá)到凈化污水的目的7,8。但是,傳統(tǒng)的生物技術(shù)和物化方法在水處理中存在不足,如對(duì)重金屬離子和芳烴類難降解有機(jī)物的去除效果很差,甚至沒法去除;沉淀、電解等物化方法也存在污泥量大、處理量受限、易產(chǎn)生二次污染和成本高等許多問題。當(dāng)今世界,環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,而生物技術(shù)和基因工程正突飛猛進(jìn)地發(fā)展,研發(fā)高效率、低能耗、易普及的特種生物和特殊工藝已成為水處理技術(shù)的熱點(diǎn)。1固定化微生物技術(shù)1

4、.1固定化細(xì)胞方法原理固定化微生物技術(shù)是指通過采用物理或化學(xué)的方法將游離微生物細(xì)胞定位于限定的空間區(qū)域內(nèi),使其成為不懸浮于水,但保持活性,并可反復(fù)使用。它包括固定化酶、固定化細(xì)胞和固定藻,其中以固定化細(xì)胞研究較多。制備固定化微生物的方式多種多樣,任何一種限制微生物自由流動(dòng)的技術(shù)都可以用于制備生物吸附劑。國內(nèi)外研究工作者一般認(rèn)為制備固定化微生物的方法有4種,即吸附法、共價(jià)結(jié)合法、交聯(lián)法和包埋法。吸附法又叫載體結(jié)合法,該法操作簡單。吸附載體如硅膠、活性碳、多空玻璃和石英砂等,以及利用微生物細(xì)胞因離子鍵合作用而固著于有異相電荷的離子交換劑上的原理,如DE AE纖維素、C M纖維素等。共價(jià)結(jié)合法是通過

5、微生物細(xì)胞表面上的功能團(tuán)與固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)之間形成化收稿日期:2004-09-07;修回日期:2004-11-18。作者簡介:景佳佳(1981-女,重慶沙坪壩區(qū)人,助理實(shí)驗(yàn)師,從事生物化學(xué)研究。學(xué)共價(jià)鍵連接,從而使微生物成為生物吸附劑。這種方法穩(wěn)定性好,但操作控制難度大。交聯(lián)法類似于共價(jià)結(jié)合法,只是交聯(lián)法采用的載體是非水溶性的,如戊二醛。包埋法是最常用的方法,按包埋系數(shù)的結(jié)構(gòu)可分為凝膠包埋法和微膠裹法,即將生物細(xì)胞包裹于凝膠的小格子內(nèi)或半透膜聚合物的超濾膜內(nèi),如聚丙烯酰胺凝膠(ACAM、海藻酸鈣、卡拉膠、環(huán)氧樹脂、瓊脂糖膠和聚乙烯醇(P VA等。不過,交聯(lián)法微生物反應(yīng)活性損失較大,且采

6、用的交聯(lián)劑大都比較昂貴,因此應(yīng)用受到一定限制。1.2固定化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與普通懸浮生物處理法相比,固定化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:能在生物處理裝置內(nèi)維持高濃度的生物量,提高處理負(fù)荷、減少處理裝置容積;污泥產(chǎn)量少;可選擇性地固定優(yōu)勢菌種,提高難降解有機(jī)物的降解效率;抗毒物毒性強(qiáng);對(duì)水質(zhì)及pH的變化有較好的穩(wěn)定性。這些優(yōu)點(diǎn)使固定化技術(shù)在廢水處理中受到重視,特別是在難降解和有毒廢水處理中表現(xiàn)出更大的潛力。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)固定化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。根據(jù)所固定微生物的種類的不同,固定化方法也有所不同。常用的方法主要有3種:載體結(jié)合法、包埋法和交聯(lián)法。其中載體結(jié)合法中的物理吸附法和包埋法是目前研究最廣泛的方

7、法。1.3固定化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用(1有色廢水脫色。韓樹琴等9以瓊脂為載體固定蠟狀芽孢桿菌45號(hào),連續(xù)處理酸性紅B溶液,當(dāng)進(jìn)水濃度為42.1mg/L時(shí),出水平均脫色率為87%。黃曉維等用自制的多孔陶珠,劉志培等以聚乙烯醇固定混合脫色菌,都取得了較好的脫色效果。李雷等研究了用活性炭固定化細(xì)菌處理經(jīng)活性污泥曝氣處理后的印染廢水,其最終出水CODCr<50mg/L,色度<4.5倍。牛志卿等采用聚集交聯(lián)法固定化紫色非硫光合菌用于處理活性艷紅X3B染液,連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)45d,脫色率保持80%左右。張琳等采用同樣的方法將高效脫色菌群固定在活性污泥上,形成絮狀立體網(wǎng)狀微觀結(jié)構(gòu)。固定化脫色菌活性污泥

8、的脫色酶活力較未經(jīng)固定的活性污泥提高70%左右。在厭氧條件下,對(duì)針織廠印染廢水色度的平均去除率為77.3%, COD C r平均去除率為65.1%。梁沈平等采用凹凸棒粘土顆粒和塑料環(huán)為載體固定的高效脫色菌,大大縮短了反應(yīng)時(shí)間,提高脫色率。(2處理洗滌劑廢水。蔣立銳等10用ACAM凝膠包埋假單胞桿菌B3菌株,對(duì)合成洗滌劑廢水中的LAS,去除率達(dá)60%。李彤等用P VA硼酸化法包埋經(jīng)富集得到的降解LAS的細(xì)菌菌系,處理洗衣粉廢水中的LAS,適合條件下,LAS的去除率可達(dá)90%以上。(3處理制藥廢水。王蕾等11研究了用固定化球和厭氧好氧工藝處理四環(huán)素結(jié)晶母液,COD和四環(huán)素的去除率均為96%,容積負(fù)

9、荷(COD2.07kg/(m3d,較普通法提高16.3%,產(chǎn)氣量提高4.57倍。黃霞等也進(jìn)行了類似的研究。陳敏等以P VA包埋活性炭與微生物,對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥水胺硫磷的降解進(jìn)行研究。初始濃度為13002500mg/L時(shí),去除率為55%72%。其最終產(chǎn)物為CO2、H2O、NH3、H2S和H3P O4等無機(jī)物。Heitka mp等用硅藻土吸附固定3種假單胞菌的混合菌處理對(duì)硝基苯酚(P NP,HRT 為4858m in時(shí),P NP的去除效率為0.991.1mg/(hg。2微生物酸化廢水處理技術(shù)2.1微生物酸化廢水法技術(shù)原理復(fù)雜的有機(jī)物水解發(fā)酵為有機(jī)酸,可使溶液的pH值下降,利用這種發(fā)酵預(yù)處理制漿造紙黑液

10、,使其pH值下降適合后續(xù)的生化處理,即所謂的“微生物酸化法”。微生物酸化是近年來發(fā)展起來的新型廢水處理技術(shù),因眾多的微生物能將天然的纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪酸化,轉(zhuǎn)化為小分子化合物,亦能將合成高分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于好氧生物降解的低分子化合物。微生物酸化作用是依靠一系列水化分解、酶系統(tǒng)、微生物代謝反應(yīng)互為條件、互相促進(jìn)來完成的,實(shí)質(zhì)是一種酶促生化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)微生物酸化,污水CODC r去除率達(dá)14%19%,出水VF A增量達(dá)2.00倍以上。2.2微生物酸化技術(shù)應(yīng)用12微生物酸化法對(duì)pH值不太高的石灰法和堿法稀黑液的厭氧預(yù)處理是很有效的,對(duì)pH值高的堿法黑液也適用。微生物酸化不僅能去除30%左

11、右的有機(jī)物,而且能提高有機(jī)物的可生化性,使其易于下一步811重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第22卷好氧生物的分解。因此微生物酸化單元能夠節(jié)省好氧段單元的鼓風(fēng)量與能耗,能降低約40%的單元運(yùn)行費(fèi)用。由于水解酸化菌能夠分解起泡物質(zhì),因此,下一段的泡沫較少,也不會(huì)溢出池外或在空中飄舞。酸化池一般不需曝氣與攪拌,也沒有異味與氣泡。生物酸化段對(duì)致病菌的去除率很高,因此,生物酸化段可改善處理站周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量,也有利于提高最終出水的衛(wèi)生狀態(tài)。3微生物絮凝劑技術(shù)3.1微生物絮凝技術(shù)原理生物稱為絮凝劑產(chǎn)生菌,至今發(fā)現(xiàn)的具有絮凝性的微生物至少有19種13,其中霉菌8種,細(xì)菌5種,放線菌1種,最具代表性的有醬油曲

12、霉用其生產(chǎn)的絮凝劑為AJ7002;有擬青霉屬微生物,生產(chǎn)的絮凝劑為PF101;另外還有目前最好的絮凝劑紅平紅球菌,生產(chǎn)的絮凝劑為NOC1已問世。3.2微生物絮凝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)絮凝劑具有絮凝范圍廣,絮凝活性高,安全無害無污染等特點(diǎn),而且絮凝劑產(chǎn)生菌的種類多,生長快,絮凝劑價(jià)格較低,易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。3.3微生物絮凝劑的應(yīng)用14,15(1畜產(chǎn)廢水的處理。畜產(chǎn)廢水的BOD 高,處理困難,用高分子絮凝劑處理,雖有較好的處理效果,但存在二次污染。用微生物絮凝劑可以有效地去除畜產(chǎn)廢水中的T OC 和T N,去除率分別在70%和40%左右,并且處理后的廢水是無色澄清的。(2廢水的脫色。目前廢水處理技術(shù)雖能將BOD

13、降低,但對(duì)可溶性色素溶液的脫色還缺乏有效的方法。采用R.erythr op lis 生產(chǎn)的微生物絮凝劑不僅具有絮凝沉淀效果,而且對(duì)高分子絮凝劑不能去除的著色物質(zhì)也有優(yōu)異的脫色效果。(3污水沉降性能的改善。微生物絮凝劑能有效改善污泥沉降性能,防止污泥解絮,提高整個(gè)處理系統(tǒng)的效率。由紅平紅球菌制得的微生物絮凝劑WOC 1加入已發(fā)生膨脹的活性污泥中,可以使得污泥的S V I 1從290降到50,可以應(yīng)用到給水處理,飲料以及食品醫(yī)療的發(fā)酵的處理工藝,其它更廣泛的領(lǐng)域有待開發(fā)。4生物瀝濾法近年來,生物法用于瀝濾污泥中的重金屬,效果較為顯著,其機(jī)理是因?yàn)榛钚晕勰嘀写嬖谝訤e 2+和還原性硫?yàn)樯L質(zhì)的細(xì)菌。

14、生物法瀝濾金屬時(shí),金屬硫化物在鐵氧化細(xì)菌作用下被氧化成金屬硫酸鹽,Fe 2+被氧化成Fe 3+,Fe 3+又和金屬硫化物反應(yīng)生成金屬離子和元素硫,元素硫則繼續(xù)被硫細(xì)菌氧化成硫酸,使污泥下降并促使金屬進(jìn)一步溶出16,17。5電極生物膜法5.1電極生物膜法原理1821電極生物膜法的原理是采用固定化技術(shù)將提純的反硝化菌固定在陰極表面,在低壓直流電作用下,陰極產(chǎn)生氫(實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),氫在被利用前以原子形式存在,并在酶的催化作用下陰極表面的反硝化菌以電解產(chǎn)生的氫氣為電子供體,發(fā)生反硝化反應(yīng)使硝酸鹽氮還原。5.2電極生物膜法優(yōu)點(diǎn)生物膜電極法是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型廢水處理技術(shù),它將生物膜和電化學(xué)法有機(jī)結(jié)合,

15、形成911第2期景佳佳,等:微生物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用021重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第22卷一種機(jī)理獨(dú)特的廢水處理單元,它依靠生物本身對(duì)載體的吸附生長,將微生物固定在電極表面,形成一層生物膜,然后在電極間通以一定電流,使污染物在生物和電化學(xué)雙重作用下得到降解,這種方法集中體現(xiàn)在廢水脫氮實(shí)驗(yàn)。此方法相對(duì)于相同生物量的單純生物膜法而言,有更高的反硝化效率,并能很好控制水中亞硝酸鹽氫的生成,脫氮效率高,電極材料比較便宜,處理費(fèi)用低,適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn),將它用于化肥生產(chǎn),炸藥生產(chǎn),核工業(yè)等高濃度的硝酸鹽廢水處理比較理想。5.3電極生物膜法應(yīng)用在廢水處理中,由于污水中的成分復(fù)雜,而且在電場作用下,各種

16、物質(zhì)對(duì)陰極表面的微生物的影響還不甚了解,并且將電極生物膜法應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的研究才剛剛起步。令人鼓舞地是,如今這方面的研究已經(jīng)取得了較大的突破。(1處理農(nóng)藥廢水。2001年,Z.Felckc等研究電極生物膜處理農(nóng)藥廢水時(shí)發(fā)現(xiàn),農(nóng)藥I PT阻礙反硝化過程中NO-N2反應(yīng)的進(jìn)行,生成副產(chǎn)物為N2O。在I PT存在的條件下,大約30%的NO-3轉(zhuǎn)化為2N2O。在沒有I PT存在的條件下95%的NO-3轉(zhuǎn)化為N2O。針對(duì)這種情況,他們在電極生物膜反應(yīng)器后增加一個(gè)活性炭吸收池,不僅可以使得出水I PT達(dá)標(biāo)(40g/L而且還避免了NO的積累。2(2Tomohicle研究工業(yè)廢水。CuNO的酸浸廢水發(fā)現(xiàn)銅

17、離子的存在對(duì)反硝化反應(yīng)有著明顯抑制作3用,且隨著銅離子濃度升高,滯后期逐漸延長,對(duì)此考慮如何減少或避免其副作用,提高反硝化,Tomohicle 及后來研究者都進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)。6生物吸附技術(shù)6.1生物吸附機(jī)理微生物細(xì)胞和其分泌物與水中懸浮顆粒凝聚在一起,形成活性污泥絮凝體,表面覆蓋著有粘性的以多糖類為主體如多羥丁酸的粘質(zhì)層,使其表面張力較低,形成具有很強(qiáng)吸附能力的生物吸附劑。經(jīng)研究,目前可作為吸附劑原料的有:工業(yè)發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢棄菌絲體和藻類。生物吸附技術(shù)早已被人們所認(rèn)知和利用,但用生物吸附去除廢水中重金屬離子,在我國近些年才開始研究。6.2生物吸附技術(shù)優(yōu)點(diǎn)生物吸附法的原材料來源豐富,品種多,

18、成本低,不僅吸附設(shè)備簡單,易控制,而且具有速度快,吸附量大,選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。目前開發(fā)出的AMT-B I O CLA I M和A lgsS OR等,不論是價(jià)格還是性能都可以與同類產(chǎn)品相抗衡。6.3生物吸附技術(shù)應(yīng)用高性能生物吸附劑的研制與開發(fā)一向是生物吸附技術(shù)研究的重要課題,目前,用白腐真菌吸附鉛,酵母菌吸附鉛,假單胞菌胞外高聚物WJI對(duì)水溶性染料及Cr(V I的吸附等,國內(nèi)外專家對(duì)此有一定研究,我國中科院成都研究所趙曉紅等用脫硫桿菌(SRV去除電鍍廢水中的Cu2+,在銅離子濃度為246.8 mg/L的溶液(pH4.0中去除率達(dá)99.12%。吳乾箐等人從電鍍污泥,廢水及下水道鐵管中分離篩選出35株

19、菌株,從中獲得5株復(fù)合功能菌,并將其用于示范工程中,對(duì)Cr6+,Cr3+,Zn2+,Cu2+等金屬的一次交貨率達(dá)99%,對(duì)鉻等金屬回收率大于85%。生物吸附法如果使用死的微生物細(xì)胞作為生物源具有容易固定化的特點(diǎn),化學(xué)穩(wěn)定性好,可根據(jù)需要制成特殊的生物吸附劑并可反復(fù)使用。因此,近年來重金屬生物吸附劑逐漸從活的微生物向死的微生物發(fā)展。今后對(duì)于生物吸附劑的研究,應(yīng)該主要集中在以下兩個(gè)方面。一方面,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生物吸附機(jī)理的研究。利用掃描電鏡(SE M和x射線衍射分析研究金屬在細(xì)胞內(nèi)的沉積部位和狀態(tài),金屬與細(xì)胞特定官能團(tuán)結(jié)合的能量變化以及官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和特征并對(duì)生物吸附劑對(duì)重金屬吸附反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)。7結(jié)論

20、與展望隨著人們對(duì)自身健康的重視,對(duì)生活質(zhì)量要求日益提高,人們對(duì)飲用水水質(zhì)的要求也日益提高,同時(shí),隨著水污染的加劇,良好的水源更難尋求,水處理將面臨著更大的挑戰(zhàn)。上述幾種方法只是微生物新技術(shù)中的一部分。有的已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中,有的正處于實(shí)驗(yàn)階段。它們對(duì)微生物的利用方式不盡相同。微生物絮凝技術(shù)實(shí)際是利用微生物體及其分泌物的物化方法,如果進(jìn)一步降低微生物絮凝劑的成本,或與微生物對(duì)有機(jī)物的降解作用相結(jié)合,其應(yīng)用范圍就會(huì)更加擴(kuò)大。固定化技術(shù)則需要在降低固定化成本、制作和選擇理想的固定化介質(zhì)和合適的反應(yīng)器等方面繼續(xù)探究。生物吸附法在重金屬離子去除的機(jī)理、防止二次污染和重金屬離子特別是貴重金屬的回收利用等

21、方面的研究需要進(jìn)一步深入。電極生物膜法是一種針對(duì)性很強(qiáng)的方法,主要為反硝化菌的生長提供良好條件。參考文獻(xiàn):1TI M F R,M I CHAE L E,LASS MAN D P,et al .Evidence f or ir on,copper and zinc comp lexati on as multinuclear sul phideclusters in oxic riversJ .Nature,2000,406:879-8822QU I R I N S .Studies assess risks of drugs in water cycleJ .Nature,2003,424:5

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30、I A J R,MOZET O A A.B i oleaching of metals fr om anaer obic se wage sludge:effects of t otal s olids,leaching m icr oorganis m s,and energy s ourceJ .Envir on Sci Health Part A Tox Hazard Subst Envir on Eng,2001,36(5:793-80618PROS NANSKYM ,S AK AKI B ARA Y,K URODA M.et al .H igh -rate denitrificati

31、 on and SS rejecti on by bi ofil m -electr odereact or (BER combined with m icr ofiltrati onJ .W ater Res,2002,36(19:4801-481019S AK AKI B ARA Y,NAK AY AMA T .A novel multi -electr ode syste m f or electr olytic and bi ol ogical water treat m ents:electriccharge transfer and app licati on t o denitr

32、ificati onJ .W ater Res,2001,35(3:768-77820I CH I K AWA K,NAK AMURA HK,OG AWA N,et al .R&D of l ong -ter m life support syste m by using electr oche m ically ac 2tivated bi ofil m react or of aquatic ani m als f or s pace exa m inati onsJ .B i ol Sci Space,1999,13(4:348-350(下轉(zhuǎn)第138頁121第2期景佳佳,等:微生

33、物技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用138 重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 22 卷 第 points out that the virtualization is the develop ing trend of the environment supervision instruments On the basis . of this and the structure and p rincipal of the environm ent supervision instrum ents, environmental supervision is imp lemented in such three

34、ways as exp loiting analysis softw are w ith self intellectual p roperty rights, develop ing Keywords: environment supervision instrum ents; virtual instrument; virtualization; countermesure 責(zé)任編輯 : 田 靜 virtualization physical pollution monitoring instrum ents and develop ing network virtualization i

35、nstrum ents . and more badly The technology of waste water treatm ent is develop ing rap idly, among of them the m icrobial . gress of new technology in waste water treatm ent Fastness m icrobial treat ent is app lied in venomousness waste . m heavy m etal ion. Electrode biology membrane can p rovid

36、e a good grow th condition for nitration bacterium. late treat ent; electrode biology m embrane ; biology adsorp tion m technology becom es a hot point because of its high efficiency and low consum e. This paper summ arizes the p ro 2 Key word: waste water treat ent, ; fastness m icrobial treatm ent; m icrobial acidification; m icrobial floccu2 m 責(zé)任編輯 : 田 靜 © 1994-2010