微生物在廢水處理中的應用進展

1、第17卷 第1期vol. 17no. 1重 慶 工 學 院 學 報journal of chongqinginstitute of technology2003年2月feb. 2003文章編號:167120924 (2003) 0120008204微生物在廢水處理中的應用進展全學軍,林治華,周躍鋼(重慶工學院 生物工程學院,重慶 400050 )摘要:污水處理主要分為生化法和物理化學法兩類。生化法具有投資少,操作方便,時間短等優(yōu)點,而且能有效地減輕,甚至沒有二次污染,高效回收有用物質(zhì)。文中綜述了微生物在含重金屬離子廢水 、 啤酒廢水 、 染料廢水 、 含油廢水 、 核工業(yè)廢水 、 抗生素工業(yè)廢

2、水等廢水處理中的應用情況。關(guān)鍵詞:微生物;廢水;處理;應用中圖分類號: q93919文獻標識碼: a0引言隨著工業(yè)的高速發(fā)展和人口的膨脹,水環(huán)境污染問題越來越嚴重地威脅著人類的生存環(huán)境,制約著社會和經(jīng)濟的進一步發(fā)展 。因此,治理廢水,保護世界上水資源免受污染已成為全球性課題。在目前所發(fā)展的廢水處理技術(shù)中,廢水生物處理法已成為世界各國處理城市污水和工業(yè)廢水,控制水污染的主要手段。廢水生物處理是除物理化學法外的另一類水處理方法,它利用微生物生命活動過程對廢水中污染物進行轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化作用,使廢水得到凈化的處理方法。其主要特征是應用微生物在為充分發(fā)揮微生物的作用而專門設計的生化反應器中,將廢水中的污染物

3、轉(zhuǎn)化為微生物細胞以及簡單形式的無機物。與物理化學方法相比,生物處理法具有一系列特點 。由于污染物的生化轉(zhuǎn)化過程不需要高溫、 高壓,在溫和的條件下經(jīng)過酶催化即可高效并相對徹底完成,因此,處理費用低廉;微生物具有來源廣,易培養(yǎng),繁殖快,對環(huán)境適應性強和易實現(xiàn)變異等特性,適當?shù)貙ζ浼右耘囵B(yǎng)繁殖,特別是在一定特定條件下進行馴化,就能使之很好地適應各種有毒的工業(yè)廢水環(huán)境;通過有針對性地對菌種進行篩選、 培養(yǎng)和馴化,可以使大多數(shù)的有機物質(zhì)實現(xiàn)生物降解處理,因此對廢水水質(zhì)的使用面越來越寬;廢水生物處理法不加投藥劑,可以避免對水質(zhì)造成二次污染 。另外,生物處理效果良好,不僅去除了有機物、 病原體 、 有毒物質(zhì)

4、,還能去處臭味、 提高透明度、 降低色度等。所有這些優(yōu)點都使生物處理法處理廢水成為廢水處理方法的首要選擇 。1 含重金屬離子廢水的處理目前工業(yè)上普遍應用的幾種處理重金屬廢水的方法:如活性污泥法、 生物膜法 、 化學沉淀法 、 活性碳吸附法和離子交換樹脂法,雖效果較好,但因過程繁瑣,成本較高,而不夠理想 。另一方面,我國的發(fā)酵工業(yè)比較發(fā)達,大量的廢棄菌絲體無法處置,已成為一個新的污染源。近幾年來,國外有人利用廢棄菌絲體吸附廢水中重金屬離子,這樣即解決了工業(yè)廢水污染問題,又解決了發(fā)酵廢渣處置問題 。而且回收大量貴重金屬,成本低廉,是環(huán)保領(lǐng)域以廢治廢,變廢為寶的新措施。從廢水 、 電鍍污泥及下水道管

5、內(nèi)分離篩選出35株菌株,從中獲得高效凈化重金屬的5株復合功能菌,進行微生物凈化回收電鍍廢水和污泥中鉻等金屬的示范工程,對zn2+、cu2 +、ni2 +、cr3 +、cr6 +等金屬的一次凈化率達到99. 9 %1 以上,污泥量極少,并且從中回收鉻等金屬,回收率大于85 %1 。其處理機理是根據(jù)獲得的高效功能菌對金屬離子有靜電吸附作用,酶的催化轉(zhuǎn)化作用、 絡合作用 、絮凝作用 、 共沉淀作用及對ph值的緩沖作用,使得金屬離子被沉淀,同原液分開離,廢水被凈化 。微生物法是治理電鍍廢水的高效生物技術(shù),建成的年處理0. 034. 6萬噸電鍍廢水的微生物治理工廠1 ,運行穩(wěn)定,處理效果很好 。水回用,

6、金屬回收,功能菌無二次污染,消耗材料少,運行費和耗能均低,安全無毒 。本技術(shù)有重大的實用價值和顯著的社會、 環(huán)境 、 經(jīng)濟三大效益,易于推廣應用1 。收稿日期:2002210207作者簡介:全學軍(19632) ,男,重慶人,博士,教授,主要從事生物工程研究1? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/2含硫化物廢水的處理自然界中能氧化硫化物的微生物很多,大部分屬于化能營養(yǎng)型,主要可分為3類:絲狀硫細菌 、 光合硫細菌和無色硫細菌 。采用好氧生物膜反應器進行

7、生物脫硫。其硫化物的去除率可達90 %以上2 ,被去除的硫化物幾乎全部轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫,有機物的去除率在10 %左右 。另外,硫化物的去除率主要與硫化物容積負荷和溶解氧do濃度有關(guān),在保證去除率為90 %以上時,反應器內(nèi)所需的do濃度與硫化物容積負荷呈線性關(guān)系。反應器內(nèi)ph值會由于硫化物的氧化而升高,其升高值與硫化物去除負荷呈線性關(guān)系 。好氧生物膜反應器填料表面附著的無色硫細菌(csb)是一種適應能力較強、 生長繁殖迅速、 生化反應速率很高的細菌2 。其處理廢水的流程見圖1。圖1 生物脫硫?qū)嶒灹鞒?、 計量泵 2、 空氣泵 3、 轉(zhuǎn)子流量計 4、 脫硫反應器 5、 沉淀池3啤酒廢水的處理啤酒廢水是

8、一種容易生物降解的有機廢水。它里面含有麥糟 、 糖類 、 酵母體 、 啤酒殘液 、 洗滌劑和其他一些污物 。據(jù)報道,國外每產(chǎn)一噸啤酒可產(chǎn)生廢水820噸,國內(nèi)一般為2030噸,啤酒廢水中有機物含量較高,不處理直接排放,會大量消耗水體溶解氧,惡化環(huán)境 。近幾年來,我國啤酒產(chǎn)量又有了非常顯著的增加,所以它的廢水處理已是一個日益引人關(guān)注的問題。取動物源污水處理站的消化污泥,過濾去除雜質(zhì)后讓其沉淀,去掉部分清液,取一定量污泥放入消化罐內(nèi)作為菌種,只是注意保持恒溫30,p h值調(diào)到6. 7和加入進水含少量尿毒 、 磷鹽,碳 氮 磷比為100 :2. 5 :0. 5的水,該接種污泥菌膠團豐富,結(jié)構(gòu)好,絮狀體

9、大,產(chǎn)氣活躍,對啤酒廢水適應快,接種幾天后cod就有明顯的去處效果。經(jīng)過一個多月的培育馴化,部分菌膠團便開始形成一些不規(guī)則圖形的顆粒狀污泥,至兩三個月后,顆粒狀污泥大量出現(xiàn),隨后污泥沉降性能改善,出水清澈,出水懸浮固體通常都在100 mgl左右,因而為提高水力負荷提供了有利的條件 。通過試驗了解到,顆粒狀污泥是由厭氧污泥中的菌膠團通過其中的細菌的生長繁殖,逐漸加厚增大而發(fā)展過來的,且它不必特殊培養(yǎng),只要合適的水質(zhì)和條件,經(jīng)過二 、 三個月的正常運行,便可在厭氧活性污泥中自然形成。采用厭氧方法處理,可以達到減少污染和獲取沼氣的目的 。只要實驗中控制好運行條件,促進顆粒狀污泥的形成,可以顯著提高處

10、理效率。由于啤酒廢水所能提供的堿度較低,在水中適當投加一些碳酸鈉,對于正常運行是必要的3 。4 染料廢水的處理用生物方法進行印染廢水處理具有廣泛應用前景。從印染廠污水中分離、 篩選出高效脫色菌,將其固定化于凹凸棒顆粒,組裝成固定化微生物反應柱,試驗其對各種染料及實際廢水的脫色效果,確定生物降解條件和各種參數(shù),并探討脫色機理,為開發(fā)實用化的固定化生物技術(shù)提供參考和依據(jù)。凹凸棒4 顆粒對染料的吸附與固定化細菌對染料的降解的雙重作用,固定化填料吸附了染料,既有利于廢水的脫色,又為細菌提供了集中的營養(yǎng)物,有利于細菌繁殖。細菌對染料降解,不斷騰出填料的吸附空間,可以再吸附水中的染料 。雖然所試驗的3種染

11、料4 結(jié)構(gòu)相差很大,但個別染料的降解產(chǎn)物掃描曲線在350nm處均有吸收峰,引起吸收峰的產(chǎn)物到底是苯環(huán)類小分子物質(zhì)(染料分子均含苯環(huán)結(jié)構(gòu)),還是細菌自身的降解產(chǎn)物,以及這種降解產(chǎn)物與處理廢水中cod的關(guān)系,有待進一步研究4 。實驗用的裝置及流程如圖2所示:圖2固定化運行系統(tǒng)裝置示意圖1、 貯水池 2、 蠕動泵 3、 固定化柱 4、 液體流量計5、 空氣流量計 6、 空氣泵 7、 預熱器9全學軍 ,等 :微生物在廢水處理中的應用進展? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved.

12、 http:/5含油廢水的處理在石油開采 、 儲運和煉制過程中,由于操作不當或事故泄露等原因,常會有石油外溢或排放,造成環(huán)境污染。微生物降解方法在環(huán)境污染凈化過程中起著重要作用,正日益受到重視 。在適宜的條件下,用存在于石油污染現(xiàn)場的微生物群能夠有效地降低廢水中有機物的含量,利用生物降解法處理含油廢水具有成本低、 投資省 、 不會造成二次污染等優(yōu)點 。微生物對廢水中石油烴類的降解,主要是在加氧酶的催化作用下,將分子氧結(jié)合到基質(zhì)中,先是形成含氧中間體,然后再轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)。因而,氧是影響好氧微生物生長和降解有機污染物的重要因素。在有機污染物存在時,微生物耗氧變化已被用于表征有機物的可降解性 。當

13、密封體系中有活性污泥和受試物存在時,溶液中溶解氧的減少與反應時間呈線性關(guān)系。設在反應初期,微生物自呼吸及有機物存在時耗氧速率遵從下式:do2d t=k?s?o2(1)式中o2 溶液中溶氧量,mgl ;s 活性污泥中微生物的質(zhì)量;k 反應速率常數(shù),min。當s量一定時,do2d t=k o2從而有l(wèi)n o2to2o=kt+c式中 o2o和 o2t分別為溶液中起始含氧量和t時刻的含氧量, c為常數(shù)項 。實驗測得,石油是由脂肪烴、 芳香烴及少量瀝青和其他有機物所組成,由于成份復雜,很難用單一的一種微生物進行降解 。不同類型有機物對微生物耗氧速率的影響有一定差異,這與有機物的結(jié)構(gòu)類型或化學穩(wěn)定性有關(guān)5

14、 。一般認為,微生物是通過自身特殊的呼吸系統(tǒng)使長鏈脂肪烴進入自身細胞內(nèi),然后在加氧酶的催化作用下使其逐步氧化分解,并攝取該分解過程中產(chǎn)生的能量供自身生長所用 。芳香烴類化合物則是先轉(zhuǎn)化成脂肪烴化合物再逐步分解的,所以芳香烴類化合物的微生物降解速率比直鏈脂肪烴類化合物慢。對于有機物結(jié)構(gòu)與微生物可降解性之間的關(guān)系則有不同的解釋。但總的說來,有機物滲透到微生物細胞是反應的速率控制步驟,對于同系物則是支鏈烷烴化合物比直鏈烷烴化合物難降解,這是由于 “空間效應”造成的 。由實驗還可知,受試物為苯和環(huán)已烷時的耗氧速率常數(shù)k值相近5 ,可用它們的“空間效應”相同來解釋 。能降解石油烴的微生物多數(shù)屬于假單胞菌

15、屬,故采用適于假單胞菌屬生長的培養(yǎng)基選育菌株,微生物培養(yǎng)是在25 避光條件下進行的5 。微生物降解有機物的速率,在很大程度上是取決于氧的供給和含油廢水中是否有適于微生物生長的營養(yǎng)物,最佳營養(yǎng)物的組成,加入數(shù)量和加入方式以及有效供氧將有待繼續(xù)研究 。監(jiān)測在反應初期的耗氧速率是評估微生物降解含油廢水中有機污染物的可行方法之一5 。6 核工業(yè)廢水中钚 2239的處理多年來,國內(nèi)外對239pu廢水的治理最多的方法是用離子交換 水泥固化法,該法工藝流程冗長,處置239pu的水泥罐堆積如山,需要保存幾萬年。80年代以來,國內(nèi)外一些學者探索了微生物去除廢水中cd2+、zn2 +、ni2 +、cr6 +、u、

16、th、239pu的可能性,其中微生物凈化u的研究進展較大 。而微生物凈化239pu的研究甚少。l.e. hersman觀察到假單細胞可吸附微量的钚2239 ; h. r. meyer等報道將活的假單孢菌與粉絲狀聚丙烯結(jié)合,得到聚合物能從水中沉淀34 %的懸浮puo2和94 %的可溶pucl4。李福德等同志從含钚廢水和污泥中分離、 篩選了13株菌,從中獲得了高效富集239pu的or菌,or菌對239pu的去除率可達99 % ,回收率為95 %6 。從核工廠的廢水污泥中分離、 篩選了13株菌,從中獲得了凈化回收廢水中钚2239的高效or功能菌 。or菌凈化核工業(yè)廢水中239pu的條件是:p h6

17、,30,每升pu廢水中加入50gor菌,振蕩富集5min ,可去除99 %的239pu;用200 ml 0. 5 moll nahco3振蕩解收10 min ,解吸2次,可回收95 %以上的239pu。or菌富集的239pu機理是菌的細胞壁對239pu粒子捕獲形成表面吸附,同時發(fā)生絮凝,使廢水中239pu得以去除 。向解吸后的or菌加以培養(yǎng)基,可使其復壯生長。用or菌凈化回收核工業(yè)廢水中239pu ,投資小,運行費低,操作簡單,管理方便,不存在二次污染,該法可替代現(xiàn)行的離子交換 水泥固化處理核工業(yè)廢水239pu的方法 ?？杀苊夂笳卟荒芑厥?39pu的缺點,有顯著得經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益6 。7

18、 抗生素工業(yè)廢水的處理抗生素工業(yè)廢水是一類高色度、 含難降解和生物毒性物質(zhì)多的高濃度有機廢水,國內(nèi)300多家企業(yè)生產(chǎn)占世界產(chǎn)量20 %30 %的70多個品種的抗生素,廢水排放量大且目前大多直接排放,嚴重危害水體環(huán)境。目前國內(nèi)外應用的治理技術(shù)不多且不成熟,已建成的以好氧工藝為主的工程,投資和處理成本高,廢水實際處理率很低。歐美日等國從40年代生產(chǎn)青霉素時就已經(jīng)開始處理其廢水,因受當時處理技術(shù)的限制,至70年代大多仍采用活性污泥法 、 生物濾池等。而從70年代開始,他們將這類大宗常規(guī)原料藥生產(chǎn)向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)而開發(fā)高技術(shù)、 高附加01重 慶 工 學 院 學 報? 1994-2009 china

19、 academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/值的新藥,原因之一就是污染治理問題。所以國內(nèi)當前采用好氧 、 厭氧生物處理工藝的應用水平在一定程度上代表這類廢水處理的實際水平。其可行的治理工藝為:前處理-厭氧-好氧組合工藝。前處理的目的是使物料的理化性狀適合于后續(xù)厭氧消化工藝要求,除調(diào)節(jié)穩(wěn)定水量、 水質(zhì)(cod、ss、 堿度 、ph、 物料營養(yǎng)比例等)外,還有去處生物抑制物質(zhì),提高廢水可生化性的作用。主要前處理方法有:生物水解酸化、沉淀 、 絮凝 、 過濾等 。厭氧處理目的是利用高效厭氧工藝容積

20、負荷高、cod去處率高 、 耐沖擊負荷的優(yōu)點,減少稀釋水量并且能較大幅度地削減cod ,以降低基建、 設備投資和運行費用,并回收沼氣 。厭氧段還有脫色作用,這對高色度抗生素廢水的處理意義較大。好氧處理的目的是要保證厭氧出水(cod為1 0004 000 mgl7 )經(jīng)處理后達標排放。同時,對于高氮、 高cod廢水,通過厭氧 2好氧組合工藝還可達到脫氮的目的7 。8結(jié)束語近年來,現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展也促進了廢水生物處理技術(shù)的進步,特別是電子計算機的廣泛使用,不僅使處理工藝控制自動化,而且在生物技術(shù)上也廣泛開展數(shù)學模擬研究,把工藝動力學中許多環(huán)節(jié),許多相關(guān)式用數(shù)學模型來表達,然后把動態(tài)程序設計輸入電

21、子計算機,由電子計算機進行工藝條件最優(yōu)化的選擇,對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。據(jù)報道,有人已研制成功電子計算機輔助系統(tǒng),該系統(tǒng)包括設計時的分析程序和處理程序,減輕了廢水處理廠設計工作的難度 。隨著人類環(huán)保意識的增加,人們越來越重視對環(huán)境的保護,廢水生物處理法作為水處理領(lǐng)域十分活躍的分支,正在以驚人的速度發(fā)展變化著,發(fā)揮著巨大的作用。并且它的特殊作用不斷得到挖掘,一些具有特異性的優(yōu)勢菌種不斷得到創(chuàng)造或改進。將這些高效專性菌如脫色、 脫磷 、脫氮菌 、 假單胞菌等進行固定化后菌體密度增大,從而大大提高了處理效率,尤其對難降解有毒物質(zhì)的治理有明顯的優(yōu)勢 。雖然廢水生物處理法還存在著一些缺陷和不足,比如耗氧生物處理耗

22、能多,有些方法占地多、 不經(jīng)濟等 。但隨著現(xiàn)代生物工程和技術(shù)的不斷發(fā)展,人們正在不斷完善和改進現(xiàn)有技術(shù)和方法?？梢灶A言,廢水生物處理技術(shù)必將取得更大的進步和發(fā)展。參考文獻:1 吳乾菁,李福德 1 微生物治理電鍍廢水的研究j 1 環(huán)境科學, 1997 ,18 (5) :4725012 左劍惡,袁琳 1 利用無色硫細菌氧化廢水中硫化物的研究j 1 環(huán)境科學,1995 ,16(6) :721013 朱錦福 1 厭氧接觸法處理啤酒廢水的研究j 1 環(huán)境污染與防治,1986 ,8 (3) : 921214 梁沈平,王菊思,姜北春 1 固定化微生物柱對染料廢水的脫色實驗j 1 環(huán)境科學,1998 ,19(

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