固定化微生物與游離菌凈化SO性能的初步對比實驗

固定化微生物與游離菌凈化SO2性能的初步對比實驗

摘要：本文對固定化微生物和游離菌凈化SO2的性能進行了初步對比實驗研究，分別測試了固定化微生物與游離菌在液相和氣相環(huán)境中對SO2的凈化性能，同時考察了在氣相條件下二者對SO2的凈化效果。實驗表明，利用復合固定化方法即吸附—包埋—交聯(lián)法制備的固定化小球，與游離菌相比，對SO2的凈化性能有顯著提高。

關鍵字：固定化微生物二氧化硫降解0引

言我國是以煤為主主要能源的國國家。1990年煤在一次次能源中占76.2%，2000年占70%，預計2050年仍占60~700%[1]，這表表明我國以煤煤為主要能源源結構在今后后相當長時期期內不會改變變。我國煤炭大多數(shù)數(shù)都直接燃燒燒，因此造成成煙塵和SO2等污染物大大量排放到環(huán)環(huán)境中，導致致我國城市的的空氣污染十十分嚴重。造造成了嚴重的的酸雨污染和和生態(tài)損害。根根據(jù)有關研究究，1995年我國由于于酸雨和SO2污染造成農(nóng)農(nóng)作物、森林林和人體健康康等方面的經(jīng)經(jīng)濟損失為1100多億，已接接近當年國民民生產(chǎn)總值到到2.0%[22]。如不嚴嚴格控制，SO2問題將成為為制約我國國國民經(jīng)濟發(fā)展展和社會發(fā)展展的重要因素素，因此，削削減和控制燃燃煤SO2污染是我國國能源和環(huán)境境保護面臨的的嚴峻挑戰(zhàn)。早在50年代，Leathhan等（1953年）及Templle等（1954年）就分別別發(fā)現(xiàn)某些化化能自養(yǎng)型細細菌與煤中FeS2的氧化有關關，并從煤礦礦廢水中分離離出氧化亞鐵鐵硫桿菌（Thiobbaciluusferrroxiddans）[3]。然而而，當時，此此發(fā)現(xiàn)并未引引起足夠的重重視，直至70年代，因世世界范圍的大大氣污染和酸酸雨問題日益益嚴重，世界界各國才開始始重視與煤炭炭脫硫有關的的微生物研究究。微生物脫硫是利利用化能自養(yǎng)養(yǎng)微生物對SOX的代謝過程程，將煙道氣氣中的硫氧化化物脫除。在在生物脫硫過過程中，氧化化態(tài)的污染物物如SO2，硫酸鹽、亞亞硫酸鹽及硫硫代硫酸鹽經(jīng)經(jīng)微生物還原原作用生成單單質硫去除[[4]。目前前，傳統(tǒng)的生生化處理存在在著生物濃度度低，會產(chǎn)生生大量的污泥泥，并且給后后處理帶來麻麻煩，同時占占地面積大，投投資高、動力力消耗多等問問題。這些問問題采用傳統(tǒng)統(tǒng)方法不能解解決，而固定定化微生技術術卻展現(xiàn)了廣廣闊的前景[[5-6]固定化微生物技技術即固定化化細胞技術，是20世紀60年代開始迅速發(fā)展起來的一項新技術，它是通過化學的或物理的手段將游離細胞或酶定位于限定的空間區(qū)域內，使其保持活性并可以反復利用[7]。固定化微生物技術最初主要用于發(fā)酵生產(chǎn)，70年代后期，被用到水處理領域，近年來則成為各國學者研究的熱點。固定化生物技術克服了生物細胞太小，與水溶液分離較難，易造成二次污染的弊端，具有微生物密度高、反應迅速、微生物流失少、產(chǎn)物易分離、反應過程易控制等優(yōu)點，是一種很有前途的污染物處理技術[8-10]。采用固定化技術可以使微生物封閉在載體內，減少菌體的脫落，同時微生物在載體內可以繁殖，當酶失去活性后，通過培養(yǎng)可恢復其活性而被反復利用[11]。近年來，隨著世世界經(jīng)濟的發(fā)發(fā)展及工業(yè)的的進步，環(huán)境境問題已成為為全球性問題題，固定化微微生物技術作作為一種新的的處理方法，已已成為生物工工程和環(huán)境工工程技術的一一個重要分支支，越來越受受到人們的重重視。固定化化微生物法凈凈化低濃度煙煙氣SO2技術的研究究不僅拓展了了生物技術在在廢氣治理領領域的研究與與應用，而且且為低濃度煙煙氣SO2的生物治理理提供了一個個新途徑。因因此本研究對對固定化微生生物與游離菌菌凈化SO2的性能的進進行了對比，以以確認固定化化微生物法凈凈化SO2的可行性。1實驗條件與與方法1.1菌種培養(yǎng)養(yǎng)實驗裝置本馴化實驗中所所使用的菌種種溶液為某污污水處理廠氧氧化溝中段的的污水，采用用誘導馴化方方式對菌種進進行馴化，即即向菌液中每每日通入一定定量的SO2氣體，并不不斷地提高SO2氣體的量，使使微生物逐步步適應并經(jīng)多多代繁衍。經(jīng)經(jīng)過一定時間間的馴化后，分分析菌種對液液相中亞硫酸酸根的降解性性能，來判斷斷菌種對SO2的凈化性能能。實驗裝置置如圖1所示。Fig.1eexperiimentaalequuipmenntoftrainningmmicrobbe圖中1、2、33為SO2氣體發(fā)生裝裝置，即H2SO4溶液和Na2SO3溶液在3中反應生成SO2氣體，并在在風機的作用用下，將氣體體吹入裝有菌菌液的馴化裝裝置6。1.2固定化微微生物制備方方法常用的固定化制制備方法可分分為三種：吸吸附法、交聯(lián)聯(lián)法和包埋法法[12]?，F(xiàn)現(xiàn)分述如下：：1)吸附法吸附法是通過靜靜電吸引或利利用載體對細細胞的親和性性將細胞直接接吸附在水不不溶性載體上上。一般只要要把載體放在在細胞懸浮液液中攪拌或浸浸泡，然后洗洗去沒有被吸吸附的游離細細胞，就制成成了固定化細細胞。該法操操作簡單，對對細胞活性影影響小，但所所能固定的細細胞數(shù)量有限限。吸附法分分為物理吸附附和離子吸附附兩種。2)交聯(lián)法交聯(lián)法不使用載載體，是利用用雙功能或多多功能試劑直直接與細胞表表面的基團如如氨基、烴基基等進行交聯(lián)聯(lián)，使細胞之之間相互接成成網(wǎng)狀結構。最最常用的交聯(lián)聯(lián)劑有戊二醛醛，順丁烯二二酸酐、甲苯苯二異氰酸酯酯等。此法化化學反應激烈烈，對細胞活活性影響大。另另外，交聯(lián)劑劑大多價格昂昂貴，限制了了它的廣泛應應用。3)包埋法包埋法是將細胞胞包裹在凝膠膠的網(wǎng)格結構構中或者包裹裹在半透性聚聚合薄膜內，小小分子的底物物和產(chǎn)物可以以自由擴散，而而細胞卻不會會擴散到周圍圍介質中去。包包埋的載體主主要有聚丙烯烯酰胺、瓊脂脂、明膠、K—卡拉膠和海海藻酸鈣等。包包埋法的優(yōu)點點在于包埋方方法簡單、條條件溫和，可可以保持較高高的細胞酶活活力，是應用用最為廣泛的的細胞固定化化方法之一[[12]。根據(jù)本課題組的的前期實驗，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，但機械強強度基本不變變。增加己二二胺的投加量量，使小球的的相對活性、機機械強度和耐耐酸性均有不不同程度的增增加；交聯(lián)時時間增加也會會使小球的機機械強度增強強。通過本研研究前期正交交實驗確定的的固定化小球球最佳制備工工藝，來制備備固定化微生生物。本課題的前期實實驗研究，分分別選用三種種復合固定化化方法中的最最佳條件和包包埋法最佳固固定條件，制制備固定化微微生物小球，其其性能比較結結果如表1所示[13]]。固定方法性能指指標標海藻酸鈉包埋法法吸附—包埋復合合固定法包埋—交聯(lián)復合合固定法吸附—包埋—交交聯(lián)法相對活性%225.6261.9221.3246.2機械強度g2727404272h失重率%%36.331.736.028該結果證明采用用復合固定方方法即吸附—交聯(lián)—包埋復合固固定法制備固固定化小球，不不僅保證了固固定化微生物物很高的相對對活性，而且且還提高了固固定化小球的的機械強度及及耐酸性。因因此本研究采采用復合固定定方法即吸附附—交聯(lián)—包埋復合固固定法，以如如圖2所示的工藝藝流程來制備備固定化微生生物。圖2固定化微微生物制備工工藝流程圖

FFig.2Flowcharttofmmakinggimmoobilizzedmiicrobiialbiiomasss1.3固定床反反應器以實驗室制備的的含SO2氣體為處理理對象，將固固定化微生物物小球填充在在固定床內，對對其中的SO2氣體行生化化處理，其整整套凈化實驗驗裝置流程如如圖3所示。整個流程包括SSO2氣體的發(fā)生生系統(tǒng)和凈化化SO2氣體的固定定床生化反應應器二個部分分。實驗中，SO2氣體是通過Na2SO3溶液1和稀H2SO4溶液2在SO2氣體發(fā)生器3內反應制得得的，并利用用風機4將發(fā)生器內內所生成的SO2氣體由底部部直接吹入固固定床生化反反應器。循環(huán)環(huán)液體由高位位槽7進入6內并從頂部部向下噴淋到到固定化微生生物小球上（噴噴淋液體的主主要作用是潤潤濕固定化微微生物小球，向向微生物提供供生長所需要要的氮磷等營營養(yǎng)物，同時時將微生物的的代謝產(chǎn)物帶帶走），而后后由反應器底底部排入循環(huán)環(huán)水槽8，再由耐酸酸泵9打回到高位位槽循環(huán)使用用。SO2氣體在塔內內上升的過程程中與固定化化微生物接觸觸而被吸收，凈凈化后的氣體體由反應器頂頂部排出。為為了避免造成成污染，在尾尾氣排空前設設置了SO2尾氣吸收瓶10。1.4實驗分析析方法氣相中SO2和和液相中SO32-的分析方方法采用碘量量法。用奧立立龍818型精密酸度度計測液相pH值。2實驗結果與討討論2.1在液相環(huán)環(huán)境中凈化SO2能力隨時間間的變化比較較將一定濃度的SSO32-溶液中分分別加入含有有等量微生物物的固定化微微生物和游離離菌，每隔一一段時間測定定溶液中SO32-濃度，并并計算出凈化化效率。如圖圖4所示，曝氣氣量為0.1m3/h時，固定化化小球的凈化化速率大于游游離菌的，在在反應開始進進行的20分鐘內，固固定化小球的的凈化速率是是增大的，游游離菌的基本本不變；20min以后，二者者的凈化速率率都呈下降趨趨勢。在生化化反應的有效效時間內，固固定化小球的的凈化速率高高于游離菌的的。這表明固固定化微生物物凈化SO2的性能優(yōu)于于游離菌的性性能。2.2在不同同pH值的液相環(huán)環(huán)境下對SO2凈化性能的的比較因為SO2為酸酸性氣體，所所以只研究在在偏酸性環(huán)境境下固定化微微生物和游離離菌對SO2的凈化效率率。選擇從pH=3到pH=6四個pH值作為實驗驗點，用NaOH溶液和鹽酸酸溶液來調節(jié)節(jié)其液相環(huán)境境的pH值，考慮到NaOH溶液會消耗SO2，因此將pH值調節(jié)好后后液相中SO32-的濃度作作為SO2的初始濃度度，測試游離離菌與固定化化微生物凈化化SO2的效率，實實驗結果如圖圖5所示。圖5顯示固定化化小球的凈化化效率明顯高高于游離菌的的，pH=5時固定化小小球的凈化效效率高達70%，而游離菌菌的只有30%。這也表明明固定化微生生物對SO2的凈化性能能優(yōu)于游離菌菌的凈化性能能。Fig.4

Changgingoofpurrificaationveloccitywwithiincreaasingoftiime

Fig.5

EffecctofpHonnpuriificattioneefficiiency2.3固定化化微生物與游游離菌凈化SO2氣體的性能能對比研究將固定化小球裝裝入如圖3所示的固定定床6中，制得的SO2氣體由風機機吹入反應器器6，在G處測入口濃濃度，在改變變入口濃度的的條件下測固固定化微生物物的凈化效率率。在相同的的條件下將SO2氣體通入菌菌液中，在相相同的時刻測測菌液中SO32-濃度和出出口SO2濃度，計算算出其凈化效效率，結果如如圖6所示。當入入口濃度為5.1gg/m3時，固定化化微生物和游游離菌的凈化化效率都為98%。但隨著入入口SO2氣體濃度的的增大，游離離菌的凈化效效率急劇下降降。當入口氣氣體濃度為7.2g//m3時，游離菌菌的凈化效率率只有40.7%，而固定化化微生物的凈凈化效率仍保保持在80%以上。二者者的凈化效率率都隨著入口口濃度的增大大而降低，其其原因主要是是當入口濃度度較低時，微微生物可以和和SO2氣體充分接接觸，進而被被生化吸收。隨隨著入口SO2濃度的增加加，多余的SO2在較短的時時間內未能被被微生物吸收收凈化，而是是隨著氣相主主體排出。因因此就出現(xiàn)了了隨著入口SO2濃度的增加加其凈化效率率反而下降的的現(xiàn)象。但是，如圖6所所示，固定化化小球的SO2凈化效率高高于游離菌的的。其原因主主要是因為采采用的是好氧氧微生物，固固定化微生物物可以與氣相相接觸，即可可耗用連續(xù)相相的氣相中的的氧來對SO2進行生化吸吸收，而游離離菌主要耗用用的是液相中中數(shù)量有限的的溶解氧。因因此富氧的反反應氣氛是固固定化微生物物凈化效果優(yōu)優(yōu)于游離菌凈凈化效果的一一個重要原因因。3結論本研究對固定化化微生物與游游離菌凈化SO2的對比實驗驗結果表明，經(jīng)經(jīng)固定化后的的微生物在液液相和氣相環(huán)環(huán)境中均對SO2有較強的凈凈化去除作用用，其凈化性性能明顯優(yōu)于于游離菌的凈凈化性能，因因此有繼續(xù)開開展深入研究究的價值和必必要。參考文獻[1]郝吉明明，王書肖，陸陸永琪編著

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