固定化微生物與游離菌凈化SO性能的初步對(duì)比實(shí)驗(yàn)

固定化微生物與游離菌凈化SO2性能的初步對(duì)比實(shí)驗(yàn)

摘要：本文對(duì)固定化微生物和游離菌凈化SO2的性能進(jìn)行了初步對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，分別測(cè)試了固定化微生物與游離菌在液相和氣相環(huán)境中對(duì)SO2的凈化性能，同時(shí)考察了在氣相條件下二者對(duì)SO2的凈化效果。實(shí)驗(yàn)表明，利用復(fù)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(duì)SO2的凈化性能有顯著提高。

關(guān)鍵字：固定化微生物二氧化硫降解0引

言我國(guó)是以煤為主主要能源的國(guó)國(guó)家。1990年煤在一次次能源中占76.2%，2000年占70%，預(yù)計(jì)2050年仍占60~700%[1]，這表表明我國(guó)以煤煤為主要能源源結(jié)構(gòu)在今后后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期期內(nèi)不會(huì)改變變。我國(guó)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(dǎo)致致我國(guó)城市的的空氣污染十十分嚴(yán)重。造造成了嚴(yán)重的的酸雨污染和和生態(tài)損害。根根據(jù)有關(guān)研究究，1995年我國(guó)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(jì)損失為1100多億，已接接近當(dāng)年國(guó)民民生產(chǎn)總值到到2.0%[22]。如不嚴(yán)嚴(yán)格控制，SO2問(wèn)題將成為為制約我國(guó)國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展展和社會(huì)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(guó)國(guó)能源和環(huán)境境保護(hù)面臨的的嚴(yán)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(xì)細(xì)菌與煤中FeS2的氧化有關(guān)關(guān)，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(dāng)時(shí)，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(wèn)題日益益嚴(yán)重，世界界各國(guó)才開(kāi)始始重視與煤炭炭脫硫有關(guān)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(duì)SOX的代謝過(guò)程程，將煙道氣氣中的硫氧化化物脫除。在在生物脫硫過(guò)過(guò)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(zhì)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(huì)產(chǎn)生生大量的污泥泥，并且給后后處理帶來(lái)麻麻煩，同時(shí)占占地面積大，投投資高、動(dòng)力力消耗多等問(wèn)問(wèn)題。這些問(wèn)問(wèn)題采用傳統(tǒng)統(tǒng)方法不能解解決，而固定定化微生技術(shù)術(shù)卻展現(xiàn)了廣廣闊的前景[[5-6]固定化微生物技技術(shù)即固定化化細(xì)胞技術(shù)，是20世紀(jì)60年代開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是通過(guò)化學(xué)的或物理的手段將游離細(xì)胞或酶定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持活性并可以反復(fù)利用[7]。固定化微生物技術(shù)最初主要用于發(fā)酵生產(chǎn)，70年代后期，被用到水處理領(lǐng)域，近年來(lái)則成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。固定化生物技術(shù)克服了生物細(xì)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(yīng)迅速、微生物流失少、產(chǎn)物易分離、反應(yīng)過(guò)程易控制等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的污染物處理技術(shù)[8-10]。采用固定化技術(shù)可以使微生物封閉在載體內(nèi)，減少菌體的脫落，同時(shí)微生物在載體內(nèi)可以繁殖，當(dāng)酶失去活性后，通過(guò)培養(yǎng)可恢復(fù)其活性而被反復(fù)利用[11]。近年來(lái)，隨著世世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)發(fā)展及工業(yè)的的進(jìn)步，環(huán)境境問(wèn)題已成為為全球性問(wèn)題題，固定化微微生物技術(shù)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(shù)的一一個(gè)重要分支支，越來(lái)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(shù)的研究究不僅拓展了了生物技術(shù)在在廢氣治理領(lǐng)領(lǐng)域的研究與與應(yīng)用，而且且為低濃度煙煙氣SO2的生物治理理提供了一個(gè)個(gè)新途徑。因因此本研究對(duì)對(duì)固定化微生生物與游離菌菌凈化SO2的性能的進(jìn)進(jìn)行了對(duì)比，以以確認(rèn)固定化化微生物法凈凈化SO2的可行性。1實(shí)驗(yàn)條件與與方法1.1菌種培養(yǎng)養(yǎng)實(shí)驗(yàn)裝置本馴化實(shí)驗(yàn)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(dǎo)馴化方方式對(duì)菌種進(jìn)進(jìn)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(yīng)并經(jīng)多多代繁衍。經(jīng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間的馴化后，分分析菌種對(duì)液液相中亞硫酸酸根的降解性性能，來(lái)判斷斷菌種對(duì)SO2的凈化性能能。實(shí)驗(yàn)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(yīng)生成SO2氣體，并在在風(fēng)機(jī)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(guò)靜靜電吸引或利利用載體對(duì)細(xì)細(xì)胞的親和性性將細(xì)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(xì)胞懸浮液液中攪拌或浸浸泡，然后洗洗去沒(méi)有被吸吸附的游離細(xì)細(xì)胞，就制成成了固定化細(xì)細(xì)胞。該法操操作簡(jiǎn)單，對(duì)對(duì)細(xì)胞活性影影響小，但所所能固定的細(xì)細(xì)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(xì)胞表表面的基團(tuán)如如氨基、烴基基等進(jìn)行交聯(lián)聯(lián)，使細(xì)胞之之間相互接成成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。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(xué)反應(yīng)激烈烈，對(duì)細(xì)胞活活性影響大。另另外，交聯(lián)劑劑大多價(jià)格昂昂貴，限制了了它的廣泛應(yīng)應(yīng)用。3)包埋法包埋法是將細(xì)胞胞包裹在凝膠膠的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)中或者包裹裹在半透性聚聚合薄膜內(nèi)，小小分子的底物物和產(chǎn)物可以以自由擴(kuò)散，而而細(xì)胞卻不會(huì)會(huì)擴(kuò)散到周?chē)鷩橘|(zhì)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(diǎn)點(diǎn)在于包埋方方法簡(jiǎn)單、條條件溫和，可可以保持較高高的細(xì)胞酶活活力，是應(yīng)用用最為廣泛的的細(xì)胞固定化化方法之一[[12]。根據(jù)本課題組的的前期實(shí)驗(yàn)，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(jī)械強(qiáng)強(qiáng)度基本不變變。增加己二二胺的投加量量，使小球的的相對(duì)活性、機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和耐耐酸性均有不不同程度的增增加；交聯(lián)時(shí)時(shí)間增加也會(huì)會(huì)使小球的機(jī)機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)強(qiáng)。通過(guò)本研研究前期正交交實(shí)驗(yàn)確定的的固定化小球球最佳制備工工藝，來(lái)制備備固定化微生生物。本課題的前期實(shí)實(shí)驗(yàn)研究，分分別選用三種種復(fù)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(jié)結(jié)果如表1所示[13]]。固定方法性能指指標(biāo)標(biāo)海藻酸鈉包埋法法吸附—包埋復(fù)合合固定法包埋—交聯(lián)復(fù)合合固定法吸附—包埋—交交聯(lián)法相對(duì)活性%225.6261.9221.3246.2機(jī)械強(qiáng)度g2727404272h失重率%%36.331.736.028該結(jié)果證明采用用復(fù)合固定方方法即吸附—交聯(lián)—包埋復(fù)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(duì)對(duì)活性，而且且還提高了固固定化小球的的機(jī)械強(qiáng)度及及耐酸性。因因此本研究采采用復(fù)合固定定方法即吸附附—交聯(lián)—包埋復(fù)合固固定法，以如如圖2所示的工藝藝流程來(lái)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(yīng)器以實(shí)驗(yàn)室制備的的含SO2氣體為處理理對(duì)象，將固固定化微生物物小球填充在在固定床內(nèi)，對(duì)對(duì)其中的SO2氣體行生化化處理，其整整套凈化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)裝置流程如如圖3所示。整個(gè)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(yīng)應(yīng)器二個(gè)部分分。實(shí)驗(yàn)中，SO2氣體是通過(guò)Na2SO3溶液1和稀H2SO4溶液2在SO2氣體發(fā)生器3內(nèi)反應(yīng)制得得的，并利用用風(fēng)機(jī)4將發(fā)生器內(nèi)內(nèi)所生成的SO2氣體由底部部直接吹入固固定床生化反反應(yīng)器。循環(huán)環(huán)液體由高位位槽7進(jìn)入6內(nèi)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(rùn)潤(rùn)濕固定化微微生物小球，向向微生物提供供生長(zhǎng)所需要要的氮磷等營(yíng)營(yíng)養(yǎng)物，同時(shí)時(shí)將微生物的的代謝產(chǎn)物帶帶走），而后后由反應(yīng)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(nèi)內(nèi)上升的過(guò)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(yīng)器頂頂部排出。為為了避免造成成污染，在尾尾氣排空前設(shè)設(shè)置了SO2尾氣吸收瓶10。1.4實(shí)驗(yàn)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(jì)測(cè)液相pH值。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討討論2.1在液相環(huán)環(huán)境中凈化SO2能力隨時(shí)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(shí)間測(cè)定定溶液中SO32-濃度，并并計(jì)算出凈化化效率。如圖圖4所示，曝氣氣量為0.1m3/h時(shí)，固定化化小球的凈化化速率大于游游離菌的，在在反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)進(jìn)行的20分鐘內(nèi)，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(shì)。在生化化反應(yīng)的有效效時(shí)間內(nèi)，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(duì)SO2凈化性能的的比較因?yàn)镾O2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(duì)SO2的凈化效率率。選擇從pH=3到pH=6四個(gè)pH值作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)點(diǎn)，用NaOH溶液和鹽酸酸溶液來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)其液相環(huán)境境的pH值，考慮到NaOH溶液會(huì)消耗SO2，因此將pH值調(diào)節(jié)好后后液相中SO32-的濃度作作為SO2的初始濃度度，測(cè)試游離離菌與固定化化微生物凈化化SO2的效率，實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)固定化小小球的凈化效效率高達(dá)70%，而游離菌菌的只有30%。這也表明明固定化微生生物對(duì)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(duì)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(fēng)機(jī)機(jī)吹入反應(yīng)器器6，在G處測(cè)入口濃濃度，在改變變?nèi)肟跐舛鹊牡臈l件下測(cè)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(shí)刻測(cè)測(cè)菌液中SO32-濃度和出出口SO2濃度，計(jì)算算出其凈化效效率，結(jié)果如如圖6所示。當(dāng)入入口濃度為5.1gg/m3時(shí)，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(dāng)入口氣氣體濃度為7.2g//m3時(shí)，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(dāng)入口濃度度較低時(shí)，微微生物可以和和SO2氣體充分接接觸，進(jìn)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(shí)時(shí)間內(nèi)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?yàn)椴刹捎玫氖呛醚跹跷⑸?，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(lái)對(duì)SO2進(jìn)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(yīng)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(gè)重要原因因。3結(jié)論本研究對(duì)固定化化微生物與游游離菌凈化SO2的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)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(duì)SO2有較強(qiáng)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(kāi)開(kāi)展深入研究究的價(jià)值和必必要。參考文獻(xiàn)[1]郝吉明明，王書(shū)肖，陸陸永琪編著

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