固定化微生物的制備

固定化微生物的制備

1固定化微生物的應(yīng)用隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，廢水生產(chǎn)和生活的排放量急劇增加，世界水污染日益嚴(yán)重，威脅到社會(huì)經(jīng)濟(jì)乃至人類自身的可持續(xù)發(fā)展。水環(huán)境的管理法規(guī)日趨完善及嚴(yán)格,傳統(tǒng)的污水生物處理技術(shù)已難于適應(yīng)污水處理的發(fā)展要求,研究開發(fā)和應(yīng)用新型廢水處理工藝、技術(shù)及材料,已成為世界水體污染控制與防治工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1~3],固定化微生物技術(shù)及其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為國內(nèi)外研究者的熱點(diǎn)之一[2~4]。與傳統(tǒng)的廢水生物處理技術(shù)相比,固定化微生物技術(shù)處理廢水時(shí)可較大幅度地提高微生物濃度,具有反應(yīng)啟動(dòng)快、處理效率高、操作穩(wěn)定、產(chǎn)污泥量少、固液分離容易、能純化和保持優(yōu)勢(shì)菌群,以及基建占地少等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注,并取得了令人矚目的研究成果[3~6]。然而,迄今報(bào)道較多的仍是以人工廢水為處理對(duì)象的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果,并大多采用包埋及物理吸附類固定化方法。研究較多的固定化材料則主要是瓊脂、角叉萊膠、海藻酸鈣等天然高分子凝膠載體,以及聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、光硬化樹脂、聚丙烯酸等有機(jī)合成高分子凝膠載體。天然及合成高分子凝膠材料的水溶性大、穩(wěn)定性差、機(jī)械強(qiáng)度不佳,同時(shí),包埋法所得固定化微生物因材料包埋網(wǎng)格而對(duì)分子傳質(zhì)有所限制,物理吸附法固定化所得生物膜也易于脫落,耐沖擊性不佳,這些使得固定化微生物處理污水的實(shí)際應(yīng)用受到限制,與實(shí)際應(yīng)用要求的差距較大。帶有氨基、羧基、環(huán)氧基等反應(yīng)性基團(tuán)的大孔載體在固定化過程中會(huì)與微生物發(fā)生化學(xué)鍵合,其大孔形態(tài)結(jié)構(gòu)的物理吸附和截陷著床作用等將構(gòu)成載體結(jié)合微生物固定化系統(tǒng),既有利于所固定微生物的代謝增殖,又呈現(xiàn)優(yōu)良的傳質(zhì)性能,還因反應(yīng)性基團(tuán)的鍵合作用提高所得固定化微生物的穩(wěn)定性能。反應(yīng)性大孔載體所得固定微生物的耐沖擊性能優(yōu)異、微生物負(fù)載量大,賦予較高廢水處理效率,應(yīng)該是固定化微生物廢水處理技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用的有效途徑之一[6~9]。本文以大孔球狀樹脂MR-PAM/PVA與功能化多孔陶粒為微生物固定化載體,借助載體結(jié)合法把活性污泥和高效微生物固定于這兩類載體之上,所得固定化微生物置于帶有曝氣裝置的玻璃管中構(gòu)成固定化微生物流化床、固定床污水處理系統(tǒng),并進(jìn)行了實(shí)際生活和化工污水的處理研究。通過檢測(cè)污水處理系統(tǒng)進(jìn)水與出水的化學(xué)需氧量(CODCr)與氨氮濃度,考察了所得固定化微生物及其不同工藝的污水處理性能及其影響因素。同時(shí),應(yīng)用克氏定氮法考察了所得大孔載體的微生物負(fù)載量,并借助SEM觀察了固定化微生物前后載體的表面形態(tài)。2實(shí)驗(yàn)部分2.1材料和機(jī)器2.1.1陶粒、微生物和活性污泥聚(N-二乙烯二胺基)丙烯酰胺-聚乙烯醇大孔載體(MR-PMA/PVA)按文獻(xiàn)合成,該載體的粒度范圍在0.1mm~0.8mm,交聯(lián)度為15%,濕視密度為0.74g/cm3,持水量為86.4%,水中膨脹率可高達(dá)220%,平均孔徑為4900nm,平均孔度為37%;功能化多孔陶粒載體按專利合成,該陶粒載體帶有反應(yīng)性功能團(tuán),孔隙率58%~68%,比表面為1.5×105cm2/g,密度為1.5g/cm3;普通陶粒購于江西萍鄉(xiāng)家佳能環(huán)保公司,孔隙率55%~58%,比表面為2.0×104cm2/g,密度為2.5g/cm3;活性污泥取自蘭州煉化公司動(dòng)力廠含硫污水工段;高效微生物菌群B500(美國Bio-System公司產(chǎn)品,微生物含量為30~50×108個(gè)/g);通用增菌培養(yǎng)基;實(shí)驗(yàn)用生活污水和工業(yè)污水取自蘭化動(dòng)力廠一沉池出口。2.1.2phs-3數(shù)字phph計(jì)及氨氮快速測(cè)定方法H-600SEM掃描電子顯微鏡,Germany;PHS-3C型數(shù)字pH計(jì),上海雷磁儀器廠;HI93715氨氮快速測(cè)定儀,HANNA公司;HI93706總磷快速測(cè)定儀,HANNA公司。2.2固定化-養(yǎng)殖養(yǎng)生階段參考文獻(xiàn)方法,本文微生物的固定化與馴化程序如下:首先將大孔載體用蒸餾水洗凈,加入到含5000mL培養(yǎng)基的反應(yīng)器,投加一定量的活性污泥上清液或B500以及雙官能團(tuán)交聯(lián)劑,曝氣培養(yǎng)3d、控制體系溶解氧(DO)為3mg/L。從第4天起,每天用實(shí)際廢水更換反應(yīng)器1/5的培養(yǎng)基進(jìn)入固定化-馴化養(yǎng)生階段,測(cè)定反應(yīng)器中污染物濃度的變化,逐漸增加實(shí)際廢水的用量。馴化養(yǎng)生期間,定期取出少許載體、用pH=12的NaOH溶液浸泡4h,用自來水、蒸餾水沖洗干燥后,并以克氏定氮法測(cè)其含氮量,含氮量計(jì)算相應(yīng)蛋白質(zhì)含量、即微生物負(fù)載量,根據(jù)所得微生物負(fù)載量確定固定化微生物的馴化養(yǎng)生周期(一般為15d至25d左右)。固定化馴化完成后,濾出載體,用生理鹽水洗凈,即得固定化微生物,備用。2.3生物處理系統(tǒng)用Φ200mm×850mm的有機(jī)玻璃管組裝試驗(yàn)反應(yīng)器,反應(yīng)器底部設(shè)有曝氣盤、反應(yīng)器中部設(shè)有隔板、投加占反應(yīng)器體積1/3的前述固定化微生物組成固定化微生物廢水處理系統(tǒng)。載體投加前應(yīng)再用自來水沖洗3次以除去游離生物基質(zhì)。向廢水處理系統(tǒng)中加入其有效體積3/4的待處理廢水,于控制DO為3mg/L~6mg/L的曝氣條件下進(jìn)行廢水生物處理水,定時(shí)從反應(yīng)器下端取水樣進(jìn)行出水質(zhì)量檢測(cè)。用納氏試劑光度法測(cè)定原廢水及其處理出水的氨氮濃度,按重鉻酸鉀法測(cè)定原廢水及其處理出水CODCr。依據(jù)載體密度的不同,MR-PMA/PVA載體固定化微生物構(gòu)成曝氣生物流化床廢水處理系統(tǒng),功能化多孔陶粒載體及普通陶粒載體固定化微生物構(gòu)成曝氣生物固定床廢水處理系統(tǒng)。3結(jié)果與討論3.1污水脫氮及氨氮去除能力圖1為MR-PAM/PVA載體固定化活性污泥的污水生物脫氮曲線。從圖1中可知,所得固定化活性污泥在好氧條件下進(jìn)行生物處理時(shí),9h出水氨氮即可小于15mg/L。其生化反應(yīng)6h以前出水氨氮呈現(xiàn)增加趨勢(shì)、生化反應(yīng)6h以后則較快下降,至生化反應(yīng)進(jìn)行到15h后,出水氨氮?jiǎng)t呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)。這可能是生活污水的蛋白質(zhì)等有機(jī)氮氧化生成氨氮,導(dǎo)致氨氮濃度升高,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),系統(tǒng)中溶解氧逐漸降低,有利于硝化和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行,廢水中的氨氮濃度開始降低。圖2為MR-PAM/PVA載體固定化B500的污水生物脫氮曲線。從圖2中可見,固定化高效微生物菌群B500對(duì)生活污水的生物脫氮?jiǎng)恿W(xué)趨勢(shì)基本相同于固定化活性污泥、在生化反應(yīng)進(jìn)行3h時(shí)出水氨氮依然呈現(xiàn)增加趨勢(shì)隨后即下降,生化反應(yīng)9h的出水氨氮已降至15mg/L、NH4+-N去除速度快及效果明顯。這表明固定化B500比固定化活性污泥的生物處理效率更高,其適應(yīng)性與選擇性更好。比較圖2結(jié)果可知,MR-PAM/PVA載體固定化B500對(duì)工業(yè)污水中NH4+-N的去除能力基本呈平穩(wěn)下降趨勢(shì),兩者的差別既可能與生活污水中有機(jī)氮的氨氧化以及表面活性劑對(duì)微生物活性的抑制作用有關(guān),也可能與工業(yè)污水中充足的碳源有關(guān)。圖3、圖4分別表示陶粒載體固定化B500對(duì)生活污水和工業(yè)污水的單級(jí)脫氮曲線。圖3顯示出不同于圖2的生活污水脫氮趨勢(shì),即處理出水的氨氮濃度基本沒有反彈隨后即下降,而圖4中工業(yè)污水的脫氮趨勢(shì)與圖2基本相同。比較圖2、圖3和圖4可知,固定化微生物隨其載體的不同會(huì)產(chǎn)生不同的污水氨氮去除效果。MR-PAM/PVA載體比重較小,故MR-PAM/PVA載體固定化微生物在曝氣條件下構(gòu)成流化床處理工藝,充分的好氧條件對(duì)反硝化菌的生長(zhǎng)有所抑制,同步硝化和反硝化反應(yīng)幾率較小,陶粒載體因其比重較大而構(gòu)成固定床型固定化微生物污水處理工藝,陶粒載體固定化微生物處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)以致形成更多的缺氧環(huán)境,則有利于同步硝化和反硝化反應(yīng)地進(jìn)行,顯示出較好的污水氨氮去除能力。比較圖3和圖4曲線可知,功能化陶粒載體固定化微生物的污水脫氮性能優(yōu)于普通陶粒載體固定化微生物,這應(yīng)是前者生物負(fù)載量大于后者的結(jié)果。此外,圖1~圖4皆存在脫氮能力隨生化反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)的某種增強(qiáng)過程,這應(yīng)當(dāng)是亞硝酸菌與硝酸菌生長(zhǎng)緩慢,致使生化反應(yīng)體系中亞硝酸根與硝酸根短期積累的緣故。3.2固定化微生物污水處理能力圖5為功能化陶粒載體和MR-PAM/PVA載體固定化B500單級(jí)去除工業(yè)污水中CODCr的曲線。在進(jìn)水CODCr濃度為1002mg/L的條件下,水力停留時(shí)間(HRT)為3h時(shí),CODCr去除率已達(dá)33%~37%,且隨HRT的延長(zhǎng)而增大,然而,HRT為24h時(shí)的出水CODCr仍大于100mg/L、表明單級(jí)處理時(shí)出水CODCr不能達(dá)標(biāo)。將HRT為24h的出水移至另一對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器并在相同條件下繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)得圖6曲線,可知其出水CODCr達(dá)到國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),這說明可通過兩級(jí)或多級(jí)串聯(lián)方式來提高固定化微生物技術(shù)的污水處理效率。由圖5和圖6曲線表明,MR-PAM/PVA固定化微生物污水處理系統(tǒng)去除污水CODCr的能力優(yōu)于功能陶粒固定化微生物系統(tǒng),這應(yīng)是呈流化床狀態(tài)的MR-PAM/PVA固定化微生物污水處理系統(tǒng)會(huì)增加微生物與廢水中污染物的接觸幾率,增大污水CODCr去除速度的結(jié)果,這有利于高CODCr污水的處理。對(duì)功能陶粒載體而言,所得固定化微生物系統(tǒng)在生化反應(yīng)過程中呈固定床狀態(tài),故其初期的CODCr降解反應(yīng)速度較慢,但隨著生化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),功能陶粒固定化微生物固定床的過濾作用使出水SS也降低、也隨即降低了出水CODCr。表1為3種固定化微生物處理生活污水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表1可見,在HRT為8h及DO為5mg/L的條件下,所得3種固定化微生物皆可將生活污水處理至國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。MR-PAM/PVA固定化微生物系統(tǒng)去除CODCr和NH4+-N污染物的能力最好、功能化陶粒固定化微生物系統(tǒng)次之,普通陶粒固定化微生物系統(tǒng)最差。MR-PAM/PVA和功能化陶粒固定化微生物系統(tǒng)皆顯示優(yōu)異的懸浮固體(SS)去除能力,但后者好于前者。這反映了流化床和固定床兩者對(duì)污水中不同污染物去除選擇性的差別,即固定化微生物流化床適合于高濃度廢水的處理,而固定化微生物固定床有利于低濃度污水的深度處理。至于普通陶粒固定化微生物系統(tǒng)去除污水中污染物效果不佳的原因,也許是其生物負(fù)載量較低以致降解污染物能力較差的緣故。根據(jù)圖5、圖6及表1結(jié)果,可設(shè)想,若流化床與固定床通過適當(dāng)方式以多級(jí)串聯(lián)組合構(gòu)成固定化微生物污水處理系統(tǒng)時(shí),將有利于高濃度污水的生物處理。3.3固定化微生物的生物負(fù)載量微生物是由大量的蛋白質(zhì)構(gòu)成,蛋白質(zhì)又是由氨基酸組成,大多數(shù)蛋白質(zhì)含氮量較為恒定,平均N=16%,即1g氮相當(dāng)于6.25g蛋白質(zhì),故6.25稱為蛋白質(zhì)系數(shù)。含氮量與蛋白質(zhì)之間的定量關(guān)系如下:樣品中蛋白質(zhì)含量=樣品中的含氮量×6.25(mg)當(dāng)以Kjeldahl定氮法測(cè)定所得固定化微生物的含氮量后,即可根據(jù)前述關(guān)系式求出單位重量載體上的生物負(fù)載量(mg/g),并根據(jù)相應(yīng)載體的密度及其固定化微生物填料所占床體積求得每升水微生物負(fù)載量(g/L水)、結(jié)果列于表2。表2結(jié)果顯示,MR-PAM/PVA固定化微生物的生物負(fù)載量大于20g/L水、功能化陶粒固定化微生物的生物負(fù)載量居中、普通陶粒固定化微生物的生物負(fù)載量最小,這與前述各自的污水處理效果次序相吻合。MR-PAM/PVA固定化微生物的生物負(fù)載量是傳統(tǒng)活性污泥法生物負(fù)載量的5倍以上,有利于高濃度污水的生化降解處理。MR-PAM/PVA載體與功能化陶粒載體固定化微生物前后,用pH=12的NaOH溶液浸泡4h,用自來水、蒸餾水反復(fù)沖洗,以除去游離微生物和其它雜質(zhì),然后置于冷凍干燥儀中脫水,干化,借助掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行表面形態(tài)了觀察,得圖9中的SEM照片。從這些照片可見,載體本身的SEM照片(a)顯示典型的特大孔結(jié)構(gòu),表面較為平整,載體的大孔結(jié)構(gòu)既有利于污水處理過程中的傳質(zhì),也有利于微生物的著床固定化以及固定化微生物的繁殖代謝和耐沖擊性。而固定化微生物后的載體(b)雖然顯示典型的特大孔結(jié)構(gòu),但表面有許多不規(guī)則的顆粒狀附著物存在,應(yīng)該是載體上固定化微生物脫水后形成的,證實(shí)了有大量的微生物固定于大孔載體上。3.4固定化微生物填料實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在長(zhǎng)期不曝氣和不加營養(yǎng)液的條件下,本文所得固定化微生物污水處理系統(tǒng)將變成以厭氧菌為主的厭氧狀態(tài),其固定化微生物填料呈黑色;當(dāng)厭氧型固定化微生物污水處理系統(tǒng)開始曝氣并運(yùn)轉(zhuǎn)一周時(shí),即可轉(zhuǎn)換為以好氧菌為主的氧化反應(yīng)狀態(tài),固定化微生物填料也隨之轉(zhuǎn)變?yōu)榛尹S色。這表明本文所得固定化微生物污水處理系統(tǒng)可容易實(shí)現(xiàn)好氧與厭氧環(huán)境的相互轉(zhuǎn)變,具有休眠保存及快速啟動(dòng)轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)。這是傳統(tǒng)的污水生物處理系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),有利于拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。4流化床水處理的生物固定化微生物1.MR-PAM/PVA和功能化陶粒載體可借助載體結(jié)合法而有效地固定化高效微生物菌群或活性污泥,并依所用載體密度的不同而構(gòu)成流化床或固定