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固定化微生物技术及其处理废水机制的研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-07-11  来源:微生物技术应用  浏览次数:150
核心提示:摘要:固定化微生物技术利用物理或化学手段将具有特定生理功能的游离微生物固定于载体材料内部或表面,并加以有效利用。该技术具有
 摘要:固定化微生物技术利用物理或化学手段将具有特定生理功能的游离微生物固定于载体材料内部或表面,并加以有效利用。该技术具有微生物活性高、单位空间微生物密度高、耐受性好、抗冲击负荷能力强、处理效率高等优点,目前已被广泛应用于废水处理。综述了固定化载体、固定化方法、固定化装置,阐述了固定化微生物技术对废水中重金属、有机污染物及氨氮的去除机制,并展望了固定化微生物技术的发展趋势,为固定化微生物技术在废水领域的普遍应用提供了指导。


固定化微生物技术的研究始于1959年,HAT-TORI等首次将大肠杆菌固定在树脂载体上实现大肠杆菌的固定化。它是在固定化酶的基础上发展起来的,目前固定化微生物技术的研究和应用已趋于成熟。固定化微生物技术是利用物理或化学手段将游离微生物限定在特定区域内,使其高浓度密集、保持较高生物活性且可持续使用的一种新型生物工程技术。固定化微生物技术可将选定的高效优势菌属固定在载体上,使该菌属在特定处理系统中具有活性高、专一性强、耐受性强(如pH、温度、有毒有害物质)、处理效果稳定、有毒有害物质去除速率快和固液分离效果好等优点。同时,固定化微生物技术还可以将混合菌属集于同一载体,使混合菌属协同处理污染物。此外,该技术还促使处理工艺的运营管理简单化、处理设备小型化以及反应过程的可控制化。正是由于这些独特的优势,固定化微生物技术现已广泛应用于环境修复、食品工业、化学分析、能源开发、医学和制药等多种领域,并且已在废水领域中的重金属去除、有机污染物降解、脱氮等方面取得重大进展。本研究综述了固定化载体、固定化方法和固定化装置,比较了不同固定化载体、方法,探讨了固定化微生物在重金属、有机污染物及氨氮等废水处理中的去除机制,并展望了固定化微生物技术的发展前景,以期为实现固定化微生物技术的实用化、工业化提供参考。


固定化载体种类繁多,选择理想的载体材料对固定化微生物的应用很关键,需要考虑载体对固定化微生物的机械强度、传质性能、弹性、成球难易程度及其生物毒性等方面的影响。理想的载体材料应具备以下特点:(1)生物相容性良好、不易被生物分解及无生物毒害性;(2)机械强度高、传质快、易成球、多孔且比表面积大等物理性质;(3)价格低廉、使用寿命长、存在可引入配基的官能团。就目前而言,固定化微生物技术采用的载体材料主要由3大类组成:有机载体、无机载体和新型复合载体。


1.有机载体


①天然有机高分子载体


这类载体包括海藻酸钠(SA)、甲壳素、壳聚糖、琼脂、卡拉胶、骨胶原以及天然多糖、蛋白质和植物纤维类物质等。它们对微生物无毒害作用且传质性能良好,但存在机械性能低、微生物流失大、抗微生物分解性能差等缺陷。如SA的凝胶结构会被溶液中高浓度的K+、Mg2+或其他金属离子以及磷酸盐破坏;甲壳素、壳聚糖及琼脂的机械强度和比表面积均较小。


②人工合成有机高分子聚合物载体


聚乙二醇、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚氨酯泡沫、聚羟基丁酸酯(PHB)、光聚合树脂、羧甲基纤维素和硅胶等均属于人工合成有机高分子聚合物,其中PVA在国内外的研究中较广泛。该类载体大多具有机械强度高、化学稳定性好、抗微生物分解性强、对微生物无毒害作用和价格低廉等优点,但PVA因其黏性和水溶胀性大而对固定化载体的制备产生附聚作用。PAM对微生物有毒害作用,使微生物活性降低且不易成型,因而得不到广泛应用。


2.无机载体


无机载体种类较多,如活性炭(AC)、石英砂、沸石、硅藻土、多孔陶珠、微孔玻璃、泡沫金属等。其优点在于机械强度高、传质性能好、耐酸碱性、制备简单、使用经济、多孔、通透性好、比表面积大,能较好地吸附微生物且有利于氧气、底物、代谢产物的扩散,不毒害微生物。存在的缺点是微生物易流化、吸附量有限且易脱落。


3.新型复合载体


新型复合载体主要包括新型载体和多种传统载体的复合。新型复合载体将各种载体的特长集于一体,优化了原有载体,为固定化微生物技术开拓了更广阔的应用前景。


新型载体可以通过改性载体材料表面基团或孔结构得到特定性能的载体。如LIU等采用聚乙烯亚胺和戊二醛处理纤维材料,制得改性固定化载体,并用其固定酿酒酵母,发现这种固定化载体在木薯的糖化和发酵过程中对淀粉的利用率明显高于游离菌,并可长期、有效地生产乙醇。VERMA等对丝瓜瓤固定化黄孢原毛平革菌进行酸化处理,实验表明,这种处理改进了生物质的还原能力;对生物质的表面进行了清理,为Cr(Ⅵ)的吸附提供更多的活性位点;增加了表面功能基团的数量,从而提高了Cr(Ⅵ)的去除效果。


磁性载体材料也属于新型载体的一种,在环境工程领域中的应用颇多。IVANOVA等将磁性纳米颗粒分别与SA、壳聚糖及纤维素结合组成新的固定化载体,并对酵母细胞进行固定化,研究表明,这些磁性载体固定化的酵母细胞不仅显著提高了乙醇的成产量,而且其性能稳定可长期保存。LIN等采用磁性Fe3O4壳聚糖载体制备了可去除NOX的固定化还原菌,大大改进了目标微生物的生物还原性。张斌等以微磁载体技术为机体,成功研制除了可固定化活性污泥微生物的多孔磁性聚苯乙烯载体,并提高了目标微生物对氨氮和有机污染物的去除效果。


有机载体与无机载体组建为多功能复合载体的研究也较常见。李婷等利用PVA-SA-PHB-AC组成复合载体固定化间甲酚降解菌,发现经吸附改性的载体对废水中间甲酚的耐受能力更高,可实现更宽浓度范围的高效降解,且可长期稳定使用。BAO等研究了SA/AC复合材料固定化石油烃降解菌的性能,发现在同等条件下,与游离菌相比,该固定化菌不仅活性高,还明显提高了重油的生物降解率(高出游离菌的33%)。BRYASKOVA等采用PVA/正硅酸乙酯(TEOS)固定化皮状丝孢酵母,GEORGIEVA等用PVA/TEOS/3-巯丙基三乙氧基硅烷(MPTEOS)混合载体固定化皮状丝孢酵母,这种固定化载体不是将各载体材料简单混合,而是PVA的羟基与有机烷氧基硅烷(TEOS、MPTEOS)的硅烷醇基形成很强的氢键,MPTEOS为固定化微生物提供了额外的吸附位点,使载体的机械强度更高。

编辑:songjiajie2010

 
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