固定化微生物技术在环境工程中的应用

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:随着社会经济的迅速发展,工业产生的废水越来越多,而微生物在废水治理中起着重要的作用。近年来,固定化微生物技术凭借自身独特的优势,在环境工程领域越来越获得青睐,并被广泛应用于环境污染物治理。本文综述了固定化微生物技术在环境工程中的主要应用,分析了当前存在的一系列问题并给出相应对策,旨在为该技术在环境工程领域的进一步应用与发展提供参考。

  关键词:固定化微生物技术;环境工程;废水处理;

  固定化微生物技术诞生于20年代70年代,由固定化酶技术发展而来。这种技术具有反应速度快、耐毒性能力强、微生物损失少、产物分离较易、处理设施规模小等特点[1],在环境工程中得到广泛应用,同时也有效促进了环境工程领域的发展。固定化微生物技术的分类目前在国际上尚未建立统一标准。而固定化微生物的制备可主要分为包埋法、载体结合法、吸附法、交联法和无载体固定化法[2],不同制备方法的具体内容如表1所示。常见的载体主要分为无机载体、有机载体以及前两者相结合的复合载体。目前,固定化微生物技术在环境工程中主要应用于治理水污染、大气污染和土壤污染等方面。

1 固定化微生物技术在环境工程领域的应用现状

  1.1 污水处理

  通常,污水处理用到的固定化微生物技术主要分为活性污泥法和生物膜法。除部分微生物分布于相对较为固定的物质上外,微生物通常以自然形成的形式分布于菌胶团上。为使污水得到较为理想的净化处理,微生物需要维持较高的浓度水平,同时在载体上保持长时间的固定[3]。对于难降解的工业废水,这类污水通常含多种有机污染物和重金属物质,采用固定化微生物技术可将这些污染物与污水成功分离,降低污水的有机污染物与重金属浓度,从而达到有效的污水处理效果。例如,采用此技术对印染废水进行处理时,通过固定混合脱色菌对印染废水进行处理的脱色率可达到约85%。对于低碳氮比的高浓度氨氮废水,利用固定化微生物技术进行处理已初步取得明显成效。这类废水易导致水体富营养化,对水体生态平衡产生很大的破坏,且采用传统生物方法对这类废水进行处理时需要额外添加碳源,增添成本与操作难度。固体化微生物技术在一定条件下通过某些载体材料可解决碳源不足问题,同时也能处理低碳氮比的废水。此外,对于含高浓度氨氮并携带大量病菌的养殖废水,固定化微生物技术也初见成效。研究表明,利用该技术处理畜禽养殖废水,氨氮的去除率可达90%。除工业废水外,固定化微生物技术在去除生活污水中的氨氮时也展现出良好的应用效果[4],该技术与纳滤组合工艺相结合,生活污水的氨氮去除率均可达到99%,固定化菌株对化学需氧量(COD)的平均去除率比游离菌株要高10%。

  1.2 大气净化

  20世纪90年代,固定化微生物技术开始被应用于我国大气污染物的生物处理。目前,相关研究数量有限,但仍显示出良好的治理效果。常用于恶臭气体处理的反应器主要有膜生物反应器、生物过滤池和生物滴滤器等。而影响该技术大气净化效果的因素有很多,如底物、微生物、填料、微生物固定方法、pH和温度等。例如,在去除臭气中的NH3时,利用固定床反应器可达到92%以上的气相氨去除率;而利用滴滤塔反应器去除气体中的H2S时,净化效率可持续稳定地大于87%;利用固定化微生物技术在颗粒填充床生物脱臭塔中去除甲硫醇气体时,通过调整甲硫醇气体的浓度与在空塔中的停留时间,脱臭塔的甲硫醇去除率可保持在80.0%~99.0%。

  1.3 污染土壤治理

  采用固定化微生物技术进行土壤修复的研究报道较多见于土壤中残留农药及多环芳烃的降解。例如,被多环芳烃污染的土壤经过被聚乙烯醇包埋固化的菌群降解处理后,其对土壤中菲、芘的降解效果明显优于游离菌[5]。在降解被污染土壤中的农药时,固定化微生物也显示出明显的作用。固定化菌的抗温度与酸碱度变化能力要优于游离态菌。为使微生物紧密结合在载体上从而减少微生物流失,包埋法或包埋与吸附相结合的方法得到了广泛关注,包埋法的原理如图1所示。此外,固定化微生物技术可有效解决因施入土壤中的真菌菌丝大量增殖导致的膨胀化和效果不稳定等问题[6]。

2 固定化微生物技术应用于环境工程领域所存在的问题

  虽然固定化微生物技术在环境工程领域的应用前景十分广阔,但目前仍存在一些亟待解决的问题。

  2.1 成本问题

  作为固定化微生物技术的重要组成,载体的选择与使用是至关重要的。目前,载体的成本高昂,且技术实际运行过程中,为了保证较好的处理效果,要对载体进行及时与频繁的更替,这进一步加重了成本负担,并且对运行管理也造成了一定的负面影响。

  2.2 稳定性问题

  在实际运行中,固定化载体的稳定性较弱,易受力破碎,此外,还存在菌体易脱落等问题。例如,虽然海藻酸钠被大量应用于固定化微生物技术中,但其机械强度差,且凝胶颗粒在特定条件下会溶解破碎,对进一步的处理效果产生阻碍。

  2.3 方法单一性问题

  在实际情况下,需要处理的污染物为复杂混合体系,例如,污水中的污染物种类多,处理起来较为复杂。使用高效的单一菌种只能对单一污染物进行处置,而混合菌的应用效果则不够理想,因此菌种的选择常会产生分歧。如何在保证处理效果的同时克服方法单一性问题需要进行进一步的研究。

  2.4 应用范围局限性问题

  目前,固定化微生物技术在环境工程领域的研究还存在一定的局限,可利用的范围十分有限。对于具有污染严重、难降解、毒性大等特点的污染物,一般常见的处理方法往往难以取得成效,这时应该有效利用固定化微生物的独有优势进行净化及降解。

3 改进对策

  3.1 要对载体进行进一步的研发

  对于固定化微生物技术来说,载体的使用是不可替代的步骤,但是载体频繁更替造成成本大大提高。所以,针对目前高昂的技术成本问题,要从生物技术层面进一步研发更为经济有效的载体,延长载体的使用寿命。另外,因为载体的作用是将微生物固定住,从而让微生物保持高度密集的状态,所以可以根据这一特性,寻找其他合适的低廉材料替代高昂的载体。与此同时,在载体重复利用的研究上还有一定的发展空间。

  3.2 要对固定化微生物技术进行进一步的研究,改善其稳定性

  由于载体的稳定性会直接影响其携带菌体的稳定性,因此菌体一旦脱落对后续的水体净化效果将产生影响。研究发现,可通过提高固定化细胞的稳定性、完善处理系统的运行效果、减少运行过程的微生物流失等,提高载体的稳定性,从而使整个污染物处理系统获得更为良好的性能。

  3.3 要对菌种进行进一步的研究,丰富处理方法

  在实际的自然环境中,污水中的菌类不可能是单一的,往往是很多菌种的混合物,如果采用单菌种药剂,可能会大大降低水处理效果。所以,有必要研究一种多菌种固化技术。可以选育优良菌种,进一步研究多菌种的共同固定化技术,解决同时处理多种污染物的问题,从而提高技术处理效率。需要注意的是,在制作多菌种药剂时,要时刻注意不同药剂之间是否会发生化学反应。一旦发生不可控的化学反应,将带来一些不良反应,例如,会产生新的化学物质,很可能污染环境。当不同的菌种混合在一起时,要合理协调它们生活环境的水分、pH等,以便达到良好的活性,使处理效果最佳。

  3.4 与基因工程相结合,优化菌种

  目前,固定化微生物技术的应用范围比较狭小,可以通过与基因工程相结合的方法来优化菌种,通过基因的拼接让其性能更佳,扩大应用范围。同时,要不断改善相关生产工艺,提高载体制备效率,研发出更为高效、经济和满足产业需求的固定化生物反应器。从这一方向来看,要将生物技术与其他科技手段相结合,通过科技的力量,让固定化反应生物器的效果更好,能够在更多产业上得到应用。

4 结语

  固定化微生物技术作为一种有效的污染物处理技术,在环境工程中尤其是废水处理方面得到了广泛应用,但不可否认的是该技术仍存在一些问题。当前,要不断改进相关工艺,使固定化微生物技术获得突出进步,为我国环境治理提供切实有效的方法,使环境建设取得良好进展。

参考文献

  [1] 韩嘉碧,吴慧芳,庄子孟,等.固定化微生物技术用于废水处理的研究进展[J].江西化工,2020(4):50-51.

  [2] 葛祖瀚,张刚.固定化微生物用于重金属废水处理的研究进展[C]//2020中国环境科学学会科学技术年会.2020.

  [3] 许婷.固定化微生物技术在环境工程中的应用研究进展[J].黑龙江科技信息,2016(10):76.

  [4] 刘玉龙.谈固定化微生物技术在环境工程中的应用[J].黑龙江科技信息,2015(30):107.

  [5] 司徒炳溢.环境工程运用固定化微生物技术的探讨[J].环境与发展,2018(5):104-105.

  [6] 李琦,杨晓玫,张建贵,等.农用微生物菌剂固定化技术研究进展[J].农业生物技术学报,2019(10):1849-1857.

作者:张美薇 单位:济宁市生态环境局北湖省级旅游度假区分局

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