固定化微生物對飲用水凈化效能的研究
發布時間：2010-01-14 共1頁
固定化技術是從60年代開始迅速發展起來的一項新技術，它是通過采用物理或化學手段將游離的細胞和酶定位于限定空間區域內，使其保持活性并反復利用，由于使用固定化技術細胞密度高，反應迅速，微生物流失少，產物分離容易，反應過程較易控制，在實際應用中成果顯著，已被廣泛應用于發酵技術、能源開發和化學分析中。
1 微生物的固定化過程
1.1 固定化微生物的篩選
目前，國內部分水廠所采用的是投藥→混凝→過濾→消毒工藝，其出水中需含有一定量的余氯，以保證飲用衛生安全。但是據檢測，水中仍有一定量的細菌存在，這些細菌種群對氧化作用具有一定的抗性，若加以馴化會成為所要求的菌種。為此，對自來水中的細菌進行了分離純化。
① 用酒精噴燈灼燒自來水龍頭3min，用無菌三角瓶(帶瓶塞)取自來水一瓶，迅速蓋上塞。
② 在無菌條件下，用無菌帶刻度吸管吸取1mL自來水注入預先配制的無菌全營養液體培養 基里，搖床培養24h。
③ 在無菌條件下，用接種環挑取自來水在預先制備的平板固體培養基上劃線，然后置于37℃溫箱中培養24～48 h，同時用無菌5mL移液管吸取0.5mL培養液，滴于平板固定培養基中，進行平板涂布。這兩種方法的同時使用保證了水中細菌不被遺漏。取0.5mL無菌水進行涂布作為對照。
④ 培養結果：24 h后生長細菌涂布板中共有18個菌落，將不同的菌落挑取出來，共得到13個菌落，然后接種于經標號的固體斜面培養基中，以備純化。
⑤ 純化方法用平板劃線法。首先將標號菌分別用接種環挑取，在平板固體斜面培養基中劃線，然后放入溫箱37℃培養。
⑥ 24 h后取出平板，將其中單菌落挑取再接種于固體斜面培養基中以備后用，至此分離純化結束。
分別對上述13株菌進行細菌形態和菌落形態的觀察，以及生理生化指標測定到屬，得出上述細菌分別為假單胞菌屬、動膠菌屬、芽胞桿菌屬、產堿桿菌屬、短桿菌屬、微球菌屬、葡萄球菌屬、不動細菌屬、氣單胞菌屬、分枝桿菌屬、微桿菌屬、棒狀桿菌屬、埃希氏菌屬。
得到13株菌后，由于其中埃希氏菌屬和葡萄球菌屬中有某些種是病原菌，所以舍棄不用，最后篩選出11株菌作為微生物固定化的所用菌種。
1.2 固定化微生物的馴化和培養
由于原水屬于貧營養狀況，所以將11株菌混合，并依次培養于含有全營養到貧營養的培養基中，最后在貧營養培養基中細菌數量穩定在109MPN/mL(即腸桿菌最估計數為109個/ mL)左右后,進行細菌的固定化。
1.3 固定化過程
將菌液桶置于高處，利用虹吸使菌液從上到下流入活性炭柱,柱下放另一水桶接住殘余的菌液,然后再將菌液倒回高處桶內，這樣反復循環幾次直到流出水的菌數不再降低，這時可認為活性炭柱對細菌吸附和截留已達飽和。為檢測細菌吸附情況，緊接著對炭柱通自來水，測定出水菌數。結果2h后出水菌數為108MPN/mL,當連續運行12h后，出水中菌數已達500MPN/mL(見表1)，此時可認為細菌已被活性炭吸附。
為了測定生物活性炭上的生物量，取炭柱上、中、下三層的炭各10 g，分別置入裝有玻璃珠和100 mL無菌水的三角瓶中充分震蕩，使炭上的細菌完全洗脫下來，然后各取1mL洗脫液，用平板稀釋法測定細菌總數，結果如下：
炭柱上層2.2×105MPN/mL，炭柱下層3.4×103MPN/mL，炭柱中層2.3×104MPN/mL 。
得到上述生物活性炭后，將其裝入有機玻璃柱中進行后續試驗。
2 試驗裝置和方法
2.1 試驗裝置
為了比較在同樣條件下普通活性炭和生物活性炭對原水的凈化效能，設計的設備裝置、規格及工藝參數如下：
高位配水箱：1.10m×0.55m×0.45m，有效容積0.25m3。
活性炭柱：柱內徑為0.11m，高2.0m。底部填有0.30m的陶粒墊層，粒徑為2.0～3.0cm。上部為0.7m厚的ZJ—15型顆粒活性炭，粒徑為1mm，長2～3mm，有效孔隙61.6%，孔37.5% ，中孔12.5%，微孔50%。柱中的活性炭由預先馴化的菌種進行活化(見生物活性炭形成過程) 。
2.2 試驗用原水
以自來水為主體并投加一定量蛋白胨、牛肉膏及生活污水配制而成，其高錳酸鹽指數為5.0mg/L左右，濁度為6NTU左右，色度為35度左右，pH值為6～8。
2.3 分析測定方法
① CODMn的測定：用高錳酸鉀法測定。
② 色度測定：采用鉑—鈷系列比色法。
③ 濁度：采用日本HACH 2100A型濁度儀。
3 結果和討論
3.1 濁度的變化規律
在最初運行的1～24d內兩種炭對濁度的去除率都很高，在60%～80%之間，出水濁度為0.5～1.5NTU，平均值為1.0NTU，可以達到世界發達國家的標準。但是當試驗運行到26d時，普通炭的去除率開始下降。這主要是因為雖然活性炭具有發達的孔隙結構，但 其比表面積95%以上是微孔結構，有效半徑為10-9m，孔和過渡孔不到5%，而使水中 具有濁度的物質主要為懸浮物和膠體，它們的有效半徑在10-7～10-5m之間，所以微孔不能充分發揮其吸附作用。當運行到35d時普通炭的濁度去除率降到最低，只有5%，此時普通炭的吸附作用達到飽和。分析認為，在運行穩定時，普通炭仍有一定的吸附作用是因為粒子之間的物化吸附和載體的物理截流。而生物活性炭孔和過渡孔已經吸附有一定量的微生物，按吸附效能來說其作用小于普通活性炭，但被其吸附的微生物可分泌一種叫莢膜類的粘液性物質，粘住水中懸浮顆粒和膠體物質，然后通過分泌胞外酶將部分可生物降 解的物質分解成二氧化碳和水，空出吸附位，此時的生物炭對濁度具有一定的去除率。隨著運行時間的延長，到運行后期濁度逐漸增時，生物炭的降解作用也逐漸降低，這說明生物降解速度很慢，主要以吸附作用為主。當吸附的速度于降解速度時，沒有被分解的物質進行積累，微生物沒有及時將吸附位空出，生物炭有效孔隙減少，約在50d時也趨于飽和。即對濁度的去除率不再升高也不再降低，基本穩定在10%左右。
3.2 高錳酸鹽指數的變化規律
運行初期自來水的CODMn很低，約在2.5～4mg/L之間，經過兩種炭柱過濾后，出水都可達到國際衛生組織(WHO)的水質標準(＜2.5 mg/L)。在最初的1～21d內，兩種炭對CODMn的去除率相差不，都在50%～60%左右。這是因為普通炭具有發達的微孔結構( ＞95%)，溶解的有機小分子物質可以進入微孔而被吸附，此時活性炭的微孔就可比濁度去除 時更充分地發揮其吸附作用從而獲得比濁度去除更好的效果。運行后期采用配水作原水，有機物種類繁多，CODMn較高，運行一段時間后即在35d時普通活性炭就達到了飽和狀態，使吸附和脫附達到一種動態平衡。而且隨著水流不斷流過濾料，部分有機物從濾料上脫附下來，結果造成了有時出水比進水CODMn還高的情況。生物活性炭則不同，由于活性炭上吸附的微生物屬于人工接種，微生物只占據了活性炭的部分孔和過渡孔 及活性炭表面，不會阻擋有機物進入微孔，被微生物產生的胞外酶所降解。酶的來源主要有兩方面：微生物新陳代謝所分泌的胞外酶；死亡的微生物通過自溶作用向體外釋放的氧化酶。酶的小按其球形計為0.01～1μm，在適宜條件下許多酶都能被活性炭量吸附，一些較小分子量的酶或具有活性基團的酶的碎片可進入活性炭的微孔中，催化分解吸附在微孔內的有機物為小分子化合物。由于活性炭對低分子量的物質吸附能力差，這些小分子物質就可從炭的孔隙表面解吸下來，向外擴散進入孔和炭表面的微生物體內，在細胞內酶的催化下一部分合成細胞物質，一部分進行氧化分解最終以CO2和H2O及其他簡單物質形式釋放到菌體外，這樣不僅使有機物被分解，而且使被有機物占據的微孔在微生物作用下得以再生。但隨時間的延長，沒有被降解的有機物逐漸積累，這樣就使得在運行60d時，生物炭吸附和降解也達到飽和。
為進一步測定微生物對活性炭的再生作用，在運行40d后對三種炭的碘值進行了測定，碘值是指和0.02mol/L碘液相平衡時每克活性炭吸附碘的毫克數，碘分子的直徑為0.532nm。
根據碘值測定結果分析可知，生物活性炭的再生率為81%，其中微孔再生率為81%～95%，這說明吸附在微孔內的有機物可以在微生物胞外酶作用下解吸下來，恢復微孔的吸附能力。
3.3 色度的變化規律
兩種炭在初期對色度的去除相差不多(色度去除試驗時兩種炭已運行接近50d，普通活性炭的吸附容量已接近飽和)，當試驗進行到第6d時，該柱對色度的去除開始下降，到第14d時已基本沒有去除效果。運行之初生物炭對色度的去除率基本保持在40%左右，具有相當的脫色能力，分析認為主要是由于：①細菌可以降解吸附于活性炭上的有機物，使其變成二氧化碳和水，為對色度的后續吸附空出吸附位；②細菌對生色基團有一定的降解作用。但是，隨著運行時間的延長，到試驗的第14d時，生物炭對色度的去除率有所下降，隨著色度的升高，出水的色度也升高，這說明生物炭對有機質吸附的優先性。試驗初期水中有機負荷不是很高，細菌降解這部分有機物很充分，不可生物降解的物質很少，但是隨著時間的延長，不可被降解的有機物越來越多，而且長期占用吸附位，這樣使活性炭的有效空間越來越少，到30d時對有機物的降解率開始降低。被降解的有機物空出吸附位后，使炭孔周圍有機物濃度降低，這樣從里到外形成了一個濃度差，易降解的有機物通過這種濃度差迅速占領該吸附位，色度粒子沒有機會被吸附，所以出水色度升高。
4 結論
50d的連續試驗證明，采用篩選、馴化、培養的菌種進行人工固定化，形成的固定化微生物對濁度的去除率在40%～70%之間，對高錳酸鹽指數的去除率基本在30%～60%之間，對色度的 去 除率基本穩定在20%～40%之間，具有比普通活性炭更高的活性，而且提高了活性炭的使用壽命，具有良好的應用前景。
