微纳米曝气机修复污染地表水体修复问题

污染地表水体修复问题是最近几年才被广泛关注的环境保护课题，由于污染地表水体的特殊性,常规修复方法难以发挥高效作用。以污染水体中的气为例，由硝化细菌催化场气氧化的硝化作用是氮循环的关键步骤，然而自然状况下的化能自养细菌具有生长速率低、生物量小和对环境因子敏感等生理特点，为了提高对氏气的生物处理效率,需要对自然界中的硝化细菌进行富集。固定化微生物可以通过提供特殊的微环境，较好地保护优势菌不受土著菌恶性竞争，在保持高效修复能力的同时，可以将优势菌屏蔽于恶劣环境之外，具有微生物浓度高、抗冲击负荷能力强等优点，在一定程度上克服了传统修复工艺的不足。

为了改善人类的居住环境,人们采用活性污泥法、生物膜法,通过建造大型污水处理厂来解决水体的污染,实践表明这些环境工程方法在解决点源污染中是十分有效的,并发挥了巨大的作用然而也存在一些问题,如需建造大型污水厂,并需建造大量管道将污水纳入处理厂,其基建及运行费用非常昂贵。如将这类环境工程的方法用于治理受污染的地面河道水体还会遇到更大的困难,我们几乎不可能将污染成分运送至固定的处理厂处置。在这种情况下,人们设想在天然的环境下通过某些工程手段以强化污染物降解的自净作用,使污染物在被污染的河道现场得以降解、净化。微生物修复技术就是在这种历史背景下被开发、并在世纪年代得到迅速发展的一项污染治理工程技术。实践表明,微生物修复技术具有以下优点

1、在温和的条件下经过酶催化即可高效并相对彻底完成,处理费用低廉,为现有环境工程技术的几分之一

2、微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强和易实现变异等特性,适当地对其加以培养繁殖,特别是在一定条件下加以驯化,就能使之很好地适应各种有毒的生活污水等环境。通过有针对性地对菌种进行筛选、培养和驯化,可以使大多数的有机物实现生物降解处理,应用面宽。

3、微生物不仅能去除有机物、病原体、有毒物质,还能去除臭味、提高透明度、降低浊度等,处理效果良好。

4、环境影响小,不会形成二次污染,遗留问题少

5、原位就地修复,操作简便,可以避免铺设不雅观的机械设备。

微生物修复技术指利用天然存在的或特别培养的微生物,在可调控环境条件下,通过微生物的降解和生物转化作用,变有毒有害污染物为无毒无害物质的环境污染处理技术,其核心为微生物学过程。微生物修复与污、废水生物处理间的关系既相联系又相区别,从原理上讲,两者都利用微生物的降解、转化作用消除污染物,同时利用微生物的同化作用扩大繁殖,使过程连续。不同之处在于（1）处理对象不同。微生物修复的对象是污染物浓度相对较低的自然水体,而污、废水处理的对象是污染程度较高的生活和工业废水。（2）操作工艺不同。微生物修复的场所一般是复杂、开放的自然环境,生物水处理的场所常指精心设计的工程系统目的不同。微生物修复的目的是恢复自然环境原貌,生物水处理的目的是为避免污染物不经治理而进入环境。

微生物修复技术局限

经实践检验,微生物修复技术尚存在着一定的局限性：

1、微生物不能降解所有进入环境的污染物,污染物的难生物降解性、不溶性以及与腐殖质结合在一起常常使微生物生物修复不能进行

2、特定的微生物只降解特定类型的化学物质,结构稍有变化的化合物就可能不会被同一微生物酶破坏

3、微生物活性受温度和其他环境条件影响

4、微生物修复一般需要好氧的环境条件。

传统意义的微生物修复的特点是利用游离优势菌的降解作用,随着污染物逐渐趋向成分更复杂、易积累难降解和毒性影响更长期,游离微生物修复技术的不足逐渐显现。如单位体积内有效降解菌浓度低、反应器启动慢、菌体易流失、与土著菌竞争处于弱势、抗毒性侵害能力差、对激烈的水力条件变化敏感等。

微生物固定化修复技术的提出

为了解决上述不足和缺点,近年来,人们将固定化技术引入到微生物修复工艺中,取得了显著的效果。到目前为止,利用固定化微生物技术修复污染地表水的研究尚处于起步阶段,直接相关文献极少,而关于利用固定化微生物技术治理工业废水和生活污水文献则非常丰富,积累了很多的经验。鉴于微生物修复和治理污染水体在有机化合物降解本质上的一致性,固定化微生物治理污水技术存在向修复污染地表水移植的可能性。

利用固定化微生物技术治理工业废水和生活污水的研究从不同角度说明或证实了固定化微生物在很多理化性质方面明显优于游离微生物,固定化微生物生活在由固定化载体造成的奇特的微环境中,有效地屏蔽了外界不利因素对微生物细胞直接侵害微生物被各种载体固定后,单位体积内的有效浓度提高,导致了对污染物降解率的提高且固定化后的成品再生性能好,可以长期反复使用，比较于游离微生物治理污水,固定化微生物具有显而易见的技术优势。

微生物固定化修复技术的主要特点是对完整的微生物细胞进行固定,可避免人为破坏生物酶的活性和生化反应的稳定性可提高单位体积水体内微生物细胞密度,并可加快细胞的流动速率,在稀释率高于微生物生长率的情况下,能够有效地解决污染环境修复问题。固定化后的微生物能长期保持活性,固定化颗粒可重复使用,节省投资；固定化细胞颗粒的微环境有利于屏蔽土著菌、噬菌体和毒性物质对微生物体的恶性竞争、吞噬和毒害,使其在复杂环境中和激烈的操作条件下也可稳定地发挥高效能。

对于污染物浓度较低、空间分布区域广、水力条件变化不显著的缓流或静止地表水体而言,无疑具有特殊的技术优势和光明的应用前景。

固定化细胞的制备

固定化细胞的制备方法多种多样,目前国内外仍未有统一的分类标准。但总体可分为吸附法、包埋法、共价法、交联法和孔网状载体截陷法五大类。

吸附法有物理吸附和离子吸附两类。物理吸附是使用具有高度吸附能力的硅胶、活性炭等吸附剂将细胞吸附到表面使之固定化；离子吸附则是根据细胞在解离状态下因静电引力而固着于带有相异电荷的离子交换剂（如DEAE-纤维素、CM-纤维素等上。吸附法操作简单,对细胞活性影响小,但所能固定的细胞量有限。废水处理中的生物膜法是其代表性例子。

交联法是利用两个功能团或多功能团的试剂与细胞分子之间进行分子间的交联的固定化方法。常用试剂有戊二醛,其它交联剂有异氰酸衍生物、双偶氮联苯和N,N'-乙烯双马来酞亚胺等。此法的缺点是交联过程中往往反应激烈,对细胞活性影响很大,而且交联剂大多价格昂贵,限制此法广泛应用。

共价法就是细胞表面上功能团和固相支持物表面的反应基因之间形成化学共价键连接,从而成为固定化细胞。该法细胞与载体之间的连接键很牢固,使用过程中不会发生脱落,稳定性好,但反应条件激烈,操作复杂,控制条件苛刻。利用此法制备的固定化微生物在进行反应时往往要进行活化,从而会造成细胞大多死亡。共价键结合法主要有戊二醛法、肤键结合法、肤鳌合法等。

包埋法则是使细胞扩散进入多孔性载体内部,或利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋在其内部,从而达到固定细胞的目的。该法操作简单,可以将细胞锁在特定的高分子网络结构中。这种结构紧密到足以防止细胞渗漏,然而允许底物渗透和产物扩散,对细胞活性影响较小,制作的固定化细胞球的强度较高。

孔网状载体截陷法主要是利用孔网状载体的特殊结构截陷微生物，达到使其固定的目的。这种方法主要是利用载体的特殊空间结构对固定微生物起到屏护作用，目前已开发的多种载体主要有聚氨酯泡沫塑料、中空纤维、聚乙烯、不锈钢网球等。

本公司研发的固定化微生物培养器采用孔网状载体截陷法，培养器尺寸为1米*1米*1.5米，外壳为，里面共装有三种填料，载体A：直径150～200mm，比表面积>250m²/m³，材料为聚烯烃类和聚酰胺。载体B：直径45～50mm，比表面积3000～5000m²/m³，材料为PP、eva和纤维丝等。载体C：直径50～200mm，比表面积2000～3000m²/m³，材料为聚丙烯、聚乙烯。该三种载体组成的空间孔网状结构可以截陷大量不同种类的微生物，有益微生物浓度可达到≥10000cfu/ml。射流曝气机安装在培养器顶部，采用中寰现有产品，其作用是向培养器充氧。射流曝气机通过导气管吸入的大量空气进入喉管后，在喷水压力的作用下被分割成大量微小的气泡，与水形成混合体。气液混合体通过扩散管向培养器内部排出，被培养器中高浓度微生物充分利用，污染物降解率得到极大的提高。

杭州桂冠环保科技有限公司研发的固定化微生物培养器的主要特点是对完整的微生物细胞进行固定，可避免人为破坏生物酶的活性和生化反应的稳定性，可大大提高单位体积水体内微生物细胞密度，并可加快细胞的流动速率，能够有效地解决污染环境修复问题。本公司研发的固定化微生物培养器微生物能长期保持活性，可重复使用,节省投资；固定化细胞颗粒的微环境有利于屏蔽土著菌、噬菌体和毒性物质对微生物体的恶性竞争、吞噬和毒害,使其在复杂环境中和激烈的操作条件下也可稳定地发挥高效能。非常适用于污染物浓度较低、空间分布区域广、水力条件变化不显著的缓流或静止地表水体。