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摘要 [目的]研究PVA复合载体包埋固定化微生物颗粒处理抗生素废水的工艺条件。[方法]采用包埋固定化技术处理抗生素废水中的COD，考察了不同因素对COD去除效果的影响。[结果]其最佳处理条件：曝气时间为25 h，处理温度为25～35 ℃，pH为6～8。在该条件下，其对抗生素废水的COD去除率达85%以上。[结论]包埋固定化增强了菌体抵抗环境的能力，使包埋固定化菌处理抗生素废水的最适温度、pH和进水COD范围变宽。
关键词 固定化；抗生素废水；Acinetobacter sp.NG3
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）35-12633-02
抗生素制药工业废水是一类毒性较强、色度较高、较难降解及治理难度较大的高浓度工业有机废水。随着抗生素产量及社会需求量的不断增大，导致抗生素制药废水的排放量逐年增加，年排放量达7 000万t以上，对环境造成了极大危害，并已成为环境污染的主要来源。目前国内外有效处理抗生素制药废水的方法有化学法、物理法及生物法等，但大多不太成熟，废水处理效率较低，且成本较高等。所以，开发一种高效处理、低耗运行及稳定性强的抗生素制药废水处理技术已成为目前抗生素制药企业污水处理研究的热点[1-2]。
微生物固定化技术是指利用物理或化学方法将菌体细胞固定在载体上，使其保持高度密集并保持其生物活性功能，在适宜的条件下还可以增殖且能反复使用的以满足应用之需的生物技术[3]。将其应用于抗生素制药废水处理，可构建高效的废水处理系统，具有提高生物反应器单位体积的生物转化率、延长菌体细胞寿命、提高固液分离效率、降低污泥产量、提高系统的处理能力和菌种适应性及可反复使用等优点，已逐步受到制药企业广泛的重视[4]。该研究拟对筛选到的一株高效抗生素废水降解菌进行包埋固定化处理并研究其废水处理效果，以期提供一些可供借鉴的参考。
1 材料与方法
1.1 试验菌种
试验中所使用的菌种为该课题组前期试验所筛选的抗生素废水高效降解菌不动杆菌Acinetobacter sp.NG3。
1.2 试验水样
试验中所用废水水样取自哈尔滨市某抗生素制药企业的污水处理调节池内的混合废水，其主要来自抗生素发酵生产中的发酵废水、用于提取纯化抗生素的有机溶剂废水、洗涤废水以及冷却废水等。其水质的BOD/COD在0.45左右， pH为3.0～5.5，CODCr为5 000～10 000 mg/L，BOD5 2 000～5 000 mg/L，SS为500～900 mg/L，可生化性良好，比较适合使用生物法处理。
1.3 试验方法
1.3.1 包埋固定化小球的制备。
首先用温水将包埋剂（PVA/海藻酸钠）溶解活化成比较光洁的均匀胶体，同时对不动杆菌Acinetobacter sp.NG3的培养液在6 000 r/min条件下进行离心浓缩处理5 min，并用生理盐水连续洗涤离心2～3次；取一定量的浓缩菌体与一定浓度的包埋剂按照菌胶（m∶V）比1∶10的比例在磁力搅拌器上进行低速搅拌使之均匀混合。采用细塑料胶管（d=2～3 mm）连接蠕动泵，将菌体-PVA/海藻酸钠悬液滴入到低速而连续磁力搅拌的CaCl2-饱和硼酸的混合溶液中，然后放入4 ℃冰箱中进行固化交联20 h，放置室温下解冻5 h，最后利用生理盐水对包埋固定化小球进行洗涤，备用。制备的包埋固定化小球如长时间存放，需将固定化颗粒保存在抗生素废水中，以保持其降解活性[5]。
1.3.2 COD的测定。采用《水质化学需氧量的测定-重铬酸盐法》（GB11914-89）。
1.3.3 曝气时间、进水COD浓度、pH及温度对处理效果的影响。
分别在不同的曝气时间、进水COD浓度、pH及温度条件下处理抗生素废水，同时以同量的游离菌（未包埋固定化）处理抗生素废水作为对照，考察曝气时间、进水COD浓度、pH及温度对包埋固定化小球处理抗生素效果的影响[6]。
2 结果与分析
2.1 曝气时间对COD去除率的影响
从图1可知，游离菌在曝气20 h后COD去除率趋于平缓，而包埋固定化菌需要经过25 h。这可能是由于Acinetobacter sp.NG3菌为好氧菌，在生长、繁殖及代谢降解有机物的过程中需要大量的氧气，而经过包埋固定化后，导致体系中有机物及氧的传质速率下降，使曝气的时间延长。
2.2 进水COD浓度对废水COD 去除率的影响
进水COD对COD去除率的影响如图2所示。从图2可知，随着进水COD的不断增加，COD的去除率逐渐下降，当进水COD<6 000 mg/L时，包埋固定化菌较游离菌的COD去除率低，可能原因是由于菌体经包埋固定化后使有机物的传质速率下降造成的；而当进水COD>6 000 mg/L时，包埋固定化菌较游离菌的COD去除率较高，可能是由于随着进水COD的提高，抗生素废水中的有害物质对菌体的毒害作用增强，由于包埋固定化载体原料的保护，使固定化菌具有较好的抵抗能力。
2.3 pH对废水COD 去除率的影响
微生物在生长过程中机体内发生的绝大多数反应都是酶促反应，而酶促反应都有一个最适的pH，酶促反应速率越高，微生物生长速率越大，过低或过高的pH都会使微生物的生长、代谢受到抑制；此外，pH也通过影响细胞质膜的透性、膜的结构和物质的溶解性或电离性来影响营养物质的吸收，从而影响微生物的生长及代谢[7]。pH对COD去除率的影响如图3所示。由图3可知，当pH<6或pH>8时，两种菌的处理效果都较差，当pH在6～8之间时，处理效果最好。此外，包埋固定化菌处理的COD去除率变化较为平缓，说明菌体经包埋固定化后对环境变化的适应性更好。 2.4 温度对废水COD 去除率的影响
由于微生物的生命活动都是由一系列的生物化学反应组成的，而这些反应受温度的影响又极其明显。首先，温度会影响微生物产酶的活性，每种酶都有最适的酶促反应温度，温度变化会影响酶促反应速率；其次，温度会影响细胞质膜的流动性，温度变化不利于物质运输，影响营养物质的吸收与代谢产物的分泌；最后，温度影响有机物质的溶解度，物质只有溶于水才能被机体吸收或分泌，温度的变化使有机物溶解度发生波动，影响微生物的生长，进而影响微生物对抗生素的代谢降解[8-9]。温度对COD去除率的影响如图4所示。
从图4可知，随时间的变化，COD去除率变化趋势比较平缓，说明包埋固定化菌较游离菌对温度的敏感性降低，对环境的适应能力有了一定程度的提高。这可能是由于包埋剂的多孔网状空间结构为菌体提供了一个良好的微环境，使菌体受外界不良环境影响较小，适应能力更强[10]。
3 结论
包埋固定化技术作为一种新型的废水处理技术，已经在多种废水处理中得到了成功的应用，但是在抗生素制药工业废水处理领域应用较少。笔者通过对不动杆菌Acinetobacter sp.NG3进行包埋固定化研究，得到其最佳处理条件：曝气时间为25 h，pH为6～8，温度为25～35 ℃，对抗生素废水的COD去除率达85%以上，同时菌体经过包埋固定化后对极端环境的抵抗力增强。由于该研究只对单一菌进行了包埋固定化处理，特别是该菌的好氧性对抗生素废水COD去除率有较大的影响，下一步工作重点是将其与高降解能力的其他菌按一定比例混合，利用包埋固定化复合菌技术进行抗生素废水的高效处理。
参考文献
[1] 刘和，王晓云. 固定化微生物技术处理含酚废水[J].中国给水排水，2003，19（5）：53-55.
[2] 王里奥，崔志强.固定化微生物处理甲醇废水的包埋条件优化选择[J].重庆大学学报：自然科学版，2005，28（6）：113-117.
[3] 曾常华.复合菌群及其固定化技术处理抗生素生产废水的研究[D].南昌：南昌大学，2007：56-57.
[4] 刘鹏，钟成华.包埋固定化复合菌处理抗生素废水的研究[J].工业水处理，2013，33（2）：28-31.
[5] 庞胜华，刘德明. 固定化微生物处理抗生素废水[J].江苏环境科技，2006，19（1）：14-16.
[6] 冯婧微，李辉. 抗生素废水生物处理的试验研究[J].沈阳化工学院学报，2007，21（1）：39-40.
[7] 唐凤武，樊华. 固定化微生物技术处理城市污水的研究[J]. 环保科技，2009（1）：112-114.
[8] 曲洋，张培玉. 复合固定化法固定化微生物技术在污水处理中的应用[J]. 四川环境，2009（3）：32-34.
[9] 马明娟，陈冬. 固定化微生物技术在废水处理中的研究与应用[J]. 江西农业学报，2007（7）：76-77.
[10] 王玫，刘艳. 固定化微生物处理甲醇废水[J]. 南昌航空大学学报，2009，35（11）：97-99.
关键词 固定化；抗生素废水；Acinetobacter sp.NG3
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）35-12633-02
抗生素制药工业废水是一类毒性较强、色度较高、较难降解及治理难度较大的高浓度工业有机废水。随着抗生素产量及社会需求量的不断增大，导致抗生素制药废水的排放量逐年增加，年排放量达7 000万t以上，对环境造成了极大危害，并已成为环境污染的主要来源。目前国内外有效处理抗生素制药废水的方法有化学法、物理法及生物法等，但大多不太成熟，废水处理效率较低，且成本较高等。所以，开发一种高效处理、低耗运行及稳定性强的抗生素制药废水处理技术已成为目前抗生素制药企业污水处理研究的热点[1-2]。
微生物固定化技术是指利用物理或化学方法将菌体细胞固定在载体上，使其保持高度密集并保持其生物活性功能，在适宜的条件下还可以增殖且能反复使用的以满足应用之需的生物技术[3]。将其应用于抗生素制药废水处理，可构建高效的废水处理系统，具有提高生物反应器单位体积的生物转化率、延长菌体细胞寿命、提高固液分离效率、降低污泥产量、提高系统的处理能力和菌种适应性及可反复使用等优点，已逐步受到制药企业广泛的重视[4]。该研究拟对筛选到的一株高效抗生素废水降解菌进行包埋固定化处理并研究其废水处理效果，以期提供一些可供借鉴的参考。
1 材料与方法
1.1 试验菌种
试验中所使用的菌种为该课题组前期试验所筛选的抗生素废水高效降解菌不动杆菌Acinetobacter sp.NG3。
1.2 试验水样
试验中所用废水水样取自哈尔滨市某抗生素制药企业的污水处理调节池内的混合废水，其主要来自抗生素发酵生产中的发酵废水、用于提取纯化抗生素的有机溶剂废水、洗涤废水以及冷却废水等。其水质的BOD/COD在0.45左右， pH为3.0～5.5，CODCr为5 000～10 000 mg/L，BOD5 2 000～5 000 mg/L，SS为500～900 mg/L，可生化性良好，比较适合使用生物法处理。
1.3 试验方法
1.3.1 包埋固定化小球的制备。
首先用温水将包埋剂（PVA/海藻酸钠）溶解活化成比较光洁的均匀胶体，同时对不动杆菌Acinetobacter sp.NG3的培养液在6 000 r/min条件下进行离心浓缩处理5 min，并用生理盐水连续洗涤离心2～3次；取一定量的浓缩菌体与一定浓度的包埋剂按照菌胶（m∶V）比1∶10的比例在磁力搅拌器上进行低速搅拌使之均匀混合。采用细塑料胶管（d=2～3 mm）连接蠕动泵，将菌体-PVA/海藻酸钠悬液滴入到低速而连续磁力搅拌的CaCl2-饱和硼酸的混合溶液中，然后放入4 ℃冰箱中进行固化交联20 h，放置室温下解冻5 h，最后利用生理盐水对包埋固定化小球进行洗涤，备用。制备的包埋固定化小球如长时间存放，需将固定化颗粒保存在抗生素废水中，以保持其降解活性[5]。
1.3.2 COD的测定。采用《水质化学需氧量的测定-重铬酸盐法》（GB11914-89）。
1.3.3 曝气时间、进水COD浓度、pH及温度对处理效果的影响。
分别在不同的曝气时间、进水COD浓度、pH及温度条件下处理抗生素废水，同时以同量的游离菌（未包埋固定化）处理抗生素废水作为对照，考察曝气时间、进水COD浓度、pH及温度对包埋固定化小球处理抗生素效果的影响[6]。
2 结果与分析
2.1 曝气时间对COD去除率的影响
从图1可知，游离菌在曝气20 h后COD去除率趋于平缓，而包埋固定化菌需要经过25 h。这可能是由于Acinetobacter sp.NG3菌为好氧菌，在生长、繁殖及代谢降解有机物的过程中需要大量的氧气，而经过包埋固定化后，导致体系中有机物及氧的传质速率下降，使曝气的时间延长。
2.2 进水COD浓度对废水COD 去除率的影响
进水COD对COD去除率的影响如图2所示。从图2可知，随着进水COD的不断增加，COD的去除率逐渐下降，当进水COD<6 000 mg/L时，包埋固定化菌较游离菌的COD去除率低，可能原因是由于菌体经包埋固定化后使有机物的传质速率下降造成的；而当进水COD>6 000 mg/L时，包埋固定化菌较游离菌的COD去除率较高，可能是由于随着进水COD的提高，抗生素废水中的有害物质对菌体的毒害作用增强，由于包埋固定化载体原料的保护，使固定化菌具有较好的抵抗能力。
2.3 pH对废水COD 去除率的影响
微生物在生长过程中机体内发生的绝大多数反应都是酶促反应，而酶促反应都有一个最适的pH，酶促反应速率越高，微生物生长速率越大，过低或过高的pH都会使微生物的生长、代谢受到抑制；此外，pH也通过影响细胞质膜的透性、膜的结构和物质的溶解性或电离性来影响营养物质的吸收，从而影响微生物的生长及代谢[7]。pH对COD去除率的影响如图3所示。由图3可知，当pH<6或pH>8时，两种菌的处理效果都较差，当pH在6～8之间时，处理效果最好。此外，包埋固定化菌处理的COD去除率变化较为平缓，说明菌体经包埋固定化后对环境变化的适应性更好。 2.4 温度对废水COD 去除率的影响
由于微生物的生命活动都是由一系列的生物化学反应组成的，而这些反应受温度的影响又极其明显。首先，温度会影响微生物产酶的活性，每种酶都有最适的酶促反应温度，温度变化会影响酶促反应速率；其次，温度会影响细胞质膜的流动性，温度变化不利于物质运输，影响营养物质的吸收与代谢产物的分泌；最后，温度影响有机物质的溶解度，物质只有溶于水才能被机体吸收或分泌，温度的变化使有机物溶解度发生波动，影响微生物的生长，进而影响微生物对抗生素的代谢降解[8-9]。温度对COD去除率的影响如图4所示。
从图4可知，随时间的变化，COD去除率变化趋势比较平缓，说明包埋固定化菌较游离菌对温度的敏感性降低，对环境的适应能力有了一定程度的提高。这可能是由于包埋剂的多孔网状空间结构为菌体提供了一个良好的微环境，使菌体受外界不良环境影响较小，适应能力更强[10]。
3 结论
包埋固定化技术作为一种新型的废水处理技术，已经在多种废水处理中得到了成功的应用，但是在抗生素制药工业废水处理领域应用较少。笔者通过对不动杆菌Acinetobacter sp.NG3进行包埋固定化研究，得到其最佳处理条件：曝气时间为25 h，pH为6～8，温度为25～35 ℃，对抗生素废水的COD去除率达85%以上，同时菌体经过包埋固定化后对极端环境的抵抗力增强。由于该研究只对单一菌进行了包埋固定化处理，特别是该菌的好氧性对抗生素废水COD去除率有较大的影响，下一步工作重点是将其与高降解能力的其他菌按一定比例混合，利用包埋固定化复合菌技术进行抗生素废水的高效处理。
参考文献
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