人工固定化生物活性炭的生理學(xué)研究

何延青 盧春萍

（河北建筑工程學(xué)院 張家口075000）

生物活性炭技術(shù)一般是指以活性炭為載體，利用自然吸附生長的微生物，在水處理過程中同時(shí)發(fā)揮活性炭的物理吸附作用和生物降解作用的水處理技術(shù).但是由于在顆?；钚蕴块L期運(yùn)行過程中自然形成的生物無選擇性；同時(shí)，炭表面被微生物分泌的粘液性物質(zhì)覆蓋后，其吸附作用能否發(fā)揮等問題的存在，使得生物活性炭未能推廣應(yīng)用，一直處于研究階段［1］.針對這一狀況，我們采用生物工程技術(shù)，篩選、馴化出工程菌，并通過固定化手段，形成工程菌的人工固定化生物活性炭.

研究對工程菌人工固定化的生物活性炭和自然形成的生物活性炭對微污染水的凈化效率進(jìn)行了試驗(yàn)對比，并從生理學(xué)角度展開探討.

1 人工固定化生物活性炭與自然形成的生物活性炭運(yùn)行效果

本實(shí)驗(yàn)通過控制培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分分離培養(yǎng)出貧營養(yǎng)環(huán)境中高效分解有機(jī)物的微生物作為工程菌，然后將其固定在活性炭載體上，成為人工固定化生物活性炭系統(tǒng).同時(shí)在完全相同的條件下與其平行運(yùn)行的是沒有接種工程菌的活性炭，使其成為自然形成的生物活性炭系統(tǒng).以微污染水源水作為處理對象，以高錳酸鹽指數(shù)作為檢測指標(biāo)對兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和凈水能力進(jìn)行了對比試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.從總的運(yùn)行效果來看，人工固定化生物活性炭的凈化性能明顯優(yōu)于自然形成的生物活性炭.

圖1 高錳酸鹽指數(shù)去除率（%）變化規(guī)律

針對于此我們從生物量與生物相構(gòu)成等方面進(jìn)行了深入的試驗(yàn)和分析.

2 生物活性炭上微生物的微觀結(jié)構(gòu)分析

人工固定化生物活性炭的生物相單一，是由工程菌構(gòu)成，且代時(shí)長，不受水溫變化的影響，數(shù)量基本穩(wěn)定在103－104cfu／g炭.我們也對自然形成的生物活性炭上的菌量、菌種等進(jìn)行了分析.無菌操作，取10克樣品進(jìn)行洗脫，將絮狀物破碎，倍比稀釋后測定菌量，菌量為102cfu／g炭.而新炭人工形成的生物活性炭 ，菌量為103cfu／g炭.

在測定菌量的同時(shí)，對細(xì)菌的種類進(jìn)行了考察.經(jīng)分離純化，共得到6株菌，通過形態(tài)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)特征及生理生化指標(biāo)的測定，得知它們分別屬于芽孢菌屬（Bacvibacterium）2株、假單胞菌屬（Pseudomonas）2株、短桿菌屬（Brevibacterium）1株、微球菌屬（Microccus）1株這說明種類較少.

由此證明，盡管自然形成的生物活性炭上菌量較高，但由于種類較少，故導(dǎo)致其高錳酸鹽指數(shù)的去除率較差.自然形成的生物活性炭的凈化效率很差，僅從生物相構(gòu)成的分析還不能完全弄清，基于此，我們通過掃描電子顯微鏡對自然形成生物活性炭和人工固定化生物活性炭的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究.

圖2 人工固定化生物活性炭表面結(jié)構(gòu)

圖3 自然形成的生物活性炭表面結(jié)構(gòu)

由圖2可知采用工程菌對新炭固定化所形成的生物活性炭，其表面不均勻地分布著工程菌.因此，工程菌的存在并不影響活性炭物理吸附作用的發(fā)揮，從而使得人工固定化生物活性炭具有穩(wěn)定、高效的凈化效能.從圖3看出，自然形成的生物活性炭的被形成的生物膜完全覆蓋，特別是細(xì)菌分泌的粘液性物質(zhì)滲透到活性炭的大孔和過濾孔中，導(dǎo)致傳質(zhì)速率大大降低，活性炭微孔不起作用，這樣一來，活性炭的物理吸附作用喪失，只起到單純的載體作用，生物活性很低，造成高錳酸鹽指數(shù)的的去除率較差.

3 生物活性炭上的生物相構(gòu)成

3.1 生物活性炭上的微生物量

實(shí)驗(yàn)中固定化生物活性炭柱從底部進(jìn)水，采用升流式吸附，為了更好地反映出沿水流方向固定化生物活性炭上工程菌數(shù)量的變化，分三層進(jìn)行取樣，分別記為底層、中層和上層，同時(shí)測定了自然形成的生物活性炭柱中的細(xì)菌量.結(jié)果見表1.

表1 不同BAC層上的菌量

由表1可知，濾柱中各層固定化生物活性炭上菌量基本上是相同的，處于同一數(shù)量級上，說明沿水流方向菌量的分布是相對比較均的.自然形成的生物活性炭上菌量的分布狀況與固定化生物活性炭的基本一致，但數(shù)量較少.

3.2 生物活性炭上的微生物種類的變化

利用篩選、馴化的工程菌，人工固化形成固定化生物活性炭投入運(yùn)行后，人們所關(guān)心的就是固定化生物活性炭能否長久、穩(wěn)定地保持較高的凈化效率，也就是工程菌能否始終保持優(yōu)勢種群，因?yàn)橐贿@問題直接關(guān)系著固定化生物活性炭技術(shù)的應(yīng)用，所以我們對運(yùn)行固定化生物活性炭以及連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)月的顆?；钚蕴可霞?xì)菌進(jìn)行了鑒定.結(jié)果見表2.

由表2來看，顆?；钚蕴吭谶\(yùn)行過程中能夠吸附細(xì)菌，即自然形成生物活性炭，但高錳酸鹽指數(shù)的去除效率并不高.從固定化生物活性炭上共分離出17株菌，比最初投加時(shí)的工程菌多2株，這是在運(yùn)行中自然吸附上的，所占比例很小，不影響固定化生物活性炭凈化效能的發(fā)揮.

工程菌本身就是經(jīng)過常規(guī)處理后存在的優(yōu)勢菌，所以在自然狀態(tài)下吸附在顆粒活性炭上的細(xì)菌和工程菌同屬，但在自然狀態(tài)下其代謝活性較低，存在于顆?；钚蕴可喜粫?huì)具有很高的代謝活性；而工程菌是經(jīng)過馴化的，適應(yīng)性很強(qiáng)，代謝活性高，在含有微量有機(jī)物的水中生長繁殖，所以固定化生物活性炭的凈化效率較高，運(yùn)行穩(wěn)定.

表2 固定化和自然生物活性炭上細(xì)菌種類

4 固定化生物活性炭降解規(guī)律初探

從以上的分析及已有的研究結(jié)果，不難看出，人工固定化生物活性炭始終是由生物降解和物理吸附協(xié)同的作用，使有機(jī)物得以去除.自然形成的生物活性炭存在一個(gè)變化過程，即單純的物理吸附階段，物理吸附和生物降解聯(lián)合作用階段，以及單純的生物降解過程.二者的降解過程的模式圖見圖4和圖5.

由圖4可知人工固定化生物活性炭始終具有物理吸附作用和生物降解作用，但由于生物難降解物質(zhì)的存在和積累，導(dǎo)致活性炭的吸附作用呈緩慢下降的趨勢，這一點(diǎn)已在有關(guān)參考文獻(xiàn)［2］得以證實(shí).另外，從本研究中，對有機(jī)物的凈化效率基本穩(wěn)定的情況，也間接地說明了這一問題.

圖4 人工固定化生物活性炭的規(guī)律

圖5 自然形成的生物活性炭的降解規(guī)律

由圖5可知，自然形成的生物活性炭，實(shí)際上是在顆?；钚蕴康奈锢砦阶饔貌粩嘞陆档倪^程中，逐步形成的，這一形成時(shí)間的長短，與反沖洗時(shí)間和預(yù)處理后菌量的多少密切相關(guān)另外，由于自然形成的生物活性炭上的菌無選擇性，一旦形成后便有一個(gè)快速生長期，但由于水中有機(jī)物微量，因此一旦達(dá)到最大量，便處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其生物吸附和降解能力受水溫和反沖洗強(qiáng)度的限制，因此對有機(jī)物的去除率波動(dòng)性大.同時(shí)，由于老化菌體的影響，使得自然形成的生物活性炭的降解作用逐步下降.

5 結(jié) 論

從試驗(yàn)運(yùn)行效果以及生物活性炭的微觀結(jié)構(gòu)上分析、生物活性炭上微生物量和微生物的種類變化等方面來看，人工固定化生物活性炭對于微污染水源水的處理效果優(yōu)于自然活性炭.人工固定化生物活性炭具有長期、穩(wěn)定、高效的去除效率.

從生物降解作用和物理吸附作用兩個(gè)方面對生物活性炭的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了初步探討，從生理學(xué)理論上分析了工程菌人工固定化的生物活性炭和自然形成的生物活性炭二者作用過程的差異.

［1］奚悅，焦姮，劉小宇.固定化細(xì)胞技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.生命的化學(xué)，2013，（5）：86～91

［2］馬放，李偉光，王寶貞，等.延長活性炭使用壽命的生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào).1999，32（6）：70～73