隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會進(jìn)步，治理環(huán)境污染己成為世界各國面臨的一個(gè)重大問題。二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的固定化微生物多孔載體技術(shù)已成為環(huán)境生物 工程的一重要分支，它是一種產(chǎn)能型的廢水處理技 術(shù)，具有效率高。費(fèi)用低。占地和剩余污泥量少等特 點(diǎn)：非常引人注目[1?2。無機(jī)載體固定化微生物效 果差，有機(jī)高分子載體，由于生物親和性好：固定牢， 結(jié)構(gòu)可調(diào)控，固定化效果好，特別受到人們的關(guān) 注[3!4]。聚丙烯酰胺是固定化微生物應(yīng)用較廣的 一種高分子材料，通常以其凝膠形式將微生物固 定[5]，但凝膠內(nèi)殘留的丙烯酰胺單體會導(dǎo)致微生物 中毒失活，本項(xiàng)研究是用聚丙烯酯共聚物胺解制成 的多孔聚丙烯酰胺共聚物——APM載體，固定化微 生物具有無毒、生物富集量高，固定化效果好等優(yōu) 點(diǎn)。

 

1實(shí)驗(yàn)部分1.1固定化微生物試驗(yàn)將取自成都三瓦窯污水處理廠的活性污泥（厭 氧微生物)去除雜質(zhì)并加定量基質(zhì)進(jìn)行馴化。基質(zhì) 組成為，3. ) % 葡萄糖、2. 5 %NaHC03、1.5 %MgS04 、7H20、1.0 %NH4Cl、0. 2 % KH2P04、0. 2 % K2HP04 、3H20、0. 1% CaC。、2H20、3. 5 x l〇 7 3 FeS04 ? 7H20 等。

 

固定化微生物實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，500 ml固 定化瓶內(nèi)裝入?yún)捬跷⑸?、基質(zhì)和APM載體[;]，集 氣瓶為500 ml錐形瓶，內(nèi)裝有Na0H水溶液，量筒 刻度為500 ml，整個(gè)裝置放入恒溫生物室內(nèi)。固定 化瓶厭氧消化反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣排入集氣瓶內(nèi)，沼氣 中的C0z被Na0H溶液吸收，余下的氣體絕大部分 為CH-根據(jù)排出的溶液體積，便可計(jì)算出產(chǎn)出甲 烷的體積。產(chǎn)出的甲烷越多，說明固定化微生物的 效果越好。

 

萬方數(shù)據(jù)1.3載體孔徑分布用 Macromeritics Auto Pore 9200 型壓束孔率儀 測定。

 

2結(jié)果與討論2.1胺解試劑與APM載體產(chǎn)甲烷量的關(guān)系表1所列數(shù)據(jù)為胺解時(shí)間8I不同胺解試劑制 備的APM載體，在相同條件下（載體10 g，基質(zhì)溶 液250 ml,厭氧微生物50 ml,溫度35 °C，下同）固定 化微生物產(chǎn)甲烷量與胺解試劑的關(guān)系。由表1可 知，產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間增長而增加，胺解試劑不同，胺 解時(shí)間相同的四種APM載體的產(chǎn)甲烷量無明顯變 化。說明APM載體能固定厭氧微生物，固定化效 果受胺解試劑的影響不大。

 

表1胺解試劑對產(chǎn)甲烷量的影響Tab. 1 Effect of aminate regent on the produee of CH4甲院/mlEDATTATPAPPA22225242442628272863435333483837373710444544431465626564188583818222130123127124261821751731773436135334935140479473475474EDA為乙二胺，TTA為三乙烯四胺，TPA為四乙烯五胺，PPA為多乙烯多胺2.2APM載體產(chǎn)甲烷量與胺解時(shí)間的關(guān)系胺解實(shí)質(zhì)上就是多孔丙烯酸酯共聚物中的酯基00IIII(—C一0CH3，轉(zhuǎn)化成酰胺基（一C一NHR，胺 解時(shí)間越長，轉(zhuǎn)化程度越高。胺解對APM載體孔 結(jié)構(gòu)有明顯的影響。其一，共聚物中酯基轉(zhuǎn)化變成 酰胺基后，共聚物中氫鍵作用加強(qiáng)，骨架剛性增加， 孔結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，孔度增加)其二，基團(tuán)體積，酰胺基 較酯基大導(dǎo)致共聚物中孔度下降，胺解時(shí)APM載 體孔結(jié)構(gòu)的影響是由這兩方面綜合作用的結(jié)果。研 究表明，胺解時(shí)間小于4小時(shí)，APM載體孔度隨胺-胺解時(shí)間：1 —10h3/7 A2—2hII f4 3一4 hf/010203040時(shí)間/天解時(shí)間增加而增加，大于4小時(shí)時(shí)則下降，孔度較大 的載體固定化微生物效果更好。圖2所示為胺解時(shí) 間與產(chǎn)甲烷量的關(guān)系。由圖2可知，產(chǎn)甲烷量隨時(shí) 間增加而增加，在20天內(nèi)增加幅度較小，20天后增 加幅度較大。胺解4小時(shí)的產(chǎn)甲烷量高最高，胺解 時(shí)間長(10小時(shí)）的產(chǎn)甲烷量明顯下降，這是由于孔 度下降所致。

 

圖2胺解時(shí)間與產(chǎn)甲烷量的關(guān)系 Fig. 2 Relationship between the aminate time and the pro?duce of CH42.3APM載體產(chǎn)甲烷量與粒徑的關(guān)系圖3所示為相同條件下制得的APM載體的粒 徑與產(chǎn)甲烷量的關(guān)系。圖3可知，10天內(nèi)幾種粒徑 的APM載體產(chǎn)甲烷量無明顯差異；10天以后，產(chǎn)甲 烷量隨時(shí)間增加而顯著增加，三種粒徑的載體產(chǎn)甲 烷量差異越來越明顯，粒徑小的APM載體產(chǎn)甲烷 量大，粒徑大的APM載體產(chǎn)甲烷量少。這是因?yàn)?APM載體具有多孔結(jié)構(gòu)，同樣條件下制備的APM 載體，粒徑小的比表面積較大，相同條件下，具有較 大比表面積的APM載體附著的微生物較多，消化 反應(yīng)產(chǎn)生的甲烷量也就較多。但是粒徑較小的載 體，在動態(tài)條件下操作損失較大，靜態(tài)條件下的阻力 較大。40!60目的APM載體能較好地滿足本項(xiàng)研 究要求。

 

2.4APM載體產(chǎn)甲烷量與孔度的關(guān)系圖4所示為粒徑相同孔度不同的APM載體與 產(chǎn)甲烷量的關(guān)系。由圖4可知，產(chǎn)甲烷量隨載體孔 度增加而增加，因?yàn)閰捬跷⑸锕潭ㄓ贏PM載體 上，不僅吸附于表面，而且也存在于載體孔隙內(nèi)部， 孔度較大的APM載體的比表面較大，附著的微生 物量就較多，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)甲烷量就多。但是孔度 大到一定程度時(shí)，APM載體的孔會塌縮，導(dǎo)致比表 面積反而下降，微生物附著量反而會減少，產(chǎn)甲烷量 必然下降。只有當(dāng)孔度適當(dāng)時(shí)，才能獲得最佳固定 化效果。

 

圖4孔度與產(chǎn)甲烷量的關(guān)系 Fig. 4 Relationship between the particle size of porosity of APM and the produce of CH42%幾種載體產(chǎn)甲烷量的比較圖5所示為幾種載體產(chǎn)甲烷量的比較，由圖5 可知，20天前幾種載體產(chǎn)甲烷量變化不大，20天以 后幾種載體產(chǎn)甲烷量有顯著差異，APM載體產(chǎn)甲焼 量最高，其次是未胺解的多孔丙烯酸酯共聚物 (PM)，活性碳(GAC)產(chǎn)甲烷量最低。因?yàn)楣簿畚锞?有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑較大，且孔相互連通，微生物富集 量大、固定牢、活性高，活性碳有較大比表面積，但孔 徑較小，多為微孔，微生物難于進(jìn)入微孔內(nèi)，富集量 低，活性?。晃⑸飵踟?fù)電，APM載體帶弱正電， 活性碳和PM載體不帶電，微生物與載休間作用力， 前者較后兩者強(qiáng)，固定化微生物效果APM載體最 好。

 

2.6微生物存在于APM載體孔內(nèi)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 將APM載體從固定化瓶內(nèi)取出，用清水反復(fù) 漂洗，最大限度地除去附著于載體表面的微生物菌 群，此時(shí)的載體由黑色轉(zhuǎn)變成接近固定化前的顏色 (淺黃色，然后再把漂洗后的APM載體置于盛有固定厭氧微生物，固定效果與胺解時(shí)間（即胺解程 度)有關(guān)，而胺解試劑的影響不明顯。胺解時(shí)間4小 時(shí)的APM載體固定化效果良好。

 

2)固定化微生物載體產(chǎn)甲烷量受APM載體粒 徑影響顯著，粒徑40!60目，孔度38%左右的 APM載體固定化效果優(yōu)良。

 

.1010203040時(shí)間/天圖5幾種載體產(chǎn)甲烷量的比較 Fig. 5 Relationship between different kinds of carrier and produnce of CH4基質(zhì)的固定化瓶內(nèi)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，15 天前，產(chǎn)甲烷量，漂洗前（曲線1)后（曲線2)無明顯 變化，15天以后，產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間增加而增加，在15 !40天間，產(chǎn)甲烷量漂洗后的APM載體更高，說明 微生物存在于APM載體孔內(nèi)，漂洗后生物活性不 會下降。

 

圖6載體漂洗前后生物活性的比較 Fig. 6 Comparison on the produnce of CH4 before elution and after elution圖7是固定化微生物載體的掃描電鏡照片，由 圖7可知，微生物不僅附著于載體表面，而且也存在 于孔內(nèi)，形成致密的生物膜，其生物相組成包括絲 菌、球菌和桿菌等。固定于載體上豐富的菌群，有利 于交叉營養(yǎng)，協(xié)同代謝等。

 

3結(jié)論1，多孔丙烯酰胺共聚物(APM載體)能有效地(a)(b)

 

圖7固定化微生物載體表面(a)和截面(b)電鏡照片 Fig. 7 SEM photographs on the outer surfac^(a) and cross -section(b) of APM3)固定化效果，多孔丙烯酰胺共聚物優(yōu)于多孔 聚丙烯酸酯共聚物(PM)和活性碳(GAC)載體，微生 物不僅存在于載體表面，也存在于孔內(nèi)，-(M載體 孔徑多為10!100nm;經(jīng)180天試驗(yàn)后的APM載 體，其結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)任何變化。