搜索
酶的应用（一）废水处理（二）能源（三）食品一废水处理含有高浓度生化难降解有机污染物、氨氮化合物、悬浮物的各种工业废水日益增多。工业废水又以高浓度有机废水为主，一般是指由造纸、皮革及食品等行业排出的COD在2000mg/L以上的废水。其性质和来源各异，成分复杂,毒性高,有异味且具有强酸强碱性均对环境水体的污染程度大,且处理难度高，采用传统的废水治理方法已无法满足净化处理的技术和经济要求。（一）高浓度有机废水•1、按污染物性质分类通常分为有机废水、无机废水、重金属废水、放射性废水、受热污染废水等。低浓度有机废水常用好氧生物处理技术。高浓度有机废水常采用厌氧生物处理法与好氧生物处理法结合处理，酸、碱废水用中和法处理，重金属废水用离子交换、吸附法等物化法处理。•2、按产生废水的工业部门分类通常分为冶金工业废水、化学工业废水、煤炭工业废水、石油工业废水、纺织工业废水、轻工业废水和食品工业废水等。•3、按废水的来源与受污染程度分类(1)生活污水（2）冷却水（3）洗涤废水（4）工业废水（5）地表径流（雨水）（二）工业废水分类目前主要有物化法和生物法•1、物化处理法如化学混凝法、氧化—吸附法、焚烧法、萃取法、湿式催化氧化法、电化学法和膜分离法等,单独利用具有处理难度大、成本高[1,2]的特点。常作为废水预处理，降低污染物的浓度及毒性,来提高废水的可生化性。化学混凝法由于去除效率高、去除范围广、价格低廉等优点而广受研究者的青睐。•2、生物处理：利用微生物的代谢作用,氧化、分解、吸附水中可溶性有机物以及部分不溶性有机物,使其转化为无害的稳定物质从而使水体得到净化[3]。已成为高浓度有机废水处理主要手段,具有处理能力大、设备自动化程度高、易于调控、经济可行、无二次污染等特点。•生物处理技术主要有好氧活性污泥法、厌氧法、生物膜法、酶生物处理技术以及发酵工程等。（三）常规处理高浓度有机废水的方法3、固定化技术3.1定义：用物理或化学方法使酶成为不溶性衍生物，或使细胞成为不易从载体上流失的形式，制成生物反应器，用以催化生化反应或细胞增殖等，重复和连续使用的现代生物工程技术[4,5]。包括固定化酶技术和固定化细胞技术。3.2优点•(1)处理能力明显高于普通活性污泥,且抗水力和有机负荷能力强（高达常规活性污泥的3～7倍）,污泥生成量少。•(2)生长繁殖速度缓慢的微生物通过固定化,能有效缩短启动时间,使处理稳定进行。•(3)微生物细胞固定后,利于反应中固、液、气三相分开,且产物分离容易,能有效克服某些反应过程中存在的产物抑制问题。•(4)固定高活性高浓度的微生物因其抗逆性、抗毒性强、对环境适应性强,在处理有毒及难降解物质方面十分有效。3.3固定化微生物技术分类•吸附法(载体结合法)、交联法、包埋法和共价键结合法、介质截留、无载体固定•自身固定化法又称无载体固定化法，是利用某些微生物具有自絮凝形成颗粒的特性，使微生物产生自固定，成为无载体固定化技术［6］。由于绝大多数微生物本身带有电荷，故可以使用投加化学试剂的方法加快微生物胶体的絮凝，以使其他微生物或者自身微生物吸附其上，达到固定化的效果。这种固定化方法是一种全新的概念:在自絮凝颗粒形成过程中，同时形成了微生物的适宜生态环境，使之有利于微生物代谢之间的协调［7］3.4固定化载体•理想的固定化载体特征:机械强度高、使用寿命长、价格低廉、性质稳定、不易被微生物降解,固定化过程简单、常温下易于成形,且对微生物细胞无毒害作用等。•主要可分为三大类:第一类无机载体,如多孔玻璃、活性炭、沸石、硅藻土等。第二类有机载体又可分为两类,其一为高分子凝胶载体,如琼脂、角叉菜胶和海藻酸钠等，另一类为有机合成高分子凝胶载体,如聚丙烯酰胺(ＡＣＡＭ)凝胶、聚乙烯醇(ＰＶＡ)凝胶、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等;其中ＰＶＡ因无毒、价廉、抗微生物分解和机械强度高等特点被认为是目前最有效的固定化载体之一。第三类复合载体是由无机载体和有机载体材料复合，性能互补•性能优良的新型或改性的固定化载体，如新型介孔二氧化硅载体、纳米材料载体及复合修饰后的纳米材料载体等3.5固定化微生物反应器•主要有两大类,即纯种和混合种群固定化反应器。•纯种固定化微生物反应器对废水中特定污染物的降解。或利用人工纯化的形式,筛选并富集特定的微生物种群。常应用的是流化床生物反应器、固定填充床、搅拌槽反应器和膜生物反应器等几种类型。•混合种群微生物：对于成分复杂,需要发挥不同种类微生物的协同代谢优势,实现多种物质的同时降解,或使某种难降解物质,通过不同阶段相应类型的微生物的持续代谢而得到去除。通过合理控制反应器的营养结构、投加必要的核心物质、控制反应器的水力流态,而使微生物实现自身固定化,如污泥的颗粒化等。主要有ＵＡＳＢ、ＡＢＲ、ＩＣ、ＥＧＳＢ、ＡＦ、ＡＦＢ等生物处理工艺,而其中又以高效厌氧反应器为主[8]。3.6应用3.6.1固定化微生物在生物脱氮中的应用基本过程包括硝化和反硝化两个阶段。硝化阶段是在好氧条件下将氨氮转化为硝酸盐的过程•反硝化阶段是在缺氧条件下，利用反硝化菌（脱氮菌）将亚硝酸盐还原为氮气而从废水中逸出的过程•现有的废水生物脱氮效果都不是很理想，原因•1、硝化细菌是好氧自养菌，生长缓慢，世代周期长，无法在和异养菌的竞争中取得优势。•2、硝化细菌易受外界环境的干扰，尤其是有毒有害物质非常敏感•3、硝化和反硝化过程一般都是先后发生在不用的反应器中，难以在时间和空间上形成统一，这样造成占地面积大，基础投资高等缺点。•固定化微生物技术正好可以弥补现有废水脱氮系统的缺点•通过包埋法同时固定硝化和反硝化细菌来处理含氮废水，能在固定化小球内部形成好氧区，从而实现了同时硝化和反硝化•硝化细菌和反硝化细菌由于包埋材料的覆盖，高分子包埋材料对外界环境变化起着阻挡和缓冲作用•曹国民等[10]报道了一种单级生物脱氮新技术，即以廉价的PVA作为载体，采用循环冷冻法把固定化细胞制成平板膜状，利用固定化细胞膜（膜中固定有硝化和反硝化细菌）将脱氮反应器一分为二，膜的一侧与好氧的含氮废水接触，另一侧与缺氧的乙醇水溶液接触，固定于膜中的硝化细菌将氨氮化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，随即被同一膜中的反硝化细菌还原成氮气，硝化菌与反硝化菌混合固定于膜中的氨氮化速率约为硝化菌单独固定时的二倍。•日本在固定化技术应用于生物脱氮上取得较快的进展，已经从实验室和小规模试验阶段进入大规模的生产试验阶段。3.6.2在酚类废水处理中的应用•酚类化合物种类繁多，以苯酚、甲酚污染最突出。酚类化合物是一种原型质毒物，可通过与皮肤、黏膜的接触不经肝脏解毒直接进入血液循环，致使细胞破坏并失去活力，也可通过空腔侵入人体，造成细胞损伤。高浓度的酚液能使蛋白质凝固，并能继续向体内渗透，引起深部组织损伤，坏死乃至全身中毒，即使是低浓度的酚液也可使蛋白质变性。•人如果长期引用被酚类污染的水能引起慢性中毒出现贫血，头晕，记忆力减退以及各种神经系统疾病，严重的会引起死亡，如果使用含酚废水灌溉农田，则会使农作物减产或枯死。所以含酚废水排出需经过治理。•POD中的辣根过氧化物酶（HRP），木质素过氧化物酶，漆酶和氯过氧化物酶（CPO）在废水处理方面的应用最为广泛•3.6.2.1漆酶•白腐真菌是一类丝状真菌,所产生的参与木质素降解的酶系主要由木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等组成,研究又以漆酶为主。•白腐真菌中的代表种黄胞原毛平革菌,其生物降解活动只发生在次生代谢阶段,降解对象—有毒污染物细胞外即可得到有效降解。非专一性降解的特性使之能降解大量结构不同的化学物质,有更广的适用性。降解人工合成的染料为CO2和H2O,具有良好的脱色效果[24,25]。白腐菌直接处理漂白废水,将漂白废水中的有机氯化物转变成为无机氯和CO2,H2O和菌体本身,从而破坏和消除发色基团组织和结构,达到去除有机氯化物、COD、BOD和色度的目的。•其应用研究体现在以下两大方面:一是利用其或者其所产的过氧化物酶系应用于工业上预处理某些原料以降低工业能耗,且实现清洁生产;二是利用其对底物的非专一性降解污染物而应用于环境污染治理。•木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶是在既限碳、又限氮条件下产生的严格次级代谢产物,在工业废水中碳、氮源营养物的存在限制了细胞对酶的分泌,在降解有机污染物时,需要大量的H2O2作为辅助剂,这在现实情况下很难实现,限制了其在实际生产中的应用。•机理：漆酶主要分为漆树漆酶和真菌漆酶两大类,是一种发现较早的含铜的多酚氧化酶,它可催化氧化酚类或芳胺类等多种底物,同时分子氧被还原为水。可在碳和/或氮存在条件下由菌体分泌,更重要的是漆酶具有780mv氧化还原电位,能把分子氧直接还原为水,在没有H2O2和其它次级代谢产物存在下,可催化有机污染物的氧化。因此,漆酶在生物技术和环境保护方面有着巨大的应用潜力。•漆酶的诱导剂多为结构和木质素有关的低分子芳香化合物或木质素降解的碎片化合物,如香草酸,香豆酸,阿魏酸,单宁酸,焦儿茶酚,芦黎醇,愈创木酚吐温,卞醇等[18,19],这些物质都有一个共同点,即芳核上有一OH或一NH:基团。研究表明2,5一二甲代苯胺作为最有效的诱导剂可明显提高白腐真菌分泌漆酶的能力[20,21]。铜是它的活性基的组成成分,它对漆酶有活化作用[22],培养基中适量的Cu2+对菌株漆酶的合成及活性是必不可少的。但过多的Cu2+又抑制菌株漆酶的分泌[23]，另外Mn2+对漆酶也有重要作用。•固定化漆酶延长了漆酶的使用寿命，提高了酶的稳定性和耐受性，降低了处理成本，使其在造纸废水、含有毒的酚类废水及农药废水等方面较传统的物理化学方法有很大的优势，因而具有广阔的应用前景。可用于漂白废水中的有机氯及色度的去除，因而在降解造纸废水方面有巨大的应用前景。•目前漆酶酶活的测定方法有分光光度法、测Ｏ2法、高效液相色谱法、极谱法、脉冲激光光声分析法、微量热法等,其中分光光度法因为具有操作简单、快速、无需配备昂贵仪器设备等特点,所以被广泛采用。•分光光度法测定漆酶酶活的基本原理是选定某种漆酶作用的底物,底物在漆酶催化作用下首先形成底物自由基,底物自由基在特定的光波波长下有最大的吸光系数,随着底物自由基浓度的增加,吸光度值增大,依据吸光值(ＯＤ)随时间变化的关系计算出酶活。•3.6.2.2HRP•固定化辣根过氧化物酶对含酚类和苯胺类化合物的废水具有良好的催化氧化作用，且辣根过氧化物酶具有价格便宜、易制备、比活性高及能适应较宽的污染物浓度、温度等优点，因而在含酚废水处理过程中倍受青睐。•将过氧化物酶大量吸附在磁石上,可以保证其100%的活力,并且比粗酶有了20倍以上的净化效果。因为可以对水中的氯酚选择性吸附,所以该固定化酶对水中的氯酚基本上可以100%清除HRP酶活测定•1、HRP的辅基和酶蛋白最大吸收光谱分别为403nm和275nm，一般以OD403nm/OD275nm的比值Rz表示酶的纯度。高纯度的酶RZ值应在3.0左右(最高可达3.4)。RZ值越小，非酶蛋白就越多。•2、愈创木酚法：以愈创木酚为氢给体，有色产物四邻甲氧基连酚（470nm）生成的速度与底物过氧化氢以及氢供体愈创木酚的浓度有关。测定底物减少速度•3.6.2.3其他•梁沈平等[13]采用凹凸棒粘土颗粒和塑料环为载体固定的高效脱色菌,大大缩短了反应时间,提高了脱色率。Ｓｕ等[14]采用豆制品加工废水培养出了好氧颗粒污泥,在有机负荷为6ｋｇＣＯＤｃｒ/(ｍ3·ｄ)时,ＣＯＤｃｒ去除率高达99%。采用“曝气生物蠕动床”处理炼油,分为9级,每级采用下进水、上出水逐级溢流的方式;池内装填高效生物载体并接种高效微生物,此填料具有大孔网状结构、比表面积约为120ｍ2/ｇ、孔隙率高(96%),且具有抗生物降解的能力,在载体中引入大量的活性和强极性基团,采用固定化技术,将大量变异菌和酶制剂固定在载体上。•周珊[15]等研究发现，使用竹炭固定化假单胞菌在处理高浓度苯酚时具有效率更高和处理量大的优势。竹炭固定化假单胞菌对苯酚的降解效率在pH5～8范围内，以200mL水样中固定化假单胞菌添加量为20g时最高。•李二平[16]等