生物酶在废水处理应用中的研究进展

生物酶在废水处理应用中的研究进展

彭艳丽1,杨亲正1,宋󰀁娟2

(1山东轻工业学院食品与生物工程学院,山东󰀁济南󰀁250353;2济南博思编译服务有限公司,

山东󰀁济南󰀁250100)

摘󰀁要:利用生物酶技术处理废水不会造成二次污染,具有高效、环保、成本低等优点,已成为当前废水处理研究的热点。本文

介绍了生物酶技术和固定化酶技术在废水处理中的应用进展,并对固定化酶技术应用在废水处理中做了展望。

关键词:生物酶;废水处理;固定化酶;应用进展

ResearchProgressofBio-enzymeAppliedinWasteWaterTreatment

PENGYan-li1,YANGQin-zheng1,SONGJuan2

(1SchoolofFoodandBioengineering,ShandongInstituteofLightIndustry,ShandongJinan250353;2JinanBosi

CompiledServicesLtd.,ShandongJinan250100,China)

Abstract:Bio-enzymewasusedinwastewatertreatmenttechnologywouldnotcausesecondarypollution,andhad

advantagesofefficien,tenvironmentallyandlowcos,twhichbecameahotspotintheresearchofwastewatertreatmen.t

Theprogressofwastewatertreatmentwithbio-enzymetechnologyandimmobilizedenzymetechnologywasintroduced,

andimmobilizedenzymetechnologyforwastewatertreatmentwasprospected.

Keywords:bio-enzyme;wastewatertreatmen;timmobilizedenzyme;applicationprogress

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

作者简介:彭艳丽(1983-)女,硕士研究生,主要从事纳米生物材料的开发和应用。E-mai:lpengyanli0604@163.com通讯作者:杨亲正,副教授,主要从事纳米材料的开发及其在生物制药方面的应用。E-mai:lyangqinzheng@sina.com水是人类及一切生物赖以生存的重要物质,随着经济的发

展,人口不断增长,城市日渐增多和扩张,用水量也不断增多。

据联合国估计,1900年,全球用水量只有4000亿m3/a,1980年

为30000亿m3/a,1985年为39000亿m3/a,到2000年,需水量

增加到60000亿m3/a,其中以亚洲用水量最多,达32000亿

m3/a。2000年,中国需水量为6814亿m3,有人预计到2030年

全国用水量7192亿m3。地球上水资源分布很不均匀,各地降

水量差异也很大,工业生产中产生的工业废水以及生活污水造

成水资源的污染,加剧了水资源的供需矛盾。

废水处理方法有物理法、化学法及生物法[1]。物理法是利

用物理作用处理、分离和回收废水中的污染物,如过滤法可除去

水中的悬浮颗粒;蒸发法用于浓缩废水中不挥发性的可溶性物

质等。化学法是利用化学反应或物理化学作用回收可溶性废物

或胶体物质,如萃取法利用可溶性废物在两相中溶解度不同的

󰀁分配󰀁,回收酚类、重金属等。生物法包括微生物法和生物酶

法,微生物法是利用微生物的生化作用处理废水中的有机物。

如生物过滤法和活性污泥法用来处理生活污水或有机生产废

水,使有机物降解成无机盐而得到净化。生物酶法是利用酶的

催化作用来加速降解有机物的反应。常规水处理工艺采用杀菌

剥离、酸洗预膜、排污置换处理。而采用生物酶技术可在不置

换、不排污的条件下,对设备及管网进行除油、净化、清洗和保护

处理,运行费用约为常规处理方法的3%,并可节省大量的清洗

和置换用水[2]。生物酶技术条件温和,效率高,成本低,近年来

成为水处理应用研究的热点。1󰀁生物酶处理废水的作用机理

生物酶是一种能力巨大的催化剂,酶可以作用于污染物质

中复杂的化学链,将其降解为小分子有机物或CO2、H2O等无机

物,有机物的处理则通过酶反应形成游离基,游离基发生化学聚

合反应生成高分子化合物沉淀,经过滤即可除去。与其他微生

物处理方法相比,酶技术的应用具有催化效率高、反应条件温

和、对设备要求低、反应速度快等优点。

2󰀁生物酶技术在废水处理中的进展

传统的物理和化学方法处理废水时,对污染物的去除不够

理想,还会造成二次污染。国内外许多学者致力于将生物技术

和环境工程技术相结合的新技术体系来解决废水处理问题,酶

技术的应用是环境生物技术应用中的重要部分,相比而言,生物

酶技术处理废水既环保又降低了重复污染。

印染废水污染重,气味大,对环境破坏严重,1980年Kliban󰀁

ov等[3-4]首先将辣根过氧化物酶(HRP)用于处理酚类和苯胺类

废水。张丹等[5]研究了用HRP处理酚和氯酚时的催化特性,

HRP对某些酚的去除率达99%,但因HRP成本高、原料来源有

限,至今未能实际应用。大豆种皮过氧化物酶(SBP)是引起关注

的新酶源,热稳定性好,作用pH范围宽,酶源丰富,贮运方便。

Pokora等[6]在室温条件下用大豆种皮过氧化物酶处理3,5-二

甲氧基酚溶液,酚去除率为93%。Sakai等[7]用能分泌溶菌酶的

嗜热菌来溶解污水处理厂的剩余活性污泥,污泥被大量溶解,然󰀁22󰀁广州化工2011年39卷第8期后循环打人曝气池中进一步无机化。

游离酶投放到废水中即溶于溶液,随废水流失,无法回收再

利用,这就增加了成本投入,且酶活性会受其他污染物影响而降

低,不利于工业化推广应用。Erhan等[8]在25󰀁,pH为7.6条

件下将酶固定到聚酰胺膜上用于去除水中的邻苯二酚和苯酚,

固定化酶的稳定性高于游离酶,酶活性保持在70%以上。Gomez

等[9]将大豆种皮过氧化物酶(SBP)和辣根过氧化物酶(HRP)通

过戊二醛固载到玻璃珠上,每克载体固定的蛋白量分别为34.9

mg和18.3mg,活性产率分别为74%和78%,固定化酶可以重复

利用,大大降低了运营成本。Peng等[10]将溶菌酶吸附到纳米磁

性颗粒Fe3O4上,在其等电点pI=11.1时,溶菌酶最大吸附量为

4.65mg/mL,酶活力保持在88%。Matthew等在甲醇中将溶菌酶

和醋酸银混合形成稳定的银胶体纳米颗粒[11]。该颗粒经过活力

和抗菌试验显示了仍具有酶的水解功能,可有效地抑制芽孢杆

菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌等的生长。该结果

增强了生物纳米材料的功能性,可以应用在处理水中的细菌方

面,重复利用率高,无毒副作用。Mcshane利用聚合电解质微胶

囊采用层层自组装方式固定化酶[12],为包埋酶和蛋白质提供了

一种高效,易操作的方法,该研究有望将电化学和酶技术结合应

用于环境工程中。

3󰀁结󰀁论

酶技术应用在废水处理中是一种很有潜力的方法,但是酶

在高温、强酸条件下稳定性差,易失活,酶活性易受到废水中污

染物的影响,不能重复利用。固定化酶技术突破了这一技术难

题,提高了酶的使用效率,降低了处理废水的成本,必然会受到

越来越多人的关注,在工业生产中有极大的推广价值。在今后

的应用中,寻找新的,能提高酶活性的固定化载体将成为研究的

热点。参考文献

[1]󰀁孙成俊,王艳勇.对氨基酚生产废水处理的研究状况[J].化工环保,2001,21(5):270-273.

[2]󰀁宋爽英.循环水处理中的生物酶技术及应用[J].工业用水与废水,2005,36(3):22-23.

[3]󰀁Klibanov.AM,Albert.iB.N,Morris.E.D,eta.lEnzymaticremovaloftoxicphenolsandanilinesfromwastewaters[J].J.App.lBiochem,

1980,2:414-421.[4]󰀁Klibanov.A.M,Morris.E.D.Horseradishperoxidasefortheremovalof

carcinogenicaromaticaminesfromwater[J].EnzymeMicrobTechno,l

1981,3(2):119-122.[5]󰀁张丹,赵庆祥,黄慧,等.辣根过氧化物酶处理酚和氯酚的催化特性

研究[J].环境科学,1998,19(1):25-29.[6]󰀁Pokora.A.R,Johnson.M.A.Soybeanperoxidasetreatmentofcontami󰀁

natedsubstances.USPatApp,lUS5178762.1993.[7]󰀁Saka.iY,Aoyag.iT,Shiota.N,eta.lCompletedecompositionofbio-

logicalwastesludgebythermophilicaerobicbacteria[J].WaterScienceandTechnology,2000,42(9):81-88.

[8]󰀁Erhan.E,Keskinler.B,Akay.G,Algur.O.F.Removalofphenolfrom

waterbymembrane-immobilizedenzymes:PartI.Dead-endfiltration[J].JournalofMembraneScience,2002,206(1-2):361-373.

[9]󰀁Gomez.J.L,Bodalo.A,Gomez.E,eta.lImmobilizationofperoxidasesonglassbeads:animprovedalternativeforphenolremoval[J].Enzyme

andMicrobialTechnology,2006,39(5):1016-1022.[10]Peng.Z.G,Hidajat.K,Uddin.M.S.Adsorptionanddesorptionoflyso󰀁

zymeonnano-sizedmagneticparticlesanditsconformationalchanges[J].ColloidsandSurfacesB:Biointerfaces,2004,35:169-174.

[11]Matthew.D.Eby,Schaeublin.N.M,Farrington.K.E,eta.lLysozymeCatalyzestheFormationofAntimicrobialSilverNanoparticles[J].ACS󰀁

NANO,2009,3(4):984-994.

[12]Mcshane.M.J.EnzymeImmobilizationinPolyelectrolyteMicrocapsules[J].MethodsInMolecularBiology,2011,679:147-154.

(上接第11页)

[25]YuanyangZhang,FangyangHe,eta.lGenerationofanti-trenbolone

monoclonalantibodyandestablishmentofanindirectcompetitiveen󰀁zyme-linkedimmunosorbentassayfordetectionoftrenboloneinanimal

tissues,feedandurine[J].Talanta,2011,83:732-737.[26]李丹,王桦,吴朝阳,等.基于巯基自组装单层膜技术的补体C3压