【污水處理工藝】固定化細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的研究進(jìn)展
摘要：詳細(xì)介紹了固定化細(xì)胞的制備方法、栽體特性、反應(yīng)特性，探討了固定化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出了固定化細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：固定化細(xì)胞；廢水處理；栽體
固定化生物技術(shù)是從2O世紀(jì)6o年代開始迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。固定化細(xì)胞技術(shù)是指通過化學(xué)的或物理的手段，將游離細(xì)胞定位于限定的空間區(qū)域，使之成為不懸浮于水但仍保持生物活性，并能反復(fù)利用的方法。細(xì)胞被固定化后具有密度高、反應(yīng)速度快、耐毒害能力強(qiáng)、產(chǎn)物分離容易、能實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作、可以大大提高生產(chǎn)能力等優(yōu)勢，因此在近幾十年來固定化細(xì)胞技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
1 固定化細(xì)胞的制備方式
固定化細(xì)胞的制備方式是多種多樣的，大致可以分成以下4種方法。
(1)吸附法。又叫載體結(jié)合法。它是依據(jù)帶電的微生物細(xì)胞和載體之間的靜電、表面張力和黏附力的作用，使微生物細(xì)胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜。吸附法可分為物理吸附法和離子吸附法兩種。該法操作簡單，固定化過程對細(xì)胞活性影響小，但細(xì)胞與載體作用力小，易脫落。
(2)包埋法。它是將微生物包埋在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內(nèi)，微生物被包裹在該空間內(nèi)不能離開，而底物和產(chǎn)物能自由地進(jìn)出這個空間。按方法的不同，包埋法可分為凝膠包埋法和半透膜包埋法兩種。凝膠包埋法是將細(xì)胞包埋在各種凝膠內(nèi)部的微孔中而使細(xì)胞固定的方法；半透膜包埋法是將細(xì)胞包埋在由各種高分子聚合物制成的小球內(nèi)而使細(xì)胞固定的方法。包埋法具有簡單、條件溫和、穩(wěn)定性好、包埋細(xì)胞容量高、對細(xì)胞活性影響小的特點(diǎn)。它是固定化細(xì)胞常用的方法。
(3)共價結(jié)合法。它是細(xì)胞表面上功能團(tuán)和固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)之間形成化學(xué)共價鍵連接，從而成為固定化細(xì)胞。此法的優(yōu)點(diǎn)是細(xì)胞與載體結(jié)合緊密、不易脫落，但制備較難，且活力損失較大。
(4)交聯(lián)法。它是通過利用含有兩個或兩個以上官能基團(tuán)的試劑與微生物細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)，如梭基、氨基等發(fā)生反應(yīng)，使細(xì)胞之間交聯(lián)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而制成固定化網(wǎng)格，其結(jié)合力是共價鍵。該方法微生物反應(yīng)活性損失較大，且采用的交聯(lián)劑大都比較昂貴，因此其應(yīng)用受到一定的限制。
2 固定化細(xì)胞的載體
固定化細(xì)胞技術(shù)所采用載體的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響所固定細(xì)胞的生物活性和體系傳質(zhì)性能。理想的載體材料應(yīng)具有對微生物無毒性、傳質(zhì)性能好、性質(zhì)穩(wěn)定、壽命長、價格低廉等特性。它可分為有機(jī)高分子載體、無機(jī)載體和復(fù)合載體三大類。
有機(jī)高分子載體又分為天然高分子凝膠載體和合成有機(jī)高分子凝膠載體。天然高分子凝膠一般對生物無毒，傳質(zhì)性能較好，但強(qiáng)度較低，在厭氧條件下易被生物分解。有機(jī)合成高分子凝膠載體—般強(qiáng)度較大，但傳質(zhì)性能較差，在進(jìn)行細(xì)胞固定時對細(xì)胞活性有影響，易造成細(xì)胞失活。無機(jī)載體大多具有多孔結(jié)構(gòu)，在與微生物接觸時，利用吸附作用和電荷效應(yīng)來固定微生物。它的操作方法是把載體放人含有一定微生物濃度的溶液中，固定一段時間(24 h左右)即可。
由有機(jī)載體和無機(jī)載體材料組成的復(fù)合載體材料可以改進(jìn)載體材料的性能。Lin等將粉末活性炭和Phanerochaete chrysosporium聯(lián)合包埋固定，結(jié)果表明了復(fù)合固定化體系能更加有效地用于降解五氮酚，顯示出復(fù)合載體材料的優(yōu)越性。
3 固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
3.1處理氨氮廢水
微生物去除氨氮需經(jīng)過好氧硝化、厭氧(缺氧)反硝化兩個階段。硝化菌、脫氮菌的增殖速度慢，要想提高去除率，必須有較長的停留時間和較高的細(xì)菌濃度。而采用固定化細(xì)胞技術(shù)就可解決這個問題。Nilsson用海藻酸鈣固定假單細(xì)胞反硝化菌Pseudomonas denitrificans，采用填充床對含20ms/L硝酸鹽的地下水進(jìn)行兩個月的連續(xù)脫氮試驗(yàn)，脫氮效果良好，反硝化速度為66mg[N]/(h·kg[凝膠])，容積負(fù)荷(以N計)達(dá)到3．6ks/(m3·d)。中村裕紀(jì)用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脫氮菌，采用好氧硝化與厭氧反硝化兩段工藝進(jìn)行合成廢水的脫氮試驗(yàn)，其結(jié)果表明：與懸浮生物法相比，低溫下硝化速度(以N計)加快了6~7倍，約為O．5 ks/(m3．d)；脫氮速率提高了3倍，約為1．5ks/(m3·d)；停留時間由原來的7h(硝化4h，反硝化3 h)縮短為4h(硝化2h，反硝化2h)，即處理裝置容積可減少約50%右。周定等將脫氮細(xì)胞包埋于PVA(聚乙烯醇)中，結(jié)果表明在低溫、低pH值的條件下。固定化細(xì)胞能夠保留比未包埋細(xì)胞更高的脫氮活性，減輕溶解氧對脫氮的抑制作用，脫氮微生物在固定化載體中可以增殖。
從以上研究看出，固定化細(xì)胞技術(shù)在處理氨氮廢水中的主要優(yōu)勢在于：可通過高濃度的固定細(xì)胞提高硝化和反硝化速度，同時還可以使在反硝化過程低溫時易失活的反硝化菌保持較高的活性。
3．2 處理難降解有機(jī)廢水
含酚廢水的處理普遍采用活性污泥法，但此法存在污泥產(chǎn)率較高，易產(chǎn)生污泥流失，處理效率低等缺點(diǎn)。固定化細(xì)胞對廢水中酚類等有毒物質(zhì)的降解能力遠(yuǎn)大于游離態(tài)細(xì)胞。Yang用三乙酸纖維素脂單載體與海藻酸鈣的復(fù)合載體包埋混合好氧菌處理含酚廢水，并與采用同樣載體的表面吸附生物膜法比較，當(dāng)容積負(fù)荷(以COD計)小于90 kg/(m3·d)時，包埋法固定化細(xì)胞的酚去除率達(dá)9o%以上。利用固定化混合菌群可降解芳香烴廢水。固定化細(xì)胞能利用這些物質(zhì)進(jìn)行生長并使之完全降解，例如酚、萘和菲均能被徹底降解。與游離細(xì)胞相比，固定化細(xì)胞表現(xiàn)出生長穩(wěn)定、降解能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。用海藻酸鈣凝膠包埋固定化細(xì)胞進(jìn)行降解吡啶的研究結(jié)果表明：與游離細(xì)胞相比，固定化細(xì)胞的比降解速率和對毗啶毒性的承受能力并沒有提高，但由于固定化細(xì)胞具有較高的生物濃度，所以其體積降解速率較高，而且可以重復(fù)利用，因此利用固定化細(xì)胞降解毗啶是可行的。在降解其他類難降解有機(jī)廢水方面，固定化細(xì)胞技術(shù)也發(fā)揮了其特長。王蕾等用PVA固定化球和厭氧—好氧固定化細(xì)胞技術(shù)處理四環(huán)素結(jié)晶母液，結(jié)果表明：當(dāng)總停留時間為厭氧24 h(35℃)，好氧6 h時，COD和四環(huán)素的去除率均達(dá)到96%，容積負(fù)荷(COD)為2．07 ks/(m3·d)，比普通法容積負(fù)荷提高l6．3%，產(chǎn)氣量提高4．75倍。
3．3 固定化活性污泥去除BOD物質(zhì)
對于固定化活性污泥的研究情況，據(jù)報道固定化細(xì)胞的污泥產(chǎn)率系數(shù)(以BOD計)為O．15 ks/ks，與一般活性污泥法相比，泥量減少1，4～1，5，但污泥產(chǎn)量隨容積負(fù)荷的增加而增加。在綜合考慮污泥的處置時，容積負(fù)荷不宜設(shè)計得過高，在不產(chǎn)生剩余污泥情況下運(yùn)行時，容積負(fù)荷(以BOD計)也可達(dá)到O．46ks/(m3-d)～l|02 ks/(m3·d)，與一般延時曝氣活性污泥法相比高2 倍。橋本等用PVA一硼酸法包埋活性污泥，對人工合成廢水進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，在進(jìn)水o(TOC)為94 ms/L-99 ms/L，TOC負(fù)荷在O．5 ks/(m3·d)-2．35 ks/( ·d)時，出水TOC的質(zhì)量濃度可降到57 ms/L～7mg，L，去除率達(dá)93%。與活性污泥法相比，有機(jī)物負(fù)荷可提高2 倍，同時總氮去除率也可達(dá)30%-45%。用PVA一冷凍法包埋活性污泥時，在最高TOC負(fù)荷達(dá)2．96ks/(m3·d)時，處理效果良好。本田用各種載體包埋活性污泥，采用固定床和流化床處理人工合成葡萄糖廢水，在固定床實(shí)驗(yàn)中，用丙烯酸系合成樹脂作為載體，在TOC容積負(fù)荷為1．5ks/(m3-d)，停留時間為4 h時，1DC去除率最高達(dá)98%，平均為95%；用聚丙烯酸凝膠作為載體，固定床三級串聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)水TOG的質(zhì)量濃度為500ms/L時，停留4h，TOG 去除率達(dá)80qo，TOC容積負(fù)荷為3 ks/( ·d)；進(jìn)水TOC的質(zhì)量濃度為2 200ms/L時，停留12h，TOC去除率達(dá)92%，TOC容積負(fù)荷達(dá)4．4 ks/(m3·d)；當(dāng)用流化床處理廢水，進(jìn)水TOG 的質(zhì)量濃度小于300ms/L時，TOC去除率可達(dá)95%以上。
4 結(jié)論
(1)固定化細(xì)胞技術(shù)所采用的載體和固定技術(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)，力求降低載體對生物活性和傳質(zhì)的不利作用。
(2)進(jìn)一步探索固定化細(xì)胞在各個系統(tǒng)中的傳遞和反應(yīng)特性，針對不同的處理體系，優(yōu)化操作條件。
(3)目前固定化技術(shù)所用細(xì)菌多為自然馴化菌種，隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)充分利用其研究成果，培養(yǎng)高效菌種。
(4)由于固定化細(xì)胞技術(shù)所采用的載體或試劑比較昂貴，固定效率低且操作穩(wěn)定性差，所以其工業(yè)應(yīng)用受到很大限制。隨著研究的不斷深入，固定化細(xì)胞技術(shù)必將更加完善，定會得到更廣泛的應(yīng)用。
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