固定化细胞技术在废水处理中的应用

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固定化细胞技术是指通过化学的或物理的手段，将游离细胞定位于限定的空间区域，使之成为不悬浮于水但仍保持生物活性，并反复利用的方法。该方法有利于提高生物反应器内微生物细胞的浓度和纯度，保持高效菌种，利于反应器的固液分离，也利于除氮和除去高浓度有机物或某些难降解物质。本文主要介绍近年来固定化细胞在废水处理中的应用研究现状和发展前景。　　1 固定化细胞的制备方式 　　固定化细胞的制备方式是多种多样的，大致可以分成如下三种方法。 　　吸附法，又叫载体结合法，是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜。吸附法可分为物理吸附法和离子吸附法两种。该法操作简单，固定化过程对细胞活性影响小。 　　包埋法，是将微生物包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内，微生物被包裹在该空间内不能离开，而底物和产物能自由地进出这个空间，常用的有凝胶包埋法。纤维包埋法和微胶囊法。包埋法对细胞活性影响小，它是固定化细胞常用的方法。 　　交联法，是通过利用含有两个或两个以上官能基团的试剂与微生物细胞表面的反应基团如梭基。氨基等发生反应，使细胞之间交联成网格结构，从而制成固定化网格，其结合力是共价键。该固定化方法微生物反应活性损失较大，且采用的交联剂大都比较昂贵，因此应用受到一定的限制。 　　2 固定化细胞的载体 　　固定化细胞技术所采用载体的物理化学性质直接影响所固定细胞的生物活性和体系传质性能。理想的载体材料应具有对微生物无毒性、传质性能好、性质稳定。寿命长、价格低廉等特性。它可分为有机高分子载体、无机载体和复合载体三大类。 　　有机高分子载体又分为天然高分子凝胶载体和合成有机高分子凝胶载体。天然高分子凝胶一般对生物无毒，传质性能较好，但强度较低，在厌氧条件下易被生物分解。有机合成高分子凝胶载体一般强度较大，但传质性能较差，在进行细胞固定时对细胞活性有影响，易造成细胞失活。 　　无机载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时，利用吸附作用和电荷效应，从而把微生物固定。它的操作方法是把载体放人含有一定微生物浓度的溶液中，固定一段时间（24h左右）即可。 　　由有机载体和无机载体材料组成的复合载体材料，可以改进载体材料的性能。Lin等将粉末活性炭和Phanerochaete chrysosporium联合包埋固定，结果表明了复合固定化体系能更加有效地用于降解五氮酚，显示出复合载体材料的优越性。 　　3 固定化细胞技术在废水处理中的应用研究 　　3．l 处理氨、氮废水 　　微生物去除氨氮需经过好氧硝化、厌氧（缺氧）反硝化两个阶段。硝化菌、脱氮菌的增殖速度慢，要想提高去除率，必须要较长的停留时间和较高的细菌浓度，采用固定化细胞技术可做到这点。Nilsson用海藻酸钙固定假单细胞反硝化菌Pseudomonas denitrificans，采用填充床对含20mg／L。硝酸盐的地下水进行两个月的连续脱氮试验，脱氮效果良好，反硝化速度为66mg［N］／（h·kg［凝胶］），容积负荷（以 N计）达到3.6kg／（m3·d）。 　　WijffelS采用角叉莱胶（聚丙烯酸胺）固定从土壤中分离出的反硝化菌，在容积为2L的外循环流化床中进行实验，停留时间为 lh，进水NH3-N的浓度为8~16mol／m3，固定化细胞的填充率为11．l％时，脱氮率可达90％以上；填充率为16．5％时，脱氮率可达95％以上。中村裕纪用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脱氮菌、采用好氧硝化与厌氧反硝化两段工艺进行合成废水的脱氮试验，结果表明；与悬浮生物法相比，低温下硝化速度增大了 6－7倍，约为（以 N计）0.5kg／（m3·d）；脱氮速率提高了3倍，约为l．5kg／（m3·d）；停留时间由原来的7h硝化4h十反硝化3U缩短为4h（硝化2h十反硝化2h），即处理装置容积可减少约50％左右。周定等将脱氮细胞包埋于 PVA（聚乙烯醇）中，结果表明：在低温、低pH值的条件下，固定化细胞能够保留比未包埋细胞更高的脱氮活性，减轻溶解氧对脱氮的抑制作用，脱氮微生物在固定化载体中可以增殖。 　　从以上的研究看出，固定化细胞技术在处理氨氮废水中的主要优势在于可通过高浓度的固定细胞，提高硝化和反硝化速度，同时还可以使在反硝化过程低温时易失活的反硝化菌保持较高的活性。 　　3．2 固定化活性污泥除BOD物质 　　对于固定化活性污泥的研究情况，角野报道说固定化细胞的污泥产率系数（以BOD计）为0.15kg／kg，与一般活性污泥法相比，泥量减少为1／4~l／5，但污泥产量随容积负荷的增加而增加。在综合考虑污泥的处置时，容积负荷不宜设计得过高，在不产生剩余污泥情况下运行时，容积负荷（以 BOD计）也可达0．46～1．02kg／（m3·d），与一般延时曝气活性污泥法（以BOD计）（0．1～0．4kg／（m3·d）相比高2－3倍。桥本等用PVA一硼酸法包埋脑性污泥，对人工合成废水进行连续试验，在进水ρ（TOC）为94~99 mg／L、TOC负荷在0．5～2.35kg／（m3·d）时，出水TOC的质量浓度可降到5~7mg／L，去除率达93％，与活性污泥法相比，有机物负荷可提高2－6倍，同时总氮去除率也可达30％~45％；用PVA一冷冻法包埋活性污泥时，在最高TOC负荷达2.96kg／（m3·d），处理效果良好。本田用各种载体包埋活性污泥，采用固定床和流化床处理人工合成葡萄糖废水，在固定床实验中，用丙烯酸系合成树脂作载体，在TOC容积负荷为1.5kg／（m3·d），停留时间为4h时，TOC去除率最高达98％，平均为95％；用聚丙烯酸凝胶作载体，固定床三级串联运行，进水TOC的质量浓度为500mg／L时，停留4h，TOC去除率达80%，TOC容积负荷为3kg／（m3·d）； 进水TOC的质量浓度为2200mg／L时，停留12h，TOC去除率达 92％，TOC容积负荷达4.4kg／（m3·d）；当用流化床处理废水，进水TOC的质量浓度小于300mg／L时，TOC去除率可达95％以上。

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3．3 难降解有机废水　　3．3．l 含酚废水 　　含酚废水的处理普遍采用活性污泥法，但此法存在污泥产率较高，易产生污泥流失，处理效率低等缺点。固定化细胞对废水中酚类等有毒物质的降解能力远大于游离态细胞。Yang用三乙酸纤维素指单载体与海藻酸钙的复合载体包埋混合好氧菌处理含酚废水，并与采用同样载体的表面吸附生物膜法比较，当容积负荷（以 COD计）小于90kg／m3·d）时，包埋法固定化细胞的酚去除率达90％以上。桥本用PVA一硼酸法固定分离出的耐高浓度酚特殊菌种，在完全混合曝气条件下连续处理合酚废水，进水酚的质量浓度从100mg／L逐渐升高到1000mg/L，结果表明：固定化细胞的酚分解速度为悬浮细胞的2．5倍，酚的质量浓度较低时，出水水质良好，只有酚的质量浓度大于3500mg／L时，出水酚的质量浓度才开始升高，但仍可保持一定的去除效率。王翠红等用海藻酸钠包埋对酚具有高效降解作用的小球藻细胞和紫色非硫光合细菌混合菌株，在好氧条件下处理含酚废水，可以明显提高除酚效率，缩短废水停留时间，其共生体系对温度、pH值适应范围广，对焦化厂工业废水处理24h，去除率为95％以上，说明了菌藻共生体系是处理含酚废水的一条有效途径。 　　3．3．2 含芳香烃废水 　　利用固定化混合菌群可降解芳香烃废水。固定化细胞能利用这些物质进行生长并使之完全降解，例如酚、奈和菲均能被彻底降解。与游离细胞相比，固定化细胞表现出生长稳定，降解能力强的优点。据报道用海藻酸钙凝胶包埋固定化Pinelohacter sP细胞进行降解吡啶的研究，结果表明：与游离细胞相比，固定化细胞的比降解速率和对吡啶毒性的承受能力并没有提高，但由于固定化细胞具有较高的生物浓度，所以其体积降解速率较高，而且可以重复利用，因此利用固定化细胞降解吡啶是可行的。Shreve等利用固定化假单胞菌降解甲苯，研究了固定化细胞生长和底物降解过程动力学，并与游离细胞进行了比较，结果表明：固定化细胞体系的半饱和常数增加了30倍，细胞的最大比生长速率降低了2倍。 　　3．3．3 处理 LAS废水 　　利用固定化细胞技术可以从废水中除去可活性有机物，如合成洗涤剂工业废水中的直链烷基苯磺酸钠（LAS）。纪树兰等报道以生物降解法处理阴离子表面活性剂（直链十二烷基苯磺酸钠，即LAS）废水。通过将TP－l号菌种固定在海藻酸钠载体上，采用正交试验法，以固定化细胞对LAS的降解率和降解寿命为试验指标确定了适宜的固定化条件，并与游离细胞对LAS的降解效果做了对比试验，结果表明：固定化细胞对LAS的降解程数明显增加。黄霞等采用聚乙烯醇凝胶固定化细胞处理洗衣粉废水，废水中的LAS的质量浓度为40mg/L时，3h内LAS可降解90％以上。李彤等用硼酸化法包埋降解LAS的细菌苗系得到的固定化细胞，在1L反应器中处理洗衣粉废水中的 LAS运行结果表明：在V（PVA小球）／V废水）=30％，进水ρ（LAS）为40~70mg／L，停留时间为3h的条件下，LAS去除率可达 90％以上。 　　3．3．4 其他难降解有机废水 　　在降解其它类难降解有机废水方面，固定化细胞技术也发挥了其特长。王蕾等用PVA固定化球和厌氧一好氧固定化细胞技术处理四环素结晶母液，结果表明：当总停留时间为厌氧24h（35℃），好氧6h时，COD和四环素的去除率均达到96％，容积负荷（COD）2.07kg／（m3·d），较普通法容积负荷提高16.3％，产气量提高4.57倍。 　　Portter等研究了固定化纯微生物菌株处理含氯乙酸盐的杀虫剂生产废水，他们从受污染的水体中分离得到具有分解氯乙酸钠能力的Pseudomonas菌株，用多孔性载体 Celite R－630进行吸附固定，在水力停留时间为10.9－16.2h时，可使进水高达6000 mg／L的氯乙酸钠降至小于10mg／L，去除率高达99％，TOC的去除率也达89％。 　　3．4 处理重金属废水 　　由于微生物经固定化后，其稳定性增加，抗生物毒性物质的能力也大大增加，因此，可以被广泛地用于各种有机废水中重金属离子的去除。GeoffeyW等将小球藻固定在藻阮酸盐中，用来聚集Co，Zn，Mn等金属，在5h内62％的Co，40％的Mn，54％的Zn被吸附；与之相比，在相同的条件下，悬浮细胞的吸附量要小得多。吴乾蓄等利用聚丙烯酸胺固定化酵母菌细胞去除电镀废水中的Cd2+，在pH=9，Cd2+的质量浓度为1～400mg／L时，反应lh，Cd2+的去除率98．9％；采用未固定化细胞则去除率为37．6％。 　　分别用0.lmol／L的 HCI和0．lmol／L的 EDTA解吸，Cd2+的回收率为88．5％和87．6％。 　　4 固定化细胞技术的发展前景 　　固定化细胞技术在废水处理领域中具有独特的优越性和巨大的潜力。当然，该技术也存在许多不足，要达到工业化应用还需解决以下问题：①寻找高效、廉价、抗毒性强的生物，发展多种生物共生的固定化体系；②开发性能稳定、强度高、寿命长、费用低、传质阻力小、高强度的固定载体；③开发高效的固定化反应器；④含高强废水固定化处理和其它优化组合的处理工艺的开发；③研究对生物无破坏性、高效率的解吸剂。 　　相信通过不断的研究，固定化细胞技术在废水处理中会成为一项高效而实用的废水处理技术，并获得广泛的应用。

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