固定化細胞技術在廢水處理中應用

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固定化細胞技術是指通過化學的或物理的手段，將游離細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，并反復利用的方法。該方法有利于提高生物反應器內微生物細胞的濃度和純度，保持高效菌種，利于反應器的固液分離，也利于除氮和除去高濃度有機物或某些難降解物質。本文主要介紹近年來固定化細胞在廢水處理中的應用研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

　　1固定化細胞的制備方式

　　固定化細胞的制備方式是多種多樣的，大致可以分成如下三種方法。

　　吸附法，又叫載體結合法，是依據(jù)帶電的微生物細胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用，使微生物細胞固定在載體表面和內部形成生物膜。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，固定化過程對細胞活性影響小。

　　包埋法，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，微生物被包裹在該空間內不能離開，而底物和產(chǎn)物能自由地進出這個空間，常用的有凝膠包埋法。纖維包埋法和微膠囊法。包埋法對細胞活性影響小，它是固定化細胞常用的方法。

　　交聯(lián)法，是通過利用含有兩個或兩個以上官能基團的試劑與微生物細胞表面的反應基團如梭基。氨基等發(fā)生反應，使細胞之間交聯(lián)成網(wǎng)格結構，從而制成固定化網(wǎng)格，其結合力是共價鍵。該固定化方法微生物反應活性損失較大，且采用的交聯(lián)劑大都比較昂貴，因此應用受到一定的限制。

　　2固定化細胞的載體

　　固定化細胞技術所采用載體的物理化學性質直接影響所固定細胞的生物活性和體系傳質性能。理想的載體材料應具有對微生物無毒性、傳質性能好、性質穩(wěn)定。壽命長、價格低廉等特性。它可分為有機高分子載體、無機載體和復合載體三大類。

　　有機高分子載體又分為天然高分子凝膠載體和合成有機高分子凝膠載體。天然高分子凝膠一般對生物無毒，傳質性能較好，但強度較低，在厭氧條件下易被生物分解。有機合成高分子凝膠載體一般強度較大，但傳質性能較差，在進行細胞固定時對細胞活性有影響，易造成細胞失活。

　　無機載體大多具有多孔結構，在與微生物接觸時，利用吸附作用和電荷效應，從而把微生物固定。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（24h左右）即可。

　　由有機載體和無機載體材料組成的復合載體材料，可以改進載體材料的性能。Lin等將粉末活性炭和Phanerochaetechrysosporium聯(lián)合包埋固定，結果表明了復合固定化體系能更加有效地用于降解五氮酚，顯示出復合載體材料的優(yōu)越性。

　　3固定化細胞技術在廢水處理中的應用研究

　　3.l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，必須要較長的停留時間和較高的細菌濃度，采用固定化細胞技術可做到這點。Nilsson用海藻酸鈣固定假單細胞反硝化菌Pseudomonasdenitrificans，采用填充床對含20mg／L.硝酸鹽的地下水進行兩個月的連續(xù)脫氮試驗，脫氮效果良好，反硝化速度為66mg［N］／（h.kg［凝膠］），容積負荷（以N計）達到3.6kg／（m³.d）。

　　WijffelS采用角叉萊膠（聚丙烯酸胺）固定從土壤中分離出的反硝化菌，在容積為2L的外循環(huán)流化床中進行實驗，停留時間為lh，進水NH3-N的濃度為8~16mol／m³，固定化細胞的填充率為11.l％時，脫氮率可達90％以上；填充率為16.5％時，脫氮率可達95％以上。中村裕紀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行合成廢水的脫氮試驗，結果表明；與懸浮生物法相比，低溫下硝化速度增大了6－7倍，約為（以N計）0.5kg／（m³.d）；脫氮速率提高了3倍，約為l.5kg／（m³.d）；停留時間由原來的7h硝化4h十反硝化3U縮短為4h（硝化2h十反硝化2h），即處理裝置容積可減少約50％左右。周定等將脫氮細胞包埋于PVA（聚乙烯醇）中，結果表明：在低溫、低pH值的條件下，固定化細胞能夠保留比未包埋細胞更高的脫氮活性，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。

　　從以上的研究看出，固定化細胞技術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固定化活性污泥除BOD物質

　　對于固定化活性污泥的研究情況，角野報道說固定化細胞的污泥產(chǎn)率系數(shù)（以BOD計）為0.15kg／kg，與一般活性污泥法相比，泥量減少為1／4~l／5，但污泥產(chǎn)量隨容積負荷的增加而增加。在綜合考慮污泥的處置時，容積負荷不宜設計得過高，在不產(chǎn)生剩余污泥情況下運行時，容積負荷（以BOD計）也可達0.46～1.02kg／（m³.d），與一般延時曝氣活性污泥法（以BOD計）（0.1～0.4kg／（m³.d）相比高2－3倍。橋本等用PVA一硼酸法包埋腦性污泥，對人工合成廢水進行連續(xù)試驗，在進水ρ（TOC）為94~99mg／L、TOC負荷在0.5～2.35kg／（m³.d）時，出水TOC的質量濃度可降到5~7mg／L，去除率達93％，與活性污泥法相比，有機物負荷可提高2－6倍，同時總氮去除率也可達30％~45％；用PVA一冷凍法包埋活性污泥時，在最高TOC負荷達2.96kg／（m³.d），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，在固定床實驗中，用丙烯酸系合成樹脂作載體，在TOC容積負荷為1.5kg／（m³.d），停留時間為4h時，TOC去除率最高達98％，平均為95％；用聚丙烯酸凝膠作載體，固定床三級串聯(lián)運行，進水TOC的質量濃度為500mg／L時，停留4h，TOC去除率達80%，TOC容積負荷為3kg／（m³.d）；進水TOC的質量濃度為2200mg／L時，停留12h，TOC去除率達92％，TOC容積負荷達4.4kg／（m³.d）；當用流化床處理廢水，進水TOC的質量濃度小于300mg／L時，TOC去除率可達95％以上。

　　3.3難降解有機廢水

　　3.3.l含酚廢水

　　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。固定化細胞對廢水中酚類等有毒物質的降解能力遠大于游離態(tài)細胞。Yang用三乙酸纖維素指單載體與海藻酸鈣的復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，當容積負荷（以COD計）小于90kg／m³.d）時，包埋法固定化細胞的酚去除率達90％以上。橋本用PVA一硼酸法固定分離出的耐高濃度酚特殊菌種，在完全混合曝氣條件下連續(xù)處理合酚廢水，進水酚的質量濃度從100mg／L逐漸升高到1000mg/L，結果表明：固定化細胞的酚分解速度為懸浮細胞的2.5倍，酚的質量濃度較低時，出水水質良好，只有酚的質量濃度大于3500mg／L時，出水酚的質量濃度才開始升高，但仍可保持一定的去除效率。王翠紅等用海藻酸鈉包埋對酚具有高效降解作用的小球藻細胞和紫色非硫光合細菌混合菌株，在好氧條件下處理含酚廢水，可以明顯提高除酚效率，縮短廢水停留時間，其共生體系對溫度、pH值適應范圍廣，對焦化廠工業(yè)廢水處理24h，去除率為95％以上，說明了菌藻共生體系是處理含酚廢水的一條有效途徑。

　　3.3.2含芳香烴廢水

　　利用固定化混合菌群可降解芳香烴廢水。固定化細胞能利用這些物質進行生長并使之完全降解，例如酚、奈和菲均能被徹底降解。與游離細胞相比，固定化細胞表現(xiàn)出生長穩(wěn)定，降解能力強的優(yōu)點。據(jù)報道用海藻酸鈣凝膠包埋固定化PinelohactersP細胞進行降解吡啶的研究，結果表明：與游離細胞相比，固定化細胞的比降解速率和對吡啶毒性的承受能力并沒有提高，但由于固定化細胞具有較高的生物濃度，所以其體積降解速率較高，而且可以重復利用，因此利用固定化細胞降解吡啶是可行的。Shreve等利用固定化假單胞菌降解甲苯，研究了固定化細胞生長和底物降解過程動力學，并與游離細胞進行了比較，結果表明：固定化細胞體系的半飽和常數(shù)增加了30倍，細胞的最大比生長速率降低了2倍。

　　3.3.3處理LAS廢水

　　利用固定化細胞技術可以從廢水中除去可活性有機物，如合成洗滌劑工業(yè)廢水中的直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）。紀樹蘭等報道以生物降解法處理陰離子表面活性劑（直鏈十二烷基苯磺酸鈉，即LAS）廢水。通過將TP－l號菌種固定在海藻酸鈉載體上，采用正交試驗法，以固定化細胞對LAS的降解率和降解壽命為試驗指標確定了適宜的固定化條件，并與游離細胞對LAS的降解效果做了對比試驗，結果表明：固定化細胞對LAS的降解程數(shù)明顯增加。黃霞等采用聚乙烯醇凝膠固定化細胞處理洗衣粉廢水，廢水中的LAS的質量濃度為40mg/L時，3h內LAS可降解90％以上。李彤等用硼酸化法包埋降解LAS的細菌苗系得到的固定化細胞，在1L反應器中處理洗衣粉廢水中的LAS運行結果表明：在V（PVA小球）／V廢水）=30％，進水ρ（LAS）為40~70mg／L，停留時間為3h的條件下，LAS去除率可達90％以上。

　　3.3.4其他難降解有機廢水

　　在降解其它類難降解有機廢水方面，固定化細胞技術也發(fā)揮了其特長。王蕾等用PVA固定化球和厭氧一好氧固定化細胞技術處理四環(huán)素結晶母液，結果表明：當總停留時間為厭氧24h（35℃），好氧6h時，COD和四環(huán)素的去除率均達到96％，容積負荷（COD）2.07kg／（m³.d），較普通法容積負荷提高16.3％，產(chǎn)氣量提高4.57倍。

　　Portter等研究了固定化純微生物菌株處理含氯乙酸鹽的殺蟲劑生產(chǎn)廢水，他們從受污染的水體中分離得到具有分解氯乙酸鈉能力的Pseudomonas菌株，用多孔性載體CeliteR－630進行吸附固定，在水力停留時間為10.9－16.2h時，可使進水高達6000mg／L的氯乙酸鈉降至小于10mg／L，去除率高達99％，TOC的去除率也達89％。

　　3.4處理重金屬廢水

　　由于微生物經(jīng)固定化后，其穩(wěn)定性增加，抗生物毒性物質的能力也大大增加，因此，可以被廣泛地用于各種有機廢水中重金屬離子的去除。GeoffeyW等將小球藻固定在藻阮酸鹽中，用來聚集Co，Zn，Mn等金屬，在5h內62％的Co，40％的Mn，54％的Zn被吸附；與之相比，在相同的條件下，懸浮細胞的吸附量要小得多。吳乾蓄等利用聚丙烯酸胺固定化酵母菌細胞去除電鍍廢水中的Cd2+，在pH=9，Cd2+的質量濃度為1～400mg／L時，反應lh，Cd2+的去除率98.9％；采用未固定化細胞則去除率為37.6％。

　　分別用0.lmol／L的HCI和0.lmol／L的EDTA解吸，Cd2+的回收率為88.5％和87.6％。

　　4固定化細胞技術的發(fā)展前景

　　固定化細胞技術在廢水處理領域中具有獨特的優(yōu)越性和巨大的潛力。當然，該技術也存在許多不足，要達到工業(yè)化應用還需解決以下問題：①尋找高效、廉價、抗毒性強的生物，發(fā)展多種生物共生的固定化體系；②開發(fā)性能穩(wěn)定、強度高、壽命長、費用低、傳質阻力小、高強度的固定載體；③開發(fā)高效的固定化反應器；④含高強廢水固定化處理和其它優(yōu)化組合的處理工藝的開發(fā)；③研究對生物無破壞性、高效率的解吸劑。

　　相信通過不斷的研究，固定化細胞技術在廢水處理中會成為一項高效而實用的廢水處理技術，并獲得廣泛的應用。