固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用

杜 偉 李國一

固定化生物技術(shù)是從20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，它是利用化學(xué)的或物理的手段將游離細(xì)胞或酶定位于限定的空間區(qū)域以提高微生物的濃度，并使之不懸浮于水仍保持生物活性，并可反復(fù)利用[1]。與傳統(tǒng)的懸浮生物處理法相比，它具有處理效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、反應(yīng)易于控制、菌種高純高效、生物濃度高、污泥量少、固液分離效果好、喪失活性可恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 細(xì)胞固定化技術(shù)

1.1 固定化細(xì)胞的制備方法

固定化細(xì)胞的制備方法很多，理想的制備方法應(yīng)具有的特點(diǎn)[3]:1)能夠控制固定化細(xì)胞顆粒的大小和孔隙度，固定化方法簡(jiǎn)便易行;2)固定化所使用的材料價(jià)廉易得，成本盡量低;3)固定化系統(tǒng)具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、良好的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性;4)固定化系統(tǒng)能使底物、產(chǎn)物和其他代謝產(chǎn)物自由擴(kuò)散;5)單位體積的固定化系統(tǒng)擁有盡可能多的細(xì)胞，以更好地起到生物催化作用。

處理廢水的固定化細(xì)胞的制備方式同樣是多種多樣的，大致可以分成共價(jià)結(jié)合法、交聯(lián)法、吸附法和包埋法四大類[4]。幾種固定化細(xì)胞的制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

1.2 固定化細(xì)胞載體

從制備方法可以知道，固定化細(xì)胞技術(shù)的關(guān)鍵在于所采用的固定化載體材料的性能。適用于廢水處理的理想固定化細(xì)胞載體應(yīng)具備以下特點(diǎn)[6]:1)對(duì)微生物無毒性;2)傳質(zhì)性能好;3)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被生物分解;4)強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng);5)細(xì)胞的固定化操作容易;6)水不溶性;7)價(jià)格低廉等。

表1 各種固定化方法的比較[5]

就目前在固定化細(xì)胞技術(shù)中所使用的載體材料而言，主要分為三大類:有機(jī)高分子載體、無機(jī)載體和復(fù)合載體[6]。

無機(jī)載體(如陶珠、活性炭、砂粒等)大多具有多孔結(jié)構(gòu)，與微生物接觸時(shí)利用吸附和電荷效應(yīng)把微生物固定，具有機(jī)械強(qiáng)度大、對(duì)微生物無毒性、不易被微生物分解、耐酸堿、成本低、壽命長(zhǎng)等特性，且制作簡(jiǎn)單易行，只需把載體放入含有微生物一定濃度的溶液中浸泡一段時(shí)間即可，因而是一類重要的載體材料[6]。

復(fù)合載體是由有機(jī)載體材料和無機(jī)載體材料結(jié)合而成，使兩類材料在許多性能上互補(bǔ)。Lin等利用海藻酸鈣聯(lián)合包埋固定可以分解五氯酚(PCP)中間產(chǎn)物的真菌細(xì)胞和粉末活性炭用于降解PCP，結(jié)果表明:復(fù)合固定化體系能更加有效地降解PCP，顯示出復(fù)合載體材料的優(yōu)越性[7]。

幾種固定化細(xì)胞有機(jī)載體材料的性能比較見表2。

表2 幾種固定化細(xì)胞有機(jī)載體材料的性能比較[6]

2 固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用

2.1 用于處理印染廢水的研究

固定化細(xì)胞在印染廢水的脫色處理方面也有廣泛的研究，如劉志培等[8]利用聚乙烯醇固定化混合細(xì)菌細(xì)胞，進(jìn)行了印染廢水的脫色研究。結(jié)果表明:固定化細(xì)胞對(duì)印染廢水的脫色活性與其自然細(xì)胞相似，但固定化細(xì)胞的熱穩(wěn)定性增加。在連續(xù)一個(gè)月的試驗(yàn)中，水力停留時(shí)間少于3.0 h，脫色率均可維持在70%～80%，達(dá)到了處理要求。王孔星等[9]選用多孔性硅酸鹽材料做無機(jī)載體，吸附固定化脫色菌。試驗(yàn)結(jié)果表明，固定化細(xì)胞反應(yīng)塔脫色處理80 min，色度去除率平均達(dá)85.15%，出水色度在100以下，符合排放標(biāo)準(zhǔn)。采用固定吸附脫色菌處理印染廢水可以獲得很好的處理效果，與其他方法相比，有投資小，處理費(fèi)用不高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 用于處理含酚廢水的研究

含酚廢水的處理普遍采用活性污泥法，但存在污泥產(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(duì)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[10]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(jì))小于90 kg/(m3?d)時(shí)，包埋法固定化細(xì)胞的酚去除率達(dá)90%以上。周定等[11]使用從活性污泥中分解出來的降解酚活性高的熱帶假絲酵母菌，用海藻酸鈣作為包埋細(xì)胞的載體，在三相流化床反應(yīng)器中連續(xù)處理含酚廢水，進(jìn)水酚的質(zhì)量濃度為300 mg/L，出水酚質(zhì)量濃度小于0.5 mg/L，污泥發(fā)生量?jī)H為活性污泥法的1/10。以上研究表明，有選擇性地固定優(yōu)勢(shì)菌種能大大提高降解酚的速率，同時(shí)，固定化細(xì)胞技術(shù)具有很強(qiáng)的耐毒抗毒能力。

2.3 用于廢水的生物脫氮的研究

廢水生物脫氮目前較為普遍采用的是活性污泥法，但固定化微生物技術(shù)因其具有細(xì)胞濃度高、反應(yīng)速度快、便于連續(xù)化和自動(dòng)化控制、易于管理等突出優(yōu)點(diǎn)，在廢水的生物脫氮處理中有巨大的應(yīng)用前景。日本的中村裕記采用聚丙烯酰胺包埋固定硝化菌和脫氮菌，采用好氧硝化和厭氧反硝化兩段工藝進(jìn)行合成廢水的脫氮試驗(yàn)[12]。與懸浮生物法比較，低溫下硝化速度增大了6倍～7倍，脫氮速度提高了3倍。50 d的連續(xù)處理試驗(yàn)表明，停留時(shí)間由原來的7 h(硝化4 h+反硝化3 h)縮短為4 h(硝化2 h+反硝化2 h)，設(shè)備容積將縮小50%。周定等[13]用聚乙烯醇包埋脫氮微生物，試驗(yàn)結(jié)果表明，固定化微生物可以在較低pH、較低溫度的條件下獲得較好的處理效果，增加了脫氮過程對(duì)寒冷氣候，入水條件的適應(yīng)性。

2.4 用于處理農(nóng)藥及制藥工業(yè)廢水的研究

制藥工業(yè)廢水屬于較難處理的高濃度有機(jī)污水之一，目前國內(nèi)外處理制藥廢水大量使用的仍是活性污泥法。20世紀(jì)90年代以來應(yīng)用微生物固定化技術(shù)處理制藥廢水已越來越成為研究的重要內(nèi)容。與活性污泥法相比，固定化細(xì)胞技術(shù)具有很強(qiáng)的耐毒抗毒能力，處理穩(wěn)定效果好，污泥量少。陳敏等[15]利用聚乙烯醇包埋活性炭和微生物的固定化技術(shù)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥水胺硫磷的降解進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，經(jīng)固定化的微生物對(duì)溫度，pH值和水樣水胺硫磷濃度的適應(yīng)范圍擴(kuò)大。在3個(gè)月的連續(xù)試驗(yàn)中，若水樣初始CODCr濃度為1 300 mg/L～2 500 mg/L，停留時(shí)間24 h，在恒溫?fù)u床(30℃，150 r/min)內(nèi)降解，其去除率為 55%～70%。

3 細(xì)胞固定化技術(shù)應(yīng)用的展望

綜上所述，固定化細(xì)胞技術(shù)用于廢水處理具有傳統(tǒng)活性污泥法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是，該技術(shù)在應(yīng)用于實(shí)踐方面還有許多有待解決的問題: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(duì)生物活性和傳質(zhì)的不利作用[6];2)進(jìn)一步探索固定化細(xì)胞在各個(gè)系統(tǒng)中的傳遞和反應(yīng)特性，針對(duì)不同的處理體系，優(yōu)化操作條件[1];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。

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