固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中應(yīng)用

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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，并反復(fù)利用的方法。該方法有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)微生物細(xì)胞的濃度和純度，保持高效菌種，利于反應(yīng)器的固液分離，也利于除氮和除去高濃度有機(jī)物或某些難降解物質(zhì)。本文主要介紹近年來固定化細(xì)胞在廢水處理中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

　　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，大致可以分成如下三種方法。

　　吸附法，又叫載體結(jié)合法，是依據(jù)帶電的微生物細(xì)胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用，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(jiǎn)單，固定化過程對(duì)細(xì)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(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(gè)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(duì)細(xì)胞活性影響小，它是固定化細(xì)胞常用的方法。

　　交聯(lián)法，是通過利用含有兩個(gè)或兩個(gè)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(jià)鍵。該固定化方法微生物反應(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(duì)微生物無毒性、傳質(zhì)性能好、性質(zhì)穩(wěn)定。壽命長(zhǎng)、價(jià)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(duì)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一般強(qiáng)度較大，但傳質(zhì)性能較差，在進(jìn)行細(xì)胞固定時(shí)對(duì)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(shí)，利用吸附作用和電荷效應(yīng)，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(shí)間（24h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Phanerochaetechrysosporium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(gè)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(zhǎng)的停留時(shí)間和較高的細(xì)菌濃度，采用固定化細(xì)胞技術(shù)可做到這點(diǎn)。Nilsson用海藻酸鈣固定假單細(xì)胞反硝化菌Pseudomonasdenitrificans，采用填充床對(duì)含20mg／L.硝酸鹽的地下水進(jìn)行兩個(gè)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(jì)）達(dá)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，停留時(shí)間為lh，進(jìn)水NH3-N的濃度為8~16mol／m³，固定化細(xì)胞的填充率為11.l％時(shí)，脫氮率可達(dá)90％以上；填充率為16.5％時(shí)，脫氮率可達(dá)95％以上。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)，結(jié)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(jì)）0.5kg／（m³.d）；脫氮速率提高了3倍，約為l.5kg／（m³.d）；停留時(shí)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(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(duì)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(xì)胞技術(shù)在處理氨氮廢水中的主要優(yōu)勢(shì)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(shí)還可以使在反硝化過程低溫時(shí)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(zhì)

　　對(duì)于固定化活性污泥的研究情況，角野報(bào)道說固定化細(xì)胞的污泥產(chǎn)率系數(shù)（以BOD計(jì)）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(fù)荷的增加而增加。在綜合考慮污泥的處置時(shí)，容積負(fù)荷不宜設(shè)計(jì)得過高，在不產(chǎn)生剩余污泥情況下運(yùn)行時(shí)，容積負(fù)荷（以BOD計(jì)）也可達(dá)0.46～1.02kg／（m³.d），與一般延時(shí)曝氣活性污泥法（以BOD計(jì)）（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(duì)人工合成廢水進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，在進(jìn)水ρ（TOC）為94~99mg／L、TOC負(fù)荷在0.5～2.35kg／（m³.d）時(shí)，出水TOC的質(zhì)量濃度可降到5~7mg／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2－6倍，同時(shí)總氮去除率也可達(dá)30％~45％；用PVA一冷凍法包埋活性污泥時(shí)，在最高TOC負(fù)荷達(dá)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(shí)驗(yàn)中，用丙烯酸系合成樹脂作載體，在TOC容積負(fù)荷為1.5kg／（m³.d），停留時(shí)間為4h時(shí)，TOC去除率最高達(dá)98％，平均為95％；用聚丙烯酸凝膠作載體，固定床三級(jí)串聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)水TOC的質(zhì)量濃度為500mg／L時(shí)，停留4h，TOC去除率達(dá)80%，TOC容積負(fù)荷為3kg／（m³.d）；進(jìn)水TOC的質(zhì)量濃度為2200mg／L時(shí)，停留12h，TOC去除率達(dá)92％，TOC容積負(fù)荷達(dá)4.4kg／（m³.d）；當(dāng)用流化床處理廢水，進(jìn)水TOC的質(zhì)量濃度小于300mg／L時(shí)，TOC去除率可達(dá)95％以上。

　　3.3難降解有機(jī)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(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用三乙酸纖維素指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90kg／m³.d）時(shí)，包埋法固定化細(xì)胞的酚去除率達(dá)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(jìn)水酚的質(zhì)量濃度從100mg／L逐漸升高到1000mg/L，結(jié)果表明：固定化細(xì)胞的酚分解速度為懸浮細(xì)胞的2.5倍，酚的質(zhì)量濃度較低時(shí)，出水水質(zhì)良好，只有酚的質(zhì)量濃度大于3500mg／L時(shí)，出水酚的質(zhì)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(duì)酚具有高效降解作用的小球藻細(xì)胞和紫色非硫光合細(xì)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(shí)間，其共生體系對(duì)溫度、pH值適應(yīng)范圍廣，對(duì)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(xì)胞能利用這些物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)并使之完全降解，例如酚、奈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(zhǎng)穩(wěn)定，降解能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)報(bào)道用海藻酸鈣凝膠包埋固定化PinelohactersP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(duì)吡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(xì)胞生長(zhǎng)和底物降解過程動(dòng)力學(xué)，并與游離細(xì)胞進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：固定化細(xì)胞體系的半飽和常數(shù)增加了30倍，細(xì)胞的最大比生長(zhǎng)速率降低了2倍。

　　3.3.3處理LAS廢水

　　利用固定化細(xì)胞技術(shù)可以從廢水中除去可活性有機(jī)物，如合成洗滌劑工業(yè)廢水中的直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）。紀(jì)樹蘭等報(bào)道以生物降解法處理陰離子表面活性劑（直鏈?zhǔn)榛交撬徕c，即LAS）廢水。通過將TP－l號(hào)菌種固定在海藻酸鈉載體上，采用正交試驗(yàn)法，以固定化細(xì)胞對(duì)LAS的降解率和降解壽命為試驗(yàn)指標(biāo)確定了適宜的固定化條件，并與游離細(xì)胞對(duì)LAS的降解效果做了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：固定化細(xì)胞對(duì)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(xì)胞處理洗衣粉廢水，廢水中的LAS的質(zhì)量濃度為40mg/L時(shí)，3h內(nèi)LAS可降解90％以上。李彤等用硼酸化法包埋降解LAS的細(xì)菌苗系得到的固定化細(xì)胞，在1L反應(yīng)器中處理洗衣粉廢水中的LAS運(yùn)行結(jié)果表明：在V（PVA小球）／V廢水）=30％，進(jìn)水ρ（LAS）為40~70mg／L，停留時(shí)間為3h的條件下，LAS去除率可達(dá)90％以上。

　　3.3.4其他難降解有機(jī)廢水

　　在降解其它類難降解有機(jī)廢水方面，固定化細(xì)胞技術(shù)也發(fā)揮了其特長(zhǎng)。王蕾等用PVA固定化球和厭氧一好氧固定化細(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(shí)間為厭氧24h（35℃），好氧6h時(shí)，COD和四環(huán)素的去除率均達(dá)到96％，容積負(fù)荷（COD）2.07kg／（m³.d），較普通法容積負(fù)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(jìn)行吸附固定，在水力停留時(shí)間為10.9－16.2h時(shí)，可使進(jìn)水高達(dá)6000mg／L的氯乙酸鈉降至小于10mg／L，去除率高達(dá)99％，TOC的去除率也達(dá)89％。

　　3.4處理重金屬?gòu)U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(zhì)的能力也大大增加，因此，可以被廣泛地用于各種有機(jī)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(nèi)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(xì)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(xì)胞去除電鍍廢水中的Cd2+，在pH=9，Cd2+的質(zhì)量濃度為1～400mg／L時(shí)，反應(yīng)lh，Cd2+的去除率98.9％；采用未固定化細(xì)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(xì)胞技術(shù)的發(fā)展前景

　　固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域中具有獨(dú)特的優(yōu)越性和巨大的潛力。當(dāng)然，該技術(shù)也存在許多不足，要達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用還需解決以下問題：①尋找高效、廉價(jià)、抗毒性強(qiáng)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(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、費(fèi)用低、傳質(zhì)阻力小、高強(qiáng)度的固定載體；③開發(fā)高效的固定化反應(yīng)器；④含高強(qiáng)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(duì)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(xì)胞技術(shù)在廢水處理中會(huì)成為一項(xiàng)高效而實(shí)用的廢水處理技術(shù)，并獲得廣泛的應(yīng)用。