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(shì)，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(jiǎn)單，固定化過程對(duì)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(gè)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(jiǎn)單、條件溫和、穩(wěn)定性好、包埋細(xì)胞容量高、對(duì)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(jià)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(jià)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(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(duì)微生物無(wú)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(wú)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(wú)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(shí)對(duì)細(xì)胞活性有影響，易造成細(xì)胞失活。無(wú)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)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(shí)間(24 h左右)即可。

由有機(jī)載體和無(wú)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(gè)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(zhǎng)的停留時(shí)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(gè)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(duì)含20ms/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3．6ks/(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(jì))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(shí)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(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 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(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)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)。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(shí)間為厭氧24 h(35℃)，好氧6 h時(shí)，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(duì)于固定化活性污泥的研究情況，據(jù)報(bào)道固定化細(xì)胞的污泥產(chǎn)率系數(shù)(以BOD計(jì))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(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)到O．46ks/(m3-d)～l|02 ks/(m3·d)，與一般延時(shí)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(duì)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(shí)，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(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)2．96ks/(m3·d)時(shí)，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(shí)間為4 h時(shí)，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(jí)串聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)水TOG的質(zhì)量濃度為500ms/L時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(duì)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(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。

(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(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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