固定化細胞技術在廢水處理中的應用

杜 偉 李國一

固定化生物技術是從20世紀60年代開始迅速發展的一項新技術，它是利用化學的或物理的手段將游離細胞或酶定位于限定的空間區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，并可反復利用[1]。與傳統的懸浮生物處理法相比，它具有處理效率高、穩定性強、反應易于控制、菌種高純高效、生物濃度高、污泥量少、固液分離效果好、喪失活性可恢復等優點[2]。

1 細胞固定化技術

1.1 固定化細胞的制備方法

固定化細胞的制備方法很多，理想的制備方法應具有的特點[3]:1)能夠控制固定化細胞顆粒的大小和孔隙度，固定化方法簡便易行;2)固定化所使用的材料價廉易得，成本盡量低;3)固定化系統具有穩定的網狀結構、良好的機械穩定性和化學穩定性;4)固定化系統能使底物、產物和其他代謝產物自由擴散;5)單位體積的固定化系統擁有盡可能多的細胞，以更好地起到生物催化作用。

處理廢水的固定化細胞的制備方式同樣是多種多樣的，大致可以分成共價結合法、交聯法、吸附法和包埋法四大類[4]。幾種固定化細胞的制備方法的優缺點比較見表1。

1.2 固定化細胞載體

從制備方法可以知道，固定化細胞技術的關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胞載體應具備以下特點[6]:1)對微生物無毒性;2)傳質性能好;3)性質穩定，不易被生物分解;4)強度高、壽命長;5)細胞的固定化操作容易;6)水不溶性;7)價格低廉等。

表1 各種固定化方法的比較[5]

就目前在固定化細胞技術中所使用的載體材料而言，主要分為三大類:有機高分子載體、無機載體和復合載體[6]。

無機載體(如陶珠、活性炭、砂粒等)大多具有多孔結構，與微生物接觸時利用吸附和電荷效應把微生物固定，具有機械強度大、對微生物無毒性、不易被微生物分解、耐酸堿、成本低、壽命長等特性，且制作簡單易行，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間即可，因而是一類重要的載體材料[6]。

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

幾種固定化細胞有機載體材料的性能比較見表2。

表2 幾種固定化細胞有機載體材料的性能比較[6]

2 固定化細胞技術在廢水處理中的應用

2.1 用于處理印染廢水的研究

固定化細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菌細胞，進行了印染廢水的脫色研究。結果表明:固定化細胞對印染廢水的脫色活性與其自然細胞相似，但固定化細胞的熱穩定性增加。在連續一個月的試驗中，水力停留時間少于3.0 h，脫色率均可維持在70%～80%，達到了處理要求。王孔星等[9]選用多孔性硅酸鹽材料做無機載體，吸附固定化脫色菌。試驗結果表明，固定化細胞反應塔脫色處理80 min，色度去除率平均達85.15%，出水色度在100以下，符合排放標準。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，處理費用不高等優點。

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，但存在污泥產率較高，易產生污泥流失，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細胞。Yang[10]用三乙酸纖維素脂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90 kg/(m3?d)時，包埋法固定化細胞的酚去除率達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胞的載體，在三相流化床反應器中連續處理含酚廢水，進水酚的質量濃度為300 mg/L，出水酚質量濃度小于0.5 mg/L，污泥發生量僅為活性污泥法的1/10。以上研究表明，有選擇性地固定優勢菌種能大大提高降解酚的速率，同時，固定化細胞技術具有很強的耐毒抗毒能力。

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因其具有細胞濃度高、反應速度快、便于連續化和自動化控制、易于管理等突出優點，在廢水的生物脫氮處理中有巨大的應用前景。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行合成廢水的脫氮試驗[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的連續處理試驗表明，停留時間由原來的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，試驗結果表明，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，增加了脫氮過程對寒冷氣候，入水條件的適應性。

2.4 用于處理農藥及制藥工業廢水的研究

制藥工業廢水屬于較難處理的高濃度有機污水之一，目前國內外處理制藥廢水大量使用的仍是活性污泥法。20世紀90年代以來應用微生物固定化技術處理制藥廢水已越來越成為研究的重要內容。與活性污泥法相比，固定化細胞技術具有很強的耐毒抗毒能力，處理穩定效果好，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對有機磷農藥水胺硫磷的降解進行了研究，結果表明，經固定化的微生物對溫度，pH值和水樣水胺硫磷濃度的適應范圍擴大。在3個月的連續試驗中，若水樣初始CODCr濃度為1 300 mg/L～2 500 mg/L，停留時間24 h，在恒溫搖床(30℃，150 r/min)內降解，其去除率為 55%～70%。

3 細胞固定化技術應用的展望

綜上所述，固定化細胞技術用于廢水處理具有傳統活性污泥法不可比擬的優勢，但是，該技術在應用于實踐方面還有許多有待解決的問題:1)固定化細胞技術所采用的載體和固定技術需要進一步改進，力求降低載體對生物活性和傳質的不利作用[6];2)進一步探索固定化細胞在各個系統中的傳遞和反應特性，針對不同的處理體系，優化操作條件[1];3)目前固定化技術所用細菌多為自然馴化菌種，隨著生物工程技術的發展，應充分利用其研究成果，培養高效菌種。

[1] 馮玉杰.現代生物技術在環境工程中的應用[M].北京:化學工業出版社，2004.

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[4] 王家玲.環境微生物學[M].北京:高等教育出版社，1998.

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[15] 陳 敏，羅啟芳.聚乙烯醇包埋活性炭與微生物的固定化技術及對水胺硫磷降解的研究[J].環境科學，1993，15(3):11-14.