淺談固定化細胞技術在機廢水處理中的應用

曾志航

(惠州市保家環境工程有限公司,廣東 惠州 516000)

一、固定化細胞概論：

固定化細胞是指固定在水不溶性載體上，在一定的空間范圍進行生命活動（生長、繁殖和新陳代謝等）的細胞。它是用于獲得細胞的酶和代謝產物的一種方法，起源于20世紀70年代，是在固定化酶的基礎上發展起來的新技術。由于固定化細胞能進行正常的生長、繁殖和新陳代謝，所以又稱固定化活細胞或固定化增殖細胞。通過各種方法將細胞和水不溶性載體結合，制備固定化細胞的過程稱為細胞固定化。

固定化細胞(簡稱IMC)是利用物理或化學的手段將微生物細胞限制或定位于限定的空間區域,并保持其活性,以便反復連續使用。最初主要用于工業微生物發酵中。70年代后期,由于水污染問題日益嚴重,迫切需要開發高效廢水處理技術。

二、試驗方法及材料

本文首先對5種IMC載體進行系統的比較,篩選出較為適用于廢水處理中的載體。在此基礎上,以含難降解有機物成分的洗衣粉廢水和四環素廢水為對象,分別進行IMG的處理試驗。

2.1 IMC小球的制備

本研究采用包埋固定化法。IMC小球的制備方法如圖1所示。包埋劑溶液與細菌懸濁液混合后,用注射器將其注入交聯劑溶液中,在包埋劑與交聯劑交聯、聚合形成凝膠的過程中將細菌包埋在其內部。得到的凝膠小球即為IMC小球。

試驗用的包埋劑及相應的交聯劑見表1

注:同時加入聚合開始劑:2.5%過硫酸鐵;聚合加速劑:5%二甲按基丙睛

2.2 IMC處理洗衣粉廢水試驗

合成洗衣粉的主要品種是直鏈烷基苯磺酸鈉(簡稱LAS)。用含合成洗衣粉的培養基篩選并富集降解LAS的細菌。將篩選富集得到的細菌懸濁液與包埋劑混合,采用PVA一硼酸法,按圖1所示制備IMC小球。PVA的最終濃度為12.5%,交聯時間為24h。

在裝有自制洗衣粉廢水300mL的玻璃瓶中,加相當于廢水體積30%的IMC小球。在30℃恒溫搖床中培養。每天換一次水,每隔幾天測定LAS降解的歷時曲線。

2.3 IMC處理四環素康水試驗。

四環素結晶母液一般COD濃度高達18000mg/L,四環素濃度5000mg/L,草酸濃度5000mg/L,先用CaCl2回收草酸,然后將其稀釋至COD為1000mg/L~6000mg/L后作為試驗用水。

將在厭氧條件下馴化一段時間后的污泥,用PVA一硼酸法按圖1進行包埋。PVA最終濃度為7.7%,包泥量為47%,交聯時間為24h.以IMC小球作為產甲烷相,用二相厭氧工藝處理四環素結晶母液稀釋廢水,并與UASB為產甲烷相的一般二相厭氧工藝進行了比較。兩套系統的產酸相合用一個反應器,為普通升流式厭氧污泥床,有效容積1.2L,停留時間為3h,IMC和UASB產甲烷相反應器的有效容積分別為0.45L和1.8L,停留時間均控制在24h,厭氧運行溫度為35℃ 。

三、試驗結果與討論

3.1 各種IMC載休的性能比較

適用于廢水處理的理想的IMC載體應該是對生物無毒,傳質性能良好,機械強度高，壽命長,固定操作容易,且價格便宜。

對按圖1制備的瓊脂、明膠、海藻酸鈣(簡稱SA)、聚乙烯醇(簡稱PVA)和丙烯酞餒(簡稱ACRM)5種凝膠作為IMC載體時的機械強度、傳質性能等比較結果如下:

1)在5種包埋劑中,瓊脂機械強度極差,無實際工程應用價值；

2)ACRM凝膠中未聚合的單體對生物有毒,且在聚合過程中發熱,對細菌殺傷大;傳質性能較差,IMC小球內的微生物增殖不好;固定操作不易；

3)明膠強度較低,內部結構密實,傳質性能較差；

4)SA凝膠和PVA凝膠,機械強度較好;電鏡觀察表明內部呈多孔結構,對生物的毒性小,固定操作容易。

5種IMC載體的各性能比較見表2。

表2 各種IMC載體性能比較

對SA凝膠和PVA凝膠進一步的研究表明:PVA凝膠的機械強度優于SA凝膠,但SA凝膠的傳質性能比PVA凝膠好。將兩種IMC小球置于紅墨水中,30min時,紅墨水沿半徑5.Omm的PVA小球徑向僅擴散進入0.6mm~0.8mm,而SA小球幾乎全部變紅。在穩定性方面,SA凝膠易在PO2溶液中溶解,pH>10時,容易破碎；而PVA性能受pH變化影響甚微,但PVA由于交聯不徹底,有小量TOC溶出。通過用Na2:CO3:事先將硼酸溶液的pH調到6.7左右,再進行交聯,可減少TOC溶出,并可增加高溫時凝膠強度的穩定性。

綜合以上結果,目前較為合適的IMC載體為PVA,但需對傳質性能進一步改善。

2.2 IMC處理洗衣粉廢水效果。

半連續試驗結果如圖2所示,運行開始前PVA小球尚未經過培養,活性不高,圖中LAS濃度曲線在0~3h內的降解,可以認為主要是由于PVA小球的吸附所造成。隨著運行時間及LAS降解速率增加,運行到第八天,降解速率達最大,在進水L AS濃度40mg/L時,在3h內就可將LAS降解97.8%。當進水LAS濃度升高為70mg/L時,LAS的降解速率并沒有因為其濃度的提高而降低很多。但隨著運行時間的增加,PVA小球的活性有所下降。運行到20天,3h的LAS去除率只有81%。這可能是由于LA S降解產物中有不利于LAS降解菌生長的物質產生,積累到一定量時,導致PVA小球活性下降。采用低濃度LAS進水對PVA小球進行活化培養，可恢復PVA小球的活性，反復使用。半連續試驗進行了幾個月，結果表明PVA小球一直保持了良好的強度，沒有破碎。

圖2 LAS降解經時變化曲線

2.3 IMC處理四環素廢水效果

如圖3所示，在進水COD濃度<3500mg/L，即產酸相出水COD<3000mg/L時，IMC產甲烷相的COD去除率為65%~70% ，以二相計時，COD去除率為73%左右。而UASB產甲烷相的COD去除率為60%~65%，以二相計時，COD去除率為69%左右。當進水COD濃度>3500mg/L時，UASB受沖擊負荷的影響，COD去除率明顯下降，即使進水COD濃度又下降到3000mg/L左右時，其COD去除效果仍恢復較慢。相比之下，IMC反應器受進水沖擊負荷影響較小。由此可見，IMC反應器比UASB反應器處理效率高，抗沖擊負荷能力強主要是因為在UASB反應器中，廢水中含有大量對微生物有抑制性的四環 (COD=300Omg/L時，四環素濃度約為20Omg/L)，反應器內難以生成顆粒污泥，維持較高污泥濃度。經觀察，UASB反應器內的污泥大部分集中在反應器底部，污泥層占反應器總體積的50% ，污泥濃度約為15.6gVSS/L。而在IMC反應器中，由于IMC的利用，可人為高濃度地維持反應器內的污泥濃度。IM C均勻分布在整個反應器內，堆積體積占反應器總體積的89% ，污泥濃度約為17gVSS/L。

此外，在抵抗四環素毒性方面，IMC也比UASB更具有優勢。

如圖4所示，在四環素濃度高達700mg/L時，UASB污泥的甲烷產量已降低了50% ，而IMC的甲烷產量變化卻不大，這主要是由于在非固定的懸浮污泥系統中，微生物與四環素直接接觸，受其毒性的影響較大。而在IMC系統中，廢水中的四環素必須先經擴散才能進入IMC小球內部。由于擴散作用，從IMC小球外部到內部，四環素濃度由高變低，其毒性減小。此外，在四環素擴散過程中，伴隨微生物對四環素的降解，使其毒性進一進減輕。IMC的這種抗有毒物毒性能力強的特點更增加了IMC反應器抗沖擊負荷的能力及運行的穩定性。

1 UASB產甲烷相COD去除率

2 IMC產甲烷相COD去除率

3二相UASB總COD去除率

4二相IMC總COD去除率

5進水COD濃度

6產酸相出水COD濃度

7 UASB出水COD濃度

8 IMC出水COD濃度

圖3 四環素廢水COD去除效果

此外，IMC反應器出水的SS比UASB反應器少，在高負荷時U A S B反應器出水的SS明顯增加。試驗兩個多月，IMC小球除個別破碎外，大部分完好。

圖4 甲烷產量與四環素之間的關系

四、總結以上討論

1、在5種固定化細胞載體中，PVA凝膠是較為合適的載體，但需進一步對其傳質性能進行改善;

2、IMC處理洗衣粉廢水的半連續試驗結果表明，在廢水中的LAS濃皮為，10mg/L—70mg/L時，3h內LAS可降解90%以上，

3、IMC作為產甲烷相的二相厭氧工藝處理四環素廢水的結果表明，在產酸祝}和產甲烷相停留時間分別為3h和24h，COD去除率可達73%左右，大于一般UASB反應器的去除率。

4、IMC處理廢水效果良好，系統運行穩定，抗沖擊負荷能力強。

IMC廢水處理技術目前主要還停留在實驗室研究水平，在實際應用方面還有許多問題有待解決，我們將在本研究的墓礎上，對IMC的實際應用研究作進一步開發，以期IMC技術在廢水處理中更具有實用性。

結語

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。

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