| 单词 | 固定化细胞技术在废水处理中的应用 |
| 释义 | 【固定化细胞技术在废水处理中的应用】 固定化细胞技术是用化学或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区域，并使其保持活性，反复利用的方法，是60年代发展起来的新技术，最初主要用于工业微生物的发酵生产。固定化细胞有细胞密度高，反应速度快，微生物流失少，产物分离及反应过程控制较容易等优点，与游离细胞相比，明显地显示出优越性，在实际应用中成果显著。70年代后期，由于水污染问题日趋严重，迫切要求开发高效废水处理新技术。利用固定化细胞技术，可将选择性地筛选出的优势菌种加以固定，构成一种高效的废水处理系统。固定化细胞废水处理新技术已成为各国研究的热点，其中日本尤其活跃。中国在固定化细胞处理废水，特别是难降解有机物废水方面做了许多工作，并有进一步扩大研究的趋势。 固定化细胞的制备方法多种多样，大致可分成载体结合法、交联法和包埋法3大类(精本，1985)。载体结合法是通过物理吸附、化学或离子结合的办法，将细胞固定在载体上，该方法操作简单，对细胞活性影响小，但所能固定的细胞量有限，废水处理中的生物膜法是其代表性例子。交联法是利用两个功能团以上的试剂，直接与细胞表面的反应基团如氨基、烃基等进行交联，形成共价键来固定细胞。此法化学反应激烈，对细胞活性影响大，交联剂大多价格昂贵，限制了它的应用。包埋法是使细胞扩散进入多孔性载体内部，或利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋在其内部。该法操作简单，对细胞活性影响较小，制作的固定化细胞球的强度较高，是目前研究最广泛的固定化方法。理想的固定化细胞载体应该是对微生物无毒性、传质性能良好、性质稳定、不易被生物分解、强度高、寿命长、价格低廉等。开发具有这些特性的载体是固定化细胞研究中最重要的课题之。固定化细胞载体归纳起来主要可分为两大类，一类是天然高分子凝胶载体，如琼脂、角叉莱胶、海藻酸钙等；另一类是有机合成高分子凝胶载体，如聚丙烯酰铵(ACAM)、凝胶、聚乙烯醇(PVA)凝胶、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等。天然高分子凝胶一般对生物无毒，传质性能较好，但强度较低，在厌氧条件下易被生物分解(本田，1990)。其中琼脂强度最差，天然的角叉莱胶在分离出影响其强度的γ——角叉莱胶成分后，强度和稳定性提高，相比之下应用较多，但价格较高。海藻酸钙凝胶价格较低廉，是其中应用较为广泛的固定化细胞载体。但在高浓度的磷酸盐溶液，或含有Mg2+，K+等微生物生长所必需的阳离子溶液子中，海藻酸钙凝胶不稳定，易破碎和溶解(张克旭，1986)。中野等(1990)报道将固定成形后的海藻酸钙凝胶再置换成海藻酸铝，可提高其强度；用聚乙烯亚铵溶液处理海藻酸钙凝胶，可防止磷酸盐的破坏作用，又能提高其强度有机合成高分子凝胶一般强度较好，但传质性能差，在进行细胞包埋时有时对细胞活性有影响。ACAM凝胶在包埋细胞时，由于凝胶交联过程中的放热以及交联试剂本身的毒性，细胞在固定化过程中常失活。对此，可采用先用琼脂包埋细胞后，再用ACAM凝胶进行包埋的二次包埋固定化方法，使细胞失活大大得到改善(设乐等，1983)。PVA凝胶的制备方法有两种，一种是PVA-冷冻法，另一种是PVA－硼酸法。PVA凝胶一般强度较高，价格低廉，相对于ACAM凝胶对生物的毒性很小，被认为是目前最有效的固定化载体之一。据桥本(1986)报道PVA－硼酸法中，VPA的最适浓度为7．5%～10%，但PVA凝胶有时由于交联不彻底少量TOC成分溶出，在高温时强度变低。若在PVA－硼酸法固定化细胞制备过程中，用Na2CO3事先将硼酸的H+浓度调整到5．01×10－7mol／L左右，或将制成的凝胶放入水中浸泡几天，可提高其在高温时强度的稳定性。中野(1990)报道说在PVA凝胶制备过程中加入少量粉末活性炭，可提高凝胶强度。同时，这种复合凝胶制成的固定化细胞在进水不稳定、难降解组分突然进入处理系统的情况下与单一PVA凝胶相比显示出优势。1．一般废水处理。在有机废水的好氧生物处理方面，日本的桥本对活性污泥的各种固定化方法，如PVA－硼酸法、PVA－冷冻法、ACAM等进行了比较，并对其废水处理特性进行了较系统的研究。用PVA－硼酸包埋活性污泥，对人工合成废水进行连续试验的结果，在进水TOC为94～99mg／L，TOC、负荷在0．5～2．35kg／(m3·d)时，出水TOC浓度可降到5～7mg／L，去除率达93%。与活性污泥法相比，有机物负荷可提高2～6倍，同时TN去除率也可达30%～45%。有PVA冷冻法包埋活性污泥时，在最高TOC负荷达2．96kg／(m3·d)时，处理效果良好。此外，其它研究者的报道也很多。对于固定化活性污泥的微生物增殖情况，角野(1985)报道说固定化细胞的污泥产率系数为0．15kg／kgBOD，与一般活性污泥法相比，泥量减少为1／4～1／5。但污泥量随容积负荷的增加而增加，在综合考虑污泥的处置时，容积负荷不宜设得过高。在不产生剩余污泥情况下运行时，固定化活性污泥的容积负荷也可达0．46～1．02kgBOD／(m3·d)，与一般延时曝气活性污泥法0．1～0．4kg BOD／(m3·d)相比高2～3倍。稻森(1987)报道固定化活性污泥处理出水有时SS较高。这是由于固定化活性污泥的进水负荷高，水力冲击强度大，水力停留时间短，捕食分散细菌，促进絮凝性污泥形成的原生动物难以在反应槽内生长的原因所致。将固定化活性污泥与生物接触工艺相组合，在同等负荷下运行，可提高处理出水水质。固定化活性污泥的最大特点是容积负荷高、污泥产量低，这样可大大减少曝气池和二沉池的容积。固定化活性污泥能在高容积负荷下运行的原因是由于固定在载体内的微生物不断增殖，流失少，致使载体内的微生物浓度很高，处理装置内的微生物量也相应增加。载体内的微生物最大浓度一般与载体的种类、基质的种类与扩散、氧的扩散等有关。目前还未有合适的方法来表示载体内的微生物浓度，作为一种间接的表示方法，有人测定过载体内的细菌数，其结果表明最大细菌数为109～1011个／ml凝胶，而大部分细菌主要分布在固定化载体的表面。载体内部的固定细胞由于基质和溶解氧扩散不进去，逐渐死亡，使载体中心部位成为死区。可见，固定化载体的粒径越小，传质性能越好，越有利于载体内固定化细胞的生长。除活性污泥的固定以外，固定化细胞技术还可为生长缓慢的细菌，如硝化菌的产甲烷菌提供一种良好的持留方法，增加其在处理装置内的浓度，提高废水处理效率。在硝化、反硝化研究方面，最早是I．Nilsson(1980，1982)用海藻酸钙固定假单胞反硝化菌，酸盐进行两个月的连续脱氮实验，脱氮效果良好，反硝化速度为66mg／(h·kg凝胶)，容积负荷为3．6kg／(m3·d)。此后，许多研究者在此领域作了大量工作。角野以聚丙烯酰铵凝胶为固定化载体，用包埋法固定硝化菌，并以7．5%的填充率将固定化细菌投入到内循环的流化床中，对按标准活性污泥法运行、含硝化菌极少的曝气池活性污泥混合液进行连续处理实验，停留时间仅2h，就可以达到完全硝化。硝化过程是由固定化载体内的硝化菌和附着在载体表面的硝化菌共同作用完成的。中村(1986)用聚丙烯酰铵凝胶固定硝化菌和反硝化菌，采用厌氧固定床和好氧流化床对人工合成废水分别进行了硝化和反硝化实验，结果表明，与悬浮污泥系统相比，在低水温时，固定化硝化菌的硝化速度增加6～7倍，约为0．5kgN／(m3·d)，固定化反硝化菌的反硝化速度增加3倍，约为1．5kg／(m3·d)。在进行实际废水实验时，处理出水水质良好，NH3－N＜2mg／L，NO3－N为6～8mg／L。硝化所需时间从原来的4h减少到2h，反硝化时间从3h减少到2h，即处理装置容积可减少约50%左右。R．H．Wijffels(1990)报道了用角叉莱胶固定从土壤中分离出的反硝化菌。在容积为2L的外循环流化床中进行的连续脱氮实验。HRT为lh，进水NO3－N浓度为8～16mol／m3，固定化细胞的填充率为11．1%时，脱氮率可达90%以上；填充率为16．5%时，脱氮率为95%以上。此外，其它许多研究者也对固定化细胞在硝化和反硝化处理中的应用特性及影响因素进行了研究。固定化细胞技术在废水脱氮处理应用中的主要优势是可以通过高浓度地固定细胞提高硝化和反硝化速度，减少处理装置容积。同时通过固定化方法还可使在反硝化过程低温时易失活的反硝化菌，特别是亚硝酸还原菌保持较高的活性，提高冬季处理的稳定性，在固定化细胞厌氧废水处理这一领域，最早是I．Karube(1980)用琼脂、ACAM等作载体，包埋产甲烷菌，进行废水发酵产生甲烷。实验结果表明：琼脂作载体时，细菌活性最高，连续运行90d，甲烷产率可达4．5μmol／(h·g凝胶)。日本本田用各种载体包埋消化污泥，采用固定床和流化床对人工合成葡萄糖废水进行了实验研究。首先在固定床实验中(1987)，用丙烯酸系合成树脂作载体，利用树脂在废水中的膨胀和吸水，使细菌随水吸入到树脂内部后，再用交联剂交联以固定细菌。在固定化细菌厌氧发酵试验初期，发现产气量少。经分析是由于甲烷菌在固定时易失活，固定化载体内产酸菌与产甲烷菌的比例失调，在发酵过程中，产生酸积累，致使H+浓度上升，产甲烷菌的增殖受到抑制的结果。后在载体内加入Ca2CO3作为H+浓度缓冲剂，处理效果得到改善。在TOC容积负荷为1．5kg／(m3·d)，HRT为4h时，TOC去除率最高达98%，平均为95%。同时考察发酵温度对处理效果影响的结果，温度在20～37℃变化时，TOC去除率变化不大。此外，用聚丙烯酸凝胶作载体，固定床3级串联运行，其结果表明，进水TOC浓度较低，为500mg／L时，停留4h，TOC去除率达80%，TOC容积负荷为3kg／(m3·d)；进水TOC浓度较高，为2200mg／L时，停留12h，TOC去除率达92%，TOC容积负荷达4．4kg／(m3·d)。当用流化床处理废水，进水TOC浓度小于300mg／L时，TOC去除率可达95%以上。田中(1988)对PVA－硼酸法包埋厌氧菌的固定化条件进行了研究，发现固定时甲烷菌较产酸菌易失活，但可采用包埋后再进行培养的方法，使固定化载体内细胞的浓度和活性得到提高。后以PVA和ACAM作载体包埋厌氧污泥，采用完全混合型的反应槽连续处理以糖和蛋白质为主要成分，含有少量SS的人工合成废水，并与上流式生物滤床进行了比较。废水COD浓度为600mg／L，发酵温度为37℃。实验结果表明，固定化细菌达到稳定所需天数为滤床的2倍，这是由于固定时部分细菌失活；HRT为4．8h时，PVA固定化细菌系统的COD去除率为75%，比ACAM系统高1．4倍，但比滤床低16%，这可能是由于进水中的SS成分难以扩散进入固定化载体内，同时增殖的浮游微生物部分随出水流出；在所有的处理系统中，糖的去除率为96%以上，但PVA和ACAM系统中的蛋白质去除率比滤床中的去除率低10%；PVA和ACAM系统的处理出水浊度较滤床稍高。在国内顾宗祥用PVA作载体，固定厌氧污泥，连续处理豆制品废水，在COD负荷为20kg／(m3·d)，HRT为24h，温度为33℃时，COD去除率可达73%～68%。从研究结果可知，通过厌氧细菌的固定化可以提高处理效率和对温度变化的稳定性。但应注意：固定时，厌氧菌特别是产甲烷菌的失活，在进行废水处理之前，尽量先恢复和提高载体内固定化细菌的活性；保持载体内产酸菌和产甲烷菌的平衡关系，避免有机酸积累，H+浓度上升，而影响产甲烷菌的增殖；在废水含有难以扩散进入固定化载体内的细小SS或象蛋白质之类的大分子时，应对废水作适当的预处理，如水解等，以利于固定化细胞效力的充分发挥。2．含难降解有机物废水处理。难降解有机物在常规生物处理工艺中一般去除效率很低。这主要是因为分解和转化这些有机物的微生物的增殖速度极慢，世代时间很长，难以在常规生物处理装置内积累到足以使这些污染物产生明显降解的浓度。利用固定化细胞的特点，可选择性地筛选一些特殊优势菌种，并加以固定，增加其在生物处理装置内的浓度，以提高难降解有机物的处理效率。在利用固定化细胞技术处理难降解有机物方面，欧美、日本等国学者已做了大量研究，我国学者在此方面研究成功的例子也不少。桥本(1987)分离出一种耐高浓度酚的特殊菌种，并用PVA－硼酸法加以固定，用完全混合型曝气槽处理含酚废水。进水酚浓度从100mg／L逐渐升高到1000mg／L，酚浓度较低时，处理出水水质良好，只当酚浓度大于500mg／L时，出水酚浓度才开始升高，但仍可保持一定的去除效率。固定化细胞的酚分解速度为悬浮细胞时的2．5倍。P．Y．Yang(1990)用三乙酸纤维素脂单载体和与海藻酸钙的复合载体包埋混合好氧菌处理含酚废水，并与采用同样载体的表面吸附生物膜法进行了比较。当容积负荷小于90kgCOD／(m3·d)时，包埋法固定化细胞的酚去除率达90%以上，其中三乙酸纤维单载体从固定操作容易来看比复合载体有利；与采用同样载体的表面吸附生物膜法比较的结果，当负荷小于1．3kg／COD／(m3·d)时，两种方法处理效果相差不大，但负荷较高时，包埋法固定化细胞比生物膜法处理效果好，显示出优势。黄武华(1982)也用琼脂固定热带假丝酵母菌连续处理人工合成含酚废水，可使150mg／L的苯酚降到0．29mg／L。降苯酚以外，其它难降解有机物的固定化细胞处理技术也在大力开展。O．Reilly(1989)用聚氨脂作载体的固定化细胞处理PCP(五氯苯酚)废水，在半连续实验中发现，所包埋的降解细菌能长时间(150d)保持其活性，PCP的最高降解浓度高达300mg／L，而在非固定化细胞的情况，PCP在200mg／L就不能被降解了。连续实验表明，进水PCP浓度为300mg／L时，其最高降解速率高达3．5～4mg／(d·g聚氨脂)，PCP去除率在90%以上。J．G．Lin(1991)也用粉末活性炭与海藻酸钙的复合载体包埋可分解PCP的酶和分解PCP中间产物的真菌细胞，对PCP的降解特性进行了研究，并与真菌细胞、酶和粉末活性炭均处于悬浮状态的非固定化系统进行了比较。结果表明，在非固定化处理系统中，悬浮的粉末活性炭虽能较好地吸附酶及PCP，但对真菌细胞的吸附性能较差，造成细胞与PCP及中间产物的分隔；而在细胞、酶和活性炭均包埋固定时，PCP能很好地富集在固定化细胞表面，以利于其降解；在半连续对比实验中，500h时固定化系统的PCP降解率(完全矿化)为4．67%，比非固定化系统时的2．2%高110%。此外，其它一些有毒有害难降解有机物，如氯苯胺、DDT等的固定化细胞处理研究也有不少。从以上研究可以看出，固定化细胞处理难降解有机物的主要特点有：与非固定的悬浮系统相比，具有较强的抵抗有毒物毒性冲击的能力，能够忍耐的有毒物浓度较高，这主要是由于在固定化系统中，废水中的污染物要得到包埋在载体内微生物的分解，首先需扩散进入载体内部，扩散作用使得污染物浓度从载体外部到内部由高变低，减轻了有毒物对载体内微生物的毒性，以利于微生物对有毒物的分解；由于选择性地固定了一些优势菌种，可使难降解有机物较为快速地分解及矿化，去除效率提高。在优势菌种的筛选中目前大多采用自然筛选，若能与当今先进的生物技术相结合，采用遗传工程手段，培养出更为高效的优势菌种，在难降解有机物的处理上将会有一个更大的飞跃。综上所述，固定化细胞新技术应用于废水生物处理，具有以下优点：能在生物处理装置内维持高浓度的生物量，提高处理负荷，减少处理装置的容积；污泥产量低，固定化活性污泥的剩余污泥产量仅为普通活性污泥法的1／5～1／4；有利于优势菌种的固定，提高难降解有机物的降解效率；抵抗有毒物毒性能力强。但对于含有大量难以扩散进入固定化细胞载体内的悬浮物质或高分子物质的废水，处理效果欠佳，需对废水进行适当的预处理，或与其它工艺组合使用。由于固定化载体的使用，使得废水处理成本较高，将固定化细胞技术大量用于量大面广的城市污水的处理，目前还不大经济实用。相比之下，固定化细胞技术对于量小、含大量难降解有机物，一般方法难以有效处理的工业废水，具有更高的应用价值和更广阔的应用前景。固定化细胞废水处理新技术在实用化或工业化应用上还有许多问题有待研究，如廉价固定化细胞载体的开发以及载体的寿命问题；固定化细胞批量生产装置的开发，这是固定化细胞技术从实验室研究走向实际应用研究的重要一步；固定化微生物体系的选择，在纯培养体系中，往往只能使降解有机物分解，但不能使之彻底矿化，具有联合协同代谢有机物的微生物体系的选择和研究对于提高废水处理工艺的处理效果具有重要意义；高效固定化细胞反应器的开发等。相信通过不断的研究和改进，固定化细胞技术将成为一项高效而实用的废水生物处理技术，在废水处理实际应用中发挥出其具有的巨大潜力。(清华大学环境工程系黄霞、俞毓馨、王蕾撰) 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