固定化细胞技术应用于废水处理的研究进展

Posted 2023-01-14 细胞

篇首语：天无一月雨，人无一世穷。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了固定化细胞技术应用于废水处理的研究进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：详细介绍了固定化细胞的制备方法、栽体特性、反应特性，探讨了固定化技术在废水处理中的应用现状，并指出了固定化细胞技术的发展方向。

关键词：固定化细胞；废水处理；栽体

固定化生物技术是从2O世纪6o年代开始迅速发展的一项新技术。固定化细胞技术是指通过化学的或物理的手段，将游离细胞定位于限定的空间区域，使之成为不悬浮于水但仍保持生物活性，并能反复利用的方法。细胞被固定化后具有密度高、反应速度快、耐毒害能力强、产物分离容易、能实现连续操作、可以大大提高生产能力等优势，因此在近几十年来固定化细胞技术得到了迅速发展和广泛应用。

1 固定化细胞的制备方式

固定化细胞的制备方式是多种多样的，大致可以分成以下4种方法。

(1)吸附法。又叫载体结合法。它是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和黏附力的作用，使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜。吸附法可分为物理吸附法和离子吸附法两种。该法操作简单，固定化过程对细胞活性影响小，但细胞与载体作用力小，易脱落。

(2)包埋法。它是将微生物包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内，微生物被包裹在该空间内不能离开，而底物和产物能自由地进出这个空间。按方法的不同，包埋法可分为凝胶包埋法和半透膜包埋法两种。凝胶包埋法是将细胞包埋在各种凝胶内部的微孔中而使细胞固定的方法；半透膜包埋法是将细胞包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内而使细胞固定的方法。包埋法具有简单、条件温和、稳定性好、包埋细胞容量高、对细胞活性影响小的特点。它是固定化细胞常用的方法。

(3)共价结合法。它是细胞表面上功能团和固相支持物表面的反应基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。此法的优点是细胞与载体结合紧密、不易脱落，但制备较难，且活力损失较大。

(4)交联法。它是通过利用含有两个或两个以上官能基团的试剂与微生物细胞表面的反应基团，如梭基、氨基等发生反应，使细胞之间交联成网格结构，从而制成固定化网格，其结合力是共价键。该方法微生物反应活性损失较大，且采用的交联剂大都比较昂贵，因此其应用受到一定的限制。

2 固定化细胞的载体

固定化细胞技术所采用载体的物理化学性质直接影响所固定细胞的生物活性和体系传质性能。理想的载体材料应具有对微生物无毒性、传质性能好、性质稳定、寿命长、价格低廉等特性。它可分为有机高分子载体、无机载体和复合载体三大类。

有机高分子载体又分为天然高分子凝胶载体和合成有机高分子凝胶载体。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。有机合成高分子凝胶载体—般强度较大，但传质性能较差，在进行细胞固定时对细胞活性有影响，易造成细胞失活。无机载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时，利用吸附作用和电荷效应来固定微生物。它的操作方法是把载体放人含有一定微生物浓度的溶液中，固定一段时间(24 h左右)即可。

由有机载体和无机载体材料组成的复合载体材料可以改进载体材料的性能。Lin等将粉末活性炭和Phanerochaete chrysosporium联合包埋固定，结果表明了复合固定化体系能更加有效地用于降解五氮酚，显示出复合载体材料的优越性。

3 固定化细胞技术在废水处理中的应用

3.1处理氨氮废水

微生物去除氨氮需经过好氧硝化、厌氧(缺氧)反硝化两个阶段。硝化菌、脱氮菌的增殖速度慢，要想提高去除率，必须有较长的停留时间和较高的细菌浓度。而采用固定化细胞技术就可解决这个问题。Nilsson用海藻酸钙固定假单细胞反硝化菌Pseudomonas denitrificans，采用填充床对含20ms/L硝酸盐的地下水进行两个月的连续脱氮试验，脱氮效果良好，反硝化速度为66mg[N]/(h·kg[凝胶])，容积负荷(以N计)达到3．6ks/(m3·d)。中村裕纪用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脱氮菌，采用好氧硝化与厌氧反硝化两段工艺进行合成废水的脱氮试验，其结果表明：与悬浮生物法相比，低温下硝化速度(以N计)加快了6～7倍，约为O．5 ks/(m3．d)；脱氮速率提高了3倍，约为1．5ks/(m3·d)；停留时间由原来的7h(硝化4h，反硝化3 h)缩短为4h(硝化2h，反硝化2h)，即处理装置容积可减少约50%右。周定等将脱氮细胞包埋于PVA(聚乙烯醇)中，结果表明在低温、低pH值的条件下。固定化细胞能够保留比未包埋细胞更高的脱氮活性，减轻溶解氧对脱氮的抑制作用，脱氮微生物在固定化载体中可以增殖。

从以上研究看出，固定化细胞技术在处理氨氮废水中的主要优势在于：可通过高浓度的固定细胞提高硝化和反硝化速度，同时还可以使在反硝化过程低温时易失活的反硝化菌保持较高的活性。

3．2 处理难降解有机废水

含酚废水的处理普遍采用活性污泥法，但此法存在污泥产率较高，易产生污泥流失，处理效率低等缺点。固定化细胞对废水中酚类等有毒物质的降解能力远大于游离态细胞。Yang用三乙酸纤维素脂单载体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比较，当容积负荷(以COD计)小于90 kg/(m3·d)时，包埋法固定化细胞的酚去除率达9o%以上。利用固定化混合菌群可降解芳香烃废水。固定化细胞能利用这些物质进行生长并使之完全降解，例如酚、萘和菲均能被彻底降解。与游离细胞相比，固定化细胞表现出生长稳定、降解能力强的优点。用海藻酸钙凝胶包埋固定化细胞进行降解吡啶的研究结果表明：与游离细胞相比，固定化细胞的比降解速率和对毗啶毒性的承受能力并没有提高，但由于固定化细胞具有较高的生物浓度，所以其体积降解速率较高，而且可以重复利用，因此利用固定化细胞降解毗啶是可行的。在降解其他类难降解有机废水方面，固定化细胞技术也发挥了其特长。王蕾等用PVA固定化球和厌氧—好氧固定化细胞技术处理四环素结晶母液，结果表明：当总停留时间为厌氧24 h(35℃)，好氧6 h时，COD和四环素的去除率均达到96%，容积负荷(COD)为2．07 ks/(m3·d)，比普通法容积负荷提高l6．3%，产气量提高4．75倍。

3．3 固定化活性污泥去除BOD物质

对于固定化活性污泥的研究情况，据报道固定化细胞的污泥产率系数(以BOD计)为O．15 ks/ks，与一般活性污泥法相比，泥量减少1，4～1，5，但污泥产量随容积负荷的增加而增加。在综合考虑污泥的处置时，容积负荷不宜设计得过高，在不产生剩余污泥情况下运行时，容积负荷(以BOD计)也可达到O．46ks/(m3-d)～l|02 ks/(m3·d)，与一般延时曝气活性污泥法相比高2 倍。桥本等用PVA一硼酸法包埋活性污泥，对人工合成废水进行连续试验，在进水o(TOC)为94 ms/L-99 ms/L，TOC负荷在O．5 ks/(m3·d)-2．35 ks/( ·d)时，出水TOC的质量浓度可降到57 ms/L～7mg，L，去除率达93%。与活性污泥法相比，有机物负荷可提高2 倍，同时总氮去除率也可达30%-45%。用PVA一冷冻法包埋活性污泥时，在最高TOC负荷达2．96ks/(m3·d)时，处理效果良好。本田用各种载体包埋活性污泥，采用固定床和流化床处理人工合成葡萄糖废水，在固定床实验中，用丙烯酸系合成树脂作为载体，在TOC容积负荷为1．5ks/(m3-d)，停留时间为4 h时，1DC去除率最高达98%，平均为95%；用聚丙烯酸凝胶作为载体，固定床三级串联运行，进水TOG的质量浓度为500ms/L时，停留4h，TOG 去除率达80qo，TOC容积负荷为3 ks/( ·d)；进水TOC的质量浓度为2 200ms/L时，停留12h，TOC去除率达92%，TOC容积负荷达4．4 ks/(m3·d)；当用流化床处理废水，进水TOG 的质量浓度小于300ms/L时，TOC去除率可达95%以上。

4 结论

(1)固定化细胞技术所采用的载体和固定技术需要进一步改进，力求降低载体对生物活性和传质的不利作用。

(2)进一步探索固定化细胞在各个系统中的传递和反应特性，针对不同的处理体系，优化操作条件。

(3)目前固定化技术所用细菌多为自然驯化菌种，随着生物工程技术的发展，应充分利用其研究成果，培养高效菌种。

(4)由于固定化细胞技术所采用的载体或试剂比较昂贵，固定效率低且操作稳定性差，所以其工业应用受到很大限制。随着研究的不断深入，固定化细胞技术必将更加完善，定会得到更广泛的应用。

参考文献
[1] 朱柱，李和平，郑泽周定化细胞技术中的载体材料及其在环境治理中的应用[J]．重庆建筑大学学报，2000，22(5)：95一101．
[2] 中村裕纪周定化微生物法用于排水中氮的除去技术[J]．公害与对策，1986。22(2)：27—31．
[3] 张永明，魏洽，李青周定化细胞好氧降解有机废水过程的分析[J]．水处理技术，1997,23(2)：199—124．
[4] 施安辉．利用固定化细胞连续发酵生产酸牛奶[J]生物工程学报，1995．11(2)：203—204．作者: 董洁，王增长，乔建强