固定化细胞技术在废水处理中的应用

杜 伟 李国一

固定化生物技术是从20世纪60年代开始迅速发展的一项新技术，它是利用化学的或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域以提高微生物的浓度，并使之不悬浮于水仍保持生物活性，并可反复利用[1]。与传统的悬浮生物处理法相比，它具有处理效率高、稳定性强、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度高、污泥量少、固液分离效果好、丧失活性可恢复等优点[2]。

1 细胞固定化技术

1.1 固定化细胞的制备方法

固定化细胞的制备方法很多，理想的制备方法应具有的特点[3]:1)能够控制固定化细胞颗粒的大小和孔隙度，固定化方法简便易行;2)固定化所使用的材料价廉易得，成本尽量低;3)固定化系统具有稳定的网状结构、良好的机械稳定性和化学稳定性;4)固定化系统能使底物、产物和其他代谢产物自由扩散;5)单位体积的固定化系统拥有尽可能多的细胞，以更好地起到生物催化作用。

处理废水的固定化细胞的制备方式同样是多种多样的，大致可以分成共价结合法、交联法、吸附法和包埋法四大类[4]。几种固定化细胞的制备方法的优缺点比较见表1。

1.2 固定化细胞载体

从制备方法可以知道，固定化细胞技术的关键在于所采用的固定化载体材料的性能。适用于废水处理的理想固定化细胞载体应具备以下特点[6]:1)对微生物无毒性;2)传质性能好;3)性质稳定，不易被生物分解;4)强度高、寿命长;5)细胞的固定化操作容易;6)水不溶性;7)价格低廉等。

表1 各种固定化方法的比较[5]

就目前在固定化细胞技术中所使用的载体材料而言，主要分为三大类:有机高分子载体、无机载体和复合载体[6]。

无机载体(如陶珠、活性炭、砂粒等)大多具有多孔结构，与微生物接触时利用吸附和电荷效应把微生物固定，具有机械强度大、对微生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等特性，且制作简单易行，只需把载体放入含有微生物一定浓度的溶液中浸泡一段时间即可，因而是一类重要的载体材料[6]。

复合载体是由有机载体材料和无机载体材料结合而成，使两类材料在许多性能上互补。Lin等利用海藻酸钙联合包埋固定可以分解五氯酚(PCP)中间产物的真菌细胞和粉末活性炭用于降解PCP，结果表明:复合固定化体系能更加有效地降解PCP，显示出复合载体材料的优越性[7]。

几种固定化细胞有机载体材料的性能比较见表2。

表2 几种固定化细胞有机载体材料的性能比较[6]

2 固定化细胞技术在废水处理中的应用

2.1 用于处理印染废水的研究

固定化细胞在印染废水的脱色处理方面也有广泛的研究，如刘志培等[8]利用聚乙烯醇固定化混合细菌细胞，进行了印染废水的脱色研究。结果表明:固定化细胞对印染废水的脱色活性与其自然细胞相似，但固定化细胞的热稳定性增加。在连续一个月的试验中，水力停留时间少于3.0 h，脱色率均可维持在70%～80%，达到了处理要求。王孔星等[9]选用多孔性硅酸盐材料做无机载体，吸附固定化脱色菌。试验结果表明，固定化细胞反应塔脱色处理80 min，色度去除率平均达85.15%，出水色度在100以下，符合排放标准。采用固定吸附脱色菌处理印染废水可以获得很好的处理效果，与其他方法相比，有投资小，处理费用不高等优点。

2.2 用于处理含酚废水的研究

含酚废水的处理普遍采用活性污泥法，但存在污泥产率较高，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[10]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90%以上。周定等[11]使用从活性污泥中分解出来的降解酚活性高的热带假丝酵母菌，用海藻酸钙作为包埋细胞的载体，在三相流化床反应器中连续处理含酚废水，进水酚的质量浓度为300 mg/L，出水酚质量浓度小于0.5 mg/L，污泥发生量仅为活性污泥法的1/10。以上研究表明，有选择性地固定优势菌种能大大提高降解酚的速率，同时，固定化细胞技术具有很强的耐毒抗毒能力。

2.3 用于废水的生物脱氮的研究

废水生物脱氮目前较为普遍采用的是活性污泥法，但固定化微生物技术因其具有细胞浓度高、反应速度快、便于连续化和自动化控制、易于管理等突出优点，在废水的生物脱氮处理中有巨大的应用前景。日本的中村裕记采用聚丙烯酰胺包埋固定硝化菌和脱氮菌，采用好氧硝化和厌氧反硝化两段工艺进行合成废水的脱氮试验[12]。与悬浮生物法比较，低温下硝化速度增大了6倍～7倍，脱氮速度提高了3倍。50 d的连续处理试验表明，停留时间由原来的7 h(硝化4 h+反硝化3 h)缩短为4 h(硝化2 h+反硝化2 h)，设备容积将缩小50%。周定等[13]用聚乙烯醇包埋脱氮微生物，试验结果表明，固定化微生物可以在较低pH、较低温度的条件下获得较好的处理效果，增加了脱氮过程对寒冷气候，入水条件的适应性。

2.4 用于处理农药及制药工业废水的研究

制药工业废水属于较难处理的高浓度有机污水之一，目前国内外处理制药废水大量使用的仍是活性污泥法。20世纪90年代以来应用微生物固定化技术处理制药废水已越来越成为研究的重要内容。与活性污泥法相比，固定化细胞技术具有很强的耐毒抗毒能力，处理稳定效果好，污泥量少。陈敏等[15]利用聚乙烯醇包埋活性炭和微生物的固定化技术对有机磷农药水胺硫磷的降解进行了研究，结果表明，经固定化的微生物对温度，pH值和水样水胺硫磷浓度的适应范围扩大。在3个月的连续试验中，若水样初始CODCr浓度为1 300 mg/L～2 500 mg/L，停留时间24 h，在恒温摇床(30℃，150 r/min)内降解，其去除率为 55%～70%。

3 细胞固定化技术应用的展望

综上所述，固定化细胞技术用于废水处理具有传统活性污泥法不可比拟的优势，但是，该技术在应用于实践方面还有许多有待解决的问题: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[6];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[1];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。

[1] 冯玉杰.现代生物技术在环境工程中的应用[M].北京:化学工业出版社，2004.

[2] 陈 铭，周晓云.固定化细胞技术在有机废水中的应用与前景[J].水处理技术，1997，23(2):98-100.

[3] 雷乐成.水处理高级氧化技术[M].北京:化学工业出版社，2001.

[4] 王家玲.环境微生物学[M].北京:高等教育出版社，1998.

[5] 王建龙.生物固定化技术与水污染控制[M].北京:科学出版社，2002:7.

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[7] 胡庆昊.固定化细胞技术应用于废水处理的研究进展[J].环境污染与防治，2003(2):35-38.

[8] 刘志培，杨惠芳，贾省芬，等.吸附法固定化细胞对印染废水脱色研究[J].环境科学，1992，13(1):2-5.

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[15] 陈 敏，罗启芳.聚乙烯醇包埋活性炭与微生物的固定化技术及对水胺硫磷降解的研究[J].环境科学，1993，15(3):11-14.