王平，張洪林，蔣林時(shí)
（遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境工程系，遼寧撫順 113001）

　　摘　要：固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用具有處理效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、生物密度高、耐毒性、耐高負(fù)荷、產(chǎn)污泥量少等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的水平還需要解決多種生物共生的固定化體系、固定化載體和固定化反應(yīng)器，以及生物解析劑等問題。
　　關(guān)鍵詞：固定化細(xì)胞；廢水處理；微生物；生物處理
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009－2455（2003）02一0008－04

Application of Immobilized CeIl Technology ln Wastewater Treatment
WANG Ping，ZHANG Hong－lin，JIANG Lin-shi
（Dept．of Environmental Engineering of Liaoning univ；of Petroleum ＆Chem．Technology，F(xiàn)ushun 113001，China）

　　Abstract：The application of immobilized cell technology in wastewater treatment features the advantages of high treatment efficiency，high stability，high biomass concentration，toxicity resistance，high load- resistance，less generation of sludge，etc．．This technology，however，is still in a stage of experiment for the time being and issues with immobilization system，immobilizatlon carrier and immobilization reaction for the symbiosis of multiple organisms as well as biodegradating agent remain to be resolved before this technology can he used commercially．
　　Keywords：immobilized cell；wastewater treatment；mlcroorganism；biological treatment

　　固定化細(xì)胞技術(shù)是指通過化學(xué)的或物理的手段，將游離細(xì)胞定位于限定的空間區(qū)域，使之成為不懸浮于水但仍保持生物活性，并反復(fù)利用的方法。該方法有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)微生物細(xì)胞的濃度和純度，保持高效菌種，利于反應(yīng)器的固液分離，也利于除氮和除去高濃度有機(jī)物或某些難降解物質(zhì)。本文主要介紹近年來固定化細(xì)胞在廢水處理中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

1 固定化細(xì)胞的制備方式

　　固定化細(xì)胞的制備方式是多種多樣的，大致可以分成如下三種方法。
　　吸附法，又叫載體結(jié)合法，是依據(jù)帶電的微生物細(xì)胞和載體之間的靜電、表面張力和粘附力的作用，使微生物細(xì)胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜。吸附法可分為物理吸附法和離子吸附法兩種。該法操作簡單，固定化過程對細(xì)胞活性影響小。
　　包埋法，是將微生物包埋在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內(nèi)，微生物被包裹在該空間內(nèi)不能離開，而底物和產(chǎn)物能自由地進(jìn)出這個(gè)空間，常用的有凝膠包埋法。纖維包埋法和微膠囊法。包埋法對細(xì)胞活性影響小，它是固定化細(xì)胞常用的方法。
　　交聯(lián)法，是通過利用含有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能基團(tuán)的試劑與微生物細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)如梭基。氨基等發(fā)生反應(yīng)，使細(xì)胞之間交聯(lián)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而制成固定化網(wǎng)格，其結(jié)合力是共價(jià)鍵。該固定化方法微生物反應(yīng)活性損失較大，且采用的交聯(lián)劑大都比較昂貴，因此應(yīng)用受到一定的限制。

2 固定化細(xì)胞的載體

　　固定化細(xì)胞技術(shù)所采用載體的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響所固定細(xì)胞的生物活性和體系傳質(zhì)性能。理想的載體材料應(yīng)具有對微生物無毒性、傳質(zhì)性能好、性質(zhì)穩(wěn)定。壽命長、價(jià)格低廉等特性。它可分為有機(jī)高分子載體、無機(jī)載體和復(fù)合載體三大類。
　　有機(jī)高分子載體又分為天然高分子凝膠載體和合成有機(jī)高分子凝膠載體。天然高分子凝膠一般對生物無毒，傳質(zhì)性能較好，但強(qiáng)度較低，在厭氧條件下易被生物分解。有機(jī)合成高分子凝膠載體一般強(qiáng)度較大，但傳質(zhì)性能較差，在進(jìn)行細(xì)胞固定時(shí)對細(xì)胞活性有影響，易造成細(xì)胞失活。
　　無機(jī)載體大多具有多孔結(jié)構(gòu)，在與微生物接觸時(shí)，利用吸附作用和電荷效應(yīng)，從而把微生物固定。它的操作方法是把載體放人含有一定微生物濃度的溶液中，固定一段時(shí)間（24h左右）即可。
　　由有機(jī)載體和無機(jī)載體材料組成的復(fù)合載體材料，可以改進(jìn)載體材料的性能。Lin等將粉末活性炭和Phanerochaete chrysosporium聯(lián)合包埋固定，結(jié)果表明了復(fù)合固定化體系能更加有效地用于降解五氮酚，顯示出復(fù)合載體材料的優(yōu)越性。

3 固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用研究

3．l 處理氨、氮廢水
　　微生物去除氨氮需經(jīng)過好氧硝化、厭氧（缺氧）反硝化兩個(gè)階段。硝化菌、脫氮菌的增殖速度慢，要想提高去除率，必須要較長的停留時(shí)間和較高的細(xì)菌濃度，采用固定化細(xì)胞技術(shù)可做到這點(diǎn)。Nilsson用海藻酸鈣固定假單細(xì)胞反硝化菌Pseudomonas denitrificans，采用填充床對含20mg／L。硝酸鹽的地下水進(jìn)行兩個(gè)月的連續(xù)脫氮試驗(yàn)，脫氮效果良好，反硝化速度為66mg［N］／（h·kg［凝膠］），容積負(fù)荷（以 N計(jì)）達(dá)到3.6kg／（m3·d）。
　　WijffelS采用角叉萊膠（聚丙烯酸胺）固定從土壤中分離出的反硝化菌，在容積為2L的外循環(huán)流化床中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，停留時(shí)間為 lh，進(jìn)水NH3-N的濃度為8~16mol／m3，固定化細(xì)胞的填充率為11．l％時(shí)，脫氮率可達(dá)90％以上；填充率為16．5％時(shí)，脫氮率可達(dá)95％以上。中村裕紀(jì)用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脫氮菌、采用好氧硝化與厭氧反硝化兩段工藝進(jìn)行合成廢水的脫氮試驗(yàn)，結(jié)果表明；與懸浮生物法相比，低溫下硝化速度增大了 6－7倍，約為（以 N計(jì)）0.5kg／（m3·d）；脫氮速率提高了3倍，約為l．5kg／（m3·d）；停留時(shí)間由原來的7h硝化4h十反硝化3U縮短為4h（硝化2h十反硝化2h），即處理裝置容積可減少約50％左右。周定等將脫氮細(xì)胞包埋于 PVA（聚乙烯醇）中，結(jié)果表明：在低溫、低pH值的條件下，固定化細(xì)胞能夠保留比未包埋細(xì)胞更高的脫氮活性，減輕溶解氧對脫氮的抑制作用，脫氮微生物在固定化載體中可以增殖。
　　從以上的研究看出，固定化細(xì)胞技術(shù)在處理氨氮廢水中的主要優(yōu)勢在于可通過高濃度的固定細(xì)胞，提高硝化和反硝化速度，同時(shí)還可以使在反硝化過程低溫時(shí)易失活的反硝化菌保持較高的活性。
3．2 固定化活性污泥除BOD物質(zhì)
　　對于固定化活性污泥的研究情況，角野報(bào)道說固定化細(xì)胞的污泥產(chǎn)率系數(shù)（以BOD計(jì)）為0.15kg／kg，與一般活性污泥法相比，泥量減少為1／4~l／5，但污泥產(chǎn)量隨容積負(fù)荷的增加而增加。在綜合考慮污泥的處置時(shí)，容積負(fù)荷不宜設(shè)計(jì)得過高，在不產(chǎn)生剩余污泥情況下運(yùn)行時(shí)，容積負(fù)荷（以 BOD計(jì)）也可達(dá)0．46～1．02kg／（m3·d），與一般延時(shí)曝氣活性污泥法（以BOD計(jì)）（0．1～0．4kg／（m3·d）相比高2－3倍。橋本等用PVA一硼酸法包埋腦性污泥，對人工合成廢水進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，在進(jìn)水ρ（TOC）為94~99 mg／L、TOC負(fù)荷在0．5～2.35kg／（m3·d）時(shí)，出水TOC的質(zhì)量濃度可降到5~7mg／L，去除率達(dá)93％，與活性污泥法相比，有機(jī)物負(fù)荷可提高2－6倍，同時(shí)總氮去除率也可達(dá)30％~45％；用PVA一冷凍法包埋活性污泥時(shí)，在最高TOC負(fù)荷達(dá)2.96kg／（m3·d），處理效果良好。本田用各種載體包埋活性污泥，采用固定床和流化床處理人工合成葡萄糖廢水，在固定床實(shí)驗(yàn)中，用丙烯酸系合成樹脂作載體，在TOC容積負(fù)荷為1.5kg／（m3·d），停留時(shí)間為4h時(shí)，TOC去除率最高達(dá)98％，平均為95％；用聚丙烯酸凝膠作載體，固定床三級(jí)串聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)水TOC的質(zhì)量濃度為500mg／L時(shí)，停留4h，TOC去除率達(dá)80%，TOC容積負(fù)荷為3kg／（m3·d）； 進(jìn)水TOC的質(zhì)量濃度為2200mg／L時(shí)，停留12h，TOC去除率達(dá) 92％，TOC容積負(fù)荷達(dá)4.4kg／（m3·d）；當(dāng)用流化床處理廢水，進(jìn)水TOC的質(zhì)量濃度小于300mg／L時(shí)，TOC去除率可達(dá)95％以上。
3．3 難降解有機(jī)廢水
3．3．l 含酚廢水
　　含酚廢水的處理普遍采用活性污泥法，但此法存在污泥產(chǎn)率較高，易產(chǎn)生污泥流失，處理效率低等缺點(diǎn)。固定化細(xì)胞對廢水中酚類等有毒物質(zhì)的降解能力遠(yuǎn)大于游離態(tài)細(xì)胞。Yang用三乙酸纖維素指單載體與海藻酸鈣的復(fù)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(dāng)容積負(fù)荷（以 COD計(jì)）小于90kg／m3·d）時(shí)，包埋法固定化細(xì)胞的酚去除率達(dá)90％以上。橋本用PVA一硼酸法固定分離出的耐高濃度酚特殊菌種，在完全混合曝氣條件下連續(xù)處理合酚廢水，進(jìn)水酚的質(zhì)量濃度從100mg／L逐漸升高到1000mg/L，結(jié)果表明：固定化細(xì)胞的酚分解速度為懸浮細(xì)胞的2．5倍，酚的質(zhì)量濃度較低時(shí)，出水水質(zhì)良好，只有酚的質(zhì)量濃度大于3500mg／L時(shí)，出水酚的質(zhì)量濃度才開始升高，但仍可保持一定的去除效率。王翠紅等用海藻酸鈉包埋對酚具有高效降解作用的小球藻細(xì)胞和紫色非硫光合細(xì)菌混合菌株，在好氧條件下處理含酚廢水，可以明顯提高除酚效率，縮短廢水停留時(shí)間，其共生體系對溫度、pH值適應(yīng)范圍廣，對焦化廠工業(yè)廢水處理24h，去除率為95％以上，說明了菌藻共生體系是處理含酚廢水的一條有效途徑。
3．3．2 含芳香烴廢水
　　利用固定化混合菌群可降解芳香烴廢水。固定化細(xì)胞能利用這些物質(zhì)進(jìn)行生長并使之完全降解，例如酚、奈和菲均能被徹底降解。與游離細(xì)胞相比，固定化細(xì)胞表現(xiàn)出生長穩(wěn)定，降解能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)報(bào)道用海藻酸鈣凝膠包埋固定化Pinelohacter sP細(xì)胞進(jìn)行降解吡啶的研究，結(jié)果表明：與游離細(xì)胞相比，固定化細(xì)胞的比降解速率和對吡啶毒性的承受能力并沒有提高，但由于固定化細(xì)胞具有較高的生物濃度，所以其體積降解速率較高，而且可以重復(fù)利用，因此利用固定化細(xì)胞降解吡啶是可行的。Shreve等利用固定化假單胞菌降解甲苯，研究了固定化細(xì)胞生長和底物降解過程動(dòng)力學(xué)，并與游離細(xì)胞進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：固定化細(xì)胞體系的半飽和常數(shù)增加了30倍，細(xì)胞的最大比生長速率降低了2倍。
3．3．3 處理 LAS廢水
　　利用固定化細(xì)胞技術(shù)可以從廢水中除去可活性有機(jī)物，如合成洗滌劑工業(yè)廢水中的直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）。紀(jì)樹蘭等報(bào)道以生物降解法處理陰離子表面活性劑（直鏈?zhǔn)榛交撬徕c，即LAS）廢水。通過將TP－l號(hào)菌種固定在海藻酸鈉載體上，采用正交試驗(yàn)法，以固定化細(xì)胞對LAS的降解率和降解壽命為試驗(yàn)指標(biāo)確定了適宜的固定化條件，并與游離細(xì)胞對LAS的降解效果做了對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：固定化細(xì)胞對LAS的降解程數(shù)明顯增加。黃霞等采用聚乙烯醇凝膠固定化細(xì)胞處理洗衣粉廢水，廢水中的LAS的質(zhì)量濃度為40mg/L時(shí)，3h內(nèi)LAS可降解90％以上。李彤等用硼酸化法包埋降解LAS的細(xì)菌苗系得到的固定化細(xì)胞，在1L反應(yīng)器中處理洗衣粉廢水中的 LAS運(yùn)行結(jié)果表明：在V（PVA小球）／V廢水）=30％，進(jìn)水ρ（LAS）為40~70mg／L，停留時(shí)間為3h的條件下，LAS去除率可達(dá) 90％以上。
3．3．4 其他難降解有機(jī)廢水
　　在降解其它類難降解有機(jī)廢水方面，固定化細(xì)胞技術(shù)也發(fā)揮了其特長。王蕾等用PVA固定化球和厭氧一好氧固定化細(xì)胞技術(shù)處理四環(huán)素結(jié)晶母液，結(jié)果表明：當(dāng)總停留時(shí)間為厭氧24h（35℃），好氧6h時(shí)，COD和四環(huán)素的去除率均達(dá)到96％，容積負(fù)荷（COD）2.07kg／（m3·d），較普通法容積負(fù)荷提高16.3％，產(chǎn)氣量提高4.57倍。
　　Portter等研究了固定化純微生物菌株處理含氯乙酸鹽的殺蟲劑生產(chǎn)廢水，他們從受污染的水體中分離得到具有分解氯乙酸鈉能力的Pseudomonas菌株，用多孔性載體 Celite R－630進(jìn)行吸附固定，在水力停留時(shí)間為10.9－16.2h時(shí)，可使進(jìn)水高達(dá)6000 mg／L的氯乙酸鈉降至小于10mg／L，去除率高達(dá)99％，TOC的去除率也達(dá)89％。
3．4 處理重金屬廢水
　　由于微生物經(jīng)固定化后，其穩(wěn)定性增加，抗生物毒性物質(zhì)的能力也大大增加，因此，可以被廣泛地用于各種有機(jī)廢水中重金屬離子的去除。GeoffeyW等將小球藻固定在藻阮酸鹽中，用來聚集Co，Zn，Mn等金屬，在5h內(nèi)62％的Co，40％的Mn，54％的Zn被吸附；與之相比，在相同的條件下，懸浮細(xì)胞的吸附量要小得多。吳乾蓄等利用聚丙烯酸胺固定化酵母菌細(xì)胞去除電鍍廢水中的Cd2+，在pH=9，Cd2+的質(zhì)量濃度為1～400mg／L時(shí)，反應(yīng)lh，Cd2+的去除率98．9％；采用未固定化細(xì)胞則去除率為37．6％。
　　分別用0.lmol／L的 HCI和0．lmol／L的 EDTA解吸，Cd2+的回收率為88．5％和87．6％。
4 固定化細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展前景
　　固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域中具有獨(dú)特的優(yōu)越性和巨大的潛力。當(dāng)然，該技術(shù)也存在許多不足，要達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用還需解決以下問題：①尋找高效、廉價(jià)、抗毒性強(qiáng)的生物，發(fā)展多種生物共生的固定化體系；②開發(fā)性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、壽命長、費(fèi)用低、傳質(zhì)阻力小、高強(qiáng)度的固定載體；③開發(fā)高效的固定化反應(yīng)器；④含高強(qiáng)廢水固定化處理和其它優(yōu)化組合的處理工藝的開發(fā)；③研究對生物無破壞性、高效率的解吸劑。
　　相信通過不斷的研究，固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中會(huì)成為一項(xiàng)高效而實(shí)用的廢水處理技術(shù)，并獲得廣泛的應(yīng)用。

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　　作者簡介：王平（1978－），女，漢族，遼寧葫蘆島人，遼寧石油化工大學(xué)碩士研究生，研究環(huán)境污染的治理與廢棄物資源化，遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院環(huán)境工程系187＃，電話（0413）6682927，angelwp＠sohu.com