“固定化生物催化劑(immobilizedbiocatalysts)”這一術(shù)語(yǔ)于1983年首次出現(xiàn)在美國(guó)著名的雜志EnzymeMicrobial.Technol.上,而固定化生物催化劑的準(zhǔn)確定義如下:“固定化生物催化劑是使用物理或化學(xué)方法限制或定位在某一特定空間范圍內(nèi),保留了其固有的催化活性,能被重復(fù)和連續(xù)使用的酶、微生物細(xì)胞、動(dòng)植物細(xì)胞、細(xì)胞器等生物催化劑。

固定化(immobilization)技術(shù)是使生物催化劑更廣泛、更有效的一種重要手段。任何一種限制生物催化劑自由流動(dòng)的技術(shù)都可以用于制備固定化生物催化劑。目前,該技術(shù)已由原來(lái)的單一固定化酶、固定化微生物細(xì)胞發(fā)展到固定化動(dòng)植物細(xì)胞、固定化細(xì)胞器、固定化原生質(zhì)體、固定化微生物分子孢子以及酶與微生物細(xì)胞、好氧微生物與厭氧微生物的聯(lián)合固定化(co-immobilization)等,20世紀(jì)70年代后迅速成為生物、環(huán)境等領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在初期,它主要用于發(fā)酵生產(chǎn)。隨著日益嚴(yán)重的水污染問題,迫切要求開發(fā)高效的廢水處理新技術(shù),人們開始利用細(xì)胞固定化技術(shù)取代傳統(tǒng)的活性污泥法,用于各種污染物的轉(zhuǎn)化和降解。并將從活性污泥中分離、篩選出來(lái)的優(yōu)勢(shì)菌種加以固定,組成一個(gè)快速、高效、連續(xù)的廢水處理系統(tǒng),這樣就可以免除污泥處理的二次污染。它與傳統(tǒng)的懸浮生物處理法相比,具有處理效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、反應(yīng)易于控制、菌種高純高效、生物濃度高、產(chǎn)污泥量少、固液分離效果好、喪失活性可恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。因此,該技術(shù)有著極大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。本文系統(tǒng)闡述了細(xì)胞固定化技術(shù)及其在廢水處理中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,提出了該領(lǐng)域的主要研究方向,旨在加速該技術(shù)在廢水特別是高濃度氨氮廢水處理中的推廣和應(yīng)用。

1　細(xì)胞固定化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1　細(xì)胞固定化技術(shù)分類

固定化細(xì)胞的制備方法多種多樣,目前國(guó)內(nèi)外仍未有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。但總體可分為載體結(jié)合法、交聯(lián)法和系統(tǒng)截留法、載體分隔法4大類。

載體結(jié)合法是通過(guò)物理吸附、化學(xué)、離子結(jié)合或生物特異性的辦法,將細(xì)胞固定在合適的載體上,如生物膜法。包括物理吸附法、共價(jià)結(jié)合法、離子結(jié)合法、生物特異性吸附法。

交聯(lián)法又稱無(wú)載體固定法,是利用兩個(gè)功能團(tuán)以上的試劑,與細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)如氨基、羥基等進(jìn)行交聯(lián),形成共價(jià)鍵來(lái)固定細(xì)胞。包括化學(xué)交聯(lián)法、物理交聯(lián)法。

系統(tǒng)截留法利用各種半透膜(如滲析膜、超濾膜、反滲透膜、中空纖維膜等)將生物催化劑以可溶形式限定在一定的空間范圍內(nèi),或?qū)⑦^(guò)濾、離心、沉淀后的生物催化劑返回到生物反應(yīng)中循環(huán)使用。其中,中空纖維膜(hollowfibermem2branc)生化反應(yīng)最有實(shí)用價(jià)值。

載體分隔法是指依靠載體對(duì)生物催化劑的物理阻擋來(lái)實(shí)現(xiàn)生物催化劑的固定化。它又分為包埋法和微膠囊法。微膠囊固定化法是指通過(guò)乳化作用(emulsification)將生物催化劑包埋在各種多聚物制成的半透性微膠囊內(nèi)的方法。包埋法則是使細(xì)胞擴(kuò)散進(jìn)入多孔性載體內(nèi)部,利用高聚物在形成凝膠時(shí)將細(xì)胞包埋在其內(nèi)部,從而達(dá)到固定細(xì)胞的目的。

微生物在載體表面附著固定過(guò)程可以看作載體表面與微生物表面間的相互作用,從液相理論分析,細(xì)菌在載體表面附著、固定過(guò)程如圖1所示。

1.2　細(xì)胞固定化技術(shù)方法比較

盡管固定化方法多種多樣,但沒有一種理想的、普遍適用的方法。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

1.3　細(xì)胞固定化載體

細(xì)胞固定化載體是細(xì)胞固定化包埋技術(shù)的關(guān)鍵,它大致分成兩大類,一類是天然高分子凝膠載體,如海藻酸鈣、瓊脂、角叉菜膠等;另一類是有機(jī)合成高分子凝膠載體,如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅膠、光硬化樹脂等。

天然高分子凝膠一般對(duì)生物無(wú)毒,傳質(zhì)性能良好,但強(qiáng)度較低,在厭氧條件下易被微生物分解。由天然海藻提取的海藻酸鈉溫和無(wú)毒,適合于固定活細(xì)胞或敏感細(xì)胞,它的價(jià)格較低,是應(yīng)用比較廣泛的細(xì)胞固定化載體。有機(jī)合成高分子凝膠一般強(qiáng)度較高,化學(xué)穩(wěn)定性好,但傳質(zhì)性能稍差,在進(jìn)行包埋時(shí)對(duì)細(xì)胞的活性有影響,易造成細(xì)胞失活。

因此,理想的細(xì)胞固定化載體應(yīng)該具備的條件是:①對(duì)微生物無(wú)毒;②性質(zhì)穩(wěn)定,不易被微生物分解,并能耐受由于生物繁殖引起的破裂;③傳質(zhì)性能良好,透氣性和透光性良好;④強(qiáng)度高,壽命長(zhǎng);⑤價(jià)格低廉。開發(fā)具有上述性能的載體,是細(xì)胞固定化技術(shù)研究中十分重要的課題。

2　細(xì)胞固定化技術(shù)在含氮廢水處理中的應(yīng)用研究

由于固定化細(xì)胞技術(shù)用于廢水生物處理,與傳統(tǒng)的懸浮生物處理法相比,能純化和保持高效菌種,微生物濃度高,污泥產(chǎn)量少,固液分離效果好。因此,該項(xiàng)技術(shù)在廢水生物處理,尤其是在特種廢水處理領(lǐng)域中,獲得了廣泛的研究。固定化細(xì)胞技術(shù)已用于BOD物質(zhì)的去除、硝化反硝化、脫磷、去酚、氰的降解、LAS降解、重金屬離子的去除與回收以及印染廢水的脫色處理等。近年來(lái),固定化硝化菌脫氮技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模試驗(yàn)階段進(jìn)入大規(guī)模的生產(chǎn)性試驗(yàn)階段。

2.1　單獨(dú)包埋

硝化菌、反硝化菌單獨(dú)包埋利用了固定化細(xì)胞微生物濃度高的特點(diǎn),將傳統(tǒng)生物處理中的懸浮生物固定在包埋劑中。該法固定化技術(shù)相對(duì)較簡(jiǎn)單。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,將常規(guī)的活性污泥法改造成促進(jìn)型循環(huán)脫氮法,標(biāo)準(zhǔn)處理量為2250m3/d(最高3000m3/d),平均進(jìn)水BOD為200mg/L,TN為39mg/L。連續(xù)運(yùn)行結(jié)果:年平均出水NH4TN小于1mg/L,TN小于10mg/L,獲得了良好的處理效果。市村等人用PVA-SBQ與海藻酸鈉結(jié)合包埋硝化菌,在流化床中連續(xù)硝化250d可將NH3TN從80mg/L降至20mg/L,NH3容積負(fù)荷達(dá)2kg/(m3·d)。角野以聚丙烯酰胺為載體包埋硝化菌,在填充率為7.5%的流化床中,對(duì)曝氣池活性污泥混合液進(jìn)行連續(xù)處理,停留時(shí)間僅2h,就可以達(dá)到完全硝化。Wijffels采用將反硝化菌固定在聚丙烯酰胺中的方法進(jìn)行連續(xù)脫氮實(shí)驗(yàn),進(jìn)水NO3-N濃度為8～16mol/m3;固定化細(xì)胞的填充率為11.1%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%。Tramper也曾經(jīng)用海藻酸鈉和角叉菜膠包埋硝化菌進(jìn)行一系列廢水硝化的研究。

2.2　混合包埋

在含氮廢水的處理中,常規(guī)活性污泥法對(duì)一般有機(jī)物的去除率可以達(dá)到90%以上,但由于工藝過(guò)程中幾乎不發(fā)生硝化作用,總凱氏氮的去除率僅在10%～30%之間。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格化,促使人們對(duì)活性污泥法進(jìn)行工藝流程的改進(jìn),出現(xiàn)了A/O生物脫氮工藝等污水處理新工藝(工藝流程見圖2)。但該工藝仍然存在著諸如硝化菌群增殖速度慢、抗金屬及有機(jī)物沖擊的能力不強(qiáng)等缺點(diǎn)。

然而在利用固定化微生物脫氮時(shí),由于存在樣擴(kuò)散的限制,在固定化細(xì)胞顆粒、生物膜、細(xì)胞聚集體中存在著好氧區(qū)和缺氧區(qū)或厭氧區(qū)。這樣,硝化菌的產(chǎn)物可作為反硝化菌的底物,硝化和反硝化兩階段反應(yīng)即可在同一反應(yīng)器中完成,實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化和反硝化(SND)。這種改進(jìn)工藝流程見圖3。由于省去了第二階段的厭氧反硝化池或減少其尺寸,從而大大簡(jiǎn)化了生物脫氮的工藝流程。

2.2.1　硝化菌和反硝化分層包埋

該工藝人為地將反硝化菌限制在顆粒的中央部位,而硝化菌生長(zhǎng)在顆粒表層。兩類微生物的機(jī)械分層為硝化提供了有利的條件,避免了好氧條件下反硝化菌與硝化菌爭(zhēng)奪溶解氧;另一方面,也避免了反硝化菌在有機(jī)碳源存在下的過(guò)液增殖。而選擇性地固定亞硝化菌,將硝化反應(yīng)控制在亞硝化階段,則可以實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。

DosSantos等人以海藻酸鈉和K角叉菜膠為載體分層包埋硝化菌和反硝化菌。他們先將反硝化菌與海藻酸鈉、KCl溶液混合,然后將其滴入攪拌的含硝化菌、K角叉菜膠和CaCl2的溶液中,制成內(nèi)層為海藻酸鈉包埋反硝化菌,外層為K角叉菜膠包埋硝化菌的復(fù)合小球。反硝化菌直接還原硝化反應(yīng)產(chǎn)生的亞硝酸鹽,避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽的兩個(gè)多余步驟,降低了對(duì)氧及有機(jī)物的需求。在好氧條件下,連續(xù)運(yùn)行時(shí)氮[N/(m³·s)]的去除率高達(dá)5.1mmolN/(m³·s),但該法固定化過(guò)程比較復(fù)雜,可供選擇的載體較少,不便于大規(guī)模制備固定化細(xì)胞。另外,根據(jù)Uemoto和Saiki對(duì)混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)行一段時(shí)間后其在體內(nèi)的分布自然會(huì)發(fā)生變化,硝化菌集中于外層,反硝化菌集中于內(nèi)層,中間過(guò)濾層兩者共存,因此,沒有將硝化菌和反硝化菌分層包埋的必要。

2.2.2　硝化菌和反硝化菌混合包埋

本工藝主要是利用擴(kuò)散阻力在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的氧濃度梯度形成的好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū),在載體內(nèi)部形成了適合硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程有機(jī)結(jié)合的環(huán)境,在顆粒污泥表層由于氧的存在而進(jìn)行氨的氧化反應(yīng),顆粒內(nèi)部因?yàn)槿毖鯒l件下利用氨的氧化產(chǎn)物進(jìn)行反硝化反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)單級(jí)生物脫氮。詳見圖4。

最早從事硝化菌和反硝化菌混合固定研究的是日本的Kokufuta等人。他們利用聚電解質(zhì)固定亞硝化菌和反硝化菌的混合細(xì)胞,并與單獨(dú)固定的亞硝化菌作了比較。結(jié)果前者能實(shí)現(xiàn)完全脫氮,并且系統(tǒng)中未檢測(cè)到NO2-N的存在;而后者最終只能將NH+3-N氧化成NO-2-N,無(wú)脫氮效果。

曹國(guó)民等人利用兩種常用的固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇混合固定硝化菌和反硝化菌,研究了好氧條件下同時(shí)硝化和反硝化的可行性及其脫氮特性。結(jié)果表明,硝化菌和反硝化菌混合固定時(shí),由于載體內(nèi)部形成了適合硝化和反硝化的環(huán)境,可以在好氧條件下同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化,實(shí)現(xiàn)單級(jí)生物脫氮。混合固定時(shí)的氨氧化速度約為硝化菌單獨(dú)固定時(shí)的14倍,總無(wú)機(jī)氮[N/(m3·d)]的去除率達(dá)0.11mmol/(m3·s),約為PSB脫氮速度的2.6倍。硝化菌和反硝化菌混合固定后對(duì)溫度的敏感性減小,并且在較寬的溶解氧范圍內(nèi)(2～6mg/L)保持穩(wěn)定的脫氮速度,具有良好的應(yīng)用前景。

3　細(xì)胞固定化技術(shù)的發(fā)展前景

細(xì)胞固定化技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)在廢水處理領(lǐng)域中引起了普遍的關(guān)注,但由于載體成本大,提酶過(guò)程復(fù)雜,還需對(duì)廢水進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理等,目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段,所以要實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化或工業(yè)化,還有許多問題需要進(jìn)一步研究解決,主要的研究方向如下:

(1)尋找高效、廉價(jià)、抗毒性強(qiáng)的生物。

(2)廉價(jià)固定化微生物載體的開發(fā)。

(3)如何提高載體的使用壽命。

(4)開發(fā)高效的固定化反應(yīng)器。

(5)研究對(duì)生物無(wú)破壞性、高效率的解吸劑。

相信通過(guò)不斷的研究和改進(jìn),細(xì)胞固定化技術(shù)必將成為一項(xiàng)高效而實(shí)用的廢水處理技術(shù),在廢水處理中獲得廣泛的應(yīng)用。

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