“固定化生物催化剂(immobilizedbiocatalysts)”这一术语于1983年首次出现在美国著名的杂志EnzymeMicrobial.Technol.上,而固定化生物催化剂的准确定义如下:“固定化生物催化剂是使用物理或化学方法限制或定位在某一特定空间范围内,保留了其固有的催化活性,能被重复和连续使用的酶、微生物细胞、动植物细胞、细胞器等生物催化剂。

固定化(immobilization)技术是使生物催化剂更广泛、更有效的一种重要手段。任何一种限制生物催化剂自由流动的技术都可以用于制备固定化生物催化剂。目前,该技术已由原来的单一固定化酶、固定化微生物细胞发展到固定化动植物细胞、固定化细胞器、固定化原生质体、固定化微生物分子孢子以及酶与微生物细胞、好氧微生物与厌氧微生物的联合固定化(co-immobilization)等,20世纪70年代后迅速成为生物、环境等领域的一个研究热点。在初期,它主要用于发酵生产。随着日益严重的水污染问题,迫切要求开发高效的废水处理新技术,人们开始利用细胞固定化技术取代传统的活性污泥法,用于各种污染物的转化和降解。并将从活性污泥中分离、筛选出来的优势菌种加以固定,组成一个快速、高效、连续的废水处理系统,这样就可以免除污泥处理的二次污染。它与传统的悬浮生物处理法相比,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、产污泥量少、固液分离效果好、丧失活性可恢复等优点。因此,该技术有着极大的应用潜力和发展前景。本文系统阐述了细胞固定化技术及其在废水处理中的研究和应用现状,提出了该领域的主要研究方向,旨在加速该技术在废水特别是高浓度氨氮废水处理中的推广和应用。

1细胞固定化技术的研究现状

1.1细胞固定化技术分类

固定化细胞的制备方法多种多样,目前国内外仍未有统一的分类标准。但总体可分为载体结合法、交联法和系统截留法、载体分隔法4大类。

载体结合法是通过物理吸附、化学、离子结合或生物特异性的办法,将细胞固定在合适的载体上,如生物膜法。包括物理吸附法、共价结合法、离子结合法、生物特异性吸附法。

交联法又称无载体固定法,是利用两个功能团以上的试剂,与细胞表面的反应基团如氨基、羟基等进行交联,形成共价键来固定细胞。包括化学交联法、物理交联法。

系统截留法利用各种半透膜(如渗析膜、超滤膜、反渗透膜、中空纤维膜等)将生物催化剂以可溶形式限定在一定的空间范围内,或将过滤、离心、沉淀后的生物催化剂返回到生物反应中循环使用。其中,中空纤维膜(hollowfibermem2branc)生化反应最有实用价值。

载体分隔法是指依靠载体对生物催化剂的物理阻挡来实现生物催化剂的固定化。它又分为包埋法和微胶囊法。微胶囊固定化法是指通过乳化作用(emulsification)将生物催化剂包埋在各种多聚物制成的半透性微胶囊内的方法。包埋法则是使细胞扩散进入多孔性载体内部,利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋在其内部,从而达到固定细胞的目的。

微生物在载体表面附着固定过程可以看作载体表面与微生物表面间的相互作用,从液相理论分析,细菌在载体表面附着、固定过程如图1所示。

1.2细胞固定化技术方法比较

尽管固定化方法多种多样,但没有一种理想的、普遍适用的方法。各种方法的优缺点见表1。

1.3细胞固定化载体

细胞固定化载体是细胞固定化包埋技术的关键,它大致分成两大类,一类是天然高分子凝胶载体,如海藻酸钙、琼脂、角叉菜胶等;另一类是有机合成高分子凝胶载体,如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅胶、光硬化树脂等。

天然高分子凝胶一般对生物无毒,传质性能良好,但强度较低,在厌氧条件下易被微生物分解。由天然海藻提取的海藻酸钠温和无毒,适合于固定活细胞或敏感细胞,它的价格较低,是应用比较广泛的细胞固定化载体。有机合成高分子凝胶一般强度较高,化学稳定性好,但传质性能稍差,在进行包埋时对细胞的活性有影响,易造成细胞失活。

因此,理想的细胞固定化载体应该具备的条件是:①对微生物无毒;②性质稳定,不易被微生物分解,并能耐受由于生物繁殖引起的破裂;③传质性能良好,透气性和透光性良好;④强度高,寿命长;⑤价格低廉。开发具有上述性能的载体,是细胞固定化技术研究中十分重要的课题。

2细胞固定化技术在含氮废水处理中的应用研究

由于固定化细胞技术用于废水生物处理,与传统的悬浮生物处理法相比,能纯化和保持高效菌种,微生物浓度高,污泥产量少,固液分离效果好。因此,该项技术在废水生物处理,尤其是在特种废水处理领域中,获得了广泛的研究。固定化细胞技术已用于BOD物质的去除、硝化反硝化、脱磷、去酚、氰的降解、LAS降解、重金属离子的去除与回收以及印染废水的脱色处理等。近年来,固定化硝化菌脱氮技术已经从实验室和小规模试验阶段进入大规模的生产性试验阶段。

2.1单独包埋

硝化菌、反硝化菌单独包埋利用了固定化细胞微生物浓度高的特点,将传统生物处理中的悬浮生物固定在包埋剂中。该法固定化技术相对较简单。据文献报道,将常规的活性污泥法改造成促进型循环脱氮法,标准处理量为2250m3/d(最高3000m3/d),平均进水BOD为200mg/L,TN为39mg/L。连续运行结果:年平均出水NH4TN小于1mg/L,TN小于10mg/L,获得了良好的处理效果。市村等人用PVA-SBQ与海藻酸钠结合包埋硝化菌,在流化床中连续硝化250d可将NH3TN从80mg/L降至20mg/L,NH3容积负荷达2kg/(m3·d)。角野以聚丙烯酰胺为载体包埋硝化菌,在填充率为7.5%的流化床中,对曝气池活性污泥混合液进行连续处理,停留时间仅2h,就可以达到完全硝化。Wijffels采用将反硝化菌固定在聚丙烯酰胺中的方法进行连续脱氮实验,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,脱氮率可达95%。Tramper也曾经用海藻酸钠和角叉菜胶包埋硝化菌进行一系列废水硝化的研究。

2.2混合包埋

在含氮废水的处理中,常规活性污泥法对一般有机物的去除率可以达到90%以上,但由于工艺过程中几乎不发生硝化作用,总凯氏氮的去除率仅在10%～30%之间。近年来国内外水环境标准的严格化,促使人们对活性污泥法进行工艺流程的改进,出现了A/O生物脱氮工艺等污水处理新工艺(工艺流程见图2)。但该工艺仍然存在着诸如硝化菌群增殖速度慢、抗金属及有机物冲击的能力不强等缺点。

然而在利用固定化微生物脱氮时,由于存在样扩散的限制,在固定化细胞颗粒、生物膜、细胞聚集体中存在着好氧区和缺氧区或厌氧区。这样,硝化菌的产物可作为反硝化菌的底物,硝化和反硝化两阶段反应即可在同一反应器中完成,实现同时硝化和反硝化(SND)。这种改进工艺流程见图3。由于省去了第二阶段的厌氧反硝化池或减少其尺寸,从而大大简化了生物脱氮的工艺流程。

2.2.1硝化菌和反硝化分层包埋

该工艺人为地将反硝化菌限制在颗粒的中央部位,而硝化菌生长在颗粒表层。两类微生物的机械分层为硝化提供了有利的条件,避免了好氧条件下反硝化菌与硝化菌争夺溶解氧;另一方面,也避免了反硝化菌在有机碳源存在下的过液增殖。而选择性地固定亚硝化菌,将硝化反应控制在亚硝化阶段,则可以实现短程硝化反硝化。

DosSantos等人以海藻酸钠和K角叉菜胶为载体分层包埋硝化菌和反硝化菌。他们先将反硝化菌与海藻酸钠、KCl溶液混合,然后将其滴入搅拌的含硝化菌、K角叉菜胶和CaCl2的溶液中,制成内层为海藻酸钠包埋反硝化菌,外层为K角叉菜胶包埋硝化菌的复合小球。反硝化菌直接还原硝化反应产生的亚硝酸盐,避免了亚硝酸盐氧化成硝酸盐再还原成亚硝酸盐的两个多余步骤,降低了对氧及有机物的需求。在好氧条件下,连续运行时氮[N/(m3·s)]的去除率高达5.1mmolN/(m3·s),但该法固定化过程比较复杂,可供选择的载体较少,不便于大规模制备固定化细胞。另外,根据Uemoto和Saiki对混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究发现,运行一段时间后其在体内的分布自然会发生变化,硝化菌集中于外层,反硝化菌集中于内层,中间过滤层两者共存,因此,没有将硝化菌和反硝化菌分层包埋的必要。

2.2.2硝化菌和反硝化菌混合包埋

本工艺主要是利用扩散阻力在颗粒内部产生的氧浓度梯度形成的好氧区、缺氧区和厌氧区,在载体内部形成了适合硝化和反硝化两个过程有机结合的环境,在颗粒污泥表层由于氧的存在而进行氨的氧化反应,颗粒内部因为缺氧条件下利用氨的氧化产物进行反硝化反应,从而实现单级生物脱氮。详见图4。

最早从事硝化菌和反硝化菌混合固定研究的是日本的Kokufuta等人。他们利用聚电解质固定亚硝化菌和反硝化菌的混合细胞,并与单独固定的亚硝化菌作了比较。结果前者能实现完全脱氮,并且系统中未检测到NO2-N的存在;而后者最终只能将NH+3-N氧化成NO-2-N,无脱氮效果。

曹国民等人利用两种常用的固定化载体海藻酸钠和聚乙烯醇混合固定硝化菌和反硝化菌,研究了好氧条件下同时硝化和反硝化的可行性及其脱氮特性。结果表明,硝化菌和反硝化菌混合固定时,由于载体内部形成了适合硝化和反硝化的环境,可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化,实现单级生物脱氮。混合固定时的氨氧化速度约为硝化菌单独固定时的14倍,总无机氮[N/(m3·d)]的去除率达0.11mmol/(m3·s),约为PSB脱氮速度的2.6倍。硝化菌和反硝化菌混合固定后对温度的敏感性减小,并且在较宽的溶解氧范围内(2～6mg/L)保持稳定的脱氮速度,具有良好的应用前景。

3细胞固定化技术的发展前景

细胞固定化技术以其特有的优点在废水处理领域中引起了普遍的关注,但由于载体成本大,提酶过程复杂,还需对废水进行适当的预处理等,目前尚处于实验研究阶段,所以要实现其实用化或工业化,还有许多问题需要进一步研究解决,主要的研究方向如下:

(1)寻找高效、廉价、抗毒性强的生物。

(2)廉价固定化微生物载体的开发。

(3)如何提高载体的使用寿命。

(4)开发高效的固定化反应器。

(5)研究对生物无破坏性、高效率的解吸剂。

相信通过不断的研究和改进,细胞固定化技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术,在废水处理中获得广泛的应用。