固定化細胞技術及其在有機廢水處理中的應用
前言
隨著工農業生產的發展，人口的不斷增加，自然資源的大量消耗，環境污染問題日趨嚴重，人類的生存和發展面臨著嚴峻的挑戰。其中水體接納了工業生產中排放的大量高濃度有機污染物和有毒有害污染物，其中有些污染物具有毒性和“三致”危害。我國處理工業污水的主要方法為活性污泥法和生物膜法，處理過程中依靠微生物的生長代謝和吸附作用等完成對污染物的降解。目前在這兩種方法中主要采用的是固定化技術，利用細胞固定化技術，可將經選擇篩選出的優勢菌種固定化，構建一種高效、快速、耐受性強、能連續處理的廢水處理系統，可以有效地減少二次污染。細胞固定化廢水處理技術與傳統的懸浮生物處理工藝相比，具有處理效率高、運行穩定、可純化和保持高效優勢菌種、反應器生物量大、污泥產生量少以及固液分離效果好等一系列優點。
一、細胞固定化方法
細胞固定化方法的分類就有很多種，目前國內外還沒有統一的分類標準。如成慶利等人根據有無外加載體，將細胞固定化分為有載體固定化和無載體固定化，崔建濤等對有載體固定化細胞和無載體固定化細胞的研究應用進一步作了詳細敘述。在細胞固定化方法上基本上與固定化酶技術相似，常用的細胞固定方法有吸附法、包埋法、交聯法、共價結合法、絮凝法以及多種固定化法聯用等，其中以吸附法和包埋法最為常見。
二、細胞固定化技術在有機廢水處理中的研究與應用
1．高濃度有機廢水的處理：
對于高濃度有機廢水，目前一般采用厭氧生物法進行處理。厭氧階段的處理效果直接影響到后續的好氧處理，從而決定廢水排放是否達標。在高濃度有機廢水的生物處理中，產甲烷菌的數量和代謝活性是其處理效率的重要制約因素，而產甲烷菌較低的生長速率則是導致厭氧處理系統啟動時間長，運行被破壞后恢復困難的重要因素。因此，采用具有熱力學和動力學優勢的固定化細胞技術，對于產甲烷菌的高效持留和活性的保留提供了便利條件。趙軍等采用吸附包埋法對甲烷八疊球菌進行了固定，使固定化后的微生物兼有吸附法和包埋法的優點，并用人工配制的高濃度有機廢水對吸附包埋的甲烷八疊球菌特性進行了研究。55d的運行數據表明：吸附包埋的甲烷八疊球菌在處理人工廢水時取得了顯著的成效，COD最高容積負荷達到14.7kg/（m2·d），最高去除率為94.29%，運行期間固定化介質不上浮，不膨脹，具有很好的傳質和脫氣性能。黃霞等采用聚丙烯無紡布（多孔結構）與PVA的復合載體包埋固定化優勢菌種，來降解含有喹啉，異喹啉，吡啶的高濃度氨氮焦化廢水，三種高濃度有機物經處理8h后降解率均在90%以上。采用固定化細胞技術處理高濃度有機廢水，進一步提高了生物處理構筑物中高效生物量的濃度，大大提高了反應效率和處理效能，減少了污泥量和二沉池的負荷，降低了投資成本。
2．難降解有機廢水的處理：
此類廢水用常規的生物處理工藝進行處理時，一般效率低下。這主要是因為能有效分解氧化此類廢水中所含苯酚、氰、氯苯胺及DDT等有機物的微生物世代期較長，從而難以在常規的生物處理構筑物中大量存留。利用固定化細胞技術了兩種不同類型的含酚廢水：對于苯酚濃度為2,148.0mg／l、COD為10,828.8mg／l的高濃度含酚廢水，經處理24h后，苯酚及COD去除率分別為50．1%和38．7%；對于苯酚濃度為180．7mg／l、COD為947mg／l左右的一般濃度混合含酚廢水，經6h處理后對苯酚及COD去除率分別為89．1%和84．6%，而活性污泥法分別為76．6%和75．0%。以上對固定化微生物廢水處理技術的研究，篩選出了降解特定有機污染物的優勢菌群，對難降解廢水進行處理的專一性好，耐受性強，處理效果穩定，投資省，降解效率明顯優于傳統的生物處理方法。
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3．印染、造紙等廢水的處理
印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性強、水質變化大、成分復雜等特點。因此，開發經濟有效的印染廢水處理技術，日益成為當今環保行業關注的焦點。目前我國主要利用微生物處理技術對印染廢水進行染料脫色和降解。楊云龍等在序批式活性污泥法（SBR）生物反應器內投加固定化紫色非硫光合細菌（PSB）及其他異養菌，采用聚集-交聯固定法將高效優勢菌固定于已馴化的活性污泥上處理亞硫酸鈉造紙混合廢水。結果表明，在好氧條件下穩定運行時COD去除率為70%左右，木質素去除率為75%。洪衛等采用還原鐵床與固定化細胞技術相結合的工藝深度處理造紙中段廢水，結果表明，在進水色度平均251、CODcr平均為319.9mg／l的情況下，出水色度平均18.3、CODcr平均31.9mg／l，色度去除率為92.7%、CODcr去除率為90.0%。以上研究結果表明，與游離細胞系統相比，固定化細胞系統雖然脫色速度較慢，但其受溶解氧和pH值影響較小，長時間運行也能保持較高的反應效率，且重復使用性好，更適合實際工業應用。
4．其他廢水的處理：
目前，固定化細胞技術已廣泛應用于多種有機廢水的處理。例如，呂榮湖等通過包埋固定化細胞法固定除油菌（YI#菌），用于處理含油廢水。選用聚乙烯醇（PVA）-海藻酸鈉（SA）復配作為包埋固定化載體材料，制備成固定化微生物小球（IMB），通過試驗優化了IMB制備的工藝條件。連續批次除油試驗結果表明，在25%~40%，固液比1：10，HRT為6h的條件下，進水油含量在20-50mg／l，乳化油去除率可達85%~90%，出水油含量低于5mg／l。
三、新型技術手段的應用
近年來，在污水凈化領域相繼研發了許多新型、高效、具有實用價值的廢水處理技術，如氧化法、超聲空化降解法、電化學催化降解法等。與傳統的處理方法相比，其成本低、效率高、容易操作、無二次污染。因此，在工業有機污水的處理中得到了廣泛的應用。例如：鐘愛國用聲強8OW／cm2、頻率22kHz的超聲波分別輻照甲胺磷和乙酰甲胺磷溶液，結果表明，在甲胺磷初始濃度為1.0×104mol／l、pH值為2.5、反應溫度為30℃、Fe2+質量濃度大于50mg／l、溶氧至飽和的條件下，輻照時間120min，甲胺磷的去除率達到99.3%；在乙酰甲胺磷初始濃度為1.0×10-3~10.0×10-1mol／l，pH值為2.5~10.8、反應溫度為30~35℃，Fe2+質量濃度為15mg／l，溶氧至飽和的條件下，輻照60min，乙酰甲胺磷的去除率達到99.9%。而電化學降解有機物的基本原理是使這些有機污染物在電極上發生氧化還原轉變。總之，以上這些新技術手段為有機廢水的處理提供了更為有效的途徑，有著廣闊的應用前景。
四、展望
總的來說，目前有關工業有機廢水處理工藝和操作條件優化方面的研究報道很多，關于微生物在有機廢水處理中的應用方法等方面的研究也十分活躍。我國雖然在該領域的研究取得了許多重要成果，但仍存在許多問題和不足。大多數研究停留在實驗室階段，在工業化生產應用中效果欠佳；現有污水處理設施工藝和技術落后，只有部分大中城市擁有為數不多的有機廢水處理廠，農村和郊區的有機污染污水處理設施幾乎為零；新方法技術應用于舊設備時的工藝改造、運行成本等方面也存在很多問題。因此，必須盡快轉變傳統的有機廢水處理模式，通過對固定化細胞技術的進一步研究和應用，對特異高效微生物菌種進行篩選，進一步優化生產工藝和操作條件，采用復合處理方法，及時將新型技術手段（如超聲空化降解法、電化學催化降解法等）加以應用，進一步促進該研究領域快速深入發展。污水處理效率高、出水品質好、占地少、耗能低、便于管理、適應性強、資源合理利用等是今后工業有機廢水處理研究的主要方向。
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