固定化细胞技术及其在有机废水处理中的应用
前言
随着工农业生产的发展，人口的不断增加，自然资源的大量消耗，环境污染问题日趋严重，人类的生存和发展面临着严峻的挑战。其中水体接纳了工业生产中排放的大量高浓度有机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。我国处理工业污水的主要方法为活性污泥法和生物膜法，处理过程中依靠微生物的生长代谢和吸附作用等完成对污染物的降解。目前在这两种方法中主要采用的是固定化技术，利用细胞固定化技术，可将经选择筛选出的优势菌种固定化，构建一种高效、快速、耐受性强、能连续处理的废水处理系统，可以有效地减少二次污染。细胞固定化废水处理技术与传统的悬浮生物处理工艺相比，具有处理效率高、运行稳定、可纯化和保持高效优势菌种、反应器生物量大、污泥产生量少以及固液分离效果好等一系列优点。
一、细胞固定化方法
细胞固定化方法的分类就有很多种，目前国内外还没有统一的分类标准。如成庆利等人根据有无外加载体，将细胞固定化分为有载体固定化和无载体固定化，崔建涛等对有载体固定化细胞和无载体固定化细胞的研究应用进一步作了详细叙述。在细胞固定化方法上基本上与固定化酶技术相似，常用的细胞固定方法有吸附法、包埋法、交联法、共价结合法、絮凝法以及多种固定化法联用等，其中以吸附法和包埋法最为常见。
二、细胞固定化技术在有机废水处理中的研究与应用
1．高浓度有机废水的处理：
对于高浓度有机废水，目前一般采用厌氧生物法进行处理。厌氧阶段的处理效果直接影响到后续的好氧处理，从而决定废水排放是否达标。在高浓度有机废水的生物处理中，产甲烷菌的数量和代谢活性是其处理效率的重要制约因素，而产甲烷菌较低的生长速率则是导致厌氧处理系统启动时间长，运行被破坏后恢复困难的重要因素。因此，采用具有热力学和动力学优势的固定化细胞技术，对于产甲烷菌的高效持留和活性的保留提供了便利条件。赵军等采用吸附包埋法对甲烷八叠球菌进行了固定，使固定化后的微生物兼有吸附法和包埋法的优点，并用人工配制的高浓度有机废水对吸附包埋的甲烷八叠球菌特性进行了研究。55d的运行数据表明：吸附包埋的甲烷八叠球菌在处理人工废水时取得了显著的成效，COD最高容积负荷达到14.7kg/（m2·d），最高去除率为94.29%，运行期间固定化介质不上浮，不膨胀，具有很好的传质和脱气性能。黄霞等采用聚丙烯无纺布（多孔结构）与PVA的复合载体包埋固定化优势菌种，来降解含有喹啉，异喹啉，吡啶的高浓度氨氮焦化废水，三种高浓度有机物经处理8h后降解率均在90%以上。采用固定化细胞技术处理高浓度有机废水，进一步提高了生物处理构筑物中高效生物量的浓度，大大提高了反应效率和处理效能，减少了污泥量和二沉池的负荷，降低了投资成本。
2．难降解有机废水的处理：
此类废水用常规的生物处理工艺进行处理时，一般效率低下。这主要是因为能有效分解氧化此类废水中所含苯酚、氰、氯苯胺及DDT等有机物的微生物世代期较长，从而难以在常规的生物处理构筑物中大量存留。利用固定化细胞技术了两种不同类型的含酚废水：对于苯酚浓度为2,148.0mg／l、COD为10,828.8mg／l的高浓度含酚废水，经处理24h后，苯酚及COD去除率分别为50．1%和38．7%；对于苯酚浓度为180．7mg／l、COD为947mg／l左右的一般浓度混合含酚废水，经6h处理后对苯酚及COD去除率分别为89．1%和84．6%，而活性污泥法分别为76．6%和75．0%。以上对固定化微生物废水处理技术的研究，筛选出了降解特定有机污染物的优势菌群，对难降解废水进行处理的专一性好，耐受性强，处理效果稳定，投资省，降解效率明显优于传统的生物处理方法。
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3．印染、造纸等废水的处理
印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性强、水质变化大、成分复杂等特点。因此，开发经济有效的印染废水处理技术，日益成为当今环保行业关注的焦点。目前我国主要利用微生物处理技术对印染废水进行染料脱色和降解。杨云龙等在序批式活性污泥法（SBR）生物反应器内投加固定化紫色非硫光合细菌（PSB）及其他异养菌，采用聚集-交联固定法将高效优势菌固定于已驯化的活性污泥上处理亚硫酸钠造纸混合废水。结果表明，在好氧条件下稳定运行时COD去除率为70%左右，木质素去除率为75%。洪卫等采用还原铁床与固定化细胞技术相结合的工艺深度处理造纸中段废水，结果表明，在进水色度平均251、CODcr平均为319.9mg／l的情况下，出水色度平均18.3、CODcr平均31.9mg／l，色度去除率为92.7%、CODcr去除率为90.0%。以上研究结果表明，与游离细胞系统相比，固定化细胞系统虽然脱色速度较慢，但其受溶解氧和pH值影响较小，长时间运行也能保持较高的反应效率，且重复使用性好，更适合实际工业应用。
4．其他废水的处理：
目前，固定化细胞技术已广泛应用于多种有机废水的处理。例如，吕荣湖等通过包埋固定化细胞法固定除油菌（YI#菌），用于处理含油废水。选用聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）复配作为包埋固定化载体材料，制备成固定化微生物小球（IMB），通过试验优化了IMB制备的工艺条件。连续批次除油试验结果表明，在25%~40%，固液比1：10，HRT为6h的条件下，进水油含量在20-50mg／l，乳化油去除率可达85%~90%，出水油含量低于5mg／l。
三、新型技术手段的应用
近年来，在污水净化领域相继研发了许多新型、高效、具有实用价值的废水处理技术，如氧化法、超声空化降解法、电化学催化降解法等。与传统的处理方法相比，其成本低、效率高、容易操作、无二次污染。因此，在工业有机污水的处理中得到了广泛的应用。例如：钟爱国用声强8OW／cm2、频率22kHz的超声波分别辐照甲胺磷和乙酰甲胺磷溶液，结果表明，在甲胺磷初始浓度为1.0×104mol／l、pH值为2.5、反应温度为30℃、Fe2+质量浓度大于50mg／l、溶氧至饱和的条件下，辐照时间120min，甲胺磷的去除率达到99.3%；在乙酰甲胺磷初始浓度为1.0×10-3~10.0×10-1mol／l，pH值为2.5~10.8、反应温度为30~35℃，Fe2+质量浓度为15mg／l，溶氧至饱和的条件下，辐照60min，乙酰甲胺磷的去除率达到99.9%。而电化学降解有机物的基本原理是使这些有机污染物在电极上发生氧化还原转变。总之，以上这些新技术手段为有机废水的处理提供了更为有效的途径，有着广阔的应用前景。
四、展望
总的来说，目前有关工业有机废水处理工艺和操作条件优化方面的研究报道很多，关于微生物在有机废水处理中的应用方法等方面的研究也十分活跃。我国虽然在该领域的研究取得了许多重要成果，但仍存在许多问题和不足。大多数研究停留在实验室阶段，在工业化生产应用中效果欠佳；现有污水处理设施工艺和技术落后，只有部分大中城市拥有为数不多的有机废水处理厂，农村和郊区的有机污染污水处理设施几乎为零；新方法技术应用于旧设备时的工艺改造、运行成本等方面也存在很多问题。因此，必须尽快转变传统的有机废水处理模式，通过对固定化细胞技术的进一步研究和应用，对特异高效微生物菌种进行筛选，进一步优化生产工艺和操作条件，采用复合处理方法，及时将新型技术手段（如超声空化降解法、电化学催化降解法等）加以应用，进一步促进该研究领域快速深入发展。污水处理效率高、出水品质好、占地少、耗能低、便于管理、适应性强、资源合理利用等是今后工业有机废水处理研究的主要方向。
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