固定化细胞在废水处理中的应用及前景

卷期环境科学固定化细胞在废水处理中的应用及前景周定王建龙侯文华岳奇贤熊岳平哈尔滨几业大学应用化学系,哈尔滨」摘要综述固定化微生物在水处理中的应用发展过程和固定化细胞技术在废水生物处理中的应川,包括去除!物质、硝化一脱氮、酚、氰的降解、暇金属离子的去除或回收以及印染废水的脱色处理等。最后,对固定化细胞应川几废水生物处理的前景及存在的问题进行了评述。关钮词固定化细胞,废水生物处理。固定化微生物技术是生物工程领域中的一项新兴技术。年代初,国内外开始应用这种具有独特优点的新技术来处理工业废水和分解难生物降解的有机污染物,并取得了令人瞩目的成果川。它和传统的悬浮生物处理法相比,有处理效率高,稳定性强,能纯化和保持高效菌种,生物浓度高,产污泥量少,固液分离效果好等优点。因此,该技术在废水处理,无其是特种废水处理领域中,具有广阔的应用前景川。固定化微生物在水处理中的应用发展过程固定化微生物法在水处理中的应用,可以追溯到活性污泥法人工强化生物法的起源,即年,英国伦敦附近第一座生化处理厂的建立。因为生化反应曝气池中的活性污泥实际上是一种人工培养的生物絮体。它是由好气性微生物及其吸附、粘附的有机物质和无机物质所组成。具有吸附和分解废水中的有机污染物的能力,显示出其生物化学氧化活性。所有微生物几乎是全部被包裹或包埋在微生物絮体内。因此,自然形成的微生物絮体活性污泥可以看成是一种最原始的包埋固定化微生物。其特点是靠自然形成,解体容易,即固定化强度不高。这种工艺存在以下一些问题,反应池中微生物浓度低,因此基质的去除速率慢,停留时间长,反应池体积大处理水的固液分离靠物理沉淀对许多有害物质的处理能力低产生大量的剩余污泥弓常发生污泥膨胀。到了本世纪五六十年代,人们又发展了浓缩型的高效生物膜法。它是依靠微生物的自然附着力在某些固形物的表面形成固着型生物膜,如生物固定床、生物流化床,生物接触氧化等工艺。这种生物膜是自然形成的物理吸附固定化微生物群。其固定化强度虽比上述的生物絮体高,但它仍然没有摆脱自然的力量。且此法需要较多的填料和填料支承结构,基建投资高。此外,生物膜中含有多种微生物,特定的高效微生物所占的比例较少。直到本世纪年代末年代初,人工强化固定化微生物才引起人们的注意。它是人为地将特定的微生物封闭在高分子网络载体内,菌体脱落少,又能利用那些具有高活性的,但不易形成沉降性能良好的絮体或‘二物膜的微生物,载体中微生物密度高。’由此可以看出,固定化微生物的发展正如人工强化生物处理法的发展由自然的生物净化到人工强化的生物氧化法一样,是一个由自然到人工强化的过程。包埋固定化微生物用于废水生物处理,能进一步提高反应器内特定微生物的浓度,减轻二沉池的负荷。目前,受到了国内外学者的极大关注。固定化微生物技术在废水处理中的应用固定化活性污泥去除以物质〔”一,,日本的角野立夫和桥本奖等人分别进行了这方面的研究。角野立夫等人一〕利用聚丙烯酞年月收至」修改稿环境科学扮弓胺包埋固定活性污泥进行人二合成废水「为月,的处理研究。在气升式反应器内,采用纯氧曝气,容积负荷为“,连续处理运行出水水质稳定碑。固定化后微生物中的酶稳定,对温度、值的忍耐性增强,活性污泥基本无泄漏。处理过程中,容积负荷可逐渐上升到八‘,与普通的悬浮活性污泥法相比,负荷增大约倍,反应器体积可减少一,剩余污泥量减少一。显示了固定化微生物法的优点剩余污泥量少,负荷高处理速度快。桥本奖等人采用琼脂一聚丙烯酞胺扛”止冷冻法〔字」,一。法闭包埋固定化活性污泥分别对合成废水的连续性处理进行了试验。合成废水中,二、,一。结果表明·当兄的容积负荷为一丫时,的去除率均高达一。同时,由于固定化细胞内部氧气难以扩散进去而处于厌氧状态,对一总氮的去除率也达一,从而有可能在生化池内同时除去碳和氮。他们还根据动力学解析,得出在完全氧化条件下不产生剩余污泥的极限负荷,延时曝气法为一,琼脂聚丙烯酞胺法为,一冷冻法为,一。玉,法为。美国夏威夷大学的,等人分别用三醋酸纤维素和海藻酸钙一三醋酸纤维素作载体,包埋固定化好氧混合微生物图,在固定填充床反应器内处理有机废水。结果表明,单载体固定化细胞优于双载体,当有机负荷小于时,去除率大于。该固定化细胞处理系统能耐水力冲击和有机负荷冲击。钱新民等人仁’‘,了利用纤维载体固定化红螺菌处理发酵废液。他们在填充软性纤维材料的柱式玻璃反应器内直径,柱高,利用习!。光合细菌连续处理发酵废液,建立了该处理系统的动力学模型。计算出模型参数、,·拌,,一·’,模型尹元仑曲线与实脸了直勿较好。合适的稀释率为。抢、、此时’〔去除能力为〔‘一厂为纤维载体沁二化处理有机废水提供一广·些放人操作依据。罗志腾等人’‘一研究司定化升尸川万泥的质,并用于厌氧膨胀床件,处理高浓度有机废水他们以琼脂为载体,包埋古定化决袱活性污泥细菌群,用,的戊二醛交联固定化细胞颗半、操作稳定性较好,在一川讨’去陈率均在以上、进水为加。片子回滋比为时。去除率达,丫」乏后,他川还研究了室温一〔条件’水力停留时间,负荷和回流比付’去除率的彬响固定化细胞用一于硝化一脱氮’兰‘固定化微生物法用于硝化一脱氮的研究报丘近来较多。将增殖速度极慢的硝化菌加以囚定补保持高浓度,可以加快硝化速度从而减少处理设备。日本的中村裕纪等人「’艺·”一用聚丙烯醚胺包埋法固定硝化菌和脱氮’,采咐好氧付,仁与厌杖反硝化两段二艺进行合成废水的脱氮试验。与忿浮生物法相比,低温下硝化速度增人’份丁寿脱氮速度提高倍。连续处理试验表明停留时间由原来的硝化斗一反硝化缩知为硝化反硝化,这样设备将缩小。设乐等人厂”·’‘,用卡拉胶固定化脱城菌、在充填率为写的反应器‘了对合成废水进行了的连续脱氮试验。当负荷小于卜一‘时,出水中的、一小一几,当负荷升高到、一」时产生大址的氮气,使颗粒浮,致使处理效梁下降桥本奖等人采用固定化舌性污泥,在,才的曝气槽中进行间歇曝气运行结果表明当尸一负荷小于。到·时·问歇曝飞比连续曝气的一去除率高在处理城市废水的中型试验曝气池容积为!∀,)时.也得到同样的结果,这说明PVA固定化活性污泥的间歇曝气运行是去除氮的简单而有效的方法卷5期环境科学市村等人仁,6〕用以PVA为主链的光架桥性树脂预聚物(PVA一SBQ)与海藻酸钠结合包埋固定化硝化菌,在有效容积为1.181,的内循环式流化床中进行了250d的连续硝化试验,可将NH3一N从somg/I一降至20mg/IJ,容积负荷达ZkgNH3一N/(m,.d)。Nilsson等人[l了·’幻用海藻酸钠包埋脱氮假单胞菌(P,seudom~、denitrif及,ans),固定化细胞的NO厂一N去除速率为自由细胞的50%。固定化后,细胞的存活比例很大,但内扩散是脱氮过程的速度控制步骤。固定化细胞在低温下的活力保留上升,热稳定性及贮藏稳定性增加。在用固定床处理含氮地表水的试验中,脱氮活力可稳定53d一片且脱氮活性可以通过在营养培养基中的活化而得到恢复。周定等人首次将PVA一H3B()3法用于包埋固定化脱氮微生物,并研究了H3砚)3对脱氮微生物的毒性,建立了脱氮微生物的PVA一H。以)3固定化方法。固定化细胞的脱氮活力回收大于50%。实验结果表明,脱氮微生物在用PVA包埋后,脱氮的最佳温度、pH值不变。但在低pH值、低温条件下的脱氮活力保留提高,中间产物NOZ一的积累减少,溶解氧对脱氮的抑制作用减轻,比脱氮速率下降。因此,利用固定化微生物可能在较低pH值、较低温度和较高溶解氧的条件下获得较好的处理效果,即可增加脱氮处理对寒冷气候、入水条件的适应性、脱氮微生物在固定化载体中能增殖,因此可以获得较高的微生物浓度,从而提高处理速率。Dunn,1.J.等人[l0]研究了生物膜流化床反应器用于废水的硝化处理。TramPe:,J.等人[z0·2,〕研究了海藻酸钙和卡拉胶固定化N立阳如‘teragilis的性能。2.3固定化细胞用于有毒废水的处理2·3·1酚、氰降解仁2,,,:周定等人[22〕对固定化细胞处理含酚废水进行了详细的研究。他们从活性污泥中分离得到热带假丝酵母(candl’datroPicalis),经海藻酸钙凝胶包埋固定后,在自制的三相流化床内进行含酚废水的连续处理试验。进水酚浓度为300PPm时,出水酚浓度小于0.sppm。与悬浮生物法相比,酚的容积负荷可提高1倍以上,污泥发生量减少90%.显示了固定化微生物法处理废水的美好前景。1)四yer等人利用琼脂包埋苯酚降解菌来分解苯酚,实验发现,当苯酚浓度较低时,固定化细胞不如游离细胞,但当酚浓度高达20O0mg/L时,固定化细胞显示出其优越性。Crawfo记等人利用固定化黄杆菌(尸z“刃砧口cter,ltm)降解五氯苯酚,当酚浓度为300mg/L时,五氯苯酚降解速率达3.5一4.omg/(g.d)。Rehm等人采用活性炭吸附法和聚丙烯酸胺包埋法固定化酚降解菌,用于分解苯酚及其衍生物:周相林等人对固定化微生物降解含氰化合物进行了研究。2.3.2农药、杀虫剂废水的处理〔‘卜“1Portier等人研究了固定化纯微生物菌株处理含氯乙酸盐的杀虫剂生产废水。他们从受污染的水体中分离得到具有分解氯乙酸钠能力的尸,‘ud朋Zona,菌株,用多孔性载体CeliteR一630进行吸附固定。中试规模的试验结果表明,在水力停留时间为10.9一16.Zh时,可使进水浓度高达600Omg氯乙酸钠/L降至小于10mg/L。去除率达99写,T(芜的去除率也达89%。Aitkhozhina等人固定化尸肥“d,~,l’n-d’’goj十ra用于除去残留在土壤中的杀虫剂。MacRae等人利用磁铁矿吸附Rh。dosPha~朋at’SPhaer℃心es和Al’.al心e。troPhu,,除去受污染水体中的2,4一二氯苯氧基乙酸(2,4一D)和2,4,5一三氯苯氧基乙酸(2,4,5一T)。Yang,T.P.等人用三醋酸纤维素包埋固定化酚驯化污泥来降解2,4一D。当进水中2,4一D浓度为25omg/IJ时,出水浓度可降至小于15mg/IJ,去除率达97%。2.3.3重金属离子的除去或回收[’5一5‘〕Michel,L.J.等人利用聚丙烯酞胺包埋闽定化柠檬酸细菌(食群沾口“叮Sp.),用于富集废环境科学14卷5期水中的金属福比·15〕在最优条件下,使用单级固定化细胞反应柱.金属去除率达96%,使用三级固定化细胞反应柱.金属去除率达100%。这种囚定化细胞不仪一可)lJ于去除金属(刁,同样也适)}J于去除金属PI)、〔’。·忿以及其它金属川、,,〕。I川飞c”等人“‘,}研究了利用海藻酸钙包埋固定社化亚铁硫杆菌口,h斤功口cill左;介~idan,)川川涂去铁离户、以*rnall等人曰6卜对利用固定化藻类细胞回收屯金属离子进行厂研究。2.3.4固定化细胞用于印染废水的处理比5了)刘志培等人{,利用聚乙烯醇固定化混合细菌细胞,进行一r印染废水脱色的研究。试验结果表明:固定化细胞对印染废水的脱色活性与其自然细胞相似,最适温度为30一40(’,最适pH为7.。口在pH6.O一8.。和温度25一4oC,范围内都具有较高的脱色活性,固定化细胞的热稳定性增加。在连续一个月的试验中,水力停留时间小于3.0卜,脱色率均可维持在7()%一80%,达到r处理要求,该法具有较高的实用价值。韩树琴等人娜〕报道过用琼脂包埋固定化细咆进行染料配水脱色的研究。王孔星等人比丁」进行了固定化细菌细胞处理印染废水的中试研究。他们选用多孔硅酸盐材料做无机载体,吸附固定化混合脱色菌。试验用塔高Inl.改径1.6m,总体积7.4m污。装填料约7m:‘装填料后,塔内水容积为4m3。试验结果表明,用生化曝气池后的二沉池出水再经固定化细胞反应塔脱色处理80min,色度去除率平均达85.15%,出水色度均在100以下,符合排放标准。该法工艺简单,便于管理.宜于推广使用。3固定化细胞在废水处理中的应用前景固定化微生物法以其独特的优点近年来在废水处理领域中引起了人们的普遍关注并获得rJ’一泛的研究,但要实用化还有许多问题需要解口七:(l)实际废水是个十分复杂的混合体系,用单一菌种处理一般很难达到要