浅谈固定化细胞技术在机废水处理中的应用

摘 要： 固定化细胞是指固定在水不溶性载体上，在一定的空间范围进行生命活动（生长、繁殖和新陈代谢等）的细胞。它是用于获得细胞的酶和代谢产物的一种方法,是在固定化酶的基础上发展起来的新技术。本文根据自己多年环境工程的工作经验，对固定化细胞处理有机废水作为了详细的阐述与探讨。

关键词：因定化细胞；微生物；包埋剂；细菌悬浊液

中图分类号：X70文献标识码：A

一、固定化细胞概论：

固定化细胞是指固定在水不溶性载体上，在一定的空间范围进行生命活动（生长、繁殖和新陈代谢等）的细胞。它是用于获得细胞的酶和代谢产物的一种方法，起源于20世纪70年代，是在固定化酶的基础上发展起来的新技术。由于固定化细胞能进行正常的生长、繁殖和新陈代谢，所以又称固定化活细胞或固定化增殖细胞。通过各种方法将细胞和水不溶性载体结合，制备固定化细胞的过程称为细胞固定化。

固定化细胞(简称IMC) 是利用物理或化学的手段将微生物细胞限制或定位于限定的空间区域, 并保持其活性, 以便反复连续使用。最初主要用于工业微生物发酵中。70年代后期,由于水污染问题日益严重, 迫切需要开发高效废水处理技术。

二、试验方法及材料

本文首先对5种IMC载体进行系统的比较,筛选出较为适用于废水处理中的载体。在此基础上,以含难降解有机物成分的洗衣粉废水和四环素废水为对象, 分别进行IMG的处理试验。

2.1 IMC小球的制备

本研究采用包埋固定化法。IMC小球的制备方法如图1所示。包埋剂溶液与细菌悬浊液混合后,用注射器将其注入交联剂溶液中,在包埋剂与交联剂交联、聚合形成凝胶的过程中将细菌包埋在其内部。得到的凝胶小球即为IMC小球。

试验用的包埋剂及相应的交联剂见表1

2.2 IMC处理洗衣粉废水试验

合成洗衣粉的主要品种是直链烷基苯磺酸钠(简称LAS)。用含合成洗衣粉的培养基筛选并富集降解LAS的细菌。将筛选富集得到的细菌悬浊液与包埋剂混合, 采用PVA一硼酸法,按图1所示制备IMC小球。PVA的最终浓度为12.5% ,交联时间为24h。

在装有自制洗衣粉废水300mL的玻璃瓶中,加相当于废水体积30%的IMC小球。在30℃恒温摇床中培养。每天换一次水, 每隔几天测定LAS降解的历时曲线。

2.3 IMC处理四环素康水试验。

四环素结晶母液一般COD浓度高达18000mg/L ,四环素浓度5000mg/L ,草酸浓度5000mg/L,先用CaCl2回收草酸, 然后将其稀释至COD为1000mg/L ~6000mg/L后作为试验用水。

将在厌氧条件下驯化一段时间后的污泥,用PVA一硼酸法按图1进行包埋。PVA最终浓度为7.7%,包泥量为47% ,交联时间为24h.以IMC小球作为产甲烷相, 用二相厌氧工艺处理四环素结晶母液稀释废水, 并与UASB为产甲烷相的一般二相厌氧工艺进行了比较。两套系统的产酸相合用一个反应器,为普通升流式厌氧污泥床, 有效容积1.2L,停留时间为3h ,IMC和UASB产甲烷相反应器的有效容积分别为0.45L和1.8L,停留时间均控制在24h,厌氧运行温度为35℃ 。

三、试验结果与讨论

3.1 各种IMC载休的性能比较

适用于废水处理的理想的IMC载体应该是对生物无毒, 传质性能良好, 机械强度高，寿命长,固定操作容易,且价格便宜。

对按图1 制备的琼脂、明胶、海藻酸钙(简称SA)、聚乙烯醇( 简称PVA)和丙烯酞馁(简称ACRM)5种凝胶作为IMC载体时的机械强度、传质性能等比较结果如下:

1 )在5种包埋剂中,琼脂机械强度极差,无实际工程应用价值；

2 )ACRM凝胶中未聚合的单体对生物有毒,且在聚合过程中发热,对细菌杀伤大;传质性能较差,IMC小球内的微生物增殖不好; 固定操作不易；

3 )明胶强度较低,内部结构密实, 传质性能较差；

4 )SA凝胶和PVA凝胶,机械强度较好;电镜观察表明内部呈多孔结构,对生物的毒性小, 固定操作容易。

5种IMC载体的各性能比较见表2 。

对SA凝胶和PVA凝胶进一步的研究表明: PVA凝胶的机械强度优于SA凝胶,但SA 凝胶的传质性能比PVA凝胶好。将两种IMC小球置于红墨水中,30min时, 红墨水沿半径5.Omm的PVA小球径向仅扩散进入0.6mm ~0.8mm,而SA小球几乎全部变红。在稳定性方面,SA凝胶易在PO2溶液中溶解,pH >10 时,容易破碎；而PVA性能受pH变化影响甚微, 但PVA由于交联不彻底,有小量TOC溶出。通过用Na2:CO3: 事先将硼酸溶液的pH调到6.7左右,再进行交联,可减少TOC溶出,并可增加高温时凝胶强度的稳定性。

综合以上结果,目前较为合适的IMC载体为PVA ,但需对传质性能进一步改善。

2.2IMC处理洗衣粉废水效果。

半连续试验结果如图2 所示, 运行开始前PVA小球尚未经过培养,活性不高,图中LAS浓度曲线在0~ 3h内的降解,可以认为主要是由于PVA小球的吸附所造成。随着运行时间及LAS降解速率增加,运行到第八天,降解速率达最大, 在进水L AS浓度40mg/L时,在3h内就可将LAS降解97.8%。当进水LAS浓度升高为70mg/ L时, LAS的降解速率并没有因为其浓度的提高而降低很多。但随着运行时间的增加, PVA小球的活性有所下降。运行到20天,3h的LAS去除率只有81%。这可能是由于LA S降解产物中有不利于LAS降解菌生长的物质产生,积累到一定量时,导致PVA小球活性下降。采用低浓度LAS进水对PVA小球进行活化培养，可恢复PVA小球的活性， 反复使用。半连续试验进行了几个月，结果表明PVA小球一直保持了良好的强度， 没有破碎。

图2 LAS降解经时变化曲线

2.3 IMC处理四环素废水效果

如图3所示，在进水COD浓度<3500mg/L ，即产酸相出水COD<3000mg/L时，IMC产甲烷相的COD去除率为65%~70% ，以二相计时，COD去除率为73%左右。而UASB产甲烷相的COD去除率为60%~ 65%，以二相计时，COD去除率为69 %左右。当进水COD浓度>3500mg/L时，UASB受冲击负荷的影响，COD去除率明显下降，即使进水COD 浓度又下降到3000mg/L左右时，其COD去除效果仍恢复较慢。相比之下，IMC反应器受进水冲击负荷影响较小。由此可见， IMC反应器比UASB反应器处理效率高，抗冲击负荷能力强主要是因为在UASB反应器中，废水中含有大量对微生物有抑制性的四环(COD =300Omg/L时，四环素浓度约为20Omg/L) ，反应器内难以生成颗粒污泥， 维持较高污泥浓度。经观察，UASB反应器内的污泥大部分集中在反应器底部，污泥层占反应器总体积的50% ，污泥浓度约为15.6gVSS/L。而在IMC 反应器中， 由于IMC的利用，可人为高浓度地维持反应器内的污泥浓度。IM C 均匀分布在整个反应器内， 堆积体积占反应器总体积的89% ， 污泥浓度约为17gVSS/L。

此外， 在抵抗四环素毒性方面，IMC也比UASB更具有优势。

如图4 所示， 在四环素浓度高达700mg/L时，UASB污泥的甲烷产量已降低了50 % ， 而IMC的甲烷产量变化却不大，这主要是由于在非固定的悬浮污泥系统中， 微生物与四环素直接接触， 受其毒性的影响较大。而在IMC系统中，废水中的四环素必须先经扩散才能进入IMC小球内部。由于扩散作用， 从IMC小球外部到内部，四环素浓度由高变低， 其毒性减小。此外，在四环素扩散过程中，伴随微生物对四环素的降解，使其毒性进一进减轻。IMC的这种抗有毒物毒性能力强的特点更增加了IMC反应器抗冲击负荷的能力及运行的稳定性。

1 UASB产甲烷相COD去除率

2 IMC产甲烷相COD去除率

3 二相UASB总COD去除率

4 二相IMC总COD去除率

5进水COD浓度

6 产酸相出水COD浓度

7 UASB出水COD浓度

8 IMC出水COD浓度

此外， IMC反应器出水的SS比UASB反应器少， 在高负荷时U A S B 反应器出水的SS明显增加。试验两个多月， IMC小球除个别破碎外， 大部分完好。

四、总结以上讨论

1、 在5种固定化细胞载体中，PVA凝胶是较为合适的载体， 但需进一步对其传质性能进行改善;

2、 IMC处理洗衣粉废水的半连续试验结果表明， 在废水中的LAS浓皮为，10mg/ L

—70mg/L时，3h内LAS可降解90%以上，

3、 IMC作为产甲烷相的二相厌氧工艺处理四环素废水的结果表明， 在产酸祝}和产甲烷相停留时间分别为3h和24h ，COD去除率可达73%左右，大于一般UASB反应器的去除率。

4、 IMC处理废水效果良好，系统运行稳定， 抗冲击负荷能力强。

IMC废水处理技术目前主要还停留在实验室研究水平， 在实际应用方面还有许多问题有待解决， 我们将在本研究的墓础上， 对IMC的实际应用研究作进一步开发，以期IMC技术在废水处理中更具有实用性。

结语

相信通过不断的研究，固定化细胞技术在废水处理中会成为一项高效而实用的废水处理技术，并获得广泛的应用。

参考文献

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