生物固定化技術在含氮廢水處理中的研究
“固定化生物催化劑(immobilizedbiocatalysts)”這一術語于1983年首次出現在美國著名的雜志EnzymeMicrobial.Technol.上,而固定化生物催化劑的準確定義如下:“固定化生物催化劑是使用物理或化學方法限制或定位在某一特定空間范圍內,保留了其固有的催化活性,能被重復和連續使用的酶、微生物細胞、動植物細胞、細胞器等生物催化劑。
固定化(immobilization)技術是使生物催化劑更廣泛、更有效的一種重要手段。任何一種限制生物催化劑自由流動的技術都可以用于制備固定化生物催化劑。目前,該技術已由原來的單一固定化酶、固定化微生物細胞發展到固定化動植物細胞、固定化細胞器、固定化原生質體、固定化微生物分子孢子以及酶與微生物細胞、好氧微生物與厭氧微生物的聯合固定化(co-immobilization)等,20世紀70年代后迅速成為生物、環境等領域的一個研究熱點。在初期,它主要用于發酵生產。隨著日益嚴重的水污染問題,迫切要求開發高效的廢水處理新技術,人們開始利用細胞固定化技術取代傳統的活性污泥法,用于各種污染物的轉化和降解。并將從活性污泥中分離、篩選出來的優勢菌種加以固定,組成一個快速、高效、連續的廢水處理系統,這樣就可以免除污泥處理的二次污染。它與傳統的懸浮生物處理法相比,具有處理效率高、穩定性強、反應易于控制、菌種高純高效、生物濃度高、產污泥量少、固液分離效果好、喪失活性可恢復等優點。因此,該技術有著極大的應用潛力和發展前景。本文系統闡述了細胞固定化技術及其在廢水處理中的研究和應用現狀,提出了該領域的主要研究方向,旨在加速該技術在廢水特別是高濃度氨氮廢水處理中的推廣和應用。
1 細胞固定化技術的研究現狀
1.1 細胞固定化技術分類
固定化細胞的制備方法多種多樣,目前國內外仍未有統一的分類標準。但總體可分為載體結合法、交聯法和系統截留法、載體分隔法4大類。
載體結合法是通過物理吸附、化學、離子結合或生物特異性的辦法,將細胞固定在合適的載體上,如生物膜法。包括物理吸附法、共價結合法、離子結合法、生物特異性吸附法。
交聯法又稱無載體固定法,是利用兩個功能團以上的試劑,與細胞表面的反應基團如氨基、羥基等進行交聯,形成共價鍵來固定細胞。包括化學交聯法、物理交聯法。
系統截留法利用各種半透膜(如滲析膜、超濾膜、反滲透膜、中空纖維膜等)將生物催化劑以可溶形式限定在一定的空間范圍內,或將過濾、離心、沉淀后的生物催化劑返回到生物反應中循環使用。其中,中空纖維膜(hollowfibermem2branc)生化反應最有實用價值。
載體分隔法是指依靠載體對生物催化劑的物理阻擋來實現生物催化劑的固定化。它又分為包埋法和微膠囊法。微膠囊固定化法是指通過乳化作用(emulsification)將生物催化劑包埋在各種多聚物制成的半透性微膠囊內的方法。包埋法則是使細胞擴散進入多孔性載體內部,利用高聚物在形成凝膠時將細胞包埋在其內部,從而達到固定細胞的目的。
微生物在載體表面附著固定過程可以看作載體表面與微生物表面間的相互作用,從液相理論分析,細菌在載體表面附著、固定過程如圖1所示。
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1.2 細胞固定化技術方法比較
盡管固定化方法多種多樣,但沒有一種理想的、普遍適用的方法。各種方法的優缺點見表1。
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1.3 細胞固定化載體
細胞固定化載體是細胞固定化包埋技術的關鍵,它大致分成兩大類,一類是天然高分子凝膠載體,如海藻酸鈣、瓊脂、角叉菜膠等;另一類是有機合成高分子凝膠載體,如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅膠、光硬化樹脂等。
天然高分子凝膠一般對生物無毒,傳質性能良好,但強度較低,在厭氧條件下易被微生物分解。由天然海藻提取的海藻酸鈉溫和無毒,適合于固定活細胞或敏感細胞,它的價格較低,是應用比較廣泛的細胞固定化載體。有機合成高分子凝膠一般強度較高,化學穩定性好,但傳質性能稍差,在進行包埋時對細胞的活性有影響,易造成細胞失活。
因此,理想的細胞固定化載體應該具備的條件是:①對微生物無毒;②性質穩定,不易被微生物分解,并能耐受由于生物繁殖引起的破裂;③傳質性能良好,透氣性和透光性良好;④強度高,壽命長;⑤價格低廉。開發具有上述性能的載體,是細胞固定化技術研究中十分重要的課題。
2 細胞固定化技術在含氮廢水處理中的應用研究
由于固定化細胞技術用于廢水生物處理,與傳統的懸浮生物處理法相比,能純化和保持高效菌種,微生物濃度高,污泥產量少,固液分離效果好。因此,該項技術在廢水生物處理,尤其是在特種廢水處理領域中,獲得了廣泛的研究。固定化細胞技術已用于BOD物質的去除、硝化反硝化、脫磷、去酚、氰的降解、LAS降解、重金屬離子的去除與回收以及印染廢水的脫色處理等。近年來,固定化硝化菌脫氮技術已經從實驗室和小規模試驗階段進入大規模的生產性試驗階段。
2.1 單獨包埋
硝化菌、反硝化菌單獨包埋利用了固定化細胞微生物濃度高的特點,將傳統生物處理中的懸浮生物固定在包埋劑中。該法固定化技術相對較簡單。據文獻報道,將常規的活性污泥法改造成促進型循環脫氮法,標準處理量為2250m3/d(最高3000m3/d),平均進水BOD為200mg/L,TN為39mg/L。連續運行結果:年平均出水NH4TN小于1mg/L,TN小于10mg/L,獲得了良好的處理效果。市村等人用PVA-SBQ與海藻酸鈉結合包埋硝化菌,在流化床中連續硝化250d可將NH3TN從80mg/L降至20mg/L,NH3容積負荷達2kg/(m3·d)。角野以聚丙烯酰胺為載體包埋硝化菌,在填充率為7.5%的流化床中,對曝氣池活性污泥混合液進行連續處理,停留時間僅2h,就可以達到完全硝化。Wijffels采用將反硝化菌固定在聚丙烯酰胺中的方法進行連續脫氮實驗,進水NO3-N濃度為8～16mol/m3;固定化細胞的填充率為11.1%時,脫氮率可達90%以上;填充率為16.5%時,脫氮率可達95%。Tramper也曾經用海藻酸鈉和角叉菜膠包埋硝化菌進行一系列廢水硝化的研究。
2.2 混合包埋
在含氮廢水的處理中,常規活性污泥法對一般有機物的去除率可以達到90%以上,但由于工藝過程中幾乎不發生硝化作用,總凱氏氮的去除率僅在10%～30%之間。近年來國內外水環境標準的嚴格化,促使人們對活性污泥法進行工藝流程的改進,出現了A/O生物脫氮工藝等污水處理新工藝(工藝流程見圖2)。但該工藝仍然存在著諸如硝化菌群增殖速度慢、抗金屬及有機物沖擊的能力不強等缺點。
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然而在利用固定化微生物脫氮時,由于存在樣擴散的限制,在固定化細胞顆粒、生物膜、細胞聚集體中存在著好氧區和缺氧區或厭氧區。這樣,硝化菌的產物可作為反硝化菌的底物,硝化和反硝化兩階段反應即可在同一反應器中完成,實現同時硝化和反硝化(SND)。這種改進工藝流程見圖3。由于省去了第二階段的厭氧反硝化池或減少其尺寸,從而大大簡化了生物脫氮的工藝流程。
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2.2.1 硝化菌和反硝化分層包埋
該工藝人為地將反硝化菌限制在顆粒的中央部位,而硝化菌生長在顆粒表層。兩類微生物的機械分層為硝化提供了有利的條件,避免了好氧條件下反硝化菌與硝化菌爭奪溶解氧;另一方面,也避免了反硝化菌在有機碳源存在下的過液增殖。而選擇性地固定亞硝化菌,將硝化反應控制在亞硝化階段,則可以實現短程硝化反硝化。
DosSantos等人以海藻酸鈉和K角叉菜膠為載體分層包埋硝化菌和反硝化菌。他們先將反硝化菌與海藻酸鈉、KCl溶液混合,然后將其滴入攪拌的含硝化菌、K角叉菜膠和CaCl2的溶液中,制成內層為海藻酸鈉包埋反硝化菌,外層為K角叉菜膠包埋硝化菌的復合小球。反硝化菌直接還原硝化反應產生的亞硝酸鹽,避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽的兩個多余步驟,降低了對氧及有機物的需求。在好氧條件下,連續運行時氮[N/(m3·s)]的去除率高達5.1mmolN/(m3·s),但該法固定化過程比較復雜,可供選擇的載體較少,不便于大規模制備固定化細胞。另外,根據Uemoto和Saiki對混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究發現,運行一段時間后其在體內的分布自然會發生變化,硝化菌集中于外層,反硝化菌集中于內層,中間過濾層兩者共存,因此,沒有將硝化菌和反硝化菌分層包埋的必要。
2.2.2 硝化菌和反硝化菌混合包埋
本工藝主要是利用擴散阻力在顆粒內部產生的氧濃度梯度形成的好氧區、缺氧區和厭氧區,在載體內部形成了適合硝化和反硝化兩個過程有機結合的環境,在顆粒污泥表層由于氧的存在而進行氨的氧化反應,顆粒內部因為缺氧條件下利用氨的氧化產物進行反硝化反應,從而實現單級生物脫氮。詳見圖4。
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最早從事硝化菌和反硝化菌混合固定研究的是日本的Kokufuta等人。他們利用聚電解質固定亞硝化菌和反硝化菌的混合細胞,并與單獨固定的亞硝化菌作了比較。結果前者能實現完全脫氮,并且系統中未檢測到NO2-N的存在;而后者最終只能將NH+3-N氧化成NO-2-N,無脫氮效果。
曹國民等人利用兩種常用的固定化載體海藻酸鈉和聚乙烯醇混合固定硝化菌和反硝化菌,研究了好氧條件下同時硝化和反硝化的可行性及其脫氮特性。結果表明,硝化菌和反硝化菌混合固定時,由于載體內部形成了適合硝化和反硝化的環境,可以在好氧條件下同時進行硝化和反硝化,實現單級生物脫氮。混合固定時的氨氧化速度約為硝化菌單獨固定時的14倍,總無機氮[N/(m3·d)]的去除率達0.11mmol/(m3·s),約為PSB脫氮速度的2.6倍。硝化菌和反硝化菌混合固定后對溫度的敏感性減小,并且在較寬的溶解氧范圍內(2～6mg/L)保持穩定的脫氮速度,具有良好的應用前景。
3 細胞固定化技術的發展前景
細胞固定化技術以其特有的優點在廢水處理領域中引起了普遍的關注,但由于載體成本大,提酶過程復雜,還需對廢水進行適當的預處理等,目前尚處于實驗研究階段,所以要實現其實用化或工業化,還有許多問題需要進一步研究解決,主要的研究方向如下:
(1)尋找高效、廉價、抗毒性強的生物。
(2)廉價固定化微生物載體的開發。
(3)如何提高載體的使用壽命。
(4)開發高效的固定化反應器。
(5)研究對生物無破壞性、高效率的解吸劑。
相信通過不斷的研究和改進,細胞固定化技術必將成為一項高效而實用的廢水處理技術,在廢水處理中獲得廣泛的應用。
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