淺談固定化細(xì)胞技術(shù)在機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

曾志航

(惠州市保家環(huán)境工程有限公司,廣東 惠州 516000)

一、固定化細(xì)胞概論：

固定化細(xì)胞是指固定在水不溶性載體上，在一定的空間范圍進(jìn)行生命活動(dòng)（生長(zhǎng)、繁殖和新陳代謝等）的細(xì)胞。它是用于獲得細(xì)胞的酶和代謝產(chǎn)物的一種方法，起源于20世紀(jì)70年代，是在固定化酶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。由于固定化細(xì)胞能進(jìn)行正常的生長(zhǎng)、繁殖和新陳代謝，所以又稱(chēng)固定化活細(xì)胞或固定化增殖細(xì)胞。通過(guò)各種方法將細(xì)胞和水不溶性載體結(jié)合，制備固定化細(xì)胞的過(guò)程稱(chēng)為細(xì)胞固定化。

固定化細(xì)胞(簡(jiǎn)稱(chēng)IMC)是利用物理或化學(xué)的手段將微生物細(xì)胞限制或定位于限定的空間區(qū)域,并保持其活性,以便反復(fù)連續(xù)使用。最初主要用于工業(yè)微生物發(fā)酵中。70年代后期,由于水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,迫切需要開(kāi)發(fā)高效廢水處理技術(shù)。

二、試驗(yàn)方法及材料

本文首先對(duì)5種IMC載體進(jìn)行系統(tǒng)的比較,篩選出較為適用于廢水處理中的載體。在此基礎(chǔ)上,以含難降解有機(jī)物成分的洗衣粉廢水和四環(huán)素廢水為對(duì)象,分別進(jìn)行IMG的處理試驗(yàn)。

2.1 IMC小球的制備

本研究采用包埋固定化法。IMC小球的制備方法如圖1所示。包埋劑溶液與細(xì)菌懸濁液混合后,用注射器將其注入交聯(lián)劑溶液中,在包埋劑與交聯(lián)劑交聯(lián)、聚合形成凝膠的過(guò)程中將細(xì)菌包埋在其內(nèi)部。得到的凝膠小球即為IMC小球。

試驗(yàn)用的包埋劑及相應(yīng)的交聯(lián)劑見(jiàn)表1

注:同時(shí)加入聚合開(kāi)始劑:2.5%過(guò)硫酸鐵;聚合加速劑:5%二甲按基丙睛

2.2 IMC處理洗衣粉廢水試驗(yàn)

合成洗衣粉的主要品種是直鏈烷基苯磺酸鈉(簡(jiǎn)稱(chēng)LAS)。用含合成洗衣粉的培養(yǎng)基篩選并富集降解LAS的細(xì)菌。將篩選富集得到的細(xì)菌懸濁液與包埋劑混合,采用PVA一硼酸法,按圖1所示制備IMC小球。PVA的最終濃度為12.5%,交聯(lián)時(shí)間為24h。

在裝有自制洗衣粉廢水300mL的玻璃瓶中,加相當(dāng)于廢水體積30%的IMC小球。在30℃恒溫?fù)u床中培養(yǎng)。每天換一次水,每隔幾天測(cè)定LAS降解的歷時(shí)曲線。

2.3 IMC處理四環(huán)素康水試驗(yàn)。

四環(huán)素結(jié)晶母液一般COD濃度高達(dá)18000mg/L,四環(huán)素濃度5000mg/L,草酸濃度5000mg/L,先用CaCl2回收草酸,然后將其稀釋至COD為1000mg/L~6000mg/L后作為試驗(yàn)用水。

將在厭氧條件下馴化一段時(shí)間后的污泥,用PVA一硼酸法按圖1進(jìn)行包埋。PVA最終濃度為7.7%,包泥量為47%,交聯(lián)時(shí)間為24h.以IMC小球作為產(chǎn)甲烷相,用二相厭氧工藝處理四環(huán)素結(jié)晶母液稀釋廢水,并與UASB為產(chǎn)甲烷相的一般二相厭氧工藝進(jìn)行了比較。兩套系統(tǒng)的產(chǎn)酸相合用一個(gè)反應(yīng)器,為普通升流式厭氧污泥床,有效容積1.2L,停留時(shí)間為3h,IMC和UASB產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器的有效容積分別為0.45L和1.8L,停留時(shí)間均控制在24h,厭氧運(yùn)行溫度為35℃ 。

三、試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 各種IMC載休的性能比較

適用于廢水處理的理想的IMC載體應(yīng)該是對(duì)生物無(wú)毒,傳質(zhì)性能良好,機(jī)械強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng),固定操作容易,且價(jià)格便宜。

對(duì)按圖1制備的瓊脂、明膠、海藻酸鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)SA)、聚乙烯醇(簡(jiǎn)稱(chēng)PVA)和丙烯酞餒(簡(jiǎn)稱(chēng)ACRM)5種凝膠作為IMC載體時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)性能等比較結(jié)果如下:

1)在5種包埋劑中,瓊脂機(jī)械強(qiáng)度極差,無(wú)實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值；

2)ACRM凝膠中未聚合的單體對(duì)生物有毒,且在聚合過(guò)程中發(fā)熱,對(duì)細(xì)菌殺傷大;傳質(zhì)性能較差,IMC小球內(nèi)的微生物增殖不好;固定操作不易；

3)明膠強(qiáng)度較低,內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí),傳質(zhì)性能較差；

4)SA凝膠和PVA凝膠,機(jī)械強(qiáng)度較好;電鏡觀察表明內(nèi)部呈多孔結(jié)構(gòu),對(duì)生物的毒性小,固定操作容易。

5種IMC載體的各性能比較見(jiàn)表2。

表2 各種IMC載體性能比較

對(duì)SA凝膠和PVA凝膠進(jìn)一步的研究表明:PVA凝膠的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于SA凝膠,但SA凝膠的傳質(zhì)性能比PVA凝膠好。將兩種IMC小球置于紅墨水中,30min時(shí),紅墨水沿半徑5.Omm的PVA小球徑向僅擴(kuò)散進(jìn)入0.6mm~0.8mm,而SA小球幾乎全部變紅。在穩(wěn)定性方面,SA凝膠易在PO2溶液中溶解,pH>10時(shí),容易破碎；而PVA性能受pH變化影響甚微,但PVA由于交聯(lián)不徹底,有小量TOC溶出。通過(guò)用Na2:CO3:事先將硼酸溶液的pH調(diào)到6.7左右,再進(jìn)行交聯(lián),可減少TOC溶出,并可增加高溫時(shí)凝膠強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

綜合以上結(jié)果,目前較為合適的IMC載體為PVA,但需對(duì)傳質(zhì)性能進(jìn)一步改善。

2.2 IMC處理洗衣粉廢水效果。

半連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,運(yùn)行開(kāi)始前PVA小球尚未經(jīng)過(guò)培養(yǎng),活性不高,圖中LAS濃度曲線在0~3h內(nèi)的降解,可以認(rèn)為主要是由于PVA小球的吸附所造成。隨著運(yùn)行時(shí)間及LAS降解速率增加,運(yùn)行到第八天,降解速率達(dá)最大,在進(jìn)水L AS濃度40mg/L時(shí),在3h內(nèi)就可將LAS降解97.8%。當(dāng)進(jìn)水LAS濃度升高為70mg/L時(shí),LAS的降解速率并沒(méi)有因?yàn)槠錆舛鹊奶岣叨档秃芏唷５S著運(yùn)行時(shí)間的增加,PVA小球的活性有所下降。運(yùn)行到20天,3h的LAS去除率只有81%。這可能是由于LA S降解產(chǎn)物中有不利于LAS降解菌生長(zhǎng)的物質(zhì)產(chǎn)生,積累到一定量時(shí),導(dǎo)致PVA小球活性下降。采用低濃度LAS進(jìn)水對(duì)PVA小球進(jìn)行活化培養(yǎng)，可恢復(fù)PVA小球的活性，反復(fù)使用。半連續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行了幾個(gè)月，結(jié)果表明PVA小球一直保持了良好的強(qiáng)度，沒(méi)有破碎。

圖2 LAS降解經(jīng)時(shí)變化曲線

2.3 IMC處理四環(huán)素廢水效果

如圖3所示，在進(jìn)水COD濃度<3500mg/L，即產(chǎn)酸相出水COD<3000mg/L時(shí)，IMC產(chǎn)甲烷相的COD去除率為65%~70% ，以二相計(jì)時(shí)，COD去除率為73%左右。而UASB產(chǎn)甲烷相的COD去除率為60%~65%，以二相計(jì)時(shí)，COD去除率為69%左右。當(dāng)進(jìn)水COD濃度>3500mg/L時(shí)，UASB受沖擊負(fù)荷的影響，COD去除率明顯下降，即使進(jìn)水COD濃度又下降到3000mg/L左右時(shí)，其COD去除效果仍恢復(fù)較慢。相比之下，IMC反應(yīng)器受進(jìn)水沖擊負(fù)荷影響較小。由此可見(jiàn)，IMC反應(yīng)器比UASB反應(yīng)器處理效率高，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)主要是因?yàn)樵赨ASB反應(yīng)器中，廢水中含有大量對(duì)微生物有抑制性的四環(huán) (COD=300Omg/L時(shí)，四環(huán)素濃度約為20Omg/L)，反應(yīng)器內(nèi)難以生成顆粒污泥，維持較高污泥濃度。經(jīng)觀察，UASB反應(yīng)器內(nèi)的污泥大部分集中在反應(yīng)器底部，污泥層占反應(yīng)器總體積的50% ，污泥濃度約為15.6gVSS/L。而在IMC反應(yīng)器中，由于IMC的利用，可人為高濃度地維持反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度。IM C均勻分布在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，堆積體積占反應(yīng)器總體積的89% ，污泥濃度約為17gVSS/L。

此外，在抵抗四環(huán)素毒性方面，IMC也比UASB更具有優(yōu)勢(shì)。

如圖4所示，在四環(huán)素濃度高達(dá)700mg/L時(shí)，UASB污泥的甲烷產(chǎn)量已降低了50% ，而IMC的甲烷產(chǎn)量變化卻不大，這主要是由于在非固定的懸浮污泥系統(tǒng)中，微生物與四環(huán)素直接接觸，受其毒性的影響較大。而在IMC系統(tǒng)中，廢水中的四環(huán)素必須先經(jīng)擴(kuò)散才能進(jìn)入IMC小球內(nèi)部。由于擴(kuò)散作用，從IMC小球外部到內(nèi)部，四環(huán)素濃度由高變低，其毒性減小。此外，在四環(huán)素?cái)U(kuò)散過(guò)程中，伴隨微生物對(duì)四環(huán)素的降解，使其毒性進(jìn)一進(jìn)減輕。IMC的這種抗有毒物毒性能力強(qiáng)的特點(diǎn)更增加了IMC反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷的能力及運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 UASB產(chǎn)甲烷相COD去除率

2 IMC產(chǎn)甲烷相COD去除率

3二相UASB總COD去除率

4二相IMC總COD去除率

5進(jìn)水COD濃度

6產(chǎn)酸相出水COD濃度

7 UASB出水COD濃度

8 IMC出水COD濃度

圖3 四環(huán)素廢水COD去除效果

此外，IMC反應(yīng)器出水的SS比UASB反應(yīng)器少，在高負(fù)荷時(shí)U A S B反應(yīng)器出水的SS明顯增加。試驗(yàn)兩個(gè)多月，IMC小球除個(gè)別破碎外，大部分完好。

圖4 甲烷產(chǎn)量與四環(huán)素之間的關(guān)系

四、總結(jié)以上討論

1、在5種固定化細(xì)胞載體中，PVA凝膠是較為合適的載體，但需進(jìn)一步對(duì)其傳質(zhì)性能進(jìn)行改善;

2、IMC處理洗衣粉廢水的半連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果表明，在廢水中的LAS濃皮為，10mg/L—70mg/L時(shí)，3h內(nèi)LAS可降解90%以上，

3、IMC作為產(chǎn)甲烷相的二相厭氧工藝處理四環(huán)素廢水的結(jié)果表明，在產(chǎn)酸祝}和產(chǎn)甲烷相停留時(shí)間分別為3h和24h，COD去除率可達(dá)73%左右，大于一般UASB反應(yīng)器的去除率。

4、IMC處理廢水效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。

IMC廢水處理技術(shù)目前主要還停留在實(shí)驗(yàn)室研究水平，在實(shí)際應(yīng)用方面還有許多問(wèn)題有待解決，我們將在本研究的墓礎(chǔ)上，對(duì)IMC的實(shí)際應(yīng)用研究作進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以期IMC技術(shù)在廢水處理中更具有實(shí)用性。

結(jié)語(yǔ)

相信通過(guò)不斷的研究，固定化細(xì)胞技術(shù)在廢水處理中會(huì)成為一項(xiàng)高效而實(shí)用的廢水處理技術(shù)，并獲得廣泛的應(yīng)用。

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