微生物固定法处理高浓度氨氮废水的工业化途径

生物固定化技术(Immobilized Microbes Pellets)是生物工程中的一项新兴技术，是利用物理或化学手段将微生物限制或定位于限定的空间区域，使之成为水不溶性，但仍能保留生物活性且在适宜的条件下还可以增殖的技术。固定化(immobihzafion)技术是使生物催化剂更广泛、更有效的一种重要手段。任何一种限制生物催化剂自由流动的技术都可以用于制备固定化生物催化剂。目前，该技术已由原来的单一固定化酶、固定化微生物细胞发展到固定化动植物细胞、固定化细胞器、固定化原生质体、固定化微生物分子孢子以及酶与微生物细胞、好氧微生物与厌氧微生物的联合固定化(co—immobilization)等，20世纪70年代后迅速成为生物、环境等领域的一个研究热点。在初期，它主要用于发酵生产。随着日益严重的水污染问题，迫切要求开发高效的废水处理新技术，人们开始利用细胞固定化技术取代传统的活性污泥法，用于各种污染物的转化和降解。并将从活性污泥中分离、筛选出来的优势菌种加以固定，组成一个快速、高效、连续的废水处理系统，这样就可以免除污泥处理的二次污染。它与传统的悬浮生物处理法相比，具有处理效率高、稳定性强、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度高、产污泥量少、固液分离效果好、丧失活性可恢复等优点。因此，该技术有着极大的应用潜力和发展前景。本文阐述了细胞固定化技术及其在废水处理中的研究和应用现状，提出了该领域的主要研究方向，旨在加速该技术在废水特别是高浓度氨氮废水处理中的工业化推广和应用.
一 微生物固定化技术 目前关于生物固定化技术的实验已经做了不少，但要真正将生物固定化技术工业化仍存在一定的难度，现就微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水实现工业化过程中遇到的难题加以分析，努力找到实现微生物固定化的工业化途径。
目前，实现其工业化的难点主要有：
1 微生物固定化方法的选择，
2 细胞固定化载体的选择，
3 固定化工艺方面存在难题： 1)固定化微生物造粒方式的选择，2)固定化颗粒的硬化方式的选择，3)固定化微生物颗粒大小的选择，
4)如何延长固定化微生物的寿命；
4 生物反应器的选择，5 优势菌种的筛选。
下面，分别对其进行分析：
一)微生物固定化技术和方法的选择
1.1 细胞固定化技术分类 固定化细胞的制备方法多种多样。目前，国内外仍未有统一的分类标准。但总体可分为载体结合法、交联法和系统截留法、载体分隔法4大类。
载体结合法是通过物理吸附、化学、离子结合或生物特异性的办法，将细胞固定在合适的载体上，如生物膜法。包括物理吸附法、共价结合法、离子结合法、生物特异性吸附法。
交联法又称无载体固定法，是利用两个功能团以上的试剂，与细胞表面的反应基团如氨基、羟基等进行交联，形成共价键来固定细胞。包括化学交联法、物理交联法。
系统截留法利用各种半透膜(如渗析膜、超滤膜、反渗透膜、中空纤维膜等)将生物催化剂以可溶形式限定在一定的空间范围内，或将过滤、离心、沉淀后的生物催化剂返回到生物反应中循环使用。其中，中空纤维膜生化反应最有实用价值。
载体分隔法是指依靠载体对生物催化剂的物理阻挡来实现生物催化剂的固定化。它又分为包埋法和微胶囊法。微胶囊固定化法是指通过乳化作用(emulsification)将生物催化剂包埋在各种多聚物制成的半透性微胶囊内的方法。
包埋法则是使细胞扩散进入多孔性载体内部，利用高聚物在形成凝胶时将细胞包埋在其内部，从而达到固定细胞的目的。
1.2 细胞固定化技术方法比较 尽管固定化方法多种多样，但目前仍没有一种理想的、普遍适用的方法。各种方法的优缺点见表1。性能 交联法吸附法共价结合法包埋法
制备的难易适中易难适中 结合力强弱强适中 活性保留低高低适中 固定化成本适中低高低 存活力无有无有 适用性小适中小大 稳定性高低高高
载体的再生不能能不能不能 空间位阻较大小大大 表1 各种固定化方法的比较 从上表我们可以看出：交联法与共价结合法虽然稳定性很高，结合力很强，但是由于活性保留很低，几乎没有存活力，适用性很小，再加上制备有一定的难度且固定化成本较高，所以在工业上可行性不大，因而在此不以考虑；而吸附法与包埋法由于具有很高的稳定性，较强的存活力，还能较好地保留微生物活性，并且制备不难，固定化成本较低具有运用到工业上的可能性。现分别对吸附法与包埋法工艺的优点以及缺点详细分析如下：
1)吸附法： 优点：微生物细胞与载体之间不起化学反应，操作简单，固定化条件温和，细胞活性损失小，载体可以反复使用。缺点：细胞结合不牢易脱落，
固定的微生物较易受所用载体的种类及表面积的限制，故载体的选择是关键。2)包埋法： 优点：该法操作简单，可以将细胞锁在特定的高分子网络结构中，这种结构紧密到足以防止细胞渗漏。由于包埋法操作简单，对微生物活性影响小，可将微生物锁定在特定的高分子网络中，制作的固定化微生物小球的强度高，是目前研究最广泛的固定化方法。
缺点：空间位阻较大。
二)细胞固定化载体的选择
1.对包埋法而言；细胞固定化载体是细胞固定化包埋技术的关键，它大致分成两大类，一类是天然高分子凝胶载体，如海藻酸钙、琼脂、角又菜胶等；另一类是有机合成高分子凝胶载体，如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅胶、光硬化树脂等。
天然高分子凝胶一般对生物无毒，传质性能良好，但强度较低，在厌氧条件下易被微生物分解。由天然海藻提取的海藻酸钠温和无毒，适合于固定活细胞或敏感细胞，它的价格较低，是应用比较广泛的细胞固定化载体。有机合成高分子凝胶一般强度较高，化学稳定性好，但传质性能稍差，在进行包埋时对细胞的活性有影响，易造成细胞失活。
因此，理想的细胞固定化载体应该具备的条件是： ① 对微生物无毒； ② 性质稳定，不易被微生物分解，并能耐受由于生物繁殖引起的破裂；
③ 传质性能良好，透气性和透光性良好； ④ 强度高，寿命长； ⑤ 价格低廉。开发具有上述性能的载体，是细胞固定化技术研究中十分重要的课题。
2.对于吸附法而言：载体主要采用的是无机颗粒。吸附法固定化微生物细胞时，pH值，细胞壁的组分，载体的性质等均影响细胞与载体之间的相互作用。只有当细胞的性质，载体的特征及细胞与载体间的相互作用等参数配合恰当时才能形成稳定的微生物细胞-载体复合物，应用于实际系统。作为微生物载体应该有利于微生物的固定化和生长繁殖，保持较多的生物量；有利于微生物代谢过程中所需氧气和营养物质以及代谢产生的传质过程。除以上几点，还要考虑到比表面积、空隙率以及微孔、过渡孔和大孔各自所占比例等常用的颗粒物理化学特性。
首先我们分析用于吸附法的无机颗粒载体： 有人做过实验，通过考虑颗粒的比表面积，总孔容积以及微孔、过渡孔、大孔各自所占比率等因素并本着价格低廉原则，确定页岩陶粒和活性炭为微生物固定化较合适的载体。
其次，我们选择最能用于工业化的包埋法的载体： 通常较多采用的是琼脂、明胶、K-卡拉胶、聚丙烯酰胺(ACAM)、聚乙烯乙二醇(PEG)、海藻酸钙等。近年来，因聚乙烯醇(PVA)价格低廉、易得且强度好等优点，国内外均将它作为处理废水的固定化微生物固定载体。
葛文准从凝胶颗粒的机械强度、缩水性能、化学稳定性和微生物活性4个方面来研究了包埋剂的选择。结果表明，海藻酸钠、卡拉胶、聚乙烯醇和丙烯酰胺是较理想的微生物载体。
曹国民等以廉价的PVA为载体，采用循环冷冻法把固定化细胞制成平板膜状，利用固定化细胞膜(膜中固定有硝化细菌和反硝化细菌)将脱氮反应器一隔为二，膜的一侧与好氧的氨氮废水接触，另一侧与缺氧的乙醇水溶液(碳源)接触。固定于膜中的硝化细菌将氨氮氧化成亚硝氮和硝氮，随即被同一膜中的反硝化菌还原成氮气，硝化细菌和反硝化细菌混合固定于膜内时的氨氧化速率约为硝化细菌单独固定时的2倍。未发现碳源重复利用对脱氮过程产生不利影响，此新型反应器可以稳定运行50d以上。
三)固定化工艺方面存在难题
1 固定化微生物造粒方式的选择 固定化微生物的造粒方法有两种：滴下造粒法(球形)以及成型切断法(圆柱形或六面体形)。由于滴下造粒法大批生产存在困难，故目前用成型切断法的较多。
2 固定化颗粒的硬化方式的选择 目前采用的硬化方法有：药剂法及冷冻法。固定化颗粒采用何种方法硬化，是影响固定化微生物的强度、寿命、以及生物活性的因素。这需要根据选用的固定化载体的性质选用硬化药剂。目前国内外较多采用的固定化方法为：PVA-冷冻法以及PVA-硼酸法。
3 固定化微生物颗粒大小的选择 固定化颗粒的粒径一般小于3mm
4 固定化微生物颗粒的寿命 固定化微生物使用寿命一般在3-6个月。固定化颗粒本身存储寿命长达10年。在室温的条件下，自然干燥保存30天以后的固定微生物，装柱投入使用3天后便可使活性恢复50%以上。
四)生物反应器的选择 根据固定法的方法、颗粒特性(形状、密度、强度)、基质属性、抑制因素以及经济条件等，选择生物反应器。目前应用较多的有：流化床及搅拌槽式反应器。其中流化床作为固定化微生物反应器有独到的优点。
二 细胞固定化技术在含氮废水处理中的应用研究 由于固定化细胞技术用于废水生物处理，与传统的悬浮生物处理法相比，能纯化和保持高效菌种，微生物浓度高，污泥产量少，固液分离效果好。因此，该项技术在废水生物处理，尤其是在特种废水处理领域中，获得了广泛的研究。其中，就具体的包埋方式而言，包括单独包埋和混合包埋。
2.1 单独包埋 硝化菌、反硝化菌单独包埋利用了固定化细胞微生物浓度高的特点，将传统生物处理中的悬浮生物固定在包埋剂中。该法固定化技术相对较简单。据文献报道，将常规的活性污泥法改造成促进型循环脱氮法，标准处理量为2250m3/d(最高3000m3/d)，平均进水BOD为200mg/L，
TN为39mg/L。连续运行结果：年平均出水NH4-TN小于1mg/L，TN小于10mg/L，获得了良好的处理效果。市村等人用PVA—SBQ与海藻酸钠结合包埋硝化菌，在流化床中连续硝化250d可将N-TN从80mg/L降至20mg/L，NH3容积负荷达2kg/(m3.d)。角野以聚丙烯酰胺为载体包埋硝化菌，在填充率为7.5%的流化床中，对曝气池活性污泥混合液进行连续处理，停留时问仅2h，就可以达到完全硝化。Wijffels采用将反硝化菌固定在聚丙烯酰胺中的方法进行连续脱氮实验，进水NO3一N浓度为8—16
mol/m3；固定化细胞的填充率为11.1%时，脱氮率可达90%以上；填充率为16.5%时，脱氮率可达95%。Tramper也曾经用海藻酸钠和角又菜胶包埋硝化菌进行一系列废水硝化的研究。
2.2 混合包埋 在含氮废水的处理中，常规活性污泥法对一般有机物的去除率可以达到90% 以上，但由于工艺过程中几乎不发生硝化作用，总凯氏氮的去除率仅在10%-30%之间。近年来国内外水环境标准的严格化，促使人们对活性污泥法进行工艺流程的改进，出现了AVO生物脱氮工艺等污水处理新工艺。但该工艺仍然存在着诸如硝化菌群增殖速度慢、抗金属及有机物冲击的能力不强等缺点。
然而在利用固定化微生物脱氮时，由于存在样扩散的限制，在固定化细胞颗粒、生物膜、细胞聚集体中存在着好氧区和缺氧区或厌氧区。这样，硝化菌的产物可作为反硝化菌的底物，硝化和反硝化两阶段反应即可在同一反应器中完成，实现同时硝化和反硝化(SND)。由于省去了第二阶段的厌氧反硝化池或减少其尺寸，从而大大简化了生物脱氮的工艺流程。.
2 2.1 硝化菌和反硝化分层包埋 该工艺人为地将反硝化菌限制在颗粒的中央部位，而硝化菌生长在颗粒表层。两类微生物的机械分层为硝化提供了有利的条件，避免了好氧条件下反硝化菌与硝化菌争夺溶解氧；另一方面，也避免了反硝化菌在有机碳源存在下的过液增殖。而选择性地固定亚硝化菌，将硝化反应控制在亚硝化阶段，则可以实现短程硝化一反硝化。Dos
Santos等人以海藻酸钠和K角叉菜胶为载体分层包埋硝化菌及反硝化菌。他们先将反硝化菌与海藻酸钠、KC1溶液混台，然后将其滴人搅拌的含硝化菌、K角叉菜胶和CaCl2的溶液中，制成内层为海藻酸钠包埋反硝化菌，外层为K角叉菜胶包埋硝化菌的复合小球。反硝化菌直接还原硝化菌应产生的亚硝酸盐，避免了亚硝酸盐氧化成硝酸盐再还原成亚硝酸盐的两个多余步骤，降低了对氧及有机物的需求，在好氧条件下，连续运行时氮[N/(m3.s)]的去除率高达5.1mmolN/(m3.s)，但该法固定化过程比较复杂，可供选择的载体较少，不便于大规模制备固定化细胞。另外，根据Uemoto和Saiki对混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究发现，运行一段时间后其在体内的分布自然会发生变化，硝化菌集中于外层，反硝化菌集中于内层，中间过滤层两者共存，因此，没有将硝化菌和反硝化菌分层包埋的必要。
2，2.2 硝化菌和反硝化菌混合包埋 本工艺主要是利用扩散阻力在颗粒内部产生的氧浓度梯度形成的好氧区、缺氧区和厌氧区，在载体内部形成了适合硝化和反硝化两个过程有机结合的环境，在颗粒污泥表层由于氧的存在而进行氨的氧化反应，颗粒内部因为缺氧条件下利用氨的氧化产物进行反硝化反应，从而实现单级生物脱氮。
最早从事硝化菌和反硝化菌混合固定研究的是日本的Kokufuta等人。他们利用聚电解质固定亚硝化菌和反硝化菌的混合细胞，并与单独固定的亚硝化菌作了比较。结果前者能实现完全脱氮，并且系统中未检测到NO2-N的存在；而后者最终只能将NH3-N氧化成NO2--N，无脱氮效果。
曹国民等人利用两种常用的固定化载体海藻酸钠和聚乙烯醇混合固定硝化菌和反硝化菌，研究好氧条件下同时硝化和反硝化的可行性及其脱氮持性。结果表明，硝化菌和反硝化菌混合固定时，由于载体内部形成了适合硝化和反硝化的环境，可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化，实现单级生物脱氮。混合固定时的氨氧化速度约为硝化菌单独固定时的14倍，总无机氮N/(m3-d)的去除率达0.11mmol/(m3.s)，约为PSB脱氮速度的2.6倍。硝化菌和反硝化菌混合固定后对温度的敏感性减小，并且在较宽的溶解氧范围内(2—6mg/L)保持稳定的脱氮速度，具有良好的应用前景。
3 细胞固定化技术的发展前景 细胞固定化技术以其特有的优点在废水处理领域中引起了普遍的关注，但由于载体成本大，提酶过程复杂，还需对废水进行适当的预处理等，目前尚处于实验研究阶段，所以要实现其实用化或工业化，还有许多问题需要进一步研究解决，主要的研究方向如下：
(1)寻找高效、廉价、抗毒性强的生物。
(2)廉价固定化微生物载体的开发。
(3)如何提高载体的使用寿命。
(4)开发高效的固定化反应器。
(5)研究对生物无破坏性、高效率的解吸剂。相信通过不断的研究和改进，细胞固定化技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术，在废水处理中获得广泛的应用。