（环境科学专业论文）固定化活性污泥处理生活污水的探索研究.pdf

文献综述 文献综述 ， 我国水资源概况及水污染现状 1 . 1 水资源概况 我国总的水资源约有2 . 8 万亿m 3 ， 虽然居世界第六位， 但是由于人口 众多， 淡水资 源量人 均约2 3 0 0 m 3 ， 相当于世界人均水平的1 / 4 ， 居 世界第1 1 0 位。 实 际上， 实际上我国的水资源并不丰富。 同时， 我国的水资源空间分布很不均匀。 长江流域以北的淮河、黄河、海滦河、辽河、黑龙江五大流域水资源量合计仅 占全国总量的 1 4 .4 %，而人口却占全国总量的 4 3 . 5 %，所以这五个流域的人均 水资源占 有量仅略高于9 0 0 m 3 。 北方不少城市缺水现象己 经非常严重， 其中北 京人均水资源占有量只有全国占 有量的1 / 6 1 。 而南方的长江流域和珠江流域水 量丰富， 约有9 0 %的地面径流量和7 0 %以上的地下渗流量分布在不到全国面积 5 0 %的面积。另外，在时间分布上，我国水资源也存在不均衡，总的来说是冬 春少雨，夏季多雨。有时还连续出现枯水年和丰水年的现象，给水资源的合理 利 用 增加了 困 难 2 1 水资源对我国来说是十分宝贵的，必须特别注意加以保护。对水资源保护 的一个不可忽视的方面就是防止水污染。 1 . 2 水污染现状 我国江河湖库及近海海域普遍受到不同程度的污染，尽管部分流域或地区 的污染得到控制有所好转，但总体上仍呈加重趋势。 七大水系中，不适合做饮用水源的河段己经接近4 0 %，其中，大辽河水系 属于严重污染，海河水系、淮河干流、黄河干流属于重度污染，松花江水系为 中度污染，仅仅长江干流和珠江水系水质基本良 好。 在所调查的城市河段中7 8 %不适合做饮用水源，在统计的城市河段中， 有 8 7 %左右的河段受到不同程度的污染。其中有 1 6 %的城市河段属于严重污染， 1 1 %的城市河段属于重度污染，1 5 %的城市河段属于中度污染，只有 3 3 %的城 市河段属于轻度污染，2 3 %的城市河段水质较好。 全国湖泊和水库普遍受到总磷、总氮的污染，富营养化严重，有机物污染 面广，个别湖泊水库出现重金属污染。太湖受总磷、总氮的影响，富营养化严 重，全湖总磷、总氮在 i v类至v类之间，局部区域除了富营养化之外，有机 污染也非常严重。滇池内 海水质为v类，外海水质为i i i - i v类。 巢湖的富营养 化问题由来己久，历史上就经常出现 “ 水华”现象。近年来，由于流域内工农 业的发展，未处理的废水直接排放、水土流失等人为因素的影响，更加剧了富 营养化的程度，富营养化已经扩展到全湖，水质日 趋恶化。 由于地表水普遍污染，造成地下水的污染也相当严重，污染面己达5 0 %. 文献综述 近岸海域海水受到不同程度的污染。 1 9 9 6 年， 全国近岸海域水质评价结果表明， 一类海水占1 8 . 7 %， 二类海水占2 1 .4 %， 三类海水占6 .5 %， 超三类海水占5 3 . 4 %, 珠江口海域依然是中国近海污染严重的海域之一，水体中无机氮、无机磷和石 油类普遍超标， p h值和溶解氧也有超标现象。 胶州 湾海域的 无机氮、 无机磷和 石油类也普遍超标。长江口、杭州湾、舟山渔场、浙江沿岸、辽东湾等海域的 无机氮、无机磷普遍超标，大连湾、锦州湾海域的无机氮和石油类超标也较严 重13 1 1 . 3 我国污水处理概况 以城市污水处理厂实际处理的生活污水量与生活污水排放总量之比，作为 城市生活污水集中处理率来进行评价。 1 9 9 8 年我国城市生活污水集中处理率仅 为 1 0 .3 %，其中，北京生活污水集中处理率最高，为4 0 . 3 %;天津、云南次之， 分别为 3 7 .2 %和 3 4 .3 %。从统计结果看，西部城市生活污水集中处理率高于全 国平均水平，这与云南生活污水集中处理率较高以及西部城市生活污水排放量 较低有很大关系14 1 。 据估计，1 9 9 9 年全国 近8 0 % 的生活污水未经处理直排江河 湖海，年排污量达4 0 0 亿m 3 ，造成全国1 / 3 以上的水域受到污染。在全国6 8 8 个城市中，仅有 2 0 0 余座在建和建成的污水处理厂，且集中在七八十个大中城 市里，全国污水处理率仅有 2 0 %左右。按建设部规划要求，我国在 2 0 1 0年处 理率应达到4 0 % 1 5 1 。可见，我国城市污水处理尚 处在起步阶段， 城市污水处理 率还很低。 目前， 我国城市污水处理厂普遍采用的工艺有普通活性污泥法、 氧化沟法、 s b r( 间歇式活性污泥法) 、a b法等，这些都是成熟而有效的污水处理工艺， 被全世界广泛应用。而用于我国，吨水造价在 1 5 0 0 - 2 0 0 0 元之间，运行费用在 0 .8 - 1 .4元/ 吨之间。 根据我国现阶段环境污染状况及经济发展水平，必须开发 和推广适合中国国 情的 城市污水处理技术6 1 。 在工艺选择方面要遵循 “ 三高三 低” 科技含量高、设备国产化程度高、处理后水质质量高;投资低、运行 费用低和管理水平低的原则。因此，迫切需要开发新的高效废水处理新技术。 固定化细胞技术应用于污水处理领域，以它独特的优点引起了很多研究者的兴 趣。 2 固定化细胞技术 固定化细胞技术是用化学或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区 域，并使其保持活性，反复利用的方法，是六十年代发展起来的新技术。 2 . 1 固定化细胞的制备方法 固定化细胞的制备方式是多种多样的， 任何一种限制细胞自由流动的技术， 都可以用于制备固定化细胞，国内外不同的研究工作者用不同的分类方法，因 此，很难对此作出精确的分类。一般来说大致可以分成吸附法、共价结合法、 文献综述 交联法和包埋法等四大类， 其中以 包埋法使用最为普遍h l 2 . 1 . 1 吸附法 很多物质都有吸附到固体物质表面，或其他细胞表面的能力，这种吸附能 力可以是天生就有的，也可以是经过处理诱导产生的，依靠这种吸附能力，人 们发展起很多廉价而又有效的固定化方法吸附法。 吸附法可以分为物理吸附法和离子吸附法，前者使用具有高度吸附能力的 硅胶、活性炭、多孔玻璃、石英砂和纤维素等吸附剂将细胞吸附到表面上使之 固定化。这是一种最古老的方法，操作简单，反应条件温和，载体可以反复利 用，但结合不牢固，细胞易脱落。后者是根据细胞在解离状态下可因静电引力 ( 即离子键合作用) 而固着于带有相异电荷的离子交换剂上， 如d e a e 一 纤维素、 d e a e - s e p h d e x . c m 一 纤维素等7 ) 从本质上来看，吸附固定法是微生物自我固定，它在废水生物处理中已广 泛应用，如生物塔滤池、生物接触氧化法、厌氧滤器、厌氧流化床等生物膜， 以及上流式污泥床内厌氧颗粒污泥，都是依靠微生物吸附于载体 ( 填料)表面 或自 聚凝而成，尽管成膜过程或颗粒化过程的机理不甚清楚，但技术工艺已非 常 成 熟 18 1 2 . 1 . 2 共价结合法 共价结合法是细胞表面上功能团和固相支持物表面的反应基团之间形成化 学共价键连接，从而成为固定化细胞。该法细胞与载体之间的连接键很牢固， 使用过程中不会发生脱落，稳定性好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件 苛刻。利用此法制备的固定化细胞，细胞大多死亡。有人用此法将卡尔酵母固 定在已活化的多孔玻璃珠上19 1 ，虽然细胞已 经死亡， 但仍然保留生产尿配酸的 活性。 2 . 1 .3交联法 交联法和共价结合法一样，都是靠化学结合的方法使细胞固定化，但交联 法所采用的载体是非水溶性的。如采用戊二醛或偶联苯胺等带有两个以上的多 功能团交联剂与细胞进行交联，可形成固定化细胞，但反应条件激烈，对细胞 活性影响大。千烟一郎曾用此法制得具有天门冬氨酸活力的固定化大肠杆菌细 胞 10 1 2 . 1 . 4 包埋法 包埋法是细胞固定化最常用的方法。按照包埋系数的结构可分为凝胶包埋 和微胶囊法， 即将细胞包裹于凝胶的微小格子内或半透明膜聚合物的超滤膜内， 该方法操作简单，对细胞活性影响小，制作的细胞球的强度较高，目前广泛应 用于废水处理。 2 . 2 固定化细胞载体的特性及研究状况 2 . 2 . 1 固定化细胞载体的特性 一种比较理想的固定化载体需要具有以下特点:a . 具有高的载体活性，固 文献综述 定化酶或微生物的活性回收率要高; b 材料要容易获得; c 价格便宜;d 操作制 备方便，能适用于大规模生产;e 有较高的机械强度，能较长时间使用和重复 使 用 7i 固定化细胞的载体归纳起来可以分为两大类1 t 1 : 一类是天然高分子凝胶载 体，如琼脂、角叉莱胶、海藻酸钙等;另一类是有机合成高分子凝胶载体，如 丙烯酞胺 ( 简称a c r m)凝胶、聚乙烯醇 ( 简称p v a ) 凝胶、 光硬化树脂、 聚 丙烯酸凝胶等。 天然高分子凝胶一般对生物无毒， 传质性能较好， 但强度较低， 在厌氧条件下易被生物分解! 1 2 1 。 有机合成高 分子凝胶一般强度较好， 但传质性 能稍差，在进行细胞包埋时有时对细胞活性有影响。目前，所采用的载体主要 有以下几种:琼脂、明胶、海藻酸钙 ( 简称s a ) ,聚乙烯醇 ( 简称p v a )和丙 烯酞胺 ( 简称 a c r m) 。在这五种包埋剂中，琼脂机械强度极差，无实际工程 应用。 a c r m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， 固定化细胞小球内的微生物增殖不好; 固定操作容易。 明胶强度较低，内部结构密实，传质性能较差。s a凝胶和p v a凝胶的机械强 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。对 s a凝胶和p v a凝胶进一步的研究表明，p v a凝胶的机械强度优于s a凝胶， 但s a 凝 胶的 传 质 性能比p v a 凝 胶好 17 1 2 . 2 . 2 固定化细胞载体的研究状况 以海藻酸盐、琼脂等为代表的天然高分子凝胶虽然有价廉易得、对生物无 毒、传质性能好的特点，但强度低、厌氧条件下易被生物分解，有不少改善研 究报道。为了克服海藻酸钙凝胶在使用过程中不能抵抗细胞生长必需的高浓度 的 磷 酸盐 和m g 2 , k , n a 等 阳 离 子， 不 耐 热、 凝 胶 强 度 不 够及 易 破 碎 溶 解的 不稳定性质， 海洪 1 3 1 、 顾缪等用聚乙烯亚胺溶液来处理海藻酸钙凝胶，中 野 1 4 1 将固定成型后的海藻酸钙凝胶置换成海藻酸铝， 段俊英 1 5 等通过加入淄醇、 不 饱和脂肪酸及改变 c a c l : 浓度等均可达到提高凝胶粒子的机械强度，改善固定 化细胞稳定性的目 的。琼脂化学性质稳定，但强度低、透过性差，添加聚丙烯 酞胺一类聚合物可加强琼脂强度。用海藻酸钙浸泡使琼脂珠成为多孔状不仅可 提高其强度，还能提高其扩散性能。王叔亭 1 6 0y 道了 两相成珠法制备琼脂珠， 其通透性有很好改善。 合成高分子凝胶一般比天然高分子的强度为好，但其传质性能较差，在进 行细胞包埋时有时会影响其活性。为此，围绕最常用的聚丙烯酞胺 ( p a m)及 聚乙 烯醇( p v a ) 的 改性有很多报道。 周定 1 ” 采用冷冻p a m聚合方法包埋黑曲 霉生产柠檬酸，包埋的微生物活性高，适应期短，可重复使用 巧 批次，使用 3 0 0 小时后活性无明显下降。 在p a m固定葡萄糖异构酶时， 在聚合过程中添加 葡萄糖可保护酶活性不变。采用p a m - p v a , p a m - 琼脂等复合固定的方法均有 良好效果。还有在聚合过程中添加木屑、多孔硅或纤维素等成形助剂的专利报 道 “ 。 p v a凝胶常用冷冻法 1 9 1 及硼酸法2 0 来制备， 其强度较高、 价格低廉、 对 生物的毒性比p a m小， 是通用的固定化载体之一。 据桥本2 0 报道p v a 一 硼酸法 5 文献综述 中， p v a的最适浓度为 7 . 5 - 1 0 %。 为克服交联不彻底导致使用中少量t o c成份 溶出及高温时强度下降的缺点，田中12 1 在用硼酸法固定细胞时，先用 n a 2 c 氏 将硼酸的p h值调到6 .7 左右， 或将制成的凝胶在水中 浸泡几天， 发现可提高其 在高温使用时的 稳定性。 中野12 2 报道说在p v a凝胶制备过程中 加入少量粉末活 性炭， 可提高凝胶强度， 同时， 这种复合凝胶制成的固定化细胞在进水不稳定， 难降解组分突然进入处理系统的情况下与单一p v a凝胶相比显示出优势。 现阶段， 有学者成功地运用了以p v a为载体主要成分， 适量添加少量海藻 酸钠和活性炭12 3 . 2 4 1 ， 其优点是可以克服两液滴粘连现象， 有助于颗粒成型， 改 善通透性，增加固定化颗粒的空隙，达到吸附和包埋的双重效果。另有学者采 用无纺布一 p v a复合载体对优势菌种进行包埋固定降解有机物， 取得了理想的效 果12 5 1 3固定化细胞技术在水处理中的应用发展过程 3 . 1 固定化细胞技术的兴起 固定化细胞技术是用化学或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区 域，并使其保持活性，反复利用的方法，是六十年代发展起来的新技术。最初 主要用于微生物的发酵生产。固定化细胞有细胞密度高，反应速度快，微生物 流失少，产物分离容易，反应过程控制较容易等优点，与游离细胞相比，明显 的显示出优越性。七十年代后期，由于水污染问题日趋严重，迫切要求开发高 效废水处理新技术。利用固定化细胞技术，可以将选择性地筛选出的优势菌种 加以固定， 构成一种高效的 废水处理系统 i i i 。 八十年代初，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 的成就。正如v o j t i s e k 所言:固定化细胞技术用于废水生物处 理，其技术长处体现在:高效率地持留催化活性、防止抑制性物质对细胞产生 毒害、以及有助于中间体的形成， 提高基质矿化效率2 6 1 。因此该技术在废水处 理， 尤其是特种废水处理领域中，具有广阔的 应用前景12 7 1 3 . 2 固定化细胞技术在水处理领域的应用 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1 9 0 4 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。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。到了二十世纪五六十年代，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 文献综述 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。直到二十世纪七十年代末八十年代初，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 生物膜的微生物， 载体中 微生 物密度高2 8 1 3 . 2 . 1 固定化活性污泥去除b o d物质 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2 9 . 3 0 3 1 利用 聚丙 烯酞 胺 包 埋固 定 活性 污泥 进行人 工合成 废 水( b o d 为3 0 0 m 酬) 的处 理研究。 在气升式反 应器内， 采用纯氧曝气， 容积负荷为2 .o k g b o d / ( m 3 . d ) , 连续处理运行 i o o o d ，出水水质稳定 ( b o d 2 0 m g / 1 ) 。固定化后微生物中的酶 稳定， 对温度、 p h值的忍耐性增强， 活性污泥基本无泄露。 处理过程中， 容积 负 荷 可 逐渐上升 到l 0 .o k g b o d / ( m 3 a ) ， 与 普通的 悬 浮活 性污 泥 法相比 ， 负 荷 增 大约四倍，反应器体积可减少 3 / 4 - 4 / 5 ，剩余污泥量减少 2 / 3 - 4 / 5 。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 聚丙烯酸胺3 2 1 , p v a 一 冷冻法 9 1 , p v a 一 硼酸法 2 0 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， t o c : 9 5 m g / l , t - n :2 9 m g / l o 结 果 表明 ， 当t o c 的 容积 负 荷为0 .5 - 2 .3 5 k g t o c / ( m 3 .d ) 时， t o c 的 去除 率 均高 达9 3 % - 9 5 %。 与活性污泥法相比， 有机物负荷可提高2 - 6 倍。 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 t - n 的去除率也达 3 0 % - 4 0 %，从而有可能在生化池内同时去除碳和氮。 用 p v a 一 冷冻法包埋活性 污 泥 时， 在 最高t o c 负 荷 达2 . 9 6 k g / ( m 3 . d ) 时， 处理效 果良 好。 但也 有 人报 道说 3 5 1 固定化活性污泥处理出 水有时$ s 较高。这是由于固定化活性污泥的进水负 荷高水力冲击强度大，水力停留时间短，捕食分散细菌，促进絮凝性污泥形成 的原生动物难以在反应槽内生长的原因所致。将固定化活性污泥与生物接触工 艺相组合，在同等负荷下运行，可提高处理水水质。 另外， 钱新民等人13 3 1 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8 c m，柱高8 0 c m ) ，利用光合细菌 ( p s b )连续处理发酵废液， 建立了该处理系统的动力学模型。罗志腾等人3 4 研究了固定化活性污泥的性质，并用于厌氧膨胀床中处理高浓度有机废水。 载体内的微生物最大浓度一般与载体的种类、基质的种类与扩散、氧的扩 散等有关。目前还没有合适的方法来表示载体内的微生物浓度，作为一种间接 的表示方法， 有人测定过载体内的细菌数，其结果表明 最大细菌数为 i 夕 - 1 0 11 个/ m l 凝胶。而大部分细菌主要分布在固定化载体的表面。载体内部的固定细 胞由于基质和溶解氧扩散不进去，逐渐死亡，使载体中心部位成为死区。可见 固定化载体的 粒径越小， 传 质性能 越好， 越有利于 载体内固 定化 细胞的生长 v 3 . 2 . 2 固定化细胞脱除废水中的氮、磷 除活性污泥的固定外，固定化细胞技术还可为生长缓慢的细菌，如硝化菌 和产甲烷菌提供一种良 好的持留方法。 文献综述 在硝化、反硝化研究方面， 最早是 n i l s s o n 3 6 . 3 7 用海藻酸钙固定假单胞反 硝化菌， 采用填充柱对地下水中浓度为2 0 m g / l 的硝酸盐进行两个月的连续脱氮 实 验， 脱 氮 效 果良 好， 反 硝 化 速 度 为6 6 m g / ( h .k g 凝 胶 ) ， 容 积 负 荷 为3 .6 k g / ( m 3 . d ) e 角野3 7 1 以 聚丙烯酞钱凝胶为固定化载体， 用包埋法固定硝化菌， 并以7 .5 % 的填充率将固定化细胞投入到内循环的流化床中，对按标准活性污泥法运行、 含硝化菌极少的曝气池活性污泥混合液进行连续处理实验， 停留时间仅2 h ， 就 可以达到完全硝化。硝化过程是由固定化载体内的硝化菌和附着在载体表面的 硝化菌共同作用完成的。 中村3 9 用聚丙烯酞钱凝胶固定硝化菌和反硝化菌， 采用厌氧固定床和好氧 流化床对人工合成废水分别进行了硝化和反硝化实验，结果表明，与悬浮污泥 系统相 比，在低水温时，固定化硝化菌的硝化速度增加 6 - 7倍，约为 o . s k g n / ( m 3 . d ) ， 固 定 化反 硝 化 菌 的 反 硝 化 速 度 增 加3 倍， 约 为1 .5 k g / ( m 3 a ) . 硝 化所需时间从原来的4 h 减少到2 h ， 反硝化时间从原来的3 h 减少到2 h ， 即处理 装置容积可减少约5 0 %左右。 w ij ff e l4 0 1 i r 道了 用角 叉莱 胶固 定从 土 壤中 分离 出的 反 硝化菌 ， 在容 积 为2 1, 的外循环流化床中进行的连续脱氮实验，h r t为 l h ，进水 n 氏- n浓度为 8 - 1 6 m o l / 耐，固定化细胞的 填充率为 1 1 . 1 %时， 脱氮率可达9 0 %以上， 填充率 为 1 6 . 5 %时，脱氮率为9 5 %以上。 设乐 4 1 . 4 2 等人用卡拉胶固定化脱氮菌，在填充率为3 0 %的4 l反应器中对 合成 废 水 进 行了7 0 d 的 连 续 脱 氮 试 验。 当 负 荷 小 于1 .5 k g n 0 3 - n / ( m 3 . d ) 时 ， 出 水 中 的n 0 3 - n小于l o m g / l ， 当 负 荷 升 高 到1 2 k g n o 3 - n / ( m 3 . d ) 时 ， 产生 大 量 的 氮 气，使颗粒上浮，致使处理效果下降。 桥本奖等人采用 p v a固定化活性污泥，在 l .0 l的曝气槽中进行间歇曝气 运行， 结果 表明， 当t - n负 荷小 于0 .3 k g / ( m 3 a ) 时， 间 歇曝 气比 连续 曝气 的t - n 去除率高， 在处理城市废水的中型试验 ( 曝气池容积为2 0 0 l ) 时，也得到同样 的结果， 这说明p v、 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。 周定等人 2 s 首次 将 p v a - h 3 b o 3 法用于包 埋固 定 化脱氮微生 物， 并研究了 h 3 b 0 3 对脱氮微生物的毒性， 建立了脱氮微生物的p v a - h 3 b o 3 固定化方法。 实 验结果表明， 脱氮微生物在用p v a包埋后，脱氮的最佳温度、 p h值不变。 但 在低温、 低p h值条件下的脱 氮活力保留 提高，中 间 产物n o z 一 的积累 减少， 溶 解氧对脱氮的抑制作用减轻。 d u n n , i . j 等 人 4 3 研 究了 生 物 膜流 化 床反 应 器 用于 废 水的 硝 化处 理。 t r a m p e r , j . 等人 14 4 .4 5 研究了 海藻酸 钙 和卡拉 胶固 定 化n it r o b a c t e r a g i l is 的 性 有 泛 。 k u h u s p 4 6 发现藻类的固定化可用于去除水中的磷。 c h e v a l i e r 4 6 用卡拉胶 固定藻类去除n . p a 文献综述 3 . 2 . 3 固定化细胞用于难降解有机物废水处理 在分解含苯酚、甲苯等难生物降解有机污染物方面，固定化细胞技术也能 发挥其特长18 1 。国 外最早是 k l e i n在实验室水平上， 用固定化微生物来降解苯 酚;西德mu e n s t e r 大学微生物研究所的r e h m等人，采用活性炭吸附法和包埋 法，固定酚降解菌来分解苯酚及其衍生物，如用聚丙烯酞胺包埋 p s e u d o m o n a s p u t i d a p 8 连续分解酚化合物， 用p s e u d o m o n a s 与c r y t o c o c o u u s e l i n o v i i 两菌株的 共培养物和a l c a l ig e n e s s p a 7 - 2 吸附于活性炭上，分别降 解 酚与4 - 氯酚， 并获 得了成功14 s 4 9 1 . h a s h i m o t 。 比 较了 用活性炭及p v a 一 硼酸法固定驯化污泥降解腐 殖酸及具恶臭 气体的 去除 性质; a g e n c y 用塑料平皿或 聚f3 6 和聚酞胺蜂窝状物固 定胶囊青霉处理不能 用活性污泥法除去的 罐头厂含果 胶废水; l o d a g o n , m a y u r 固定化活性污泥， 研究了降解苯及b t x芳香族的混合物降 解情况5 0 1 . m o e r s e n , a 5 1 1 进行了 用活性炭和烧法玻璃珠吸附固定隐球菌和恶臭假单胞菌 p 8的特定 混合 培养物 处 理 含苯 酚废 水。 a n s e l m o , a .m .5 2 研究了 游 离 和固 定 化f u s a r iu m . fl o c c i f e r u m细菌降解苯酚， 发现固定化细胞系统降解苯酚的速率要大得多。 a . m a n s e l m o 5 3 1 还用琼脂、海藻酸盐、卡拉胶、聚丙烯酞胺包埋一株絮凝镰抱分解 苯酚，均达到很高去除率。 k .t .o . r e i lu y用海藻酸盐和聚氨酷固定假单 胞菌降 解甲 酚，并 进行了 动力 学分析。 s o f e r . s . s 5 4 1 用固定在海藻酸盐上的活性污泥进行了降解2 - 氯苯酚，首 次优化了固定化细胞系统中影响海藻酸盐珠稳定性和活性的参数。他还用聚氨 酷固定黄细菌细胞处理五氯苯酚 ( p c p ) . 李月中5 5 1 固定化驯化污泥， 制成好氧流化床反应器处理含氰尿酸废水， 进 行了 若干条件选择， 研究了p h对去除率、 c n - , c o d 。 的影响， 也取得了成功。 周相林5 0 ) 比较了镰刀菌的自 然细胞与用海藻酸钙固定化细胞降解氰的某些特 j隆，固定化细胞比自 然细胞的热稳定性明显提高。 周定1 5 6 等人对固定化微生物法处理含酚废水进行了 研究， 他们利用海藻酸 钙包埋热带假丝酵母，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3 0 0 m g / i ，出水酚浓度小于0 .5 m g / i ， 与 悬浮生 物法 ( 如活性污泥 法) 相比，酚的容积负荷可提高一倍以上，污泥发生量可减少9 0 %. 孙艳等 5 7 对一种耐酚菌种及其固定化细胞降解含酚废水性能进行了比较 研究，结果表明，固定化细胞的降解效果明显高于游离细胞。 3 . 2 . 4 固定化细胞处理农药、杀虫剂废水的研究 陈敏等12 4 利用聚乙 烯醇包埋活性炭和微生物的固定化技术对有机磷农药 水胺硫磷的降 解进行了 试验研究， 结果表明， 经固定的微生 物对温度、 p h值和 水样水胺硫磷浓度的适应范围扩大， 在三个月的连续试验中， 若水样初始c o d , 浓度为1 3 0 0 - - 2 5 0 0 m g / l ， 水样p h为7 ， 停留时间2 4 小时， 在恒温摇床 ( 3 0 0c , 1 5 0 r / m i n ) 内降解， 其去除率为“% - - 7 0 %。 张小荷等5 8 ) 对水胺硫磷水样在固定 化微生物生物降解前后的性能评价指标进行了研究。 p o rt i e r 等研究了固定化微 生物处理含氯乙酸盐的杀虫剂生产废水。 进水氯乙酸钠浓度为6 0 0 0 m g / i ， 停留 9 文献综述 时间为1 0 . 9 - 1 6 .2 h 时， 出 水中 氯乙 酸 钠小于l o m g / 1 ， 去除率达9 9 % , t o c 去除 率也达8 9 % 1 1 o a it k h o z h i n a 等研究了固 定化 假单 胞菌用于除 去 残留 在 土壤中 的 杀 虫 剂 7 l 3 . 3 用于废水生物处理的固定化细胞反应器 固定化细胞反应器的开发， 最早为法国生物学家巴斯德设计的一种醋化器， 该醋化器是一种生物滤池， 在今天醋的生产和污水处理方面仍可见到6 3 1 。目 前 的生化反应器多是分批式搅拌型反应器，但由于该种反应器运行时有强大的剪 切力，对采用包埋或交联固定法所制得的颗粒容易造成破裂，因此，人们又开 发出几种新型的固定化反应器，如图 t o 一卜 几 钾 断 止 心 护广 空气 一 下 旦一 不 空 气 全 个 b. 图 i 几种新型的固定化细胞反应器 f i g - 1 s e v e r a l n e w i n u n o b i l i z e d c e l l r e a c t o r s a . 固定填充床反应器( f i x e d p a c k e d b e d r e a c t o r ; f p b ) : 它具有推流或近全 混合的流态，适合于产物有抑制作用、 h r t较短的生化反应过程。 推流式的固 定填充床反应器在高基质浓度时反应速率较大，但是如果液体流速较低会影响 传质效率。固定填充床不适宜处理含颗粒物质的废水，因为颗粒物质会引起堵 塞，另一个严重的不足是:固定化细胞由于颗粒重量与流体压力的作用相互挤 压甚至破裂，减少了颗粒与液体接触面，颗粒内细胞活力下降，也可能在气液 固三相运行时产生大气抱，影响运行性能。 b . 流化床反应器( f l u i d i z e d b e d r e a c t o r ; f b r ) : 流化床或喷 射 床是目 前固 定化细胞反应器应用的主要形式，它借助回流水力或气泡作用，使固定化细胞 生物颗粒呈悬浮状态。固定化细胞颗粒与基质c o d c r 间具有最大的接触面，处 理效率较高。可用于处理粘性强和带颗粒的废水，但能耗费用较高。 c . 搅拌槽式反应器 ( s t ir r e d t a n k r e a c t o r ; s t r ) : 搅拌槽式生 化反应器多 采 用分批式运行，但由于其强大的剪切力，对包埋固定法或交联固定法制成的颗 粒， 易导致破裂， 改良 后的s t r是将固定化颗粒固定在多孔的筛板孔眼中， 与 起搅 拌作 用的 筛 板一 起转 动 16 4 1 此外还有膜生物反应器、筛板生物反应器等，也很有应用前景。膜生物反 文献综述 应器通常有两种类型，一种是将细胞固定在膜上，另一种是将细胞包裹在超滤 膜内，底物和产物均能自由进出超滤膜，而细胞却始终留在膜内。该反应器处 理效果好，但需供氧或排出二氧化碳的反应不适宜用膜生物反应器;细胞生长 速度快， 浓度高， 会引起膜的破裂， 也不适宜用膜生 物反应器。 不同反应器特点比较见表 1 : 表 1 不同类型固定化微生物反应器特点比 较 t a b l e - 1 c o m p a r i s o n o f s e v e r a l i m m o b i l i z e d m i c r o b e r e a c t o r s 反应器类型固定床反应器机械搅拌式反应器流化床反应器 难低易好好 易低易好好 易高难 操作难易程度 阻力损失 细胞移出难易程度 混合程度 氧传递 不好 不好 活细胞分布不均匀均匀均匀 低难高 高易 低易低好 固定化颗粒磨损程度 放大难易程度 成本 对产物抑制动力学适 用性 一般 对基质抑制动力学适 用性 不好一般 4固定化细胞技术在废水处理中的应用前景 总之，固定化微生物应用于废水处理的研究现状表明，固定化技术可以充 分发挥微生物在水处理中的作用，提供了改进废水处理方法的可能性，是一项 很有潜力的新技术15 0 . 8 1 。 固定化细胞技术应用于 废水生物处理， 具有以下优点: 能在生物处理装置内维持高浓度的生物量，提高处理负荷，减少处理装置 的容积。比通常活性污泥法具有 1 - 3 倍的处理能力，且出水水质好，抗水力、 有机负荷的冲击，降低运行费用与投资。 文献综述 污泥产量低，固定化活性污泥的剩余污泥产量仅为普通活性污泥法的 1 / 5 1 / 4 0 对于厌氧消化工艺，可持留对环境干扰敏感、生长缓慢的产甲烷菌，缩短 了启动时间，使工艺稳定地运行。 在降解有毒污染物方面可高效率达到矿化，更有前途的是用包埋高效率的 混合微生物系作为投菌剂，强化现存生物处理系统的处理效率。抵抗有毒物毒 性能力强。 近年来固定化细胞技术以其独特的优点在有机废水处理领域中引起了人们 的普遍关注，进行了广泛的研究，但大多是在实验室规模上进行的，在实用化 或工业化应用上，还有许多问 题需要解决7 l , ( 1 ) 针对不同的废水体系和所包埋的菌系细胞， 选择合适的包埋材料以提 高处理能力， 有关载体对细胞浓度、 活性的影响及其传质阻力的研究有待深入。 因此，开发研究载体仍为固定化细胞技术的重要课题之一。 ( 2 ) 实际废水是一个十分复杂的混合体系， 用单一菌株处理， 一般很难达 到要求，因此，对于复杂的废水体系，是采用混合菌，还是单一高效菌分级处 理，有待于进一步探索研究。 ( 3 ) 固定化载体的成本及使用寿命是决定其经济可行性的关键， 开发适合 固定化微生物的高效生化反应器也是一个急待解决的问题。 ( 4 ) 加强工业化连续处理废水的自 动化成分， 找出精确测定载体中的细胞 浓度的方法和较佳的动力学处理法，系统管理优化设计，降低成本，将废水处 理和回收偶联。 ( 5 ) 包埋载体对基质 ( 特别是氧气) 和产物存在扩散阻力，因此， 需要高 效曝气和混合设备才能使固定化细胞处于良好的微环境中，发挥其高效作用 z 8 基因工程技术在水处理中的应用还很遥远，但有效地利用遗传工程菌的降 解潜力，防止其泄露而引起生态问题，开拓固定化细胞技术应用新领域，仍是 一个发展方向。包埋固定化微生物在水处理中的应用研究尚处于初级阶段，随 着该技术的不断深入研究和发展，固定化细胞技术必将在废水生物处理领域中 获得广泛的应用。 综上所述，固定化细胞技术在废水处理领域的应用己经引起广泛的关注， 它比普通活性污泥法的优势是显而易见的，很有研究的价值。本文拟在这方面 做一些有益的探索研究。 固定化活性污泥处理生活污水的探索研究 正文 月 il舀 用生物法来处理污水，已经成为污水处理的一个重要手段。各种生物处理 方法，如活性污泥法、生物转盘法、生物滤池法、 接触氧化法等，在城市污水 处理实践中己 发挥出重要的作用。 但是这些方法仍存在各种各样的缺点。 因此， 迫切需要开发新的高效废水处理新技术。 固定化细胞处理城市污水的技术，是当今生物工程领域中一个十分活跃的 研究方向，在国内外应用比较广泛，尤其是在日本研究的比较多。同时也获得 了 令人鼓舞的研究成果。主要集中在对一些特种废水的处理研究方面， 如氨氮 废水、洗涤剂废水、农药废水、含酚含氰等难降解物质的废水等，这些方面的 研究有一个共性，都是对纯种细菌进行固定，针对某一种废水进行研究。固定 化细胞所具有的优点以及它在化工、医药等行业的成功应用，引起了许多研究 者对活性污泥固定化的重视6 5 1 。 这也是本研究的出 发点。 对固定化细胞技术的广泛研究，几乎都是将固定化细胞制成颗粒状，构成 流化床或者固定床反应器，其中存在一个问题，就是出现颗粒的粘连和破损现 象，造成固定化细胞使用寿命不长。本研究在新方法和新工艺方面作了有益的 尝试， 用循环冷冻一 解冻的方法包埋活性污泥， 将其制成膜板状， 分层放置构成 固定床反应器 ( 以下暂称p v a生物膜反应器) ，通过考察反应器运行的相关参 数，检验这种方法的可行性，通过在运行过程中的改进得到一条理想的工艺流 程。 另外， 又将 p v a生物膜法与另一种细胞固定化方法接触氧化法做了比 较。对今后固定化细胞技术处理生活污水方面的研究有一定的参考价值。 1 实验材料与方法 1 . 1 实验材料 包埋剂: p v a - 1 2 4( 广州南 方 化玻公司分 装， 粘度5 0 - 6 0 m p a . s ) 抗冻剂:丙三醇 ( 甘油)( 广东西陇化工厂)吸附剂:活性炭 活性污泥:实验室自 行培养;其它实验用药品均为化学纯 隔膜式无油空气压缩机:a c o - 9 6 1 0( 中国广东新力机电厂) 冰箱: b c d - 2 3 9 we( 海尔股份有限公司) 恒温培养箱:l r h - 2 5 0 - g( 广东省医疗器械厂) 1 .2 实验污水水质 实验采用中南林学院教职工南区生活污水，其水质情况如表1 所示: 固定化活性污泥处理生活污水的探索研究 表1 实验废水水质 t a b l e - 1 wa t e r q u a l i t y o f t e s t e d s e w a g e c o d , ( m g / l ) 2 3 2 . 5 9 - 9 1 2 b o d s ( m g / l ) 1 2 0 . 5 6 - 5 5 0 . 2 3 n h 3 - n ( m g 几) 3 3 . 0 6 - 4 6 . 1 9 t - p ( m g / l ) 6 . 6 2 -1 2 1 9 7 . 0 - - 8 . 0 1 . 3 实验方法 1 . 3 . 1 活性污泥的培养 采用培养、 扩大培养的方法，在2 l的量筒中加污水至2 l处， 采用曝气速 率 1 6 l / m i n ,曝气4 8 h ，静止沉淀4 0 - - 5 0 m i n ，倒掉 1 / 3的上清液，加污水至2 l 处再次曝气培养。待初期培养观察到污泥絮体较好时，即进入过渡时期培养， 每隔6 8 h 按上述方法换水。每次换水前测污泥沉降比s v 3 0 ， 待s v 3 。 增至7 %左 右，扩大到5 l的玻璃瓶中继续培养，换水步骤同上。培养到2 0 天时，活性污 泥呈黄褐色絮状，静止后泥水分离迅速，污泥结合成团状后，迅速沉降，s v 3 0 达 1 0 %， 污泥层密实， 上清液清澈， c o d c r 去除率己经有7 0 - 8 0 %， 此时认为活 性污泥培养成功，可以用于包埋。 1 . 3 . 2 p v a生物膜的制备方法 p v、 生物膜的制备流程图如下: 活性炭 浓缩污泥一定浓度的p v a溶液 按一定重量比例混合均匀 均匀涂于网格状塑料片上 放在一 2 0 左右的冰箱中冷冻2 2小时 在室温下解冻 4小时 循环冷冻一 解冻四次 用 自来水冲洗膜各用 图1 p v a生物膜的制备 流程图 f i g - 1 f l o wc h a r t o f t h e p r e p a r a t i o n o f p v a b i o - m e m b r ane 固定化活性污泥处理生活污水的探索研究 将培养好的污泥经3 0 0 0 r / m in的离心机离心 1 5 m i n ， 用生理盐水洗涤并离心 两次。将已知质量的p v i 、 粒子在蒸馏水中浸泡2 4 h ，水浴加热至完全溶解，制 得 p v a溶液，稍冷后称重。按照活性污泥与p v a溶液的质量比，称取一定量 的活性污泥，加入所需质量的活性炭后，充分吸附几分钟。再与相应质量的加 有甘油做抗冻剂的 p v a溶液混合均匀。之后将混合物均匀涂于网格状塑料片 上，在一 2 0 左右的冰箱中冷冻2 2 h ，室温下解冻4 h . 目前对于p v a溶液经冷冻一 解冻成膜的机理尚不清楚， 可能是p v a溶液在 冷冻过程中失去部分游离水，在 p v a分子骨架上的经基之间形成了较强的氢 键， 冷冻一 解冻次数越多， 失 水量越大， 形成的 氢键就越多 6 6 1 。 因 此， 随着冷冻 一 解冻次数的增加， p v a膜强度增大。 然而凝胶中包埋的微生物却失活越多。 衡 量两者， 选取循环次数为四次， 既能使p v a膜有较高的机械强度， 又使固定化 微生物保持较高的活力。 循环冷冻解冻四次后， 用自 来水冲净表面即可以备用。 1 . 3 . 3 实验装置图 生物膜 图2 实验装置 f i g - 2 t h e e x p e r i m e n t a l i n s t a l l a t i o n 反应器由长、宽、高分别为2 0 c m , 1 . 3 . 4 分析项目 及测试方法 实验中的分析项 目及测试方法如表 8 c m, 1 5 c m的有机玻璃制成。 2所示: 表2 实 验 分 析 项目 与 方 法 6 8 t a b l e - 2 a n a l y t i c a l i t e m s a n d m e t h o d s o f e x p e r i m e n t 分析项 目 c o d , b o d e nh 3 - n t- p do 温度 测试方法 s s 污泥生物相 重铬酸钾法 稀释接种法 纳氏试剂分光光度法 铝锑抗分光光度法 溶解氧仪 温度计 重量法 光学显微镜 固定化活性污泥处理生活污水的探索研究 2实验过程 2 . 1 适宜包埋条件的确定 p v a作为包埋剂，具有传质阻力大的缺陷， 但是它价廉易得， 有抗微生物 分解， 机械强度大等优点， 所以， 它的应用还是很广泛的。 为了改善传质性能， 本实验以p v a为主要包埋骨架， 在其中添加活性炭， 以加速反应体系的传质过 程，兼有吸附法和包埋法的优点。另外， p v a溶液的浓度及包埋污泥的量都是 影响处理效果的因素。因此，为了确定最适宜的包埋条件，在正式实验前，安 排了正交试验。选取 p v a溶液的浓度 ( a) ，加入活性炭的量 ( b ) ，活性污泥 与p v a溶液的质量比即包泥量 ( c ) 三因素， 各因素的取值范围及水平如表3 : 表3 各因素的 取值范围及其水平 t a b l e - 3 t h e r a n g e a n d l e v e l s o f f a c t o r s 水 平p v a 溶 液 的 浓 度( a ) % ( w 八 v) 活性炭加入量 ( b ) ( g ) 活性污泥与p v a溶 液的质量比 ( c ) 表4 正 交实验数据表 t a b l e - 4 d a t a s h e e t o f