印染廢水具有排放量大，水質(zhì)復(fù)雜、色度高，COD 值高，可生化性低等特點，使傳統(tǒng)的生物處理工藝難以滿足印染廢水處理的要求，因此，開發(fā)節(jié)能，高效，低成本的染料廢水處理技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，應(yīng)用固定化微生物技術(shù)處理印染廢水成為一種研究趨勢。
固定化細胞技術(shù)是指通過化學(xué)或物理手段，將微生物細胞固定在載體上使之成為不懸浮于水但仍保留其固有的生物催化活性，在適宜條件下能被重復(fù)連續(xù)使用的生物工程技術(shù)。利用固定化細胞技術(shù)，可將選擇性地篩選出的優(yōu)勢菌種加以固定，構(gòu)成高效廢水處理系統(tǒng)。在工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中，采用固定化細胞技術(shù)有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)的微生物細胞濃度和純度，并保持菌種的高活性，其污泥產(chǎn)生量少，利于反應(yīng)器的固液分離，也利于除去高濃度有機物和某些難降解物質(zhì)，因而具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價值。本文主要介紹了固定化細胞技術(shù)及其在印染廢水處理中的研究進展。
1 固定化細胞方法
國內(nèi)外沒有關(guān)于固定化細胞方法的統(tǒng)一分類標準，但總體上可分為吸附法、包埋法、共價結(jié)合法、交聯(lián)法四大類。印染廢水中運用較多的是吸附法和包埋法。
1. 1 吸附法
吸附法是利用微生物和載體之間形成靜電、粘附力和表面張力等作用將微生物細胞吸附，使細胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜的方法。吸附法又分為物理吸附法和離子吸附法2 種。吸附法操作簡單、載體可以反復(fù)利用、對細胞活性影響小，但固定的微生物細胞數(shù)量有限且易脫落。
1. 2 包埋法
包埋法的原理是將微生物細胞截流在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網(wǎng)絡(luò)空間中或埋于半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)，通過聚合作用、離子網(wǎng)絡(luò)形成、沉淀作用，以及通過改變?nèi)軇囟取H 值來阻止細胞的泄漏，同時能讓底物滲入和產(chǎn)物擴散出來。目前應(yīng)用最為廣泛的是凝膠包埋法固定大腸桿菌細胞，它是將大腸桿菌細胞與單體或聚合物一起聚凝，細胞被包埋在形成的聚合物中，可選用不同的聚合物載體、不同的包埋系統(tǒng)和條件，以保持大腸桿菌的酶催化活性，大腸桿菌細胞在聚合體中含量可高達50% ～ 70%。與液體發(fā)酵相比，包埋的大腸桿菌生產(chǎn)周期短、產(chǎn)物分離方便、能耗低、設(shè)備投資少且大大改善操作條件。包埋法仍存在一些不足，如包埋材料對細胞的毒性作用、材料本身阻礙大分子底物和氧的擴散、使用過程中的雜菌污染等，這些還需要進行更深入的研究。
1. 3 共價結(jié)合法
共價結(jié)合法是利用微生物細胞表面的官能團(如氨基、羧基、巰基、羥基和咪唑基等) 和載體材料上的反應(yīng)基團形成化學(xué)共價鍵相連，從而起到固定化細胞的作用。此法制備的固定化細胞結(jié)合牢固，但是反應(yīng)條件苛刻、不易控制。
1. 4 交聯(lián)法
交聯(lián)法是利用微生物細胞與帶2 個以上多功能團的非水溶性試劑發(fā)生反應(yīng)形成共價鍵，使其彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固定化細胞。此法得到的固定化細胞較穩(wěn)定，但可能使細胞活性大大降低，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。
2 固定化細胞的載體
固定化細胞技術(shù)所采用載體的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響所固定細胞的生物活性和體系傳質(zhì)性能，分為有機高分子載體、無機載體和復(fù)合載體三大類。
有機高分子載體又分為天然高分子凝膠載體和合成有機高分子凝膠載體。天然高分子凝膠一般無毒，傳質(zhì)性能較好，但強度較低，在厭氧條件下易被生物分解。有機合成高分子凝膠載體一般強度較大，但傳質(zhì)性能較差，在進行細胞固定時易造成細胞失活。常見的有機載體有瓊脂、海藻酸鈣、聚乙烯醇(PVA)、角叉萊膠、聚丙烯酰胺等。
無機載體大多具有多孔結(jié)構(gòu)，利用吸附作用和電荷效應(yīng)將微生物固定。它具有機械強度高、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點，但也有密度大、微生物吸附量小、易脫落等缺點。無機載體主要有沙子、活性炭、沸石類、陶瓷類材料等。
復(fù)合載體是指將有機載體材料和無機載體材料結(jié)合，利用各自的優(yōu)點，從而改進載體材料的性能。Lin 等將粉末活性炭和phanerochaete chrysosporium 聯(lián)合包埋固定，結(jié)果表明復(fù)合固定化體系能更加有效地用于降解五氮酚，顯示出復(fù)合載體材料的優(yōu)越性。
3 固定化細胞技術(shù)處理印染廢水的研究進展
羅志騰等在印染廢水處理活性污泥中分離了3 株高效脫色菌，用明膠包埋的固定化細胞厭氧移動床和好氧生物接觸氧化的組合工藝來處理人工配制的偶氮染料廢水。在原水COD為1500 ～ 1580 mg /L，色度400 倍，厭氧段水力停留時間為8 h，穩(wěn)定運行時色度及COD 的去除率分別達到96. 9% 和93. 1%。
梁沈平等采用凹凸棒粘土顆粒和塑料環(huán)為載體固定的高效脫色菌，大大縮小了反應(yīng)時間，提商了脫色率。
Michael 等將從RDBR 處理系統(tǒng)中分離出的兩株脫色細菌掛膜好氧處理染料酸性橙A07 廢水，首次發(fā)現(xiàn)能將磺化偶氮染科完全礦化。
Kuo 等利用聚乙烯醇凝膠包埋混合細菌群，當(dāng)廢水HRT = 10 h 時，染料RED RBN 的脫色率可達90%以上。
楊云龍等在序批式活性污泥法(SBR) 生物反應(yīng)器內(nèi)投加固定化紫色非硫光合細菌(PSB) 及其他異養(yǎng)菌以提離生物難降解物質(zhì)的去除效率，結(jié)果表明，在好氧條件下穩(wěn)定運行時CODCr去除率為70%左右，本質(zhì)素去除率為75%。與傳統(tǒng)生物法相比，固定化PSB-SBR 系統(tǒng)啟動快，耐沖擊負荷，停留時間短，操作管理方便，在實際工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。
何芳等篩選出8 株高效脫色菌株，將混合菌與活性污泥等量混合接種的固定化系統(tǒng)處理印染廢水，結(jié)果表明，該系統(tǒng)對pH、溫度的適應(yīng)范圍寬，且菌種活性高，在HRT = 10 h 的條件下，對色度、COD 的去除率分別達75%、85%以上，出水水質(zhì)達到了《污水綜合排放標準》的一級標準。此外，在實際應(yīng)用中無需對該廢水進行厭氧酸化預(yù)處理，大大降低了投資及運行費用。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 固定化細胞技術(shù)的發(fā)展前景
利用固定化細胞技術(shù)處理廢水具有處理效率高、穩(wěn)定性強、固液分離效果好、對環(huán)境耐受力強(pH、溫度、有毒物質(zhì)等)、易于再生利用等突出的優(yōu)點，但該技術(shù)仍處于試驗階段，要達到工業(yè)應(yīng)用的水平還需要解決多種生物共生的固定化體系，固定化載體和固定化反應(yīng)器，以及研究對生物無破壞性、高效率的生物解析劑等問題。
