"摘要 固定化细胞是建立在固定化酶技术基础的一项新技术，它的应用范围很广，从传统的发酵工艺到污水处理系统工艺，本文主要介绍了固定化细胞技术的方法、特点、优点及其在污水处理方面的应用。
关键词 固定化细胞技术;污水处理;固定化方法;
1 固定化技术
固定化生物技术是从20世纪60年代开始迅速发展的一项新技术,它是利用化学的或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域以提高微生物的浓度,并使之不悬浮于水仍保持生物活性,并可反复利用[1]。在水处理中采用固定化细胞技术，有利于提高生物反应器内的微生物浓度，增强废水处理能力，克服了普通生物处理生物细胞太小，与水溶液分离较难 ，污泥膨胀，易造成二次污染等缺点，具有高容积负荷 ，高效率，抗冲击能力强，稳定性强，污泥产量少，固液分离效果好，运行稳定等优点[2]。并且随着水污染的加重，固定化细胞技术得到广泛应用，成为各国学者研究的热点[2]。
1·1 固定化细胞的制备
固定化细胞的制备方法很多, 目前国内外还没有统一的分类标准。理想的制备方法应具有的优点[3]:
（1)能够控制固定化细胞颗粒的大小和孔隙度,固定化方法简便易行；
（2)固定化所使用的材料价廉易得,成本尽量低；
（3）固定化系统具有稳定的网状结构、良好的机械稳定性和化学稳定性；
（4)固定化系统能使底物、产物和其他代谢产物自由扩散；
（5)单位体积的固定化系统拥有尽可能多的细胞,以更好地起到生物催化作用。
针对有机污水处理问题，固定细胞的制备方式也是多种多样。常用的固定方法有吸附法、包埋法、交联法和共价结合法。附表一是几种固定化细胞制备方法有缺点的比较[4]。
1·2 固定化细胞载体
从制备方法可以知道,固定化细胞技术的关键在于所采用的固定化载体材料的性能。适用于废水处理的理想固定化细胞载体应具备以下特点[5]:
1)对微生物无毒性；
2)传质性能好；
3)性质稳定,不易被生物分解；
4)强度高、寿命长；
5)细胞的固定化操作容易；
6)水不溶性；
7)价格低廉等。
就目前在固定化细胞技术中所使用的载体材料而言,主要分为三大类:有机高分子载体、无机载体和复合载体[5]。
附表二给出了几种固定化细胞有机载体的性能比较。
无机载体(如陶珠、活性炭、砂粒等)大多具有多孔结构,与微生物接触时利用吸附和电荷效应把微生物固定,具有机械强度大、对微生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等特性,且制作简单易行,只需把载体放入含有微生物一定浓度的溶液中浸泡一段时间即可,因而是一类重要的载体材料[5]。
复合载体是由有机载体材料和无机载体材料结合而成,使两类材料在许多性能上互补。Lin等利用海藻酸钙联合包埋固定可以分解五氯酚(PCP)中间产物的真菌细胞和粉末活性炭用于降解PCP,结果表明:复合固定化体系能更加有效地降解PCP,显示出复合载体材料的优越性[6]。
1.3固定化细胞的方法[7]
吸附法又叫载体结合法,是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和黏附力的作用,而使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法,可分为物理吸附法和离子吸附法两种。此法较为简便,活力损失小,但细胞与载体作用力小,易脱落。
包埋法是将微生物细胞包埋在凝胶的微小空格内或埋于半透膜聚合物的超滤膜内。根据载体材料和方法的不同,包埋法可分为凝胶包埋法和半透膜包埋法两种。凝胶包埋法是将细胞包埋在各种凝胶内部的微孔中而使细胞固定的方法;半透膜包埋法是将细胞包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内而使细胞固定的方法。此法简单,条件温和,稳定性好,包埋细胞容量高。
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。此法的优点是细胞与载体结合紧密,不易脱落,但制备较难,且活力损失较大。
交联法是利用双功能或多功能试剂,直接与细胞表面的反应基团(如氨基酸、羟基、硫基、咪唑基)发生反应,使其彼此交联形成网状结构的固定化细胞,其结合力是共价键。此法制备麻烦,活力损失较大,但细胞与载体结合较紧。
2.固定化细胞在污水处理的应用
21世纪，无论是农业还是工业，城市生活还是乡镇生活，环境污染问题越来越明显，污水更是一个严峻的问题。过去的化学、物理污水处理都不很很理想，物理处理方法不彻底，化学处理方法会造成二次污染等问题，迫使人们逐渐把目光转移到生物处理方面。生物处理方法中微生物处理是高效、快速处理污水的的方法之一。由于微生物在自然状态下浓度不是很高，处理效果不是很好，所以采用固定化方法，可以增加微生物的浓度，提高污水处理的效率。
2.1 固定化细胞在含氮污水处理的应用
生物除氮工艺主要是利用微生物硝化反硝化的原理，用硝化细菌、反硝化细菌进行含氮废水处理，以达到降低水体中氮含量的目的。曹国民[8]等利用硝化菌和反硝化菌混合固定的方法，研究了好氧条件下同时进行硝化和反硝化作用的单级生物脱氮技术.结果表明，反硝化菌被固定后，在好氧条件下仍具有反硝化功能硝化菌和反硝化菌被混合固定后，可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化作用，
并且其氨氧化速率约为硝化菌单独固定时的1.4倍.硝化菌和反硝化菌混合固定构成的单级生物脱氮系统其脱氮速率是分别固定构成的单级生物脱氮系统的2.6倍。李峰[9]等对序批式反应器中采用固定化细胞技术处理某化肥厂氨氮废水的应用问题进行了研究，发现CODCr去除率达92·66%,NH3-N去除率达99·7%以上,总氮去除率达40·54%。
2.2 固定化细胞在含酚废水处理的应用
宋昊[10]等用海藻酸钠作为载体将一株降酚菌株进行固定化包埋。利用正交实验确定了该菌株固定化细胞制备的最优条件。研究表明,该降酚菌株的固定化细胞对苯酚的降解能力和耐受能力均大于游离细胞。该菌株的固定化细胞对废水中的COD也具有良好的降解效果。何泽超[11]等将活性污泥中驯化分离出的对苯酚具有较强降解能力的菌株,用海藻酸钠进行固定化包埋。采用正交实验,确定了制备该菌株固定化细胞的条件。进一步研究表明:该降酚菌株的固定化细胞对苯酚的耐受能力和降解速度均优于游离细胞,经48 h可将1650 mg/L以下的苯酚完全降解。
2.3 固定化细胞在甲醇废水处理的应用
甲醇废水广泛存在于人造纤维、制药、石油化工、林业化工及硫酸盐纸浆化工废
水中。利用固定化细胞技术处理这种废水,可以保持反应器内的较高生物量,具有运行启动快、处理效率高、操作稳定等特点朱文芳[12]等在实验室小试的基础上,进行采用固定化细胞技术处理低浓度甲醇废水的现场中试研究。工程菌经固定化后,观察其实际运行状况。试验结果表明:pH在7~8.5,水力停留时间(HRT)为32 min,水温在25~35℃,甲醇质量浓度保持在25~35 mg/L等条件下,以甲醇为主的CODCr去除率可达70%以上,出水经树脂床处理后,可回用于高压锅炉用水。通过固定化技术对低浓度甲醇废水处理,不但节约了水资源,而且减少了对水环境的污染。
3.总结
生物固定化技术以其独特的优点引起了人们的普遍关注，在污染物排放标准比较严格而单纯依靠传统处理难以达标的情况下，生物固定法成为有效辅助方法。固定化细胞技术在废水处理领域中具有独特的优越性和巨大的潜力。它具有效率高、稳定性强、耐负荷、产污泥量少等优势。通过不断的研究和改进，固定化细胞技术在废水治理领域中将会成为一项高效而实用的废水处理技术，并获得广泛的应用[13-15]。
4.参考文献
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[2] 王建龙. 生物固定化技术与水污染控制[M]. 北京：科学出版社，2002：9.
[3] 雷乐成.水处理高级氧化技术[M]. 北京:化学工业出版社,2001.
[4] 王建龙. 生物固定化技术与水污染控制[M]. 北京:科学出版社,2002:7.
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[7] 张磊,张烨,侯红萍,固定化细胞技术的研究进展[J].四川食品与发酵,2006(01):5-7.
[8] 曹国民,张彤,龚剑丽,等,固定化细胞单级生物脱氮研究[J].中国环境科学,2000，20(3):237一240.
[9] 李峰,吕锡武,严 伟.序批式反应器中运用固定化细胞技术处理氨氮废水[J].2000,26(01):63-65.
[10] 宋昊,何泽超,降酚菌株的固定化细胞处理含酚废水的性能研究[J].环境污染治理技术与设备,2006.06(09):37-40.
[11] 何泽超,章杰,宋昊,等.固定化细胞处理含酚废水[J].四川大学学报,2005,37(06):60-64.
[12] 朱文芳,李伟光,王志华,等.固定化细胞技术处理低浓度甲醇废水的研究[J].工业水处理,2002,22(07):18-21.
[13] 律泽,魏炜,徐岩岩.固定化细胞技术在废水处理中的应用[J].环境保护与循环经济,2009(07):21-23.
[14] 孙少晨,林永波,寇广孝.包埋法固定化细胞技术及其在水处理中的应用研究[J].环境科学与管理,2006,31(04):95-97.
[15] 段明峰,吴卫霞,肖俊霞,等.利用固定化细胞技术处理废水研究进展[J].油气田环境保护,2004,14(03):17-20."
