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 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。固定化细胞技术已用于BOD物质的去除、硝化反硝化、脱磷、去酚、氰的降解、LAS降解、重金属离子的去除与回收以及印染废水的脱色处理等。近年来,固定化硝化菌脱氮技术已经从实验室和小规模试验阶段进入大规模的生产性试验阶段。
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NH4TN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NH3TN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,停留时间仅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-N浓度为8～16mol/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叉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A/O生物脱氮工艺等污水处理新工艺(工艺流程见图2)。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)。这种改进工艺流程见图3。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反硝化。
DosSantos等人以海藻酸钠和K角叉菜胶为载体分层包埋硝化菌和反硝化菌。他们先将反硝化菌与海藻酸钠、KCl溶液混合,然后将其滴入搅拌的含硝化菌、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反应产生的亚硝酸盐,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。
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