因此,理想的細胞固定化載體應該具備的條件是:①對微生物無毒;②性質穩定,不易被微生物分解,并能耐受由于生物繁殖引起的破裂;③傳質性能良好,透氣性和透光性良好;④強度高,壽命長;⑤價格低廉。開發具有上述性能的載體,是細胞固定化技術研究中十分重要的課題。
2 細胞固定化技術在含氮廢水處理中的應用研究
由于固定化細胞技術用于廢水生物處理,與傳統的懸浮生物處理法相比,能純化和保持高效菌種,微生物濃度高,污泥產量少,固液分離效果好。因此,該項技術在廢水生物處理,尤其是在特種廢水處理領域中,獲得了廣泛的研究。固定化細胞技術已用于BOD物質的去除、硝化反硝化、脫磷、去酚、氰的降解、LAS降解、重金屬離子的去除與回收以及印染廢水的脫色處理等。近年來,固定化硝化菌脫氮技術已經從實驗室和小規模試驗階段進入大規模的生產性試驗階段。
2.1 單獨包埋
硝化菌、反硝化菌單獨包埋利用了固定化細胞微生物濃度高的特點,將傳統生物處理中的懸浮生物固定在包埋劑中。該法固定化技術相對較簡單。據文獻報道,將常規的活性污泥法改造成促進型循環脫氮法,標準處理量為2250m3/d(最高3000m3/d),平均進水BOD為200mg/L,TN為39mg/L。連續運行結果:年平均出水NH4TN小于1mg/L,TN小于10mg/L,獲得了良好的處理效果。市村等人用PVA-SBQ與海藻酸鈉結合包埋硝化菌,在流化床中連續硝化250d可將NH3TN從80mg/L降至20mg/L,NH3容積負荷達2kg/(m3•d)。角野以聚丙烯酰胺為載體包埋硝化菌,在填充率為7.5%的流化床中,對曝氣池活性污泥混合液進行連續處理,停留時間僅2h,就可以達到完全硝化。Wijffels采用將反硝化菌固定在聚丙烯酰胺中的方法進行連續脫氮實驗,進水NO3-N濃度為8～16mol/m3;固定化細胞的填充率為11.1%時,脫氮率可達90%以上;填充率為16.5%時,脫氮率可達95%。Tramper也曾經用海藻酸鈉和角叉菜膠包埋硝化菌進行一系列廢水硝化的研究。
2.2 混合包埋
在含氮廢水的處理中,常規活性污泥法對一般有機物的去除率可以達到90%以上,但由于工藝過程中幾乎不發生硝化作用,總凱氏氮的去除率僅在10%～30%之間。近年來國內外水環境標準的嚴格化,促使人們對活性污泥法進行工藝流程的改進,出現了A/O生物脫氮工藝等污水處理新工藝(工藝流程見圖2)。但該工藝仍然存在著諸如硝化菌群增殖速度慢、抗金屬及有機物沖擊的能力不強等缺點。
然而在利用固定化微生物脫氮時,由于存在樣擴散的限制,在固定化細胞顆粒、生物膜、細胞聚集體中存在著好氧區和缺氧區或厭氧區。這樣,硝化菌的產物可作為反硝化菌的底物,硝化和反硝化兩階段反應即可在同一反應器中完成,實現同時硝化和反硝化(SND)。這種改進工藝流程見圖3。由于省去了第二階段的厭氧反硝化池或減少其尺寸,從而大大簡化了生物脫氮的工藝流程。
2.2.1 硝化菌和反硝化分層包埋
該工藝人為地將反硝化菌限制在顆粒的中央部位,而硝化菌生長在顆粒表層。兩類微生物的機械分層為硝化提供了有利的條件,避免了好氧條件下反硝化菌與硝化菌爭奪溶解氧;另一方面,也避免了反硝化菌在有機碳源存在下的過液增殖。而選擇性地固定亞硝化菌,將硝化反應控制在亞硝化階段,則可以實現短程硝化反硝化。
DosSantos等人以海藻酸鈉和K角叉菜膠為載體分層包埋硝化菌和反硝化菌。他們先將反硝化菌與海藻酸鈉、KCl溶液混合,然后將其滴入攪拌的含硝化菌、K角叉菜膠和CaCl2的溶液中,制成內層為海藻酸鈉包埋反硝化菌,外層為K角叉菜膠包埋硝化菌的復合小球。反硝化菌直接還原硝化反應產生的亞硝酸鹽,避免了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽的兩個多余步驟,降低了對氧及有機物的需求。在好氧條件下,連續運行時氮[N/(m3•s)]的去除率高達5.1mmolN/(m3•s),但該法固定化過程比較復雜,可供選擇的載體較少,不便于大規模制備固定化細胞。另外,根據Uemoto和Saiki對混合包埋的硝化菌和反硝化菌研究發現,運行一段時間后其在體內的分布自然會發生變化,硝化菌集中于外層,反硝化菌集中于內層,中間過濾層兩者共存,因此,沒有將硝化菌和反硝化菌分層包埋的必要。
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