摘要：詳細介紹了固定化細胞的制備方法、栽體特性、反應特性，探討了固定化技術在廢水處理中的應用現狀，并指出了固定化細胞技術的發展方向。
關鍵詞：固定化細胞；廢水處理；栽體
固定化生物技術是從2O世紀6o年代開始迅速發展的一項新技術。固定化細胞技術是指通過化學的或物理的手段，將游離細胞定位于限定的空間區域，使之成為不懸浮于水但仍保持生物活性，并能反復利用的方法。細胞被固定化后具有密度高、反應速度快、耐毒害能力強、產物分離容易、能實現連續操作、可以大大提高生產能力等優勢，因此在近幾十年來固定化細胞技術得到了迅速發展和廣泛應用。
1 固定化細胞的制備方式
固定化細胞的制備方式是多種多樣的，大致可以分成以下4種方法。
(1)吸附法。又叫載體結合法。它是依據帶電的微生物細胞和載體之間的靜電、表面張力和黏附力的作用，使微生物細胞固定在載體表面和內部形成生物膜。吸附法可分為物理吸附法和離子吸附法兩種。該法操作簡單，固定化過程對細胞活性影響小，但細胞與載體作用力小，易脫落。
(2)包埋法。它是將微生物包埋在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內，微生物被包裹在該空間內不能離開，而底物和產物能自由地進出這個空間。按方法的不同，包埋法可分為凝膠包埋法和半透膜包埋法兩種。凝膠包埋法是將細胞包埋在各種凝膠內部的微孔中而使細胞固定的方法；半透膜包埋法是將細胞包埋在由各種高分子聚合物制成的小球內而使細胞固定的方法。包埋法具有簡單、條件溫和、穩定性好、包埋細胞容量高、對細胞活性影響小的特點。它是固定化細胞常用的方法。
(3)共價結合法。它是細胞表面上功能團和固相支持物表面的反應基團之間形成化學共價鍵連接，從而成為固定化細胞。此法的優點是細胞與載體結合緊密、不易脫落，但制備較難，且活力損失較大。
(4)交聯法。它是通過利用含有兩個或兩個以上官能基團的試劑與微生物細胞表面的反應基團，如梭基、氨基等發生反應，使細胞之間交聯成網格結構，從而制成固定化網格，其結合力是共價鍵。該方法微生物反應活性損失較大，且采用的交聯劑大都比較昂貴，因此其應用受到一定的限制。
2 固定化細胞的載體
固定化細胞技術所采用載體的物理化學性質直接影響所固定細胞的生物活性和體系傳質性能。理想的載體材料應具有對微生物無毒性、傳質性能好、性質穩定、壽命長、價格低廉等特性。它可分為有機高分子載體、無機載體和復合載體三大類。
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對生物無毒，傳質性能較好，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—般強度較大，但傳質性能較差，在進行細胞固定時對細胞活性有影響，易造成細胞失活。無機載體大多具有多孔結構，在與微生物接觸時，利用吸附作用和電荷效應來固定微生物。它的操作方法是把載體放人含有一定微生物濃度的溶液中，固定一段時間(24 h左右)即可。
由有機載體和無機載體材料組成的復合載體材料可以改進載體材料的性能。Lin等將粉末活性炭和Phanerochaete chrysosporium聯合包埋固定，結果表明了復合固定化體系能更加有效地用于降解五氮酚，顯示出復合載體材料的優越性。
3 固定化細胞技術在廢水處理中的應用
3.1處理氨氮廢水
微生物去除氨氮需經過好氧硝化、厭氧(缺氧)反硝化兩個階段。硝化菌、脫氮菌的增殖速度慢，要想提高去除率，必須有較長的停留時間和較高的細菌濃度。而采用固定化細胞技術就可解決這個問題。Nilsson用海藻酸鈣固定假單細胞反硝化菌Pseudomonas denitrificans，采用填充床對含20ms/L硝酸鹽的地下水進行兩個月的連續脫氮試驗，脫氮效果良好，反硝化速度為66mg[N]/(h·kg[凝膠])，容積負荷(以N計)達到3．6ks/(m3·d)。中村裕紀用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脫氮菌，采用好氧硝化與厭氧反硝化兩段工藝進行合成廢水的脫氮試驗，其結果表明：與懸浮生物法相比，低溫下硝化速度(以N計)加快了6~7倍，約為O．5 ks/(m3．d)；脫氮速率提高了3倍，約為1．5ks/(m3·d)；停留時間由原來的7h(硝化4h，反硝化3 h)縮短為4h(硝化2h，反硝化2h)，即處理裝置容積可減少約50%右。周定等將脫氮細胞包埋于PVA(聚乙烯醇)中，結果表明在低溫、低pH值的條件下。固定化細胞能夠保留比未包埋細胞更高的脫氮活性，減輕溶解氧對脫氮的抑制作用，脫氮微生物在固定化載體中可以增殖。
從以上研究看出，固定化細胞技術在處理氨氮廢水中的主要優勢在于：可通過高濃度的固定細胞提高硝化和反硝化速度，同時還可以使在反硝化過程低溫時易失活的反硝化菌保持較高的活性。
3．2 處理難降解有機廢水
含酚廢水的處理普遍采用活性污泥法，但此法存在污泥產率較高，易產生污泥流失，處理效率低等缺點。固定化細胞對廢水中酚類等有毒物質的降解能力遠大于游離態細胞。Yang用三乙酸纖維素脂單載體與海藻酸鈣的復合載體包埋混合好氧菌處理含酚廢水，并與采用同樣載體的表面吸附生物膜法比較，當容積負荷(以COD計)小于90 kg/(m3·d)時，包埋法固定化細胞的酚去除率達9o%以上。利用固定化混合菌群可降解芳香烴廢水。固定化細胞能利用這些物質進行生長并使之完全降解，例如酚、萘和菲均能被徹底降解。與游離細胞相比，固定化細胞表現出生長穩定、降解能力強的優點。用海藻酸鈣凝膠包埋固定化細胞進行降解吡啶的研究結果表明：與游離細胞相比，固定化細胞的比降解速率和對毗啶毒性的承受能力并沒有提高，但由于固定化細胞具有較高的生物濃度，所以其體積降解速率較高，而且可以重復利用，因此利用固定化細胞降解毗啶是可行的。在降解其他類難降解有機廢水方面，固定化細胞技術也發揮了其特長。王蕾等用PVA固定化球和厭氧—好氧固定化細胞技術處理四環素結晶母液，結果表明：當總停留時間為厭氧24 h(35℃)，好氧6 h時，COD和四環素的去除率均達到96%，容積負荷(COD)為2．07 ks/(m3·d)，比普通法容積負荷提高l6．3%，產氣量提高4．75倍。
3．3 固定化活性污泥去除BOD物質
對于固定化活性污泥的研究情況，據報道固定化細胞的污泥產率系數(以BOD計)為O．15 ks/ks，與一般活性污泥法相比，泥量減少1，4～1，5，但污泥產量隨容積負荷的增加而增加。在綜合考慮污泥的處置時，容積負荷不宜設計得過高，在不產生剩余污泥情況下運行時，容積負荷(以BOD計)也可達到O．46ks/(m3-d)～l|02 ks/(m3·d)，與一般延時曝氣活性污泥法相比高2 倍。橋本等用PVA一硼酸法包埋活性污泥，對人工合成廢水進行連續試驗，在進水o(TOC)為94 ms/L-99 ms/L，TOC負荷在O．5 ks/(m3·d)-2．35 ks/( ·d)時，出水TOC的質量濃度可降到57 ms/L～7mg，L，去除率達93%。與活性污泥法相比，有機物負荷可提高2 倍，同時總氮去除率也可達30%-45%。用PVA一冷凍法包埋活性污泥時，在最高TOC負荷達2．96ks/(m3·d)時，處理效果良好。本田用各種載體包埋活性污泥，采用固定床和流化床處理人工合成葡萄糖廢水，在固定床實驗中，用丙烯酸系合成樹脂作為載體，在TOC容積負荷為1．5ks/(m3-d)，停留時間為4 h時，1DC去除率最高達98%，平均為95%；用聚丙烯酸凝膠作為載體，固定床三級串聯運行，進水TOG的質量濃度為500ms/L時，停留4h，TOG 去除率達80qo，TOC容積負荷為3 ks/( ·d)；進水TOC的質量濃度為2 200ms/L時，停留12h，TOC去除率達92%，TOC容積負荷達4．4 ks/(m3·d)；當用流化床處理廢水，進水TOG 的質量濃度小于300ms/L時，TOC去除率可達95%以上。
4 結論
(1)固定化細胞技術所采用的載體和固定技術需要進一步改進，力求降低載體對生物活性和傳質的不利作用。
(2)進一步探索固定化細胞在各個系統中的傳遞和反應特性，針對不同的處理體系，優化操作條件。
(3)目前固定化技術所用細菌多為自然馴化菌種，隨著生物工程技術的發展，應充分利用其研究成果，培養高效菌種。
(4)由于固定化細胞技術所采用的載體或試劑比較昂貴，固定效率低且操作穩定性差，所以其工業應用受到很大限制。隨著研究的不斷深入，固定化細胞技術必將更加完善，定會得到更廣泛的應用。
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