李 峰¹，呂錫武¹，嚴(yán) 偉²
（1.東南大學(xué) 環(huán)境工程系，江蘇 南京 210096；2.加拿大康柯迪亞大學(xué)）

　　摘要：以聚乙烯醇為包埋劑，探索其制備固定化細(xì)胞小球的工藝過(guò)程，著重從小球顆粒的機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)性能及微生物活性等三個(gè)方面來(lái)選擇其最適宜的包埋條件。最后，還對(duì)固定化細(xì)胞的保存進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
　　關(guān)鍵詞：聚乙烯醇； 固定化細(xì)胞； 包埋劑； 廢水處理
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703.5
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)12-0014-04

Study on Polyvinyl Alcohol (P V A) as Entrapping Agents for Immobilizing Microbial Cell
LI Feng¹,LU Xi-wu¹,YAN Wei²
(1.Depart.of Environ. Eng., Southeast Univ., Nanjing 210096,China;
2.Depart.ofMech.Eng.,ConcordiaUniv.,Montreal,Quebec,Canada,H3G1M8)

　　Abstract： In this paper, the preparation of immobilized cells ware explored by choosing P V A as entrapping agents. The optimal conditions were chosen in terms of the mechanical stability, mass transfer, and bacteria activity of the cells. In addition, experiments on the preservation of the immobilized cells were done.
　　Keywords： polyvinyl alcohol (PVA); immobilized cells; entrapping agents; wastewater treatment

　　固定化細(xì)胞技術(shù)是60年代初發(fā)展起來(lái)的生物工程新技術(shù)，在廢水處理領(lǐng)域中具有處理效率高、裝置占地小、剩余污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)，從而成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。目前細(xì)胞固定化方法^［1］有載體結(jié)合法、交聯(lián)法和包埋法三種。在各種固定化方法中，尤其以利用高聚物在形成凝膠的過(guò)程中將微生物固定在其內(nèi)部的包埋法優(yōu)點(diǎn)更為突出。在包埋法固定化技術(shù)中，首先是選擇合適的包埋劑及包埋條件。適用于廢水處理的包埋劑應(yīng)滿足：在固定化過(guò)程中，微生物活性喪失少；固定成球后，機(jī)械強(qiáng)度高，傳質(zhì)性能好，性質(zhì)穩(wěn)定等。包埋劑主要有瓊脂、聚丙烯酰胺、海藻酸鈉、明膠、幾丁質(zhì)及聚乙烯醇(簡(jiǎn)稱(chēng)PVA)等。針對(duì)廢水處理的實(shí)際情況，一般認(rèn)為PVA是比較合適的包埋劑，但對(duì)其作為包埋劑形成固定化細(xì)胞的性能及適宜包埋條件的研究還不夠細(xì)致深入。針對(duì)上述情況，采用聚乙烯醇作為包埋劑，研究其包埋菌種的最適宜操作條件(包埋菌種取自鎖金村污水處理廠曝氣池活性污泥)。
　　影響固定化細(xì)胞制備的因素很多，主要有包埋劑、包泥量、交聯(lián)劑、交聯(lián)時(shí)間及小球粒徑等。由于固定化細(xì)胞應(yīng)用于廢水處理中，需一定的強(qiáng)度及傳質(zhì)性能(如受曝氣及機(jī)械攪拌的影響)，因此本試驗(yàn)先考察包埋劑中其他添加劑、交聯(lián)劑對(duì)固定化細(xì)胞成球難易以及強(qiáng)度、傳質(zhì)性能的影響，獲得固定化細(xì)胞制備的基本技術(shù)參數(shù)，然后以固定化細(xì)胞的COD_Cr去除率為主要指標(biāo)，強(qiáng)度為輔助指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)確定其適宜的包埋條件。

　　1 材料與方法

　　1.1 試劑
　　聚乙烯醇PVA(平均聚合度1750±50)、硼酸(分析純)、氯化鈣(分析純)、海藻酸鈉(化學(xué)純)、碳酸鈉(化學(xué)純)、氯化鈣(化學(xué)純)。
　　1.2 試驗(yàn)方法
　?、?固定化細(xì)胞的制備。固定化細(xì)胞的制備流程見(jiàn)圖1。

　?、?COD_Cr去除效率的測(cè)定。在300mL人工合成的葡萄糖廢水中，投入包埋了與活性污泥法同等泥量(2g)的固定化微生物小球，靜態(tài)曝氣24h后測(cè)定COD_Cr值，與活性污泥法做比較。
　?、?強(qiáng)度試驗(yàn)。將固定化小球放入100mL注射器中，加一定的壓力，觀察小球的破損情況；或用手捏包埋好的固定化小球，以此來(lái)定性描述小球的強(qiáng)度。
　?、?固定化小球傳質(zhì)性能的測(cè)定。取數(shù)粒固定化小球投入盛有200mL自來(lái)水的錐形瓶中，滴加兩滴亞甲蘭液，定時(shí)觀察亞甲蘭進(jìn)入各種粒徑小球的情況，以此為指標(biāo)定性判斷固定化小球的傳質(zhì)性能。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 固定化細(xì)胞制備的基本技術(shù)參數(shù)
　　據(jù)文獻(xiàn)^［2］報(bào)道，PVA—硼酸法包埋微生物形成的細(xì)胞小球受添加劑及交聯(lián)劑的影響較大，因此，選用海藻酸鈉作為添加劑，交聯(lián)劑則采用2%的CaCl₂及Na₂CO₃，并分別進(jìn)行了包埋試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

　　在PVA—硼酸法包埋微生物中投加少量海藻酸鈉，不僅容易成球，還可防止粘連現(xiàn)象；交聯(lián)劑中采用2%CaCl₂和Na₂CO₃調(diào)pH至6.7，進(jìn)行硬化處理，可使小球強(qiáng)度得到提高。從表1可發(fā)現(xiàn)，3^#試驗(yàn)小球的強(qiáng)度、傳質(zhì)性能均屬上乘，但通過(guò)對(duì)3^#小球進(jìn)行靜態(tài)曝氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小球結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)1d的連續(xù)曝氣后，添加劑海藻酸鈉發(fā)生析出，小球結(jié)構(gòu)松散，并容易解體。于是，逐步減少海藻酸鈉的投加量，到6^#試驗(yàn)的海藻酸鈉投加量為0.2%時(shí)，基本沒(méi)有析出現(xiàn)象，并能維持較好的強(qiáng)度和傳質(zhì)性能。因此，選用6^#試驗(yàn)條件作為固定化細(xì)胞的基本包埋條件。
　　2.2 固定化細(xì)胞最適宜包埋條件的選擇
　　在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)^［3］確定最佳包埋條件，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)表，各因素各水平的選擇是在參考有關(guān)研究［2、4、5］的基礎(chǔ)上擬定的。試驗(yàn)因素有：包埋劑濃度(A)、濃縮污泥與包埋劑溶液的重量比(簡(jiǎn)稱(chēng)包泥量B， W/V)、交聯(lián)時(shí)間(C)及小球粒徑(D)，以固定化細(xì)胞的CODCr去除率為主要指標(biāo)，強(qiáng)度為輔助指標(biāo)。各因素因子水平取值見(jiàn)表2，各因子水平組合設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在成球范圍內(nèi)，PVA濃度等三因子水平變化對(duì)強(qiáng)度影響不大。表4所列K值反映了對(duì)應(yīng)因素在其他因素變化基本相同的條件下與COD_Cr去除率的關(guān)系，K值越大，說(shuō)明在該試驗(yàn)條件下該因素的水平越好，而每個(gè)因素最佳水平的組合，即為COD_Cr去除率最高的試驗(yàn)條件。由表中數(shù)據(jù)可知，包埋劑PVA濃度為10%、包泥量為1∶1、包埋時(shí)間為24h、小球粒徑為3mm是最佳工藝組合。這個(gè)計(jì)算結(jié)果剛好與4#試驗(yàn)的條件相同，試驗(yàn)證明，在該組合條件下，COD_Cr去除率達(dá)到了60.87%的最高水平。級(jí)差及大小反映了因素變化時(shí)試驗(yàn)的變化幅度，級(jí)差越大，就是該因素對(duì)指標(biāo)影響越大，它就越重要。因此比較多因素的級(jí)差R，決定因素的主次關(guān)系為：

　　在這四因素中，交聯(lián)時(shí)間對(duì)CODCr去除率影響最大，為主要因素，小球粒徑影響較小，為次要因素，對(duì)次要因素?？筛鶕?jù)實(shí)際情況選擇其他水平。
　　2.3 固定化細(xì)胞的保存試驗(yàn)
　　盡管固定化細(xì)胞有諸多優(yōu)點(diǎn)，但如果必須現(xiàn)場(chǎng)制作，則會(huì)給它的推廣應(yīng)用帶來(lái)許多不利的影響。特別是對(duì)于某些特效降解菌，當(dāng)出現(xiàn)事故(如原油泄漏)時(shí)，人們總是希望能直接投加固定化細(xì)胞而不需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的馴化，因此就必須對(duì)固定化細(xì)胞進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋４?。試?yàn)設(shè)計(jì)使用了四種保存條件：A、干燥室溫；B、冷藏(-4℃)；C、4℃合成廢水(CODCr200mg/L左右，其他成分按生活污水配制)浸泡；D、4℃蒸餾水浸泡。按上述選定的包埋條件將鎖金村污水處理廠曝氣池活性污泥制成PVA小球，經(jīng)10d保存后，取四種保存條件下小球各4g，在300mL合成葡萄糖廢水中靜態(tài)連續(xù)曝氣，測(cè)定其COD_Cr降解變化。四種條件下COD_Cr去除率變化與曝氣時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

　　經(jīng)過(guò)保存和連續(xù)靜態(tài)曝氣后，各種保存條件下固定化細(xì)胞小球強(qiáng)度均有所降低，其中D(4℃蒸餾水浸泡)小球已解體。由圖2可知，固定化細(xì)胞小球經(jīng)一段時(shí)間(10d)保存后，活力均有所下降，但經(jīng)過(guò)靜態(tài)連續(xù)曝氣又可使活性逐步恢復(fù)，其中C(4℃合成廢水浸泡)小球活性恢復(fù)得最快，在曝氣不到1d后即可達(dá)到原有水平，表明細(xì)菌存活率較高，主要原因是在低溫條件下，即使細(xì)菌代謝活動(dòng)極弱，也需要養(yǎng)料來(lái)維持生命活力，而A(干燥室溫)、D(4℃蒸餾水浸泡)均不能滿足這一要求，保存后活力大為下降；B(冷藏)則是在冷凍條件下，細(xì)菌處于休眠狀態(tài)，存活率較高，但需要較長(zhǎng)時(shí)間(＞1d)來(lái)使其恢復(fù)活性。經(jīng)過(guò)靜態(tài)連續(xù)曝氣后，各種保存條件下固定化細(xì)胞小球的去除率均可得以恢復(fù)，有的已經(jīng)超過(guò)保存前水平(冷藏和4 ℃合成廢水浸泡)，表明包埋固定后暫時(shí)失活的細(xì)菌已馴化恢復(fù)活性或繁殖出更多高活性菌體，導(dǎo)致去除率提高。綜上所述，四種保存條件中，以合成廢水浸泡為最優(yōu)，其次為冷藏(-4℃)、干燥室溫和4℃蒸餾水浸泡。

　　3 結(jié)論

　　① 聚乙烯醇(P V A)作為固定化細(xì)胞包埋劑的適宜包埋條件為：PVA濃度10%、包泥量1∶1、包埋時(shí)間24h、小球粒徑3mm、投加2%的添加劑海藻酸鈉，交聯(lián)劑飽和硼酸用2%CaCl₂和Na₂CO₃調(diào)pH至6.7進(jìn)行硬化處理，包埋固定的小球具有較高的細(xì)菌活性，較好的強(qiáng)度及傳質(zhì)性能。
　?、?在選定的四因素的各個(gè)因子范圍內(nèi)，影響固定化細(xì)胞性能的主次關(guān)系依次為：交聯(lián)時(shí)間、包泥量、PVA濃度、小球粒徑。
　?、?固定化細(xì)胞的四種保存條件中，優(yōu)劣順序依次為合成廢水浸泡(4℃)、冷藏(-4℃)、室溫干燥和蒸餾水浸泡(4℃)。

　　參考文獻(xiàn)：
　?。?］俞毓馨，等.環(huán)境工程微生物檢驗(yàn)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990.
　?。?］王磊.固定化硝化菌去除氨氮的研究［J］.環(huán)境科學(xué)，1997，18(2)：18.
　?。?］欒軍.現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1994.
　?。?］王蕾.固定化細(xì)胞厭氧—好氧工藝處理四環(huán)素結(jié)晶母液的試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，1995，16(1)：29.
　?。?］李彤.廉價(jià)包埋劑聚乙烯醇的研究［J］.環(huán)境科學(xué)，1990，11(5)：41.

作者簡(jiǎn)介：李峰(1974-)，男，江西玉山人，南京市市政設(shè)計(jì)研究院工程師，碩士，研究方向：水污染控制。
電話：(025)7717717×3014
E-mail:ffli74@263.net
收稿日期：2000-07-19