微生物固定化技术处理废水的应用研究进展
在当今环境问题中，水污染已成为威胁人类生存健康的重要问题之一。微生物污水处理技术具有成本低、出水水质较好、且污泥肥分高等优点，目前已被广泛应用于废水治理中。但传统的生物技术存在耐毒性小、易流失等缺陷，而固定化微生物技术因其具有微生物密度高、反应速度快、耐毒害能力强、微生物流失少、产物分离容易等优点在环境污染治理方面尤其在难处理的有机废水及重金属污染的废水治理中得到了迅速发展和广泛应用[1-2]。
1 固定化微生物技术方法
固定化微生物技术是用化学或物理手段将游离微生物定位于限定的空间区域，以提高微生物细胞的浓度，使其保持较高的生物活性并反复利用的方法[3]。目前微生物的固定方法有很多种，国内外尚无统一分类标准，但主要有包埋法、交联法、吸附法和共价化合法。
1.1 包埋法
包埋法是最常用的微生物固定方法，该方法是将微生物细胞截流在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中，阻止细胞的泄漏，同时能让基质渗入和产物扩散出来。常用的包埋剂有琼脂、海藻酸钠、卡拉胶、明胶、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等[4]。秦统福[5]等选取聚乙烯醇作为凝胶剂，海藻酸钠和活性炭作为助凝剂，采用凝胶包埋法固定化UBD菌用于炼油污水的处理。研究结果表明菌种固定化后明显改善了炼油污水的处理效果，COD和石油类物质的去除率均高于游离菌和无菌小球。
包埋法操作简单、能保持多酶系统、对微生物活性影响小；但传质阻力较大，对大分子和难溶解底物不适用[6]。
1.2 交联法
交联法是一种不用载体的工艺，通过物理或化学手段，利用微生物中酶分子的氨基和羟基与交联剂的官能基团反应，使酶或微生物细胞之间彼此附着相连形成网状结构，实现微生物固定化目的[7]。可分为化学交联法和物理交联法。交联剂有很多，主要有戊二醛、聚乙烯亚胺等。
1.3 吸附法
吸附法是利用微生物所具有的静电、表面张力或其它细胞表面的能力，将微生物固定在载体表面的方法。该方法操作简单、廉价、有效，但稳定性和重复性较低，可分为物理吸附和离子吸附。常见的吸附剂有硅胶、活性炭、多孔玻璃、碎石及DEAE-纤维素、CM-纤维素等[8]。
1.4 共价化合法
共价化合法是利用载体与微生物之间的化学共价键将微生物吸附在载体表面的方法。该方法结合力强、稳定性高，但反应条件激烈、制备困难、难控制、活性回收较低，故应用较少。
2 固定化微生物技术优点
与传统悬浮生物处理法相比，固定化为生物技术的优点是：载体对细胞起一定保护作用，使固定化细胞对有毒底物的耐受性增强；微生物被载体固定后，单位体积内能维持高浓度的生物量，提高了降解率，减少了生物处理装置容积；且固定化后的成品再生性能好，可反复使用。以上优点决定了微生物固定化具有一定的技术优势[9-10]。
3 固定化微生物技术处理废水的研究进展
3.1 难降解有机废水的处理
有机废水成分复杂、有毒有害物质多，使用常规的物化方法处理成本高，利用微生物降解处理有机废水被公认为是行之有效的方法。固定化微生物可提供较高的局部微生物浓度，有利于处理高浓度难降解的有机废水，处理效果好于浮游微生物。张波、陈金龙等采用大孔吸附树脂固定化微生物强化SBR 处理对甲苯胺模拟废水，结果表明，与游离菌相比，固定化微生物降解对甲苯胺的速率较大，可将进水TOC 浓度为434.8 mg/L，对甲苯胺浓度为326.9 mg/L 的对甲苯胺模拟废水在100 min 左右将TOC 和对甲苯胺基本去除完全，去除率在99 %以上[11]。而游离菌则需300min 才能达到相近的去除效果。同样王琳、罗启芳[12]研究以硅藻土为载体的播种式固定化微生物对邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的生物降解特性，结果表明在DBP 初始浓度为100~500 mg/L 范围内、pH 为6~9 范围内、在20~40 ℃的温度范围内，吸附固定化微生物的活性均高于游离微生物，对DBP 的降解24 h 分别可达80 %以上、82 %以上及84.5 %。
3.2 含氮废水的处理
传统的污水脱氮系统硝化菌的世代时间较长，在BOD 浓度较高时硝化反应会处于劣势，故增大硝化菌浓度是提高硝化反应的有效方法。利用载体固定化硝化菌是提高硝化菌浓度的一个有效方法，因此许多学者对固定化为生物技术在含氮废水的处理中进行了大量的研究。蔡昌凤、孙菲利用添加麦秸、稻草粉末、颗粒活性炭(GAC)、粉末活性炭(PAC)的新型PVA 固定化球对焦化废水进行脱氮研究，结果表明固定化球具有较高的传质性和通透性，对焦化肥水中氨氮的降解率48 h 达到92.42 %，而硝酸盐氮的降解率仅12 h 即达到73．77 %[13]。李辉华、朱学宝[14]等采用聚乙烯醇(PVA)—硼酸包埋固定化法，包埋固定驯化过的活性污泥，制成固定化活性污泥颗粒；以流化床作为生物反应器，对人工配制的含氮废水进行处理实验。结果表明，固定化活性污泥对氨氮的降解速率达32.5 mg/g(MLSS)·d，而悬浮活性污泥对氨氮的降解速率为18.3 mg/g(MLSS)·d。
3.3 含重金属废水的处理
微生物吸附法处理含重金属废水具有投资少、吸附率高等优点，越来越受到人们重视。但传统微生物处理方法具有机械强度差、不易于液体分离等缺点，因此采用固定化微生物保护细胞并增加耐毒性。徐雪芹、李小明等[15]采用新型固定载体丝瓜瓤固定简青霉(Penicillium simplicissimum)，制成吸附剂吸附溶液中的Pb2+和Cu2+，并分析了吸附机理和动力学特性。结果表明，用丝瓜瓤固定简青霉能高效去除废水中Pb2+和Cu2+，溶液pH 对吸附过程有较大影响，最佳吸附pH 在5.5 附近，最佳吸附温度为25~35 ℃；溶液浓度在10~500 mg/L 范围内，固定化简青霉菌对重金属的吸附随金属离子浓度的增加而增加；吸附过程符合 Langmuir 等温吸附模型；生物吸附平衡时间约为60 min，用0.1 mol/L HCl 解吸，循环吸附—解吸5 次后，固定化简青霉吸附重金属的能力几乎不受影响。
4 结语
综上所述，虽然微生物固定化技术因其独特的特点在污水处理的研究上取得了多方面的成效，但距离实际工程的应用还有一定的距离、还要有许多问题进一步解决，为此需要加强如下研究：(1)新型廉价载体的开发与选择；(2)高效工程菌的构建；(3)混合固定化技术的进一步研究和发展；(4)开发成型的固定化微生物传感器；(5)基因工程技术与固定化技术更好地结合；(6)运用分子生物学检测评价固定化微生物处理废水的效果等。
随着研究方法的不断发展及新颖实用的固定化技术的不断出现，微生物固定化技术应用于废水治理将具有广阔的发展前景和实用价值。
参考文献
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(本文文献格式：贾彩云，甄海欣．微生物固定化技术处理废水的应用研究进展[J]．广东化工，2011，38(9)：253)
[作者简介] 贾彩云(1981-)，女，河南平顶山人，硕士，主要研究方向为环境生物技术。
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