生物炭固定化微生物技術(shù)在廢水處理中的研究進展

秦 宇 吳慧芳

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210000)

隨著我國經(jīng)濟和工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)廢水已經(jīng)成為我國最大的污水主體?，F(xiàn)階段，由于原料、助劑等成分不斷更新，使得出水水質(zhì)可能達不到出水排放標準。為了提高出水效果，這需要研究新的處理技術(shù)，從而使廢水排放達到標準，維護生態(tài)環(huán)境。

固定化微生物技術(shù)具有設(shè)備簡單、處理效果好、沒有二次污染等優(yōu)點，并且比傳統(tǒng)生物法成本低，是二十一世紀最有潛力的水處理技術(shù)之一[1]。生物炭固定化微生物技術(shù)則結(jié)合了生物炭和固定化微生物技術(shù)的優(yōu)勢，使得固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用范圍更廣，同時能多次重復(fù)利用，節(jié)省成本，在工業(yè)廢水處理上具有很好的應(yīng)用前景。

論文就固定化微生物技術(shù)及生物炭闡述生物炭固定化微生物的優(yōu)勢，同時介紹一下生物炭固定化微生物在水處理中的研究進展。

1 生物炭固定化微生物

1.1 固定化微生物技術(shù)概念

固定化微生物技術(shù)是采用物理化學(xué)方式將游離的微生物固定在載體上，使微生物在一定的空間內(nèi)高度富集，與水隔開，使其既能有效處理廢水，又能在一定時間內(nèi)保護微生物細胞活性，不受有毒化合物的影響，能多次反復(fù)使用[2-3]。固定化微生物優(yōu)點：

(1)保持微生物較高濃度和純度，提高廢水的有機負荷；

(2)增強微生物對不同濃度、溫度、pH及廢水種類的適應(yīng)能力，提高微生物承受毒害物質(zhì)的能力，加快固液分離，減少二次污染；

(3)使微生物在一定時間內(nèi)保持活性，從而反復(fù)使用，提高其經(jīng)濟效益[2]。

這些優(yōu)勢使得它較傳統(tǒng)生物技術(shù)具有更好的應(yīng)用價值。

1.2 生物炭概念

生物炭一般是指在厭氧或缺氧的條件下，生物質(zhì)原材料經(jīng)一定的高溫裂解產(chǎn)生的一類穩(wěn)定的、含碳量高、比表面積大的固體生物燃料[4-6]。生物炭制備的原材料來源豐富，常有木炭、竹炭、污泥等[6-7]。生物炭作為人工合成的無機載體，具有較大的有效表面積，豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，強吸附力和穩(wěn)定的物化性質(zhì)[8]。生物炭雖然未經(jīng)活化，但仍具有活性炭的優(yōu)勢和較高的活性，并且價格比較低廉，是很好的活性炭的替代品。生物炭在處理有機物及重金屬污染的水體具有很好的應(yīng)用。

1.3 生物炭固定化微生物技術(shù)

生物炭固定化微生物技術(shù)是將吸附作用與降解作用相結(jié)合。生物炭的比表面積大，能吸附更多的微生物，同時也為微生物提供穩(wěn)定的環(huán)境，保持微生物的細胞活性，從而提高微生物的降解效率[8]。生物炭固定化微生物材料可以反復(fù)多次使用，從而節(jié)省成本。生物炭固定化微生物適用于土壤修復(fù)、工業(yè)廢水的處理等，是一項很有潛力的生物技術(shù)。

2 生物炭固定化微生物在廢水處理中的研究進展

生物炭固定化微生物技術(shù)在多種廢水中都具有研究應(yīng)用，如含氮廢水、含酚廢水、多環(huán)芳烴(PAHs)廢水等。

2.1 處理含氮廢水

隨著經(jīng)濟發(fā)展，水中氨氮也越來越多，特別是來自工業(yè)廢水中的氮。一旦將氮排入水體，氮就會在水中累積，從而造成水體營養(yǎng)過度，水中的微生物特別是藻類大量繁殖，進而破壞水生生態(tài)環(huán)境，對人類健康造成威脅[3]。Liu等[8]采用竹炭作為微生物固定化的載體，研究其對水中硝酸鹽的去除效果。實驗研究表明，使用固定化細胞明顯改善反硝化效果，固定化細胞的反硝化時間為15小時，比游離細胞的反硝化時間縮短了9個小時，反硝化的效率也增加了2.2mg/lh。固定化細胞重復(fù)使用率也很高，可以反復(fù)使用10次，脫氮效果依舊保持在99.8%。賞國鋒等[9]采用稻殼生物炭作為載體，將硝化細菌固定在載體上研究其對水中氨氮的去除效果。實驗結(jié)果表明：常溫條件下，水樣的初始氨氮濃度≤300mg/L，溶解氧濃度控制在1.5mg/L左右，pH調(diào)節(jié)為7.5，用稻殼固定硝化菌的生物炭材料可去除85%氨氮。

2.2 處理含多環(huán)芳烴(PAHs)廢水

多環(huán)芳烴屬于難降解有機物，由于其具有持久性，生物累積性，細胞毒性和致癌性，對人類會產(chǎn)生長期的影響[10]。隨著工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)快速發(fā)展，環(huán)境中的PAHs含量快速增加，超過環(huán)境自身可以降解的量，使得自然環(huán)境中的PAHs不斷累積，成為重要的環(huán)境污染物之一[11]。近幾年采用生物炭固定化微生物技術(shù)處理多環(huán)芳烴廢水已取得一些研究成果。Deng等[12]采用改性后的花生殼生物質(zhì)炭(M-PSP)固定化微生物，研究其對芘(PYR)的生物降解效果。實驗結(jié)果顯示：經(jīng)氫氧化鈉和過氧化氫處理過的花生殼活性炭(M-PSP)的具有更大的比表面積，從而負載更多的微生物。在pH=7.0，溫度為30℃，PYR濃度為50mg/L時，M-PSP固定微生物7d內(nèi)處理效果為70.2%，比沒有改性的生物炭處理效果高12.6%，比游離細菌處理效果高25%。

2.3 處理含酚廢水

酚類化合物是一種常見的工業(yè)廢水污染物。該類物質(zhì)毒性大，降解困難，能通過廢水的排放進入污染水源，從而危害人類健康和生態(tài)環(huán)境[13]。生物炭固定化微生物技術(shù)則結(jié)合了吸附法和生物降解法優(yōu)勢，而成為處理酚類廢水的一研究熱點。黃茜等[14]采用竹炭作為固定化載體，研究其對壬基酚的降解效率。研究結(jié)果表明：采用竹炭進行微生物固定的最佳制備條件為溫度30℃、pH=7、竹炭粒徑35目。在不同的壬基酚初始濃度下(30、50、80、100mg·L-1)，采用竹炭固定的細菌7d內(nèi)對壬基酚的降解率分別為100%、75.3%、67.3%、78.7%，比游離菌在不同壬基酚濃度下的降解率高約50%。竹炭固定菌也可以長期重復(fù)使用，重復(fù)使用4次的降解率依舊很高。

3 結(jié)語

生物炭固定化微生物作為一種新技術(shù)，在處理重金屬廢水、高濃度有機物廢水、新型污染物廢水上具有廣闊的應(yīng)用前景。生物炭也可以與其他固定化載體相結(jié)合，增加固定化材料的穩(wěn)定性，提高其微生物的處理效果，從而提高廢水的出水水質(zhì)，保護生態(tài)環(huán)境。