微生物吸附固定化技術(shù)在污水處理中的研究進展

王昊，趙霞，李博文，張嬌嬌，謝華

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

固定化微生物是一種采用物理或化學(xué)方法，將游離微生物固定在載體上，使微生物與所處理廢水隔開，且在一定空間內(nèi)高度富集，從而使微生物既能有效地處理廢水，又能在一段時間內(nèi)具有活性并能重復(fù)利用的技術(shù)[1-2]。固定化微生物具有諸多優(yōu)點：①提高微生物穩(wěn)定性，保持了微生物的高濃度和高純度，并且提高了廢水的有機負荷；②增強微生物對不同溫度、不同pH、不同濃度、不同種類廢水的適應(yīng)能力，提高其承受毒害能力；③微生物和廢水易于分離，且微生物可在一段時間內(nèi)保持活性，可反復(fù)使用[1]。因此，固定化微生物技術(shù)具有良好應(yīng)用價值[3]，備受人們青睞。

1 微生物吸附固定化技術(shù)

1.1 吸附固定化

將載體裁剪成適宜大小并進行滅菌處理，之后與適宜濃度待固定降解菌液按設(shè)計比例進行混合，進行共培養(yǎng)，使微生物通過氫鍵、范德華力、電荷間作用力等作用附著在載體表面及其孔徑當(dāng)中，最后將已固定微生物的載體與菌液分離，于適宜條件下保存[4-6]。

1.2 吸附固定化優(yōu)勢

固定化微生物技術(shù)可大致分為三類：吸附法、交聯(lián)法和包埋法，因交聯(lián)法所需交聯(lián)劑太過昂貴且降解效率偏低，因此最為常用的是吸附法和包埋法。包埋法所需材料通常為人工合成的高聚物，例如聚乙烯醇(PVA)、海藻酸鈉(SA)、聚氨酯泡沫(PUF)等。這些材料雖價格低廉，但機械強度低、可降解性差，極易造成二次污染，因此難以廣泛應(yīng)用。相比較而言，吸附法所用的載體材料通常為天然載體材料，易獲取且不會造成污染的特性使得天然載體材料備受關(guān)注，微生物菌體吸附固定化技術(shù)也成為研究人員重點關(guān)注的對象[7-9]。

2 吸附固定化技術(shù)研究現(xiàn)狀及進展

2.1 吸附材料的選擇與開發(fā)

固定化載體的作用是為微生物提供一個適宜生存的微環(huán)境，不同的載體固定微生物的效果及固定后處理效果會有所不同，因此，選擇良好的固定載體至關(guān)重要。在選擇吸附載體時，孔隙大小、比表面積、結(jié)構(gòu)、機械強度[1]、載體含氧官能團含量[10]等都是需要考慮的重要因素。因此，吸附法所用材料通常分為天然材料和改性材料兩類。

2.1.1 天然材料 所謂天然材料就是取之于自然，未經(jīng)過任何手段加工的材料，如埃洛石[11]、絲瓜瓤[12-14]、植物秸稈[15]等都是良好的天然材料。天然材料具有經(jīng)濟、無毒、可為微生物提供碳源，但未經(jīng)處理的天然材料通常吸附能力弱、生物親和性不足[11]。因此往往不直接用天然材料進行固定化。

2.1.2 改性材料 將天然材料通過殼聚糖、氫氧化鈉、硅烷偶聯(lián)劑、乙酸、過氧化氫等作為單獨或復(fù)配改性劑對天然材料進行改性，以提高載體的吸附效果[11，16]。通過改性劑處理的天然材料即成為改性材料。改性后的天然材料上含氧官能團數(shù)量、比表面積、孔比容積等均發(fā)生明顯變化，從而使得材料的吸附性能大大提高，有利于微生物的固定化[10]。

2.2 吸附菌種的選擇

菌種的選擇是決定吸附固定化技術(shù)對污水處理效率的關(guān)鍵因素，菌種的優(yōu)劣直接影響對污染物的處理效果。根據(jù)底物的不同，所吸附固定化的菌種也不同。主要有：①降解酚類和氰化物的放射形土壤桿菌(Agrobacteriumradiobacter)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusseiuri)、諾卡氏菌(Nocar-dia)、產(chǎn)堿桿菌(Alcaligeneseutrophus)、毛孢子菌(Tri-chosporoncutaneumR57)、嗜熱脂肪芽孢桿菌(Bacillusstearothermophilus)、側(cè)孢芽孢桿菌(BacilluslaterosporusBT-27)、節(jié)桿菌(Arthrobacter)、假單胞菌(Pseudomonasdiminuta)[17-18]；②降解含石油烴廢水的伯克氏菌屬(Burkholderia)、考克氏菌屬(Kocuria)、腸桿菌屬(Enterobacter)等[19]；③降解多環(huán)芳烴類有機物(PAHs)的紅球菌(Rhodococcussp.)、綠膿假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、分枝桿菌(Mycobacteriumsp.)、嗜血桿菌(Haemophilussp.)、類芽孢桿菌(Paenibacillussp.)、白腐真菌(Phanerochaetechrysosporium)[20]；④吸收去除放射性元素的哈茨木霉菌(Tricho-dermaharzianum)、假單胞菌(Pseudomonassp.)、土曲霉菌(Aspergillusterreus)、釀酒酵母菌(Saccha-romycescerevisiae)[21-25]；⑤降解苯酚的不動桿菌屬(Acinetobacter)、布魯氏菌(Brucellasp.GXY-1)、短桿菌屬(Brevibacillus.sp)、紅球菌(Rhodococcus)、假單胞菌(Pseudomonassp.SA01)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、銅綠假單胞菌(PseudomonasaeruginosaMTCC 4996)、皮氏羅爾斯通氏菌(Ralstoniapipiens)[26-34]；⑥吸收降解重金屬離子的藍細菌(cyanobacteriaPhormidiumlaminosum)、細菌(bacteriumZAN-044)、白腐真菌(Trametesversicolor)以及放線菌(actino-myceteR27)等[35-38]；⑦去除氨氮的布羅卡迪亞假絲酵母(CandidatusBrocadia)、庫尼尼亞念珠菌(CandidatusKuenenia)、布克特氏變種桿菌(Altererythrobacterbuctense)、赤水黃桿菌(Flavobacteriumchishuiensis)等[39-40]。

3 微生物吸附固定化技術(shù)在污水處理中的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前業(yè)界對微生物吸附固定化技術(shù)的研究主要集中于利用改性或非改性的材料固定化微生物，如生物炭[41]、沸石[42]、樹皮[43]、絲瓜瓤[14]等。這些研究大多處于實驗室階段，因此需加大對其研究力度以爭取早日實現(xiàn)工業(yè)化。目前，國內(nèi)外對微生物吸附固定化技術(shù)處理廢水的研究主要集中在氨氮廢水處理、有機廢水處理和重金屬廢水處理。

3.1 氨氮廢水處理

我國的氨氮廢水來源廣泛，化肥、焦化、石化、制藥、食品、垃圾填埋場等都是氨氮廢水的主要來源[44]。氨氮排入自然水體，會使水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水中藻類及其他微生物大量繁殖，甚至可能引起水中溶解氧含量下降，導(dǎo)致水生生物大量死亡，對人體產(chǎn)生毒害作用[45]。目前，生物法處理氨氮為主要處理方法，但因生物法處理氨氮有諸多限制因素，因此固定化微生物法處理氨氮成為了主流方法，研究證明，固定化微生物具有良好的脫氮效果，而微生物吸附固定化技術(shù)作為一種新興的無二次污染的處理技術(shù)，備受研究人員關(guān)注。

鄭華楠等[41]利用蘆葦生物炭、SA、PVA等制成蘆葦生物炭復(fù)合載體，利用蘆葦生物炭表面多孔的特性吸附固定馴化過的活性污泥處理污水中的氨氮，發(fā)現(xiàn)生物炭粒徑越小越均勻，其對優(yōu)勢菌種的固定化效果越好，對氨氮廢水的處理效果也越好。當(dāng)降解時間為72 h時，氨氮降解率達到了96.3%。

傳統(tǒng)厭氧氨氧化工藝由于啟動時間長、菌體易流失等缺點使其無法在反應(yīng)器內(nèi)維持高生物濃度，利用吸附固定化技術(shù)可較好地解決這一問題。劉金苓等[46]將NaOH改性的柱狀活性炭和陶瓷生化環(huán)放入體積為1 L的厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)，使其吸附固定化厭氧氨氧化細菌，并在反應(yīng)器中加入500 mL基礎(chǔ)無機鹽溶液，用黑布包裹反應(yīng)器并在35 ℃、100 r/min 的恒溫搖床上進行實驗，連續(xù)進行6次反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)第 6次反應(yīng)時兩種固定化菌劑對氨氮的降解效率均達到最高，其中活性炭固定化菌劑達到了 20.87 mg/(d·L)，陶瓷生化環(huán)固定化菌劑達到了13 mg/(d·L)。

3.2 有機廢水處理

石化行業(yè)和焦煤行業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的有機廢水，這些有機廢水往往具有毒害作用，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，比如酚類、醚類等物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，微生物吸附固定化技術(shù)在耐毒性、pH、處理時間等方面具有巨大的優(yōu)勢和潛力，因此受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。

Wang 等[12]利用絲瓜瓤固定化厭氧微生物和零價鐵，利用零價鐵和厭氧微生物聯(lián)合降解1，1，1-三氯乙烷(1，1，1-TCA)，發(fā)現(xiàn)零價鐵與固定化微生物的結(jié)合加速了1，1，1-TCA的轉(zhuǎn)化。此外，在長期的修復(fù)過程中，Wang發(fā)現(xiàn)厭氧微生物可產(chǎn)生還原劑H2S，有利于零價鐵可滲透反應(yīng)墻的形成，利用這一點可實現(xiàn)循環(huán)降解1，1，1-TCA。

Huang 等[47]利用竹炭固定化假單胞菌(Pseudomonas)用以降解壬基酚(NP)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為30 ℃、竹炭粒徑為35目、pH為6～8時微生物生長最好，用該條件下制備的固定化微生物降解NP，發(fā)現(xiàn)當(dāng)NP濃度為100 mg/L時，竹炭固定菌對NP的降解量達到了78.7%。

當(dāng)所選取的吸附固定化材料不具備多孔特性或生物親和性不高時，可利用高溫加熱等方法將其制成生物炭。生物炭不僅具有良好的生物親和性，其吸附的污染物還可被微生物良好的吸收降解，提高對污染物的降解效率。Frankel等[43]用軟木樹皮和楊木制備生物炭，用制成的生物炭固定化微生物使其形成生物膜，并用其處理環(huán)烷酸，發(fā)現(xiàn)其對環(huán)烷酸的去除率高達87.0%，而無菌對照組的去除率只有30.0%。Du等[48]利用植物秸稈制作生物炭，利用制成的生物炭固定化4-單溴二萜醚降解菌株DZ3并用其降解多溴二苯醚，發(fā)現(xiàn)固定有DZ3菌株的生物炭比未固定DZ3菌株的生物炭和單獨菌株分別提高63%和83%。

3.3 重金屬廢水處理

來自于電鍍、冶金等行業(yè)的重金屬廢水不僅會對人體具有很大毒害作用，引起各種重大疾病，同時也會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。微生物菌體吸附固定化技術(shù)在處理重金屬廢水上不僅具有高效、無二次污染等特性，還具有良好的經(jīng)濟效益。

Iqbal等[49]利用絲瓜瓤固定黃孢原毛平革菌體制成固定化菌劑，并用其吸附溶液中的Cu2+、Zn2+、Pb2+，發(fā)現(xiàn)在吸附時間為1 h、pH為6時上述固定化菌劑對三種金屬離子的吸附率分別為68.7%，39.6%，88.2%，與無載體的對照組相比吸附效率高12%。徐雪芹等[13]利用絲瓜瓤固定化簡青霉對Pb2+、Cu2+進行吸附，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為5.5、溫度在 25～30 ℃ 之間時，固定化菌劑對Pb2+、Cu2+的吸附效率最高，并利用HCl作為解吸劑對吸附有Pb2+、Cu2+的固定化菌劑進行解吸，發(fā)現(xiàn)Pb2+的解吸率達到了97.20%，Cu2+的解吸率達到了98.20%，在 5次吸附-解吸實驗后發(fā)現(xiàn)菌體依舊具有很強的吸附能力。這證明絲瓜瓤具有良好的生物親和性和穩(wěn)定性，具有良好的循環(huán)使用性能，是一種性能優(yōu)異的吸附固定化載體。

張杰等[50]采用限氧控溫炭化法分別將小麥秸稈和活性污泥制成生物炭，并用制成的生物炭固定化解磷菌(PSB20-3)制成固定化菌劑用以吸附Pb2+，并對兩種生物炭制備的固定化菌劑的吸附效能進行了比較，發(fā)現(xiàn)制備生物炭時熱解溫度不同，所制成的固定化菌劑對Pb2+的吸附效果也不同，當(dāng)熱解溫度控制在700 ℃時，兩種固定化菌劑均達到最大吸附量，其中小麥秸稈生物炭固定化菌劑對Pb2+的吸附量達到了89.39 mg/g，而活性污泥生物炭固定化菌劑對Pb2+的吸附量僅為48 mg/g。綜上，固定化菌劑對重金屬離子的吸附效果與固定化材料相關(guān)。

4 結(jié)束語

近年來，微生物吸附固定化技術(shù)因無二次污染、成本低廉、處理效率高、可重復(fù)利用等優(yōu)點備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，已成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點。

篩選高效處理污染物的菌種、提高菌種在環(huán)境中的生存能力、如何提高固定化材料對微生物的吸附性能以及如何將該技術(shù)廣泛應(yīng)用成為當(dāng)前亟待解決的問題。在今后的研究中，應(yīng)針對以上問題對微生物吸附固定化技術(shù)進行改進，并可將其與細胞生物學(xué)、材料學(xué)、酶工程、SBR工藝等成熟工藝進行結(jié)合，盡快實現(xiàn)工業(yè)化。相信在各領(lǐng)域研究人員共同努力下，微生物吸附固定化技術(shù)將會具有更好的前景和有更加廣泛的應(yīng)用價值。