固定化微生物技术在富营养化水体修复中的应用

张小雄(南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330038)

0 引言

当前随着城市化和工业化进程的不断加快，很多含有磷或者氮等营养物质的生活废水以及工业废水排入到了江河湖泊等众多地表水环境中，许多城市内湖出现了不同程度的富营养化。目前针对这种富营养化水体来说，需要对其进行水体修复，采用的主要方法有生物、物理以及化学技术等。其中微生物技术凭借着污染和运行成本低等优势有着广泛应用和关注，但是该技术存在因微生物的流失而增加管理和投加难度等缺陷。微生物固定化后有利于解决这一难题，减少了人工管理和运行成本。

1 固定化微生物技术概述

1.1 固定化载体

固定化微生物载体材料，通常可以对固定化效果产生直接影响，并且对固定化微生物技术作用能否有效发挥也有着重要关联。对于固定化微生物技术来说，其选择的载体材料应该具有一种成本较低并且容易获得的特点。并且在面对微生物的时候，还要保证材料不会被微生物所降解，能够为微生物提供一个必要的外部环境，培养微生物能够再生并且方便处理的特点。当前固定化微生物技术所运用的载体主要包括5种，即有机载体、无机载体、改性载体、复合载体以及新型载体等。其中无机载体主要包括黏土、沸石以及活性炭等，在实际应用中有着成本廉价并且容易获得的特点，但是容易脱落并且负载量较小让该材料使用受到了一定限制；有机载体主要有两类，一是天然有机载体，其有着环保和污染率去除较高的优势，二是合成有机载体，在实际应用中有着更高的强度以及稳定性；复合载体通常是指有机载体和无机载体的结合，能够将二者的优势进行互补；至于改性载体，主要指的就是将一些改性物质和固定化载体实施了有效结合，让载体材料的基因和表面结构都得到了有效优化。微生物在和载体结合时，有着更高的强度；新型载体是表面有着量子尺寸效应和磁学性质的载体，使用中有着成本较低能够反复利用的优势，目前受到了广泛关注[1]。

1.2 固定化微生物技术理论

对于富营养化水体来说，固定化微生物技术对磷和氮的同步去除是主要目标。传统脱氮除磷过程往往会因为碳源竞争和聚磷菌龄不同产生诸多问题，对同步去除造成了很大阻碍。而一些反硝化菌在硝酸盐存在状况下有着较好的吸磷功能，所以通过对一些有着除磷和脱氮双重特性反硝化聚磷的提取，实现除磷和脱氮同步的进行。另外发挥多种微生物的协同代谢优势，也可以在水体修复中对水体中多种污染物实现同步讲解。比如利用固定光合细菌对污水进行处理，对氮和磷的去除率能够达到74.52%、85.89%。固定化微生物表面细胞的生物降解作用实效性发挥，会被多种因素影响，比如微生物表面电荷、表面结构、表面疏水性以及菌龄等。

2 富营养化水体修复中固定化微生物技术的应用

2.1 吸附法

吸附法是该技术的一种常用实施法法，其原理就是在微生物细胞和载体结合的前提下 ，通过各种吸附方法将将这些载体进行黏附。以吸附法实际应用现状来看，其应用流程和形式较为简单，在实际应用过程中并不需要化学剂的添加就可以产生较为温和的反应。不过该技术的也有着一定的应用局限性，比如在微生物和载体之间发挥结合作用的时候，往往作用力比较弱，因此会导致细胞和载体连接不牢固的现象。为了对这种问题进行解决，要选择和微生物细胞有着相同性质的载体以及技术。结合载体表面积、电荷以及质地等，来实现吸附法的科学使用。比如将一些框架化合物和和金属氧化物进行结合，形成一种复合材料来应用吸附法，能够实现较好的去除功能。其中金属氧化物和金属有机框架化合物所组合形成的复合材料可以展现出较好的吸附除磷性能，比如空磁性Fe3O4@NH2-MIL-101(Fe)材料，在ph值为7条件下，可以通过长时间的吸附将水体的磷质量浓度由0.60降至0.044mg·L-1，这样就可以对水体中的磷进行快速的去除以及吸附。因此吸附法的应用，关键就是研制出合适载体，进行年来一些酸碱改性吸附材料、人工合成吸附材料和磁性纳米吸附材料得到了创新研发和应用。在富营养水体除磷应用上，发挥出了更快的吸附速度和吸附容量，有着极强的应用优势[2]。

2.2 包埋法

包埋法在实际应用中，具体可以分为微囊包埋和凝胶包埋两种。其中凝胶包埋方法指的是载体材料内部固定出微生物，不在外部固定就可以免受外部环境影响。这种方法作为一种不可逆的固定化方法，其有着明显的应用优势，比如固定化的微球强度比较高等。和吸附法相同，其在应用过程中有时也会面临一定的应用局限性，比如应用过程中微生物活性受到干扰不利于水体修复，一些传质阻力比较大，让应用范围受到影响。此外包埋法应用中的局限性还体现在其透气性不好，所以在好氧微生物固定化上应用有着不足。至于微囊包埋技术，主要是在半透膜形成的微胶囊中固定出相应的微生物，为微生物细胞的浮动提供外部空间，在外层对其进行包裹。保护其不受外界环境因素影响的同时，也可以有效防止其外溢。该方法的应用优势是对一些核心材料影响较少，不仅不需要改性，同时也不需要相应的修饰工作，最大限度保证生物活性。比如在富营养水体修复中利用SA+PVA包埋硝化细菌放置于人工湿地中，可以发现包埋小球上菌种有着丰富多样性，有着较好的除磷和脱氮性能。而对于该技术的固定化效率和固定化微生物活性稳定性而言，其包埋载体材料具体质量也会对固定化效果产生直接影响。所以在具体应用中可以为包埋载体加入一些改性剂，比如累托石以及活性炭等，可以对包埋材料的机械强度以及微生物密度进行提高。

2.3 交联法

交联法也叫作无载体固定法，该方法在实际应用中不需要借助载体，只凭借着交联剂，就实现微生物细胞和载体的有效连接，并且有着较好的固定效果。这种固定法在实际应用中有着稳定性较好、结合强度高、受外界因素影响小等优势。为了达到较好的固定作用，该方法的应用通常会产生比较剧烈的化学反应，这种化学反应往往会对细胞活性造成较大的干扰和影响。而且为了实现这一作用，对交联剂的选择比较苛刻，会造成较大的实际应用成本，进而对交联法的实际应用造成限制。虽然成本较高，但该方法却有着极大的应用潜力空间。因为以该方法和有利细胞的对比情况来看，其细胞活性各个方面都有着一定的提高，在工业化中有着大规模应用的意义。在具体应用上，比如将已经培养好的光合细菌细胞悬浮液以及海藻酸钠分别取50mL进行混合，混合后再倒入自制造粒器当中，在形成固定化颗粒以后融入到氧化钙溶液当中，放置一段时间后滤出颗粒，再利用生理盐水洗净，实现光和细菌的固定化。利用这种海藻酸钙固定化的光合细菌对富营养化水体进行处理，能够对氮源以及磷源进行很好的去除。

2.4 联合固定法

该方法不同于上述其他方法，其主要是指方法之间的联合，通过多种方法的取长补短来构建出新的微生物固定化系统。比如常用的吸附-包埋法、包埋-交联法以及吸附-包埋-交联法，这些联合固定法的利用，对单个固定方法的应用效果进行有效改善，解决应用问题。比如对微生物的活性进行处理上，联合固定法有着明显的应用优势和效果。吸附-包埋固定法在富氨氮水体的处理上，能够让基质的运输以及扩散更加高效，其中酸碱传质性和稳定性能够分别提升55.5%和12.6%以上，并且在固定化颗粒破损率和氨氮的去除率上都比较高。比如采用戊二醛和聚乙烯胺对水体中的大肠杆菌实施固定化工艺，其实际应用相比游离细胞，在酸碱稳定性、热稳定性以及操作稳定性上都有着极强的应用意义。

3 富营养水体修复中固定化微生物技术的发展方向

当前虽然固定化微生物技术在发展应用取得了很大成果，但是同样也面临众多挑战。首先固定微生物技术利用还缺乏性能优良的固定化载体，这种发展瓶颈主要在两个方面有所体现。一是固定化微生物技术的应用成本较高，这主要是因为固定微生物的载体价格所决定的。还有就是固定化载体的使用周期比较短，在对一些富营养水体进行修复的时候，往往需要频繁的更换，给整个水体修复工作带来了很大不便。因此在固定化微生物技术发展上，需要尽快研制出制备简单、生物相容性较好以及低廉高效的材料，是固定微生物技术重要发展方向。其次还需要建立起固定微生物技术体系，对固定化方式、固定化材料以及固定化条件对微生物稳定性和活性造成的影响进行系统分析，并且研究固定化实施前后微生物指标的变化情况。最后当前在污水废水处理上，很多机构都充分运用了固定化微生物技术研制出了众多固定化反应器，这些设备在废水污水处理均展示出了极强的应用价值。然而对于富营养水体修复来说，固定反应器的研究进步还没有真正得到重视，一些具有高效反应能力以及原位修复能力的反应器是研究的重要方向。总而言之，当前固定化微生物技术存在诸多不足，必须要结合实际情况来选择正确的研究发展方向，对一些设备和技术进行不断的改进和创新，对一些应用问题进行解决，实现固定化微生物技术的有效应用[4]。

4 结语

综上所述，固定化微生物技术具有可纯化和保持高效优势菌种、处理效率高、运行稳定等优点，在富营养水体中修复中有着极强的应用价值，众多固定方法都有着一定的应用优劣性，需要对具体方法做出科学选择。并且针对固定化微生物技术实际应用中的诸多问题，需要加强对载体、体系以及反应器等方面的研究，通过创新来解决众多不足，在规模化上进行推广应用。