微生物吸附固定化技术在污水处理中的研究进展

王昊，赵霞，李博文，张娇娇，谢华

(兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

固定化微生物是一种采用物理或化学方法，将游离微生物固定在载体上，使微生物与所处理废水隔开，且在一定空间内高度富集，从而使微生物既能有效地处理废水，又能在一段时间内具有活性并能重复利用的技术[1-2]。固定化微生物具有诸多优点：①提高微生物稳定性，保持了微生物的高浓度和高纯度，并且提高了废水的有机负荷；②增强微生物对不同温度、不同pH、不同浓度、不同种类废水的适应能力，提高其承受毒害能力；③微生物和废水易于分离，且微生物可在一段时间内保持活性，可反复使用[1]。因此，固定化微生物技术具有良好应用价值[3]，备受人们青睐。

1 微生物吸附固定化技术

1.1 吸附固定化

将载体裁剪成适宜大小并进行灭菌处理，之后与适宜浓度待固定降解菌液按设计比例进行混合，进行共培养，使微生物通过氢键、范德华力、电荷间作用力等作用附着在载体表面及其孔径当中，最后将已固定微生物的载体与菌液分离，于适宜条件下保存[4-6]。

1.2 吸附固定化优势

固定化微生物技术可大致分为三类：吸附法、交联法和包埋法，因交联法所需交联剂太过昂贵且降解效率偏低，因此最为常用的是吸附法和包埋法。包埋法所需材料通常为人工合成的高聚物，例如聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚氨酯泡沫(PUF)等。这些材料虽价格低廉，但机械强度低、可降解性差，极易造成二次污染，因此难以广泛应用。相比较而言，吸附法所用的载体材料通常为天然载体材料，易获取且不会造成污染的特性使得天然载体材料备受关注，微生物菌体吸附固定化技术也成为研究人员重点关注的对象[7-9]。

2 吸附固定化技术研究现状及进展

2.1 吸附材料的选择与开发

固定化载体的作用是为微生物提供一个适宜生存的微环境，不同的载体固定微生物的效果及固定后处理效果会有所不同，因此，选择良好的固定载体至关重要。在选择吸附载体时，孔隙大小、比表面积、结构、机械强度[1]、载体含氧官能团含量[10]等都是需要考虑的重要因素。因此，吸附法所用材料通常分为天然材料和改性材料两类。

2.1.1 天然材料 所谓天然材料就是取之于自然，未经过任何手段加工的材料，如埃洛石[11]、丝瓜瓤[12-14]、植物秸秆[15]等都是良好的天然材料。天然材料具有经济、无毒、可为微生物提供碳源，但未经处理的天然材料通常吸附能力弱、生物亲和性不足[11]。因此往往不直接用天然材料进行固定化。

2.1.2 改性材料 将天然材料通过壳聚糖、氢氧化钠、硅烷偶联剂、乙酸、过氧化氢等作为单独或复配改性剂对天然材料进行改性，以提高载体的吸附效果[11，16]。通过改性剂处理的天然材料即成为改性材料。改性后的天然材料上含氧官能团数量、比表面积、孔比容积等均发生明显变化，从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 吸附菌种的选择

菌种的选择是决定吸附固定化技术对污水处理效率的关键因素，菌种的优劣直接影响对污染物的处理效果。根据底物的不同，所吸附固定化的菌种也不同。主要有：①降解酚类和氰化物的放射形土壤杆菌(Agrobacteriumradiobacter)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusseiuri)、诺卡氏菌(Nocar-dia)、产碱杆菌(Alcaligeneseutrophus)、毛孢子菌(Tri-chosporoncutaneumR57)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillusstearothermophilus)、侧孢芽孢杆菌(BacilluslaterosporusBT-27)、节杆菌(Arthrobacter)、假单胞菌(Pseudomonasdiminuta)[17-18]；②降解含石油烃废水的伯克氏菌属(Burkholderia)、考克氏菌属(Kocuria)、肠杆菌属(Enterobacter)等[19]；③降解多环芳烃类有机物(PAHs)的红球菌(Rhodococcussp.)、绿脓假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、分枝杆菌(Mycobacteriumsp.)、嗜血杆菌(Haemophilussp.)、类芽孢杆菌(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)、假单胞菌(Pseudomonassp.)、土曲霉菌(Aspergillusterreus)、酿酒酵母菌(Saccha-romycescerevisiae)[21-25]；⑤降解苯酚的不动杆菌属(Acinetobacter)、布鲁氏菌(Brucellasp.GXY-1)、短杆菌属(Brevibacillus.sp)、红球菌(Rhodococcus)、假单胞菌(Pseudomonassp.SA01)、假单胞菌属(Pseudomonas)、铜绿假单胞菌(PseudomonasaeruginosaMTCC 4996)、皮氏罗尔斯通氏菌(Ralstoniapipiens)[26-34]；⑥吸收降解重金属离子的蓝细菌(cyanobacteriaPhormidiumlaminosum)、细菌(bacteriumZAN-044)、白腐真菌(Trametesversicolor)以及放线菌(actino-myceteR27)等[35-38]；⑦去除氨氮的布罗卡迪亚假丝酵母(CandidatusBrocadia)、库尼尼亚念珠菌(CandidatusKuenenia)、布克特氏变种杆菌(Altererythrobacterbuctense)、赤水黄杆菌(Flavobacteriumchishuiensis)等[39-40]。

3 微生物吸附固定化技术在污水处理中的研究现状

当前业界对微生物吸附固定化技术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]、树皮[43]、丝瓜瓤[14]等。这些研究大多处于实验室阶段，因此需加大对其研究力度以争取早日实现工业化。目前，国内外对微生物吸附固定化技术处理废水的研究主要集中在氨氮废水处理、有机废水处理和重金属废水处理。

3.1 氨氮废水处理

我国的氨氮废水来源广泛，化肥、焦化、石化、制药、食品、垃圾填埋场等都是氨氮废水的主要来源[44]。氨氮排入自然水体，会使水体富营养化，导致水中藻类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，导致水生生物大量死亡，对人体产生毒害作用[45]。目前，生物法处理氨氮为主要处理方法，但因生物法处理氨氮有诸多限制因素，因此固定化微生物法处理氨氮成为了主流方法，研究证明，固定化微生物具有良好的脱氮效果，而微生物吸附固定化技术作为一种新兴的无二次污染的处理技术，备受研究人员关注。

郑华楠等[41]利用芦苇生物炭、SA、PVA等制成芦苇生物炭复合载体，利用芦苇生物炭表面多孔的特性吸附固定驯化过的活性污泥处理污水中的氨氮，发现生物炭粒径越小越均匀，其对优势菌种的固定化效果越好，对氨氮废水的处理效果也越好。当降解时间为72 h时，氨氮降解率达到了96.3%。

传统厌氧氨氧化工艺由于启动时间长、菌体易流失等缺点使其无法在反应器内维持高生物浓度，利用吸附固定化技术可较好地解决这一问题。刘金苓等[46]将NaOH改性的柱状活性炭和陶瓷生化环放入体积为1 L的厌氧氨氧化反应器内，使其吸附固定化厌氧氨氧化细菌，并在反应器中加入500 mL基础无机盐溶液，用黑布包裹反应器并在35 ℃、100 r/min 的恒温摇床上进行实验，连续进行6次反应，发现第 6次反应时两种固定化菌剂对氨氮的降解效率均达到最高，其中活性炭固定化菌剂达到了 20.87 mg/(d·L)，陶瓷生化环固定化菌剂达到了13 mg/(d·L)。

3.2 有机废水处理

石化行业和焦煤行业在生产过程中会产生大量的有机废水，这些有机废水往往具有毒害作用，会对生态环境造成严重危害，比如酚类、醚类等物质。研究发现，微生物吸附固定化技术在耐毒性、pH、处理时间等方面具有巨大的优势和潜力，因此受到学术界广泛关注。

Wang 等[12]利用丝瓜瓤固定化厌氧微生物和零价铁，利用零价铁和厌氧微生物联合降解1，1，1-三氯乙烷(1，1，1-TCA)，发现零价铁与固定化微生物的结合加速了1，1，1-TCA的转化。此外，在长期的修复过程中，Wang发现厌氧微生物可产生还原剂H2S，有利于零价铁可渗透反应墙的形成，利用这一点可实现循环降解1，1，1-TCA。

Huang 等[47]利用竹炭固定化假单胞菌(Pseudomonas)用以降解壬基酚(NP)，发现当温度为30 ℃、竹炭粒径为35目、pH为6～8时微生物生长最好，用该条件下制备的固定化微生物降解NP，发现当NP浓度为100 mg/L时，竹炭固定菌对NP的降解量达到了78.7%。

当所选取的吸附固定化材料不具备多孔特性或生物亲和性不高时，可利用高温加热等方法将其制成生物炭。生物炭不仅具有良好的生物亲和性，其吸附的污染物还可被微生物良好的吸收降解，提高对污染物的降解效率。Frankel等[43]用软木树皮和杨木制备生物炭，用制成的生物炭固定化微生物使其形成生物膜，并用其处理环烷酸，发现其对环烷酸的去除率高达87.0%，而无菌对照组的去除率只有30.0%。Du等[48]利用植物秸秆制作生物炭，利用制成的生物炭固定化4-单溴二萜醚降解菌株DZ3并用其降解多溴二苯醚，发现固定有DZ3菌株的生物炭比未固定DZ3菌株的生物炭和单独菌株分别提高63%和83%。

3.3 重金属废水处理

来自于电镀、冶金等行业的重金属废水不仅会对人体具有很大毒害作用，引起各种重大疾病，同时也会对生态环境造成严重破坏。微生物菌体吸附固定化技术在处理重金属废水上不仅具有高效、无二次污染等特性，还具有良好的经济效益。

Iqbal等[49]利用丝瓜瓤固定黄孢原毛平革菌体制成固定化菌剂，并用其吸附溶液中的Cu2+、Zn2+、Pb2+，发现在吸附时间为1 h、pH为6时上述固定化菌剂对三种金属离子的吸附率分别为68.7%，39.6%，88.2%，与无载体的对照组相比吸附效率高12%。徐雪芹等[13]利用丝瓜瓤固定化简青霉对Pb2+、Cu2+进行吸附，发现当pH为5.5、温度在 25～30 ℃ 之间时，固定化菌剂对Pb2+、Cu2+的吸附效率最高，并利用HCl作为解吸剂对吸附有Pb2+、Cu2+的固定化菌剂进行解吸，发现Pb2+的解吸率达到了97.20%，Cu2+的解吸率达到了98.20%，在 5次吸附-解吸实验后发现菌体依旧具有很强的吸附能力。这证明丝瓜瓤具有良好的生物亲和性和稳定性，具有良好的循环使用性能，是一种性能优异的吸附固定化载体。

张杰等[50]采用限氧控温炭化法分别将小麦秸秆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)制成固定化菌剂用以吸附Pb2+，并对两种生物炭制备的固定化菌剂的吸附效能进行了比较，发现制备生物炭时热解温度不同，所制成的固定化菌剂对Pb2+的吸附效果也不同，当热解温度控制在700 ℃时，两种固定化菌剂均达到最大吸附量，其中小麦秸秆生物炭固定化菌剂对Pb2+的吸附量达到了89.39 mg/g，而活性污泥生物炭固定化菌剂对Pb2+的吸附量仅为48 mg/g。综上，固定化菌剂对重金属离子的吸附效果与固定化材料相关。

4 结束语

近年来，微生物吸附固定化技术因无二次污染、成本低廉、处理效率高、可重复利用等优点备受国内外学者关注，已成为污水处理领域的研究热点。

筛选高效处理污染物的菌种、提高菌种在环境中的生存能力、如何提高固定化材料对微生物的吸附性能以及如何将该技术广泛应用成为当前亟待解决的问题。在今后的研究中，应针对以上问题对微生物吸附固定化技术进行改进，并可将其与细胞生物学、材料学、酶工程、SBR工艺等成熟工艺进行结合，尽快实现工业化。相信在各领域研究人员共同努力下，微生物吸附固定化技术将会具有更好的前景和有更加广泛的应用价值。