简述微生物固定化技术在河流治理中的应用

2021-08-06王忠浩

新型工业化 2021年4期

王忠浩

（中电建生态环境集团有限公司，广东深圳 518102）

0 引言

微生物固定化技术可以在某个特定空间内通过提高微生物浓度来将其固化，以提高微生物处理水体污染物的能力[1]。目前，微生物固定化技术主要应用于河流等水体中重金属、氮磷、降解难度大的微生物的治理。此技术涉及了微生物材料、固定材料两方面，而微生物固定化技术的应用效果则很大程度上取决于这两种材料的类型与性能。

1 微生物固定化技术概述

1.1 基本技术

目前有很多种方法都可以用来固定微生物，因此并没有统一和固定的某种方法。但固定微生物的基本原理可以划分为以下四种，且每种固定方式均有各自的优缺点，详见表1。

表1 四种微生物固定化技术的特点比较

目前最常用的微生物固定化技术是吸附法与包埋法。

1.2 固定化技术对微生物产生的影响

包埋法中，固定化颗粒的孔道直径的特点是从外向内增加，微生物不会轻易溶出，河流中较大的悬浮物很难进入到颗粒内部，这种机械性的隔断能够充分保障颗粒内部的清洁。

固定化技术所使用的材料能够通过氢键作用、电荷反应对河流中的毒害物质进行吸附，从而改善微生物所处的环境。同时，固定化载体还能对有毒物质进行可逆吸附，充分保护菌体，增强了菌体对毒害物质的耐受能力。当微生物在固定化材料的表面与内部进行增殖之后，可以用来治理河流污染，与进入颗粒内部的土著微生物相比，其数量更多，进一步强化了微生物治理水体污染的作用。

固定化技术对微生物产生的影响并不都是正面的，在颗粒内部，微生物的生长和代谢情况也有很大区别。一部分区域因为缺乏氧气和营养物质引起微环境改变，微生物的生长速度也会变慢，基质对微生物产生的保护作用会促进微生物增殖，且底物浓度不同、有毒有害物质的含量不同，均会给固定化微生物的生长代谢造成影响[2]。文献称：固定化颗粒的孔隙结构在径向上的分布是有区别的，与中心位置的传质性能相比，表层的传质性能要更好，因此造成菌体无法得到足够的养分，无法及时排出代谢产物，最终发生生理形态上的变化。除此之外，固定化颗粒过多的吸收了有害物质，同样会对微生物产生负面作用。

2 微生物固定化技术治理污染河流的结果分析

2.1 所用材料与方法

（1）对两个反应装置进行曝气复氧操作，沉淀30min。采集装置内部的上清液，检测相关指标。（2）在反应装置底部的排泥口采集底泥20mL，离心分离后，将0.7g底泥放入培养皿的内部，将样本冷却到室温，然后碾磨成粉，检测底泥的COD。测量沉淀后的底泥厚度，严格按照国家相关标准明确各种污染物的指标[3]。

2.2 处理结果

2.2.1 上清液COD

两个反应装置的上清液COD均呈现降低趋势，从下降速度来看，经过固定化技术处理的装置较慢，这一实验装置从本质上来看属于生物膜法净化，而未经微生物固定化技术处理的装置则属于活性污泥法净化。经过固定化技术处理的装置中，固定了大量高效微生物菌群，另一个装置中则大部分是水体样本中自带的微生物，所以二者都具有一定程度的上清液净化作用。1个月后再次观察，两个装置中的上清液都得到了良好处理。由此可见，以上两种净化方式都能够降低黑臭水体上清液的COD数值，净化效果差异不明显。

2.2.2 底泥厚度

实验结果显示：两个反应装置中的底泥厚度变化差异不明显。实验的前三天，两个装置中的底泥厚度都有所增加，主要原因在于：底泥中的厌氧微生物受到曝气好氧操作的影响转化成了好氧微生物，其繁殖能力比厌氧微生物更强。处于曝气好氧条件下，原本休眠状态与厌氧状态下的微生物很快会被激活，然后快速生长，短时间内微生物的数量会大量增加。该阶段大部分微生物都会形成蓬松的菌胶团，沉降性较差，因此底泥厚度增加[4]。实验三天后，经过固定化技术处理的装置的底泥厚度开始逐渐下降；实验1个月后，底泥厚度约为2cm，且不再增厚。由此说明，此反应装置中的底泥厚度稳定，基本无机化。未经固定化技术处理的装置中，底泥厚度仍然在不断下降，厚度约4cm，高于另一个装置。

2.2.3 上清液NH3-N

两个装置中的上清液NH3-N的浓度都表现为先上升、后下降的特点。上清液中有氨氮成分主要是两个原因引起的：①实验前，混合液中含有氨氮成分；②受到氨化反应的影响，底泥中的有机氮转化成了氨氮。实验开始后的两天内，两个反应装置中的氨氮浓度都在以较快的速度降低，第三天，经固定化技术处理的装置中的氨氮浓度呈小幅度上升趋势，说明高效微生物菌群正在促进氨化细菌的分解，另一个装置的降解速度较慢。

2.2.4 底泥COD

两个装置中底泥COD均表现为先上升、后下降的特点，整体变化趋势差异不明显。实验进行到1个月后，经固定化技术处理的装置中的底泥COD数值更低。两部分组成了底泥COD数值，一部分是实验开始前底泥中所含有的有机污染物；另一部分是底部中含有的各种微生物。实验早期，底泥中的微生物含量迅速增加，增长速度显著快于有机物的降解速度，从而导致底泥COD浓度上升。经固定化技术处理的装置，生物带表面增加了大量的高效微生物，从而让装置中的生物种类更多，微生物的数量也更多，显著提高了有机物的降解能力。除此之外，底泥中含有的一部分有机物，不易降解，经固定化技术处理后，降解微生物的效益显著高于底泥中原本微生物的降解能力。由此可见，微生物固定化处理技术能够提高底泥的矿化速度和降解效率。

3 微生物固定化技术的应用前景

3.1 菌藻共生系统

在自然界中，存在着大量的相互作用、彼此影响的菌藻共生系统。在吸收了水环境中的细菌呼吸代谢产生的CO2后，光合绿藻会在光合作用下释放O2，充分满足了好氧细菌的生长所需。而好氧细菌所产生的CO2又能为光合类微藻提供生长所需的无机碳源，部分细菌所产生的胞外物质同样有助于促进微藻生长，在相互作用下，最终促进了河流污染物的降解。

3.2 微生物电池

在降解有机物的过程中，微生物通常会出现电子转移现象，即化学能向电能的转化。微生物燃料电池正是基于这一原理开发和设计的，如今，人们已经发现微生物的碳捕获现象，在光合作用下，微生物能够在阴极室中吸收黑臭水体有机物降解释放的CO2，然后再释放O2。基于这一现象，已经开发出了新型的微生物燃料电池。微生物固定化技术一方面实现了微藻的富集，另一方面还能让微生物均匀的分布在河流中。受到固定化材料的保护，经过固定后的微藻可以有效抵御外界环境的不良影响，充分发挥出微生物碳捕获电池的优良性能。