微生物固定化技术在污水处理领域的研究进展

缪 佳，毛妙杰，李 菁，沈 峥，张亚雷

(1.浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州 310023； 2.上海同菁环境工程设备有限公司，上海 200092； 3.同济大学新农村发展研究院，上海 200092)

随着城市化的不断发展，工业化的不断提高，越来越多不易去除的污染物质进入自然环境中，对环境造成破坏，最终影响人类健康.传统的污水处理方法已经很难满足现有污染物的去除需求，因此研究和开发新型有效的处理技术是当前的主要任务.微生物固定化技术凭借其污染物治理效果好、优势菌种富集率高、微生物活性高、抗环境干扰能力强、经济成本低以及可重复利用等优势得到了国内外众多学者的关注[1-2]，并在生物制氢[3]、酒精发酵[4]、生物燃料电池[5]等领域都有着广泛的应用.本文详细介绍微生物固定化技术的固定化方法、固定化载体、优势菌种以及污水治理应用等内容，以期为该技术在环境治理领域的应用和发展提供参考.

1 微生物固定化方法

微生物固定化技术是通过物理、化学手段将水体中游离分散的微生物和酶等生物催化剂固定在载体中，使其高度富集同时保持较高活性的一种技术[6].载体上微生物的富集能够有效地提高微生物的抗负荷、抗水流冲击能力[7]，避免优势菌种的流失，实现各种微生物稳定有效的增殖[8].微生物固定化方法主要分为吸附法、交联法、包埋法和复合固定法[7]等4大类.

1.1 吸附法

吸附法是根据微生物对特定载体的亲和性，直接吸附在其表面的一种方法，是固定化技术中最常见的一种方法[9].吸附机理包括物理吸附和离子吸附.物理吸附是指微生物通过物理作用吸附在载体表面.离子吸附则通过化学键或者离子引力作用将微生物细胞与载体紧密结合，包括离子选择和离子交换两种[10].吸附法流程和形式简单，一些天然载体可直接应用于实际处理，不会造成二次污染[10].常见的吸附材料包括聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠和硅藻土[11]等.但该方法仍有一定局限性，如载体与污染物质之间作用力弱，使构成的污染物与载体体系结合不牢固，污染物再次释放.

1.2 包埋法

包埋法也是最常用的一种微生物固定化方法，且常常与吸附法、交联法等联合使用[10].包埋法的主要作用机理是通过高分子材料，将微生物细胞截留在材料内部，使微生物细胞高度集中并且具有较高的活性，同时又能抵御一定外界冲击[12].包埋法主要分为凝胶包埋和微囊包埋两种方法[9].凝胶包埋是指在载体材料内部固定微生物，使其免受外界环境干扰，但存在微生物活性易受干扰和传质阻力大等问题.微囊包埋是指通过半透膜组成的微胶囊固定微生物，在免受外界干扰情况下也可以有效防止微生物外溢[9].包埋法所用材料主要分为天然高分子材料和合成高分子材料.天然高分子材料包括琼脂、明胶、海藻酸钠[10]等.合成高分子材料包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺[7]等，但此类材料可降解性能差、机械强度低，容易对环境造成二次污染[7].

1.3 交联法

交联法也称无载体固定法，即在无载体条件下投加交联剂，根据微生物细胞自身特性聚集成团[9].该固定法结合强度高、稳定性好，同时微生物聚集形成的微环境有利于微生物细胞的代谢作用.常见的交联剂有戊二醛、壳聚糖和甲苯二异氰酸酯[13]等.但交联剂的投加往往会发生强烈的化学反应，产生一定毒性，破坏微生物的活性.而且交联法的使用还需要微生物自身具有自絮凝成团的特性，因此不适用于大多数微生物[11].

1.4 复合固定法

复合固定法是指将吸附法、包埋法以及交联法联合使用，对各个方法取长补短，构建出新型的微生物固定化方法，如包埋-交联法、吸附-包埋法和吸附-包埋-交联法等[11].多种方法的联用，能够解决单一固定方法在实际使用过程中的各种不足，如污染物去除率低、针对性差等问题.张小雄[9]发现在氨氮水体的处理中，通过包埋-吸附固定法，使基质的运输和扩散变得更加高效，酸碱稳定性和传质性能分别提升55.5%和12.6%以上，氨氮的去除率也有了很大的提升.

2 微生物固定化载体

微生物固定化技术中的载体材料能够为微生物细胞提供一个适宜的微环境,以促进微生物更好的生长繁殖.载体的选择直接影响微生物固定效能，应具备易获得、足够环保能直接用于环境修复、机械强度大能够抵抗一定水力冲击、含氧官能团含量适宜、多孔且孔径大小合适、有利于传质以及传输氧气[2, 14]等特点.载体可分为传统载体和新型载体2大类.

2.1 传统载体

传统载体主要包括无机载体、天然有机载体和合成有机载体.无机载体主要包括陶粒、沸石和黏土[9]等.此类载体具有易获得、成本低等优点，但往往吸附量小，且生物膜容易脱落，使得无机载体的使用受到一定限制.天然有机载体是指取之于自然未经任何加工的载体，如植物秸秆、丝瓜瓤[15]等都是常用的天然有机载体.天然载体经济、环保、能直接用于环境修复，但天然载体往往存在吸附性能弱、生物亲和性弱以及机械强度低等不足[16].合成有机载体是指人工后期合成的材料，有聚氨酯、聚苯乙烯、碳纤维[8]等.此类载体在使用中具有更高的机械强度和稳定性，但传质能力较弱，有些合成有机载体更是难以分解，易造成二次污染[17].由于传统的微生物固定化载体存在净化效果差、吸附性能弱和机械强度低等不足，当今的研究热点开始集中在新型载体的开发和应用上.

2.2 新型载体

目前研究的载体多为传统的无机和有机载体，面对更难去除的污染物和更加严格的环保要求，迫切需要挂膜效果好、经济环保且易生产的新型载体，如缓释碳源载体[18]、磁性载体[19]、磁性纳米载体[20]以及可生物降解多聚物载体[18]等.其中磁性纳米载体具有极高的比表面积和表面能，既能为生物提供足够的生长空间，又能对水中有毒物质进行筛选[20].陈道康等[21]将纳米Fe3O4与海藻酸钠联用形成Fe3O4/SA体系，固定菌株PseudomonascitronellolisDK-3，降解三氟羧草醚.结果发现较单独的SA体系，Fe3O4/SA体系有着更强的降解能力、抗环境变化能力以及抗毒能力.Ahmad等[22]在功能性聚氨酯泡沫塑料表面涂覆氧化铁纳米粒子(IONPs)制备多孔立方载体，该载体能为假单胞菌、氨氧化菌和厌氧氨氧化菌组成的细菌群落提供结构化的微环境，并高效去除焦化废水中的高浓度喹啉、COD和含氮化合物.但也有研究证明过量的纳米Fe3O4会影响微生物的生长[21]，且通过静电或吸附作用，影响细胞膜的正常生命活动.

针对传统载体吸附能力弱、生物亲和性低等问题，研究发现通过投加改性剂对原载体进行改性，能够制备出针对性更强、性能更优的新载体.常见的改性剂有壳聚糖、过氧化氢等[7].壳聚糖性质活泼，富含的氨基及羟基能通过配位作用高效去除氨氮等污染物[23].但壳聚糖单独使用时容易流失，抗水力冲击强度较低，而作为改性剂使用时，能够有效提高载体性能，并赋予载体新的功能.陈诚等[24]采用包埋法，以海藻酸钠-壳聚糖为载体，制作固定化菌小球，氨氮去除率高达93.9%.

同时更多学者开始研究将多种无机以及有机材料进行组合，制备成新型复合载体.Truong等[5]通过过硫酸铵(APS)和六氯化铁将聚苯胺(PANI)聚合到细菌纤维素(BC)上，同时在表面涂上TiO2，形成BC/PANI/TiO2/APS体系，该体系导电率可达3.7 s·m-1.同时以BC/PANI/TiO2/APS体系为阳极固定化希瓦氏菌(Shewanellaxiamenensis)时，可以观察到微生物燃料电池效率显著提高.虽然复合载体综合效果好，但其对污染物针对性较差，无法做到同时处理多种污染物[17].

3 微生物固定化菌种

3.1 固定化微生物的种类

用于微生物固定化的菌种主要有细菌、真菌以及藻类3大类.在一定条件下对优势菌种进行筛选后，通过微生物固定化技术将菌种固定于合适载体中进行富集.Ganesh等[25]从2 100 m深的海洋沉积物中分离出去除原油的烃类菌团.Isaka等[26]使用聚乙二醇(PEG)凝胶载体捕获异养反硝化细菌.Li等[27]使用海藻酸钠与玉米秸秆生物炭联合固定化蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus).优势菌种能有效提高污染物的去除能力，在微生物固定化体系中起到至关重要的作用[28]，但也存在筛选难度大、富集率低和菌体易脱落等问题[29].

根据底物的不同，微生物固定化的优势菌种也不同.主要包括：去除多环芳烃类的铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)[30]、黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)[31]、红球菌(Rhodococcus)[32]等；去除氨氮的皱褶念珠菌(Diutinarugosa)[33]、副球菌属(ParacoccusDavis)[34]以及赤水黄杆菌(Flavobacteriumchishuiensis)等[35]；去除苯酚的不动杆菌(Acinetobacter)[36]、短杆菌属(Brevibacillu)[37]以及皮氏罗尔斯通氏菌[38]等；去除重金属的微生物主要有去除汞(Hg)的蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)、去除砷(As)的硫酸盐还原细菌(Sulphate-reducingbacteria)、去除铬(Cr)的黑曲霉(Aspergillusniger)和铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)以及去除铜(Cu)的黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)等[39].

3.2 生物膜形成机理

载体-微生物体系的形成主要分为迁移运输、可逆附着、不可逆附着、微生物繁殖、生物膜成熟以及生物膜老化6个过程[40].迁移运输是指在生物膜形成初期，水体内微生物在重力作用、水力作用以及定向吸附等因素下，向载体表面移动的过程；可逆附着是指微生物的表面器官鞭毛、纤毛等通过物理作用附着在载体表面；不可逆附着是指通过物理作用吸附在载体表面的微生物分泌出胞外聚合物，载体与微生物之间的连接更加牢固；微生物繁殖是指附着在载体表面的微生物大量繁殖，同时分泌大量胞外聚合物；生物膜成熟是指载体-微生物体系形成稳定的结构，生物量也趋于稳定；生物膜老化是指微生物自然衰老从载体上脱落[40].

4 微生物固定化技术处理污水研究现状

随着微生物固定化技术的革新发展，以及新型载体的不断出现，微生物固定化技术开始在各个方面有了更多的应用，尤其在水污染处理、气体净化以及土壤修复等方面都展现了显著的成效[41].近年来水体中污染物种类变得愈加复杂，且对环保要求愈加重视，微生物固定化技术在污水处理中的应用成为国内外的研究热点，主要集中在氮磷废水处理、重金属废水处理、印染废水处理及有机废水处理等方面.

4.1 氮磷废水

我国氮磷废水主要来源于制药、洗涤剂使用、化肥使用、食品加工、垃圾填埋以及生活废水等[42].自然水体中氮磷含量超标，引起水体富营养化，水中藻类及微生物大量繁殖，造成水中溶解氧浓度下降，最终导致水中生物死亡.近年来，大量研究使用微生物固定化技术去除水体中的氮磷[43].

Chen等[44]在部分亚硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺中以微型颗粒为微生物固定化载体，处理低浓度氨氮废水,并在水力停留时间2 h下达到了61.9%～81.7%的处理效果.细菌群落结构分析发现厌氧氨氧化细菌和氨氧化细菌分别具有27.6%和10.5%的丰度.表明在部分亚硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺中投加微型颗粒能够有效处理低浓度氨氮废水.

詹龙辉[45]使用微生物固定化技术深度处理垃圾渗滤液，研究表明，生物厌氧段最佳HRT为72 h，最佳DO为5 mg·L-1，最佳进水 pH为7.5～8.5；生物好氧段最佳HRT为84 h，最佳DO为5 mg·L-1，最佳进水pH为7.5～8.5时，厌氧段和好氧段出水氨氮平均去除率分别达到63.8%和92.6%.

郑华楠等[46]将芦苇生物炭、聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)合成复合载体，与驯化后的消化污泥制成固定化颗粒，通过考察颗粒机械强度、传质性能和酸碱稳定性，探究了生物炭添加量及粒径对氨氮去除性能的影响.结果表明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.

4.2 重金属废水

水体中的重金属主要来源于采矿业及工业废水、生活污水、化石燃烧等[47].当重金属进入人体内会对人体造成严重的危害，例如汞能够直接沉入肝脏，破坏大脑的视力神经；摄入铅后，会对人体大脑造成直接伤害，如造成胎儿先天性大脑沟回浅，造成老年人痴呆，甚至直接死亡.微生物固定化技术去除水体中的重金属离子也是近年的研究热点.

Ma等[48]对微生物-磷矿物-海藻酸盐(MPA)固定化颗粒处理含铬(Cr)废水的效果以及微生物群落特征进行分析.结果表明MPA固相颗粒在不同操作条件下均表现出Cr(Ⅵ)还原效率高、抗Cr(Ⅵ)毒性好、磷余量低等优势.同时不同的固定化方法也会对微生物群落结构产生很大的影响.该研究能够很好地为含铬(Cr)废水的治理提供新的视角和理论依据.

氨基化磁性纳米Fe3O4颗粒具有比表面积大、吸附率高、选择性强、扩散阻力小、易于磁分离、可再生利用以及能够实现重金属的回收和利用等特点.Ding等[49]总结分析了针对不同目标重金属离子的氨基化磁性纳米Fe3O4颗粒改性方法，并详细阐述了氨基化磁性纳米Fe3O4颗粒对各目标重金属离子的去除效果.

余关龙等[50]从处理含Cd(Ⅱ)废水的人工湿地基质层中筛选提取出对Cd(Ⅱ)有较好耐受性和吸附能力的菌群，并用包埋法固定微生物，制备成吸附性能良好的生物吸附剂，在pH为4～5，吸附时间48 h，吸附剂用量(湿重)50 g·L-1，Cd(Ⅱ)初始质量浓度100 mg·L-1时，对Cd(Ⅱ)的最大去除率可达91%±2%.

4.3 印染废水

印染废水具有水量大、色度高、毒性强、难降解有机物多以及COD和BOD5浓度高等特点[51]，是工业废水处理中最难降解的废水之一，也是造成环境污染的主要污染源之一.生物法是处理印染废水的传统方法，但传统的生物法往往具有一定的局限性，如好氧生物法虽然对BOD5处理效果好，但对COD、色度等去除效果不理想.因此需要辅助使用微生物固定化技术等其他方法.

崔洪基等[52]制备出一种新型炭基生物增效材料，将其投入到活性污泥系统后，微生物能够固定在其表面，当表面微生物生长至一定厚度后，在载体表面形成氧梯度，即表面的好氧区和内部的厌氧区，形成硝化/反硝化一体的综合生态系统.对COD、氨氮和TN去除率分别达到80%、96%和50%以上.

金军等[28]从驯化采集好的活性污泥中培养出处理印染废水的优势菌种，并固定于活性炭中，结果表明当温度为25 ℃，pH为6～8，水力停留时间为12 h，进水质量浓度为200 mg·L-1时，模拟废水COD的去除率达到86%，褪色率达到97%.对于印染废水的处理，特定的优势菌种起着至关重要的作用，因此微生物固定化技术处理印染废水的重点也将集中于培养出更加高效、廉价的优势菌种.

4.4 有机废水

我国是工业大国，近年来对有机废水的排放已有严格的控制，但在制药、炼油、食品加工等方面，有机废水的排放量仍十分巨大.而且难降解有机废水来源广泛，废水成分复杂，含有多环芳烃、苯以及重金属等污染物[53].同时这类废水的可生化性非常低，BOD5/COD一般在0.4以下[54]，很难用传统的生物法降解.当有机废水进入到自然环境中，将会通过食物链最终危害人类自身安全.对于有机废水的去除方法主要分成传统生物法、物理法以及高级氧化法.而微生物固定化技术在有机废水处理方面具有一定的抗毒性以及处理效率高等优势，成为近年的研究热门[54].

Zhang等[55]以改性松皮和玉米秸秆为原料，制备了高效低成本的活性污泥固定化材料.通过对苯酚废水和普通有机废水的处理，考察了各种因素对处理效果的影响.结果表明，固定化生物载体对两种废水均有较好的处理效果.对苯酚废水的去除率在24 h内达到100%，对普通有机废水的去除率在96 h内达到95.5%.

Wang等[15]以高密度丝瓜海绵(HDLS)作为固定化载体，将微生物与零价铁固定在载体上，以促进对1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-TCA)的生物降解.Frankel等[56]用针叶树皮(SB)和杨木(N3)两种材料制作生物炭，并以其为载体，联用生物膜的方法去除有机环烷酸和无机金属.结果表明在金属存在条件下，以针叶树皮为材料的生物炭-生物膜体系，对环烷酸的降解效率可达87%，而在无微生物固定的条件下，针叶树皮和杨木对环烷酸的降解率均大幅下降，仅>30%.

5 结论与展望

微生物固定化技术因其处理效率高、应用范围广且无二次污染等优势在污水治理领域得到了广泛的应用，并已取得良好的处理效果.

微生物固定化技术的关键就是合适的固定化方法、高效的优势菌种和良好的固定化载体.单独的固定化方法，例如吸附法、包埋法以及交联法，存在固定化率低、传质传氧能力差以及含有一定毒性等问题，而复合固定法将多种固定化方法联用，取长补短，比单独的固定化方法有更高的固定化率和污染物去除率.优势菌种包括细菌、真菌和藻类3大类，能够有效去除特定污染物，但存在难筛选、难富集和易脱落等问题.传统载体已经无法满足经济环保、处理效果好、挂膜量大、机械强度高等要求，研究热点开始转移到新型载体、载体改性和复合载体等方面.固定化方法、优势菌种和固定化载体三者相辅相成，将满足特定污染物质去除要求的优势菌种筛选分离，通过最优的固定化方法富集在适合的固定化载体上，能够更高效地去除污染物.今后微生物固定化技术将在以下3个方面开展更多的研究.

(1)在固定化方法方面，一方面联合使用多种固定化方法，另一方面结合污染物的特性以及优势菌种的生长特点，设计研发特定的固定化方式，高效富集优势菌种以去除污染物.

(2)在优势菌种方面，寻找出更易培养、更高效的菌种，并提高菌种在复杂环境中的生存能力.除了从活性污泥等原始环境中固定微生物，还可以人为培养高效菌种，并进行固定化.

(3)在载体材料方面，可以对磁性纳米材料、可生物降解多聚物材料、缓释材料以及多种功能载体材料的复合使用进行更多的研究，从而提高载体的微生物固定性能和污染物去除效果.同时通过提高载体-微生物体系的稳定性与经济性，促进载体-微生物体系的规模化生产，加快推进微生物固定化技术的实际应用.