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废水处理中微生物固定化技术的应用

2021-08-02 382 上传者：管理员

摘要：微生物固定化技术具有细胞密度高、耐毒性强、产品易于分离、运行费用低、维护管理简单等优点，从而应用在水处理中。本文重点介绍了微生物固定化技术，阐述了其发展过程及特点、优缺点，讨论了新型载体材料，叙述了固定化技术在水处理中的研究内容。

关键词：
包埋法
吸附法
固定化技术
固定化载体
微生物
水环境污染
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随着水环境污染问题的日益严重，对高效污水处理方法的要求越来越高，同时也考虑到处理过程的经济性，微生物处理工艺得到广泛应用，但生物处理工艺容易造成污泥流失，同时易受到废水中有毒有害物质的侵害，因此在目前的污水处理技术中，固定化微生物技术已成为研究的热点。

1、固定化技术概述

1.1 固定化技术发展进程

微生物固定化技术是近年来新兴的一项生物处理技术，能够使微生物细胞保持在生物反应器中，并且可以减少外界有害物质的抑制作用[1]，固定化技术经过一段时间发展才得以运用到水处理行业当中。在20世纪20年代左右，Nelson和Griffin从酵母中提取得到蔗糖转化酶，随后将其吸附到骨炭颗粒表面，发现被吸附的蔗糖转化酶与天然酶能够展示出同样的酶活性[2]。20世纪50年代左右，Micheel和Ewers对所研究的生理活性蛋白进行了固定化操作，继续推进了固定化技术使用的进程[3]。Campbell等在研究固定抗原的过程中，将白蛋白与对氨苄基纤维素重氮衍生物进行了结合[4]。Grubhofer和Schleith使用重氮化的聚氨基聚苯乙烯树脂，对酶进行了固定[5]。在1917年，日本的千烟一郎使用聚丙烯酰胺凝胶对大肠杆菌进行包埋固定化作用[6]。截至目前，固定化技术不断被运用在微生物处理当中，并且人们将固定化技术进行改进提升，应用到微生物水处理当中。

1.2 固定化常用方法

固定化技术主要是以载体为依托，将游离的微生物或酶进行自由度上的限制，能够减少一定量微生物的流失问题。微生物固定化技术主要可以分为包埋法、吸附法、交联法等，每种方法都有各自的用途和优点。

1.2.1 包埋法

包埋法的主要组成部分为载体、包埋物和交联剂。载体将被包埋物裹于聚合物或膜内使其拘于本身的约束结构中，在形成的凝胶聚合物体系中，其能够保证外界基质的引入，还能阻止外界有毒有害物质的侵害，并且小分子底物及反应代谢产物可自由出入多孔或凝胶膜并将其及时地排出，且不会造成微生物细胞的流失。包埋法对微生物的固定性能良好，载体聚合物的机械强度较大，能够抵抗部分水力冲刷，免于细胞的流失，包埋操作步骤较简单，所以在实际应用中运用较多。但是凝胶载体不可避免会产生一部分传质阻力，影响基质的传输效率。

1.2.2 吸附法

吸附法一般是依靠生物体与载体之间的作用，其中包括范德华力、氢键、静电作用、共价键以及离子键，使微生物附着于载体表面或内部孔径之中。吸附材料种类繁多，主要为天然材料的使用，如炉渣、玉米芯[7]、丝瓜络[8]等，因其获得渠道容易，并且价格低廉，遂得到广泛的使用。但天然的材料吸附性能较弱，对于生物细胞的依附性能不强，使得在一些处理问题上难以达到理想的效果，所以出现对天然材料的改性。通过对天然材料使用一系列的改性剂，如氢氧化钠、乙酸、过氧化氢等酸碱或氧化物对其改性，使吸附剂改性之前所含的官能团数量、孔隙大小、比表面积、结构强度等进行提升[9]。从而使材料吸附性能加强，增加微生物与吸附材料之间的吸附力。

1.2.3 交联法

交联法又称无载固定化法，即不利用载体，靠交联剂作用生物的物理或化学作用相互结合达到固定的目标。交联法根据细胞之间结合作用力可将其分为物理交联和化学交联法。物理交联法主要是对所要固定物质进行环境条件调节，使微生物细胞之间能够互相促进接触，来增加固定强度。如，分散的污泥逐渐形成絮体污泥再进一步形成颗粒污泥，以减少微生物流失，提高细胞密度以及沉降性能。但此种交联不能大负荷处理污染物，易受到水力破坏，使稳定结构崩溃。化学交联法对比于物理交联法稳定性高。在微观结构上对官能团之间使用交联剂进行反应，从而形成稳定的网状结构，实现交联固定。化学交联之间能形成稳定的价键结构，对外界冲击有较强的适应能力，但稳定性能提高的同时也伴随着交联剂对微生物活性的毒害作用[10]，使处理效率降低，并且交联剂价格偏高，不宜大规模使用。

2、新型固定化方法及其常用载体材料

在基于传统的固定化技术上发展出新型固定化技术，其中以复合固定化技术为代表。复合固定化技术主要联合多种固定化方法进行微生物的固定，能同时利用每种方法的优势，尽可能避免缺点，使微生物活性降低可能性减小，且聚合物的机械强度得到保证。在进行复合固定化时，大多是以包埋固定化为基础，用聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)为载体，也有一部分使用聚乙二醇(PEG)[11]等，可向其中增加吸附剂，增加其吸附能力，或是投加功能性物质[12]。

目前，随着对固定化技术的深入研究，新型载体材料也不断成为研究热点。纳米材料的出现与运用，给固定化载体提供了很大的帮助。其比表面积大，能极大地提高纳米材料的吸附效率，并且易于吸附，使凝胶聚合物性能提升。对纳米材料也可进行改性，在表面注入所需求的官能团，而不影响材料的整体性。磁性颗粒能作为一种功能性添加物，向包埋载体中添加四氧化三铁可使载体获得磁性，依于磁性物质特性可以作用外加电场，对凝胶载体进行作用，并且微生物本身具有一定生物弱磁场，磁场之间相互作用可对微生物活性及代谢性能产生影响[13]。磁性颗粒中存在二价铁和三价铁离子，其中二价铁离子为血红蛋白的合成元素，微量元素的摄入可促进微生物的生长，所以能够提升微生物活性，增加凝胶聚合物稳定性[14]。

3、固定化技术在水处理中的应用

梁学优[15]使用聚乙烯醇(15%w/v)和海藻酸钠(15%w/v)为包埋载体，硼酸(3%)与氯化钙(2%)为交联剂制备凝胶小球，对成熟半硝化污泥和厌氧氨氧化污泥进行固定，固定后的颗粒污泥对氨氮负荷有较好的适应能力，且在部分硝化实验6d后，NH4+/NO2-=1∶1，出水NO3-<5mg·L-1。菌群分析上得出，氨氧化菌和厌氧氨氧化菌为优势种群。Choi[16]等人使用戊二醛交联聚乙烯醇和海藻酸盐，与对照组相比，在作用时间20d后，总氮的去除率均优于对照组，且机械强度提高。Wang等[17]使用PVA/CS和PVA/CS/Fe对厌氧氨氧化颗粒污泥进行强化，氮去除率为10.0±0.3kg·Nm-3·d-1和13.9±0.5kg·Nm-3·d-1，其多孔环境为厌氧氨氧化菌的生长提供适宜环境，并且在添加铁离子的凝胶团中，铁离子与带负电的胞外聚合物作用，提高了颗粒强度、致密性和生物滞留能力。

4、总结与展望

微生物固定化技术具有污染小、操作简易、相对价格低廉等优点，被研究者广泛推崇。多种固定化方法也不断呈现，复合固定化为一种较为全面的方法，以后的研究中要根据此方法进行推进，可研究对新型载体材料的使用与制备，如磁性颗粒材料、纳米材料等，并且可进行相应的改性修饰得到更为实用的材料，相信固定化技术的发展会有广阔的前景。

参考文献:

[6]千烟—郎,胡宝华,吴维江.固定化酶[M].石家庄:河北人民出版社,1981.

[7]李廷梅,于鲁冀,范铮.微生物复合固定化颗粒特征分析及去除河水氨氮效果的研究[J].环境污染与防治,2015,37(08):7-11.

[8]冯伟,王雪青,张译丹,等.丝瓜络固定化非活性颤藻对Pb~(2+)的吸附特性[J].环境化学,2020,39(04):1129-1136.

[9]刘宇程,吕忠祥,刘寒,等.改性秸杆制备固定化微生物及对钻井泥浆的处理[J].化工环保,2018,38(03);343-348.

[10]闫志明,普红平,阳立平.生物固定化技术研究及应用评述[J].四川化工,2004(01):12-15.

[11]南晓梅,宋新山,赵晓祥.聚乙二醇和海藻酸钠混合固定化硝化细菌研究[J],安全与环境学报,2015,15(04):206-210.

[12]王继存.利用磁性载体固定工程菌株吸附皮革厂废水中的三价铬[D].兰州:兰州大学,2020.

[13]朱一帆,陈静,王晟喆,等,弱磁场对胰蛋白酶活性和构象的影响[J].食品工业科技,2020,41(14):36-40.

[14]夏凡,任龙飞.新型厌氧氨氧化工艺在高含氮废水处理中的应用[J].水处理技术,2020,46(09):19-23.

[15]梁学优.微生物交联法和包埋法固定化技术应用于氨氮废水处理的研究[D].济南:山东大学,2017.

文章来源：张磊.微生物固定化技术在废水处理中的应用[J].农业与技术,2021,41(14):139-141.