固定化微生物技术及其在污水处理中的应用

Posted 2023-01-14 微生物

篇首语：沧海横流，方显英雄本色；青山矗立，不堕凌云之志。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了固定化微生物技术及其在污水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：固定化微生物技术是生物强化技术的一种，本文对微生物固定化方法及固定化技术在污水处理中的应用进行综述，对固定化技术应用前景进行展望并提出在实际应用中需要解决的问题。

关键词：固定化微生物技术，污水处理

前言：固定化微生物技术是20世纪70年代在固定化酶技术的基础上上发展起来的。固定化微生物技术是指用物理或化学方法将游离微生物细胞、动植物细胞、细胞器或酶限制或定位在某一特定空间范围内，保留其固有的催化活性，并能被重复和连续使用技术[1]。，固定化微生物技术的本质是采用生物活性高分子载体固定、诱导和驯化出难降解有机物有特异性的特殊菌群，使微生物依据有机物的降解速度和次序分级排列，实现难降解有机物的高效去除；加之载体的高分子效应的影响，创造出适宜微生物生存的微环境，提高微生物的耐受性。该技术的应用，为污水处理提供了一条新的技术途径，具有广阔的应用前景。

1、微生物固定化方法
固定化微生物技术的方法分类多种多样，目前在国内外尚无一个统一的分类标准。固定化微生物的制备方法大致可以分为包埋法、吸附法、共价结合法和交联法 [ 2] 以及新近发展的无载体固定化方法[ 3] 。

1.1包埋法
包埋法是将微生物限定在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内,同时能让基质渗入和产物扩散出来。凝胶聚合物的网络可以阻止细胞的泄漏,同时能让底物渗入和产物扩散出来。包埋法对微生物活性影响小、颗粒强度高,是目前制备固定化微生物最常用、研究最广泛的固定化方法[4]。

1.2吸附法
吸附法在固定化微生物技术处理污水中是研究最早、应用较广泛、技术也较成熟的方法。在大多数生物膜反应器启动的早期，所应用的都是吸附法的原理。固定化微生物方法可分为物理吸附和离子吸附两类[5]。该方法操作简单,微生物固定过程对细胞活性的影响小,条件温和。但这种方法结合的细胞数量有限,反应稳定性和重复性差,所固定的微生物数目受所用载体的种类及其表面积的限制[6]，同时微生物与载体之间吸附强度也不够牢固，故载体的选择是关键。

1.3 共价结合法
共价结合法是利用微生物细胞表面功能团与固相载体表面基团之间形成化学共价键相连来固定细胞, 因此结合紧密, 稳定性好, 但是基团结合时反应激烈, 操作复杂、难控制。

1.4 交联法
交联法是通过微生物与具有两个或两个以上的官能基团的试剂反应，使微生物菌体相互连接成网状结构，而达到固定微生物的目的[7]。使用该方法,微生物细胞间的结合强度高,稳定性好,经得起温度和pH 值等的剧烈变化。但是由于在形成共价键的过程中，往往会对微生物细胞的活性造成较大的影响，而且适用于此类固定化的交联剂大多比较昂贵，因而其在应用中受到一定的限制。

1.5无载体固定化
无载体固定化法又称为自固定化法，这种方法是一种全新的概念。在自絮凝颗粒形成过程中，同时形成了微生物的适宜生态环境，使之有利于微生物代谢之间的协调或者说有利于微生物之间生物信息的传递[8]。这种方法与其他的固定化方法相比，具有传质扩散阻力小，细胞颗粒整体活性高，固定化方法简单等优势，将在污水处理领域得到广泛的应用[9]。此法一般不需使用人工载体或包埋剂，但所需固定化时间长且受环境因素的影响大。升流式厌氧污泥床(UASB)反应器和厌氧折流板反应器(ABR)中，颗粒污泥的形成即属于微生物的自身固定化过程[10]。

2、固定化载体
不同的固定化方法对固定化载体有不同的要求，理想的固定化载体应具有对微生物细胞无毒、传质性能好、性质稳定、使用寿命长、价格低廉等特点。新型固定化载体的开发研究也是固定化技术研究的重要组成部分。

目前常用的载体大致可分为三类：无机载体，如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等；有机载体，如琼脂、聚乙烯醇凝胶( PVA ) 、聚丙烯酰胺( ACAM) 凝胶等；以及将有机载体与无机载体结合组成的复合载体。则可结合它们各自的优点, 改进材料的性能。复合载体在降低成本、提高废水处理效果等方面具有明显的优势。。

3、固定化微生物技术在污水处理中的应用

3.1高浓度氨氮污水的处理
随着人们生活水平的提高，现在生活污水氨氮浓度越来越高，传统的处理工艺很难使得氨氮达标，利用固定化微生物技术可以大大提高氨氮的去除率。微生物去除氨氮需经过好氧硝化、厌氧反硝化两个阶段。曹国民等[11]以PVA为载体，采用单级生物脱氮新技术，即利用一种固定化细胞膜两侧，分别与好氧的氨氮废水、缺氧的乙醇碳源接触，使固定于膜中的硝化菌将氨氧化为亚硝氮和硝氮，随后被同膜中的反硝化菌还原为氮气。该方法氨氧化的速率为单独使用硝化菌的2 倍。叶正方等[12]采用功能化大孔载体FPUFS，以载体结合法固定化高效微生物菌群B350，所得固定化B350置于曝气池中构成一个有效容积为1500L的固定化微生物—曝气生物滤池（I-BAF）污水处理系统。进水氨氮为451mg/L的污水经处理后达0.285mg/L。

3.2 含难降解有机物废水的处理
用常规的生物处理方法处理含难降解有机物废水时，处理效率较低，主要是由于降解这类物质的微生物世代期较长，而且难以在常规生物处理的构筑物中大量存在。利用固定化微生物技术可有目的地选择优势菌群培养，并将其固定到载体上,增加微生物的浓度，可以高效地处理这类物质[13]。Jo-Shu Chang[14]以聚丙烯酰胺、海藻酸钙做载体固定假单胞菌，对自配含氮染料废水进行脱色处理，结果表明与游离细胞系统相比，长时间运行也能保持较高的反应效率，且重复使用性好，更适合实际工业应用.

4、结语

固定化微生物技术以其独特的优点在污水处理领域中引起了普遍的关注，进行了广泛的研究与应用，但要实现其实用化或工业化，还需进一步研究解决。开发适合于固定化微生物细胞的高效生化反应器亦是一个有待解决的问题；污水中含有的污染物是一个十分复杂的混合体系，单一菌种无法达到较满意的效果，因此应该进一步加强混合微生物固定化体系的研究与开发,筛选、构建高效、廉价、抗逆性强的高性能微生物,在反应器中建立混合菌群组成的微生态环境，使各种固定化微生物发挥协同作用，拓宽可处理污染物的种类,提高处理效率；可以看出，伴随着微生物技术和生物技术的发展，固定化微生物技术将成为污水处理的主流技术。（）