微生物固定化技术的发展及其在污水处理的研究

微生物固定化技术的发展及其在污水处理的研究摘要：微生物固定化技术是一种有效的废水处理技术，通过对固定化技术方法的介绍以及不同载体选择的对比，分析评价了微生物固定化在废水处理的国内外应用研究现状，并针对相关问题提出了今后的研究和发展方向。

关键字：固定化技术载体材料废水处理微生物Abstract:Immobilized microorganism technique is a kind of effective wastewater treatment technology. Based on the technique of immobilization method introduction and different carrier choose contrast.TAnalysis and evaluation the immobilized microorganism technology applied to various kinds of wastewater treatment both in China and abroad are summarized. Aiming at its relevant problems, its future research and developing directions are brought forward.Key words: immobilization technique Carrier material wastewater treatment microorganism 微生物固定化技术是从二十世纪60年代开始迅速发展起来的一项新技术，至今已经形成了较为完备的理论和方法。

微生物固定化技术是指通过利用化学或物理手段将游离的微生物或酶，定位于限定的空间区域内，使之不溶于水，但仍能保持其生物活性且在适宜的条件下还可以增殖，是一种可以反复使用的技术[1]。

这项技术最初利用于工业发酵，20世纪70年代后期，随着水环境污染的日益严重，研究一种高效、快速，能连续处理的生物处理废水系统的要求日益迫切，国内外开始应用微生物固定化技术来处理废水，从此微生物固定化技术在污水处理中得到广泛的应用[2,3]。

与普通悬浮生物处理法相比，采用微生物固定化技术有以下优点[4]：（1）有利于提高生物反应器内微生物浓度和纯度，提高处理负荷、减少处理装置容积；（2）污泥产量少，利于反应器的固液分离；（3）可选择性地固定优势菌种，稳定性强，提高难降解有机物的降解效率；（4）抗毒物毒能力强；（5）对水质及pH的变化有较好的稳定性。

这些优点使微生物固定化技术在国内外废水处理领域中备受重视，特别是在难降解和有毒废水处理中表现出更大的潜力。

1、微生物固定化的分类微生物细胞固定化的方法多种多样，任何一种限制细胞自由流动的技术都可以用来对微生物细胞进行固定化。

按照固定载体及其作用方式不同，主要有共价结合固定化、吸附固定化、包埋固定化和交联固定化四大类[5]。

1.1共价结合法共价结合法就是是细胞表面上官能团和固相支持物表面的反应基团形成化学共价健连接。

用共价键固定酶，载体与酶的结合牢固，不易脱落，但限制了微生物的活性，半衰期较长。

但由于化学共价法结合操作与控制复杂苛刻，反应剧烈，常常引起酶蛋白高级结构发生变化，因此，一般细胞活性回收较低。

能够用于共价法固定的酶蛋白上的功能基因中，最常用的是氨基和羧基。

对于共价偶联反应的选择一般应考虑酶蛋白上供共价结合的功能基团必须不影响酶的催化活性，反应条件应尽可能温和，最好在水溶液中反应。

偶联反应应该对酶蛋白上某一类功能基团有很高的专一性，而对其他功能基团或水溶液几乎无副反应。

共价反应的主要方法有酰化反应法、芳化和烷基化反应法、溴化氰法、重氮化反应法以及硅烷基化法等。

1.2吸附法吸附法又称载体结合法，根据载体特性可分为物理吸附和离子交换吸附。

物理吸附是使用具有高吸附能力的物质，如硅胶、活性炭、多孔玻璃、碎石、卵石、焦炭、硅藻土、多孔砖等吸附剂，将微生物吸附在表面使其固定化。

离子吸附是利用微生物在解离状态下离子健合作用而固定于带有相反电荷的离子交换剂上，常见的离子交换剂有DEAE -纤维素、CM-纤维素等。

吸附法是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，使微生物细胞吸附在载体表面和内部以形成生物膜的方法[6]。

该方法操作简单，微生物固定过程对细胞活性的影响较小，但所固定的微生物数量受所用载体的种类及其表面积的限制，微生物菌体易脱落，反应稳定性和反复使用性差，因此往往采用引入疏水和亲水配位体后制成载体衍生物。

1.3包埋法包埋法是利用高分子载体将微生物细胞包埋在半透明的聚合物或膜内，或使微生物细胞扩散进入多孔性的载体内部，小分子底物及反应代谢产物可自由出入这些多孔或凝胶膜，而微生物却不移动[7]。

其优点在于普适性，酶在包埋过程中其分子本身不直接参加反应，除了包埋过程中的化学反应可能对酶有不利影响或者作为包埋材料的聚合物会引起酶的变性以外，基本上大多数酶都能用包埋法固定，是目前制备固定化微生物最常用、研究较多的方法。

常用的包埋法固定微生物的载体材料有天然高分子多糖，如：海藻酸钙凝胶和卡拉胶、聚乙烯醇( PVA )、聚丙烯酰胺( ACAM )和有机合成高分子材料。

包埋法所制备的高分子载体具有其他无机吸附剂所不具备的密度低、易于流态化的优点，但包埋法制备工艺复杂，制备成本高，载体无法再生，传质阻力大，影响了微生物的生长和产物的代谢[6]。

1.4交联法交联法又称为无载体固定化法，是利用微生物或其中的酶分子上的氨基、羟基等与交联剂的官能基团反应，交联形成共价键，使微生物菌体相互形成网状结构，从而实现微生物固定化的目的[8]。

生物催化剂之间依靠物理的或化学的作用相互结合，可分为化学交联固定法和物理交联固定法。

化学交联固定法是利用醛类、胺类、水合金属氧化物等具有双功能或多功能基团的交联剂与生物催化剂之间形成共价键相互联结后形成不溶性的大分子而加以固定化的方法。

物理交联固定法是指在微生物培养过程中，适当改变细胞悬浮液的培养条件（如离子强度、温度、pH值等），使微生物细胞间发生直接作用而颗粒化或絮凝来实现固定化的方法[9]。

这种固定化技术使微生物在自絮凝颗粒形成过程中同时形成微生物适应性的生态微环境，使其有利于微生物代谢之间的相互协调，且一般不需使用人工载体或包埋剂，但所需固定化时间长、受环境因素影响较大。

2、载体的分类在应用固定化微生物技术进行废水处理之前，须选择合适的微生物固定化方法，但微生物固定化过程中载体材料和种类的选择也极为重要。

混合载体法可以有效地解决固定化细胞技术用于废水处理所面临的成球难，易破碎，活性散失大以及因产气而发胀上浮等问题。

在废水处理过程中，固定技术的基础之一就是筛选出理想的微生物的载体。

理想的固定化载体应具有以下的几点要求：（1）对微生物细胞无毒、具有生物相容性且不干扰生物分子的功能。

（2）机械强度高，物理和化学性质稳定，传质效果好，使用寿命强。

（3）水不溶性且具有一定的容量。

（4）易固定化操作，且价廉易得。

目前常用的载体大致可分为三种[10]: 有机载体、无机载体、复合载体。

2.1有机载体有机载体它又分为天然高分子凝胶载体和机合成高分子凝胶载体两大类；天然高分子凝胶载体，如琼脂、交叉胶、海藻酸钙等，此类载体传质性好但强度不高且易被生物分解。

有机合成高分子凝胶载体包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯胺（ACAM）、聚乙烯乙二醇（PEM）光硬化树脂等，他们在形成凝胶时可将微生物细胞包埋在凝胶内部从而达到固定细胞的目的, 在废水处理种得到较多的研究和应用。

2.2无机载体无机载体，如活性炭、多空玻璃、石英砂、氧化铝、硅胶、高岭土、沸石、硅藻土等，它们利用本身的多孔结构对微生物细胞的吸附作用和电荷效应来固定细胞。

此类载体强度大，传质性好，易固定化操作，使用寿命长，机械强度高，价廉易得等特性。

但它们密度大，实现流化的能效高，生物吸附有限，易脱落。

2.3复合载体复合载体是有机载体和无机载体的结合，它兼顾了有机载体和无机载体各自的优点，在水处理领域越来越多的使用。

3、固定化技术的研究与应用固定化微生物技术用于污水处理，能针对性地对有效微生物菌群进行固定，能可选择性地提高泥龄，保持有效微生物菌种的活性，大大提高高浓度难降解有机污水的处理效率，降低处理费用。

同时，微生物人工强化固定化处理效率高，产泥量少，处理装置占地面积小，并能选择性地固定一些特殊菌种，近年来，在污水处理,特别是难降解工业污水处理中得到广泛关注[ 10]。

3.1 在难降解有机污染物治理中的应用对含苯酚、氰、氯苯胺及DDT等难降解有机物的废水，如用常规生物处理方法其效率一般较低，这主要是由于在处理过程中那些能有效降解这类物质的微生物世代周期较长，很难在常规生物处理中大量存在，因此很多学者利用固定化微生物技术对其进行降解或处理。

周定等[11]对固定化细胞处理含酚废水进行了深人研究，他们从活性污泥中分离得到热带假丝酵母(Candida tropicalis)，经海藻酸钙凝胶包埋固定后，在自制的三相流化床反应器内进行含酚废水的连续处理，进水酚浓度为300mg/ L，出水酚浓度小于0.15mg/ L。

与悬浮生物法相比，酚的容积负荷可提高一倍以上，污泥发生量减少90%。

Lee等[ 12]引用海藻酸钙凝胶包埋固定化Pimelobactersp细胞进行了降解吡啶的研究。

结果表明：与游离细胞相比，固定化细胞的比降解速率和对吡啶毒性的承受能力并没有提高，这与大多研究者的结论相反。

但由于固定化细胞具有较高的生物浓度，所以其体积降解速率较高，鉴于固定化细胞具有较高的生物浓度和可以重复利用，他们认为利用固定化细胞降解吡啶是可行的。

3.2 高浓度有机废水的处理高浓度有机废水具有浓度高、生物降解难、毒性大等特点，往往废水中所含有机物种类单一，采用物理和化学处理工艺或一般的生物处理达不到理想的效果。

而经微生物固定化技术处理后，微生物的密度增大，稳定性大幅度提高，其处理负荷可高达常规活性污泥的3. 7倍，可耐有机物浓度变化、pH值变化等因素的冲击，因此利用优势微生物菌种对特定底物的高浓度难降解有机物废水的处理技术得到迅速发展[7]。

徐红[ 13]等研究了各种材料固定化腮酶用于处理化肥厂的尿素废水，选择了明胶一戊二醛包埋法对其固定化条件和固定化脉酶的性质进行了探讨。

结果表明,在50℃下，尿素废水通过固定化酶柱只需停留3min就有92. 5%的尿素分解。

3.3 废水中重金属离子的去除微生物固定化后，其稳定性增加，对毒性物质的承受能力和降解能力都明显增强，因此可用于去除有机废水中的各种重金属离子，并可将金属脱吸附回收进行重新利用。