固定化生物技术在水处理中的应用分析

张文戈，王海燕

中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北省武汉市，

430010

摘要：固定化生物技术是一种新兴生物工程技术，相比传统生物技术，具有生物负载率高、运行稳定、处理效率高、产泥少、易固液分离等优势，解决了传统生物技术的发展缺陷，在污水应用中具有广泛的前景。将高效、成本低、无二次污染的微生物技术应用于环境污水处理是未来的发展方向，具有广阔的研究和应用前景。探讨固定化微生物技术在处理污染废水问题方面的发展前景，以期为固定化微生物技术修复不同类型废水的实际应用提供参考。

关键词：水处理；固定化生物技术；应用

引言

固定化微生物技术是一项运用物理-化学方式将微生物固定在载体材料上，并将其限制在特定空间区域内高度富集的技术。细胞固定化较传统的生物降解手段具有细胞浓度高、耐受性好、对有毒物质的敏感性较低，可重复使用和保护细胞抵抗恶劣环境等特点。在实际应用中，针对不同的目标污染物，菌种和载体的选择以及固定化的方法各异。

1 固定化生物技术概述

1.1 吸附法

利用载体材料与生物本身的物理特性，以及生物与载体材料之间的作用力，将微生物吸附在载体表面的方法，吸附过程中，通常涉及到范德华力、离子和疏水相互作用以及氢键等，这几种力是相对较弱的力，因此吸附法操作简单、制备条件温和、经济廉价、无需破坏载体与生物本身、能够保持微生物的活性、载体可解吸附，但同时基于吸附法固定得到的生物通常是可逆的，结合力不强，不耐水力冲击，容易受到外界环境的影响而造成生物脱落。根据吸附原理的不同分为物理吸附和离子吸附。常用的吸附载体有活性炭、沸石、硅藻土、高岭土、多孔玻璃等。

1.2 絮凝技术

此类絮凝剂是微生物细胞或一类由微生物生长过程中产生的代谢产物组成的可降解的高分子有机物。此技术具有显著的絮凝沉淀效果，对污水中的总氮（TN）和总有机碳（TOC）有较好的去处效果，去除率可分别达到 45%和 75%。对于传统处理技术中难以处理的可溶性色素，该技术也有良好的脱色效果。此外，可有效去除高浓度有机废水中的悬浮性杂质和污水的恶臭味。此技术具有成本低、适应性强、安全无害、效率高的优点。在实际应用中，农业废水、畜产废水具有较多的生化需氧量（BOD），较之投加高分子絮凝剂可能带来二次污染的风险，微生物絮凝技术安全无害，处理后水质澄清透明，效果理想。

1.3 固定化微生物技术

此技术可提高负荷，减小装置容积；针对难降解有机物，可固定对应的优势菌种，从而提高降解效率；稳定性高，可应对水质及pH变化；处理污水后，产生的污泥量小；具备强抗毒性。固定化技术可应用于有色废水脱色，例如，针织厂印染废水经此技术处理后，在厌氧条件下，色度、化学需氧量（COD）的平均去除率可分别达到77.3%、65.1%；可处理洗涤剂废水，研究发现，通过富集特定细菌，借助此技术处理合成洗涤剂废水后，阴离子表面活性剂（LAS）的去除率最高可到90%。此外，该技术对制药废水也有良好的去除效果。

1.4 包埋法

这种方法操作简单，不会对微生物活性造成明显影响，是常用的制备固定化生物方法。包埋法制备成本较高，而且力学稳定性往往随载体材料的种类不同差异很大。常用的包埋载体材料有琼脂、海藻酸盐、聚乙烯醇、明胶、聚丙烯酰胺、聚酯、聚氨酯等。利用多孔聚合物载体对悬浮溶液中的微生物进行包埋是一种常用的方法，用于该方法的聚合物基质具有多孔结构，因此污染物和各种代谢产物很容易扩散到基质中。在这种方法下，大量多孔聚合物可以轻松包埋微生物。

2 固定化生物技术在水处理中的应用

2.1 印染废水处理

印染废水中含有有毒的有机污染物，这些有机物浓度高、成分复杂、色度深，阻碍了阳光的渗透和氧的溶解，不利于水生生物的生长。固定化生物技术对印染废水具有优秀的脱色处理效果，良好的COD去除效果，具有广阔的应用前景。目前国内外关于该技术在印染废水方面的应用研究已取得了很大进展。Uttariya Roy等研究了以粉煤灰为载体的固定假单胞菌处理印染废水的工艺条件。研究发现，由粉煤灰固定的假单胞菌是较好的脱色剂，在最佳条件下，粉煤灰、假单胞菌和粉煤灰固定化假单胞菌对染料的去除率分别为88.51%、92.62%和98.72%。Gholami-Borujeni等以海藻酸钙凝胶球为载体固定化过氧化氢酶，对纺织工业污水进行了脱色，结果表明，固定过氧化氢酶对染料酸性橙7和酸性蓝25的去除率分别为75%和84%。

2.2 养殖废水处理

养殖废水中通常含有高浓度的氨氮，尤其是养猪废水，采用生物接触氧化反应器和曝气生物滤池处理后，出水氨氮仍无法达到预期，固定化生物技术以其富集微生物、易于固液分离和重复利用等优点应用于高氨氮养殖废水中。Junyuan Guo 等为了改善养猪废水经过厌氧消化处理后，造成的微生物流失、产生大量污泥、曝气能耗大等问题，采用壳聚糖 - 海藻酸钠复合载体制备了固定化菌球，并测定了固定化菌球对经过厌氧消化后养猪废水中的氨氮的去除性能。结果表明，在最佳条件下，固定化菌球可去除96.5%的氨氮，而以单海藻酸钠为载体的固定化菌球对氨氮的去除能力较弱，去除率仅为67.4%。崔兵等采用微生物固定化技术处理某猪场养殖废水，运行一段时间，CODcr去除率达到98%，氨氮去除率达到 94%，出水水质达到了排放标准。

2.3 农业废水处理

与单一微生物作用相比，多种微生物复合体系存在协同代谢作用，可显著提高对难降解污染物的去除效率。利用海藻酸钙固定铜绿假单胞菌制备得到的复合材料36min内可完全降解2%的硫丹废水，检测中间产物为硫丹醚和硫丹内酯，均为硫丹非氧化降解途径的产物，这一过程可能涉及到水解酶、单氧酶等酶的作用，通过质粒消除法证明铜绿假单胞菌降解硫丹的基因位于染色体上，而非质粒上；且经海藻酸钙包裹的细菌可耐受高浓度硫丹。首次使用微藻固定在丝瓜络和聚氨酯泡沫上去除杀虫剂，在固定化微藻水处理反应器中去除敌草隆的效果比游离微藻反应器中提高了20%~30%，表明微藻的固定化增强了生物降解作用。

三嗪类化合物在环境中性质稳定，不易降解。使用了海藻酸钠-聚乙烯醇包埋法和生物膜附着黏土砖两种不同的固定化方法，探究固定化库德毕赤酵母菌去除阿特拉津的能力。与包埋的海藻酸钠小球相比，以黏土砖颗粒为载体的复合材料对阿特拉津的降解率和降解速度更高，阿特拉津质量浓度为1000mg/L时，5d内海藻酸钠固定化微生物小球的去除率为70%，黏土砖固定生物膜可在6d内完全降解阿特拉津。

3 结束语

随着城市化进程的加快，环境污水问题将变得更加复杂与棘手。因此，在今后的研究中，应结合环境污水实际情况，深入开展微生物技术机理研究，促进微生物技术与其他技术的融合应用，同时不断优化和改进现有技术，以期实现更好的污水处理效果，保障用水安全。

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