固定化微生物技術(shù)及其在污水處理中的應用

摘要：固定化微生物技術(shù)是生物強化技術(shù)的一種，本文對微生物固定化方法及固定化技術(shù)在污水處理中的應用進(jìn)行綜述，對固定化技術(shù)應用前景進(jìn)行展望并提出在實(shí)際應用中需要解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：固定化微生物技術(shù)，污水處理

前言：固定化微生物技術(shù)是20世紀70年代在固定化酶技術(shù)的基礎上上發(fā)展起來(lái)的。固定化微生物技術(shù)是指用物理或化學(xué)方法將游離微生物細胞、動(dòng)植物細胞、細胞器或酶限制或定位在某一特定空間范圍內，保留其固有的催化活性，并能被重復和連續使用技術(shù)[1]。，固定化微生物技術(shù)的本質(zhì)是采用生物活性高分子載體固定、誘導和馴化出難降解有機物有特異性的特殊菌群，使微生物依據有機物的降解速度和次序分級排列，實(shí)現難降解有機物的高效去除；加之載體的高分子效應的影響，創(chuàng )造出適宜微生物生存的微環(huán)境，提高微生物的耐受性。該技術(shù)的應用，為污水處理提供了一條新的技術(shù)途徑，具有廣闊的應用前景。

1、 微生物固定化方法
固定化微生物技術(shù)的方法分類(lèi)多種多樣，目前在國內外尚無(wú)一個(gè)統一的分類(lèi)標準。固定化微生物的制備方法大致可以分為包埋法、吸附法、共價(jià)結合法和交聯(lián)法 [ 2] 以及新近發(fā)展的無(wú)載體固定化方法[ 3] 。

1.1包埋法
包埋法是將微生物限定在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內,同時(shí)能讓基質(zhì)滲入和產(chǎn)物擴散出來(lái)。凝膠聚合物的網(wǎng)絡(luò )可以阻止細胞的泄漏,同時(shí)能讓底物滲入和產(chǎn)物擴散出來(lái)。包埋法對微生物活性影響小、顆粒強度高,是目前制備固定化微生物最常用、研究最廣泛的固定化方法[4]。

1.2吸附法
吸附法在固定化微生物技術(shù)處理污水中是研究最早、應用較廣泛、技術(shù)也較成熟的方法。在大多數生物膜反應器啟動(dòng)的早期，所應用的都是吸附法的原理。固定化微生物方法可分為物理吸附和離子吸附兩類(lèi)[5]。該方法操作簡(jiǎn)單,微生物固定過(guò)程對細胞活性的影響小,條件溫和。但這種方法結合的細胞數量有限,反應穩定性和重復性差,所固定的微生物數目受所用載體的種類(lèi)及其表面積的限制[6]，同時(shí)微生物與載體之間吸附強度也不夠牢固，故載體的選擇是關(guān)鍵。

1.3 共價(jià)結合法
共價(jià)結合法是利用微生物細胞表面功能團與固相載體表面基團之間形成化學(xué)共價(jià)鍵相連來(lái)固定細胞, 因此結合緊密, 穩定性好, 但是基團結合時(shí)反應激烈, 操作復雜、難控制。

1.4 交聯(lián)法
交聯(lián)法是通過(guò)微生物與具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的官能基團的試劑反應，使微生物菌體相互連接成網(wǎng)狀結構，而達到固定微生物的目的[7]。使用該方法,微生物細胞間的結合強度高,穩定性好,經(jīng)得起溫度和pH 值等的劇烈變化。但是由于在形成共價(jià)鍵的過(guò)程中，往往會(huì )對微生物細胞的活性造成較大的影響，而且適用于此類(lèi)固定化的交聯(lián)劑大多比較昂貴，因而其在應用中受到一定的限制。

1.5無(wú)載體固定化
無(wú)載體固定化法又稱(chēng)為自固定化法， 這種方法是一種全新的概念。在自絮凝顆粒形成過(guò)程中，同時(shí)形成了微生物的適宜生態(tài)環(huán)境，使之有利于微生物代謝之間的協(xié)調或者說(shuō)有利于微生物之間生物信息的傳遞[8]。這種方法與其他的固定化方法相比，具有傳質(zhì)擴散阻力小，細胞顆粒整體活性高，固定化方法簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，將在污水處理領(lǐng)域得到廣泛的應用[9]。此法一般不需使用人工載體或包埋劑，但所需固定化時(shí)間長(cháng)且受環(huán)境因素的影響大。升流式厭氧污泥床(UASB)反應器和厭氧折流板反應器(ABR)中，顆粒污泥的形成即屬于微生物的自身固定化過(guò)程[10]。

2、 固定化載體
不同的固定化方法對固定化載體有不同的要求，理想的固定化載體應具有對微生物細胞無(wú)毒、傳質(zhì)性能好、性質(zhì)穩定、使用壽命長(cháng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。新型固定化載體的開(kāi)發(fā)研究也是固定化技術(shù)研究的重要組成部分。

目前常用的載體大致可分為三類(lèi)：無(wú)機載體，如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等；有機載體，如瓊脂、聚乙烯醇凝膠( PVA ) 、聚丙烯酰胺( ACAM) 凝膠等；以及將有機載體與無(wú)機載體結合組成的復合載體。則可結合它們各自的優(yōu)點(diǎn), 改進(jìn)材料的性能。復合載體在降低成本、提高廢水處理效果等方面具有明顯的優(yōu)勢。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3、 固定化微生物技術(shù)在污水處理中的應用

3.1高濃度氨氮污水的處理
隨著(zhù)人們生活水平的提高，現在生活污水氨氮濃度越來(lái)越高，傳統的處理工藝很難使得氨氮達標，利用固定化微生物技術(shù)可以大大提高氨氮的去除率。微生物去除氨氮需經(jīng)過(guò)好氧硝化、厭氧反硝化兩個(gè)階段。曹?chē)�民等[11]以PVA為載體，采用單級生物脫氮新技術(shù)，即利用一種固定化細胞膜兩側，分別與好氧的氨氮廢水、缺氧的乙醇碳源接觸，使固定于膜中的硝化菌將氨氧化為亞硝氮和硝氮，隨后被同膜中的反硝化菌還原為氮氣。該方法氨氧化的速率為單獨使用硝化菌的2 倍。葉正方等[12]采用功能化大孔載體FPUFS，以載體結合法固定化高效微生物菌群B350，所得固定化B350置于曝氣池中構成一個(gè)有效容積為1500L的固定化微生物—曝氣生物濾池（I-BAF）污水處理系統。進(jìn)水氨氮為451mg/L的污水經(jīng)處理后達0.285mg/L。

3.2 含難降解有機物廢水的處理
用常規的生物處理方法處理含難降解有機物廢水時(shí)，處理效率較低，主要是由于降解這類(lèi)物質(zhì)的微生物世代期較長(cháng)，而且難以在常規生物處理的構筑物中大量存在。利用固定化微生物技術(shù)可有目的地選擇優(yōu)勢菌群培養，并將其固定到載體上,增加微生物的濃度，可以高效地處理這類(lèi)物質(zhì)[13]。Jo-Shu Chang[14]以聚丙烯酰胺、海藻酸鈣做載體固定假單胞菌，對自配含氮染料廢水進(jìn)行脫色處理，結果表明與游離細胞系統相比，長(cháng)時(shí)間運行也能保持較高的反應效率，且重復使用性好，更適合實(shí)際工業(yè)應用.

4、 結語(yǔ)

固定化微生物技術(shù)以其獨特的優(yōu)點(diǎn)在污水處理領(lǐng)域中引起了普遍的關(guān)注，進(jìn)行了廣泛的研究與應用，但要實(shí)現其實(shí)用化或工業(yè)化，還需進(jìn)一步研究解決。開(kāi)發(fā)適合于固定化微生物細胞的高效生化反應器亦是一個(gè)有待解決的問(wèn)題；污水中含有的污染物是一個(gè)十分復雜的混合體系，單一菌種無(wú)法達到較滿(mǎn)意的效果，因此應該進(jìn)一步加強混合微生物固定化體系的研究與開(kāi)發(fā),篩選、構建高效、廉價(jià)、抗逆性強的高性能微生物,在反應器中建立混合菌群組成的微生態(tài)環(huán)境，使各種固定化微生物發(fā)揮協(xié)同作用，拓寬可處理污染物的種類(lèi),提高處理效率；可以看出，伴隨著(zhù)微生物技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展， 固定化微生物技術(shù)將成為污水處理的主流技術(shù)。（谷騰水網(wǎng)）