固定化微生物技術在富營養化水體修復中的應用

張小雄(南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌 330038)

0 引言

當前隨著城市化和工業化進程的不斷加快，很多含有磷或者氮等營養物質的生活廢水以及工業廢水排入到了江河湖泊等眾多地表水環境中，許多城市內湖出現了不同程度的富營養化。目前針對這種富營養化水體來說，需要對其進行水體修復，采用的主要方法有生物、物理以及化學技術等。其中微生物技術憑借著污染和運行成本低等優勢有著廣泛應用和關注，但是該技術存在因微生物的流失而增加管理和投加難度等缺陷。微生物固定化后有利于解決這一難題，減少了人工管理和運行成本。

1 固定化微生物技術概述

1.1 固定化載體

固定化微生物載體材料，通常可以對固定化效果產生直接影響，并且對固定化微生物技術作用能否有效發揮也有著重要關聯。對于固定化微生物技術來說，其選擇的載體材料應該具有一種成本較低并且容易獲得的特點。并且在面對微生物的時候，還要保證材料不會被微生物所降解，能夠為微生物提供一個必要的外部環境，培養微生物能夠再生并且方便處理的特點。當前固定化微生物技術所運用的載體主要包括5種，即有機載體、無機載體、改性載體、復合載體以及新型載體等。其中無機載體主要包括黏土、沸石以及活性炭等，在實際應用中有著成本廉價并且容易獲得的特點，但是容易脫落并且負載量較小讓該材料使用受到了一定限制；有機載體主要有兩類，一是天然有機載體，其有著環保和污染率去除較高的優勢，二是合成有機載體，在實際應用中有著更高的強度以及穩定性；復合載體通常是指有機載體和無機載體的結合，能夠將二者的優勢進行互補；至于改性載體，主要指的就是將一些改性物質和固定化載體實施了有效結合，讓載體材料的基因和表面結構都得到了有效優化。微生物在和載體結合時，有著更高的強度；新型載體是表面有著量子尺寸效應和磁學性質的載體，使用中有著成本較低能夠反復利用的優勢，目前受到了廣泛關注[1]。

1.2 固定化微生物技術理論

對于富營養化水體來說，固定化微生物技術對磷和氮的同步去除是主要目標。傳統脫氮除磷過程往往會因為碳源競爭和聚磷菌齡不同產生諸多問題，對同步去除造成了很大阻礙。而一些反硝化菌在硝酸鹽存在狀況下有著較好的吸磷功能，所以通過對一些有著除磷和脫氮雙重特性反硝化聚磷的提取，實現除磷和脫氮同步的進行。另外發揮多種微生物的協同代謝優勢，也可以在水體修復中對水體中多種污染物實現同步講解。比如利用固定光合細菌對污水進行處理，對氮和磷的去除率能夠達到74.52%、85.89%。固定化微生物表面細胞的生物降解作用實效性發揮，會被多種因素影響，比如微生物表面電荷、表面結構、表面疏水性以及菌齡等。

2 富營養化水體修復中固定化微生物技術的應用

2.1 吸附法

吸附法是該技術的一種常用實施法法，其原理就是在微生物細胞和載體結合的前提下 ，通過各種吸附方法將將這些載體進行黏附。以吸附法實際應用現狀來看，其應用流程和形式較為簡單，在實際應用過程中并不需要化學劑的添加就可以產生較為溫和的反應。不過該技術的也有著一定的應用局限性，比如在微生物和載體之間發揮結合作用的時候，往往作用力比較弱，因此會導致細胞和載體連接不牢固的現象。為了對這種問題進行解決，要選擇和微生物細胞有著相同性質的載體以及技術。結合載體表面積、電荷以及質地等，來實現吸附法的科學使用。比如將一些框架化合物和和金屬氧化物進行結合，形成一種復合材料來應用吸附法，能夠實現較好的去除功能。其中金屬氧化物和金屬有機框架化合物所組合形成的復合材料可以展現出較好的吸附除磷性能，比如空磁性Fe3O4@NH2-MIL-101(Fe)材料，在ph值為7條件下，可以通過長時間的吸附將水體的磷質量濃度由0.60降至0.044mg·L-1，這樣就可以對水體中的磷進行快速的去除以及吸附。因此吸附法的應用，關鍵就是研制出合適載體，進行年來一些酸堿改性吸附材料、人工合成吸附材料和磁性納米吸附材料得到了創新研發和應用。在富營養水體除磷應用上，發揮出了更快的吸附速度和吸附容量，有著極強的應用優勢[2]。

2.2 包埋法

包埋法在實際應用中，具體可以分為微囊包埋和凝膠包埋兩種。其中凝膠包埋方法指的是載體材料內部固定出微生物，不在外部固定就可以免受外部環境影響。這種方法作為一種不可逆的固定化方法，其有著明顯的應用優勢，比如固定化的微球強度比較高等。和吸附法相同，其在應用過程中有時也會面臨一定的應用局限性，比如應用過程中微生物活性受到干擾不利于水體修復，一些傳質阻力比較大，讓應用范圍受到影響。此外包埋法應用中的局限性還體現在其透氣性不好，所以在好氧微生物固定化上應用有著不足。至于微囊包埋技術，主要是在半透膜形成的微膠囊中固定出相應的微生物，為微生物細胞的浮動提供外部空間，在外層對其進行包裹。保護其不受外界環境因素影響的同時，也可以有效防止其外溢。該方法的應用優勢是對一些核心材料影響較少，不僅不需要改性，同時也不需要相應的修飾工作，最大限度保證生物活性。比如在富營養水體修復中利用SA+PVA包埋硝化細菌放置于人工濕地中，可以發現包埋小球上菌種有著豐富多樣性，有著較好的除磷和脫氮性能。而對于該技術的固定化效率和固定化微生物活性穩定性而言，其包埋載體材料具體質量也會對固定化效果產生直接影響。所以在具體應用中可以為包埋載體加入一些改性劑，比如累托石以及活性炭等，可以對包埋材料的機械強度以及微生物密度進行提高。

2.3 交聯法

交聯法也叫作無載體固定法，該方法在實際應用中不需要借助載體，只憑借著交聯劑，就實現微生物細胞和載體的有效連接，并且有著較好的固定效果。這種固定法在實際應用中有著穩定性較好、結合強度高、受外界因素影響小等優勢。為了達到較好的固定作用，該方法的應用通常會產生比較劇烈的化學反應，這種化學反應往往會對細胞活性造成較大的干擾和影響。而且為了實現這一作用，對交聯劑的選擇比較苛刻，會造成較大的實際應用成本，進而對交聯法的實際應用造成限制。雖然成本較高，但該方法卻有著極大的應用潛力空間。因為以該方法和有利細胞的對比情況來看，其細胞活性各個方面都有著一定的提高，在工業化中有著大規模應用的意義。在具體應用上，比如將已經培養好的光合細菌細胞懸浮液以及海藻酸鈉分別取50mL進行混合，混合后再倒入自制造粒器當中，在形成固定化顆粒以后融入到氧化鈣溶液當中，放置一段時間后濾出顆粒，再利用生理鹽水洗凈，實現光和細菌的固定化。利用這種海藻酸鈣固定化的光合細菌對富營養化水體進行處理，能夠對氮源以及磷源進行很好的去除。

2.4 聯合固定法

該方法不同于上述其他方法，其主要是指方法之間的聯合，通過多種方法的取長補短來構建出新的微生物固定化系統。比如常用的吸附-包埋法、包埋-交聯法以及吸附-包埋-交聯法，這些聯合固定法的利用，對單個固定方法的應用效果進行有效改善，解決應用問題。比如對微生物的活性進行處理上，聯合固定法有著明顯的應用優勢和效果。吸附-包埋固定法在富氨氮水體的處理上，能夠讓基質的運輸以及擴散更加高效，其中酸堿傳質性和穩定性能夠分別提升55.5%和12.6%以上，并且在固定化顆粒破損率和氨氮的去除率上都比較高。比如采用戊二醛和聚乙烯胺對水體中的大腸桿菌實施固定化工藝，其實際應用相比游離細胞，在酸堿穩定性、熱穩定性以及操作穩定性上都有著極強的應用意義。

3 富營養水體修復中固定化微生物技術的發展方向

當前雖然固定化微生物技術在發展應用取得了很大成果，但是同樣也面臨眾多挑戰。首先固定微生物技術利用還缺乏性能優良的固定化載體，這種發展瓶頸主要在兩個方面有所體現。一是固定化微生物技術的應用成本較高，這主要是因為固定微生物的載體價格所決定的。還有就是固定化載體的使用周期比較短，在對一些富營養水體進行修復的時候，往往需要頻繁的更換，給整個水體修復工作帶來了很大不便。因此在固定化微生物技術發展上，需要盡快研制出制備簡單、生物相容性較好以及低廉高效的材料，是固定微生物技術重要發展方向。其次還需要建立起固定微生物技術體系，對固定化方式、固定化材料以及固定化條件對微生物穩定性和活性造成的影響進行系統分析，并且研究固定化實施前后微生物指標的變化情況。最后當前在污水廢水處理上，很多機構都充分運用了固定化微生物技術研制出了眾多固定化反應器，這些設備在廢水污水處理均展示出了極強的應用價值。然而對于富營養水體修復來說，固定反應器的研究進步還沒有真正得到重視，一些具有高效反應能力以及原位修復能力的反應器是研究的重要方向。總而言之，當前固定化微生物技術存在諸多不足，必須要結合實際情況來選擇正確的研究發展方向，對一些設備和技術進行不斷的改進和創新，對一些應用問題進行解決，實現固定化微生物技術的有效應用[4]。

4 結語

綜上所述，固定化微生物技術具有可純化和保持高效優勢菌種、處理效率高、運行穩定等優點，在富營養水體中修復中有著極強的應用價值，眾多固定方法都有著一定的應用優劣性，需要對具體方法做出科學選擇。并且針對固定化微生物技術實際應用中的諸多問題，需要加強對載體、體系以及反應器等方面的研究，通過創新來解決眾多不足，在規模化上進行推廣應用。