基于生物炭的固定化微生物技術在水處理中的應用

馬悅，董暢，金磊

基于生物炭的固定化微生物技術在水處理中的應用

馬悅，董暢，金磊

（沈陽建筑大學， 遼寧 沈陽 110168）

基于生物炭的固定化微生物技術是一種將生物炭和微生物固定化技術的優勢相結合的技術。闡述了基于生物炭的固定化微生物技術的特點以及在水處理中的應用現狀，同時提出該項技術面臨的挑戰以及今后的大致研究方向。

固定化微生物技術；生物炭；水處理

隨著城市現代化進程的快速推進，人類日常生產生活用水量與日俱增，污水排放量加大導致水環境污染不斷加重，已成為難以回避的世界性難題。目前，控制水污染的方法主要有三種，即物理法、化學法和生物法[1]。生物法以其對環境污染少、運行成本低、操作簡單等優勢，在水處理研究中受到廣泛應用。微生物固定化技術更是憑借著穩定性高、處理效果強、對外界環境抵抗能力強等特點成為生物法中的研究熱點。在固定化微生物技術中，載體的選擇至關重要，而生物炭不僅可以滿足作為固定化過程中的載體的需求，并且在處理某些重污染廢水中效果優良[2]。于是，將微生物固定在生物炭制備的復合載體上，可以在降低成本、提高微生物降解能力的同時擴大固定化技術在水處理中的應用范圍。

目前，介紹固定化微生物技術的綜述都較多，在水處理方面的應用也有著較全面的介紹，但是基于生物炭的固定化微生物技術在水處理方面鮮見全面的綜述。為此，本文著重介紹了基于生物炭的固定化微生物技術的優勢及其在水處理中的研究進展，并指出該技術在使用時面臨的挑戰。最后，展望了基于生物炭的固定化微生物技術在今后的研究發展。

1 固定化微生物技術

固定化微生物技術是一種采用物理或化學方法，將游離微生物固定在載體上，在一定的空間內高度富集，使微生物既能有效地處理廢水，又能在一段時間內保持活性和重復利用性的技術[3]。將微生物固定在載體上的方法主要有包埋法、吸附法和交聯法[4]。表1簡單介紹這幾種固定化方法。

表1 固定化技術常用方法[5]

2 基于生物炭的固定化微生物技術

基于生物炭的固定化微生物技術可以說是生物炭技術和固定化技術的組合，即將游離微生物固定在生物炭或生物炭制備的復合載體上。在固定化技術中，研究較多的傳統載體因存在壽命短、吸附能力小、容易造成二次污染等劣勢，未能廣泛應用于實際[6]。而選擇吸附能力強、制作成本低、綠色環保無污染的生物炭作為載體，不僅可以解決以上問題，還能在提高微生物的存活和降解能力的同時對廢棄物進行二次利用?；谏锾康墓潭ɑ⑸锛夹g中常用的固定方法為吸附法和包埋法，吸附法是指利用生物炭的吸附作用，使微生物吸附在生物炭上，該方法操作簡單但微生物易流失；包埋法是利用交聯劑將微生物包埋在生物炭上，該方法微生物固定性能較穩定，但包埋的過程可能會抑制微生物體的生長。

基于生物炭的固定化微生物技術在固定化過程中利用生物炭代替傳統固定化過程中常用的商業活性炭。與商業化活性炭相比，生物炭存在不少優勢，如原材料為廢物，廉價易得、吸附能力更強、綠色環保等[7]，下表為生物炭與商業用活性炭的對比。

表2 生物炭與商業用活性炭的對比

基于生物炭的固定化微生物技術在增強了微生物對污染物降解能力的同時也提高了吸附材料重復使用的次數，且生物炭原材料多為廢棄物，更降低了生產成本，體現了環保理念，是一種極具潛力的微生物技術。研究生該技術對于提高污水處理效率和資源化利用具有重要的意義，在廢水處理上具有廣闊的應用前景。

3 基于生物炭的固定化微生物技術在廢水處理中的應用

3.1 氨氮廢水的處理

當工業污水中的氨氮排放到水體中，會在水中大量積累，逐漸引起水體黑臭、水體富營養化等環境問題。隨著人們對水環境質量要求的不斷提高，含氮廢水的排放標準也越來越高，氨氮污染也成為水處理領域的研究熱點。

鄭華楠[9]等將硝化污泥固定在蘆葦制備的生物炭載體上制備成固定化顆粒，研究了其對廢水中氨氮的處理效果。實驗結果表明，添加了生物炭的固定化微生物體對氨氮的降解能力在72 h內高達96.3%，且破損率下降，酸堿穩定性和傳質性得到提升，證明了添加生物炭作為載體，在增加了固定體的穩定性的同時也大大了提高固微生物對氨氮降解能力。喬鑫等[10]分別以包埋法和吸附法將篩選出的好氧反硝化細菌固定在稻殼生物炭上。實驗結果表明，添加生物炭后吸附固定了大量活菌株，顯著促進了菌株對氨氮的降解能力，且與包埋法相比，吸附法更適用于微生物固定化體。

3.2 有機廢水的處理

廢水中的有機物是一種具有易積累、毒性和致癌性的物質，對人體和水環境的毒害作用不容小覷。而某些化學工業有時會產生高濃度的有機物廢水。因此，對排放廢水中的有機物需要進行嚴格控制和處理。

李婧等[11]使用玉米秸稈生物炭固定環芳烴降解菌制備固定化小球，探究對芘的降解性能。試驗結果表明，在5 d內，添加生物炭載體的固定化小球對芘的去除率達到98. 2%，使游離菌對的芘去除得到大幅提升；肖冬林等[12]等將苯酚降解菌固定在花生殼生物炭上，并投加到模擬廢水系統中，研究其對苯酚的降解效果。結果表明，添加生物炭不僅提高了微生物的降解效果，也降低了高濃度苯酚對微生物的抑制作用，在16 h內可以將苯酚全部降解。趙曉晴等[13]將烷基酚降解菌固定在椰殼生物炭上來處理含雙酚廢水，實驗結果表明，添加了生物炭固定化微生物對雙酚的去除效果高于生物炭和微生物的分別單獨作用下的去除效果。

3.3 重金屬廢水

重金屬廢水是一種會對環境和對人體產生極大傷害的工業廢水，工業生產過程中，常常會有含重金屬的廢水被排放出來。因此，重金屬廢水的無害化處理是水處理中的重要環節之一。

張杰[14]等，將篩選的解磷菌固定在小麥秸稈生物炭上，探究對Pb2+的吸附能力，實驗結果表明生物炭固定化微生物體對Pb2+的吸附量最高可達89.39 mg·g-1，能夠有效處理含鉛廢水。朱雯喆[15]等將微藻吸附固定在水葫蘆莖葉上，并探究固定化體對Cd2+的降解效果，實驗結果表明生物炭固定微藻對Cd2+的吸附量高于微藻和生物炭分別單獨作用下的吸附量，可達到217.41 mg·g-1。遲建國等[16]將枯草芽孢桿菌吸附固定在松針生物炭上，并探究其對含油海水中石油的處理效果，研究結果表明，4周后固定化體對石油的降解率可達為70.1% 。

3.4 人工濕地中的廢水處理

人工濕地是一種類似于沼澤的地貌。人工濕地技術是指在土壤、植物和微生物和人工介質的共同作用下，對投配到濕地上的污水和污泥進行處理[17]。生物炭固定化微生物技術也有應用于改善人工濕地的污水處理效果的例子。袁敏[18]等將從冬季南四湖濕地底泥中分離篩選鑒定出的黃假單胞菌固定在水稻秸稈生物炭上，并投加到人工濕地污水處理系統中，研究結果表明，生物炭固定化菌體可以大幅度改善菌體流失情況，對氨氮的去除率可達83.57%。

3.5 生物炭固定化技術在水體中的應用

雖然生物炭固定化技術目前仍是以實驗室層面內的研究為主，并未在實際應用中受到廣泛應用，但也已經自然水體中也有著一定的應用。黃瀟[19]等制備了固定石油烴降解菌的生物炭球，修復遼河口濕地水環境。實驗結果表明，生物炭固定化石油烴降解菌提高了石油烴降解菌的降解效率，且提高了菌株抗高鹽特性。在未來的研究里，將更多理論成果應用于實際廢水處理中是該技術發展的一大方向。

4 結論與展望

現階段，生物炭固定化微生物技術作為一種新技術，以其獨特的優勢，在廢水處理、土壤污染方面都有著廣泛的應用和極大的發展空間[20]，但該項技術仍面臨一些挑戰：1）部分生物炭中可能含有的內源污染物，一旦造成污染不易解決[21]；2）生物炭固定化微生物技術在水處理的方面應用大部分停留在實驗室階段，實際水體中應用較少[22]；3）針對廢水的特性對生物炭載體進行選擇或改性，并探究生物炭與菌種的最適搭配以提高兩者之間的吸附力等方面，都有待進一步研究。

綜上所述，基于生物炭的固定化微生物技術綠色環保、成本低廉、處理效率高，在環境修復領域具有較大的應用研究空間，但同時也存在諸多問題需要更深入的探索[23]，在未來的研究中，該項技術會不斷改進，成為一項可以廣泛實際應用的水處理技術。

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Application of Immobilized Microorganism Technology Based on Biochar in Water Treatment

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（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Biochar-based immobilized microbial technology is a technology that combines the advantages of biochar and microbial immobilization technology. In this article, the characteristics of biochar-based immobilized microbial technology were described,as well as its application status in water treatment. At the same time, the challenges faced by this technology and general research directions in the future were proposed.

Immobilized microbial technology; Biochar; Water treatment

2021-04-07

馬悅（1997-），女，黑龍江省大慶市人，回族，碩士研究生，研究方向：污水處理。

TQ085+.413

A

1004-0935（2021）06-0865-04