簡述微生物固定化技術在河流治理中的應用

王忠浩

（中電建生態環境集團有限公司，廣東 深圳 518102）

0 引言

微生物固定化技術可以在某個特定空間內通過提高微生物濃度來將其固化，以提高微生物處理水體污染物的能力[1]。目前，微生物固定化技術主要應用于河流等水體中重金屬、氮磷、降解難度大的微生物的治理。此技術涉及了微生物材料、固定材料兩方面，而微生物固定化技術的應用效果則很大程度上取決于這兩種材料的類型與性能。

1 微生物固定化技術概述

1.1 基本技術

目前有很多種方法都可以用來固定微生物，因此并沒有統一和固定的某種方法。但固定微生物的基本原理可以劃分為以下四種，且每種固定方式均有各自的優缺點，詳見表1。

表1 四種微生物固定化技術的特點比較

目前最常用的微生物固定化技術是吸附法與包埋法。

1.2 固定化技術對微生物產生的影響

包埋法中，固定化顆粒的孔道直徑的特點是從外向內增加，微生物不會輕易溶出，河流中較大的懸浮物很難進入到顆粒內部，這種機械性的隔斷能夠充分保障顆粒內部的清潔。

固定化技術所使用的材料能夠通過氫鍵作用、電荷反應對河流中的毒害物質進行吸附，從而改善微生物所處的環境。同時，固定化載體還能對有毒物質進行可逆吸附，充分保護菌體，增強了菌體對毒害物質的耐受能力。當微生物在固定化材料的表面與內部進行增殖之后，可以用來治理河流污染，與進入顆粒內部的土著微生物相比，其數量更多，進一步強化了微生物治理水體污染的作用。

固定化技術對微生物產生的影響并不都是正面的，在顆粒內部，微生物的生長和代謝情況也有很大區別。一部分區域因為缺乏氧氣和營養物質引起微環境改變，微生物的生長速度也會變慢，基質對微生物產生的保護作用會促進微生物增殖，且底物濃度不同、有毒有害物質的含量不同，均會給固定化微生物的生長代謝造成影響[2]。文獻稱：固定化顆粒的孔隙結構在徑向上的分布是有區別的，與中心位置的傳質性能相比，表層的傳質性能要更好，因此造成菌體無法得到足夠的養分，無法及時排出代謝產物，最終發生生理形態上的變化。除此之外，固定化顆粒過多的吸收了有害物質，同樣會對微生物產生負面作用。

2 微生物固定化技術治理污染河流的結果分析

2.1 所用材料與方法

（1）對兩個反應裝置進行曝氣復氧操作，沉淀30min。采集裝置內部的上清液，檢測相關指標。（2）在反應裝置底部的排泥口采集底泥20mL，離心分離后，將0.7g底泥放入培養皿的內部，將樣本冷卻到室溫，然后碾磨成粉，檢測底泥的COD。測量沉淀后的底泥厚度，嚴格按照國家相關標準明確各種污染物的指標[3]。

2.2 處理結果

2.2.1 上清液COD

兩個反應裝置的上清液COD均呈現降低趨勢，從下降速度來看，經過固定化技術處理的裝置較慢，這一實驗裝置從本質上來看屬于生物膜法凈化，而未經微生物固定化技術處理的裝置則屬于活性污泥法凈化。經過固定化技術處理的裝置中，固定了大量高效微生物菌群，另一個裝置中則大部分是水體樣本中自帶的微生物，所以二者都具有一定程度的上清液凈化作用。1個月后再次觀察，兩個裝置中的上清液都得到了良好處理。由此可見，以上兩種凈化方式都能夠降低黑臭水體上清液的COD數值，凈化效果差異不明顯。

2.2.2 底泥厚度

實驗結果顯示：兩個反應裝置中的底泥厚度變化差異不明顯。實驗的前三天，兩個裝置中的底泥厚度都有所增加，主要原因在于：底泥中的厭氧微生物受到曝氣好氧操作的影響轉化成了好氧微生物，其繁殖能力比厭氧微生物更強。處于曝氣好氧條件下，原本休眠狀態與厭氧狀態下的微生物很快會被激活，然后快速生長，短時間內微生物的數量會大量增加。該階段大部分微生物都會形成蓬松的菌膠團，沉降性較差，因此底泥厚度增加[4]。實驗三天后，經過固定化技術處理的裝置的底泥厚度開始逐漸下降；實驗1個月后，底泥厚度約為2cm，且不再增厚。由此說明，此反應裝置中的底泥厚度穩定，基本無機化。未經固定化技術處理的裝置中，底泥厚度仍然在不斷下降，厚度約4cm，高于另一個裝置。

2.2.3 上清液NH3-N

兩個裝置中的上清液NH3-N的濃度都表現為先上升、后下降的特點。上清液中有氨氮成分主要是兩個原因引起的：①實驗前，混合液中含有氨氮成分；②受到氨化反應的影響，底泥中的有機氮轉化成了氨氮。實驗開始后的兩天內，兩個反應裝置中的氨氮濃度都在以較快的速度降低，第三天，經固定化技術處理的裝置中的氨氮濃度呈小幅度上升趨勢，說明高效微生物菌群正在促進氨化細菌的分解，另一個裝置的降解速度較慢。

2.2.4 底泥COD

兩個裝置中底泥COD均表現為先上升、后下降的特點，整體變化趨勢差異不明顯。實驗進行到1個月后，經固定化技術處理的裝置中的底泥COD數值更低。兩部分組成了底泥COD數值，一部分是實驗開始前底泥中所含有的有機污染物；另一部分是底部中含有的各種微生物。實驗早期，底泥中的微生物含量迅速增加，增長速度顯著快于有機物的降解速度，從而導致底泥COD濃度上升。經固定化技術處理的裝置，生物帶表面增加了大量的高效微生物，從而讓裝置中的生物種類更多，微生物的數量也更多，顯著提高了有機物的降解能力。除此之外，底泥中含有的一部分有機物，不易降解，經固定化技術處理后，降解微生物的效益顯著高于底泥中原本微生物的降解能力。由此可見，微生物固定化處理技術能夠提高底泥的礦化速度和降解效率。

3 微生物固定化技術的應用前景

3.1 菌藻共生系統

在自然界中，存在著大量的相互作用、彼此影響的菌藻共生系統。在吸收了水環境中的細菌呼吸代謝產生的CO2后，光合綠藻會在光合作用下釋放O2，充分滿足了好氧細菌的生長所需。而好氧細菌所產生的CO2又能為光合類微藻提供生長所需的無機碳源，部分細菌所產生的胞外物質同樣有助于促進微藻生長，在相互作用下，最終促進了河流污染物的降解。

3.2 微生物電池

在降解有機物的過程中，微生物通常會出現電子轉移現象，即化學能向電能的轉化。微生物燃料電池正是基于這一原理開發和設計的，如今，人們已經發現微生物的碳捕獲現象，在光合作用下，微生物能夠在陰極室中吸收黑臭水體有機物降解釋放的CO2，然后再釋放O2。基于這一現象，已經開發出了新型的微生物燃料電池。微生物固定化技術一方面實現了微藻的富集，另一方面還能讓微生物均勻的分布在河流中。受到固定化材料的保護，經過固定后的微藻可以有效抵御外界環境的不良影響，充分發揮出微生物碳捕獲電池的優良性能。

3.3 固定光合微藻產氧

現有報道與研究結果普遍認為，固定化微藻可以有效去除河流中的氮磷與重金屬。但關于光合微藻固定技術在產氧中的研究并不多。把光合微藻富集、固定在生物兼容性、機械性、透光性良好的平板膜上，能夠提高其產氧量，產生的氧氣可以替代規模較小的污水處理廠的機械曝氣或者鼓風曝氣等設備，從而為好氧菌提供氧氣。

3.4 混合細菌的處理

一種細菌通常只能講解某一種物質，但污染河流中的成分十分復雜，一種菌種很難達到有效的凈化目的。如果采取混合菌固定技術，則可以更好的治理污染河流。

4 結語

綜上，微生物固定化技術治理污染河流，聚氨酯泡沫載體和污水的固液比應維持在10%，最理想的處理時間是8d。利用生物技術治理河流，成本低、沒有二次污染，但處理的時間較長，同時對環境、水體特點也有所要求。總之，培養高效污水處理的微生物必然是未來生物污水處理領域的重要研究課題。