談固定化微生物技術在環境工程中的應用

任偉

湖北普雷杰環保科技有限公司，中國·湖北 宜都 443300

1 引言

自從20世紀70年代研制出固定化微生物技術后，該項技術的應用及其效能等專題研究一直以來在都受到了相關部門及專家學者們的高度重視。在不斷地研究中發現，固定化微生物技術的核心理念就是采取化學與物理的手段來對游離微生物進行定位，使其處于一個限定的空間區域內，且在此區域中能夠確保其具備活性，能夠實現反復利用。該項技術不僅不用將酶從細胞中進行提取，也不需要進行純化，這是其酶活性損失小的一大原因。當下，中國關于固定化微生物技術的應用重點是在環境工程方面，來改善環境污染問題，在該項技術的加持下使得中國生態環境建設相關工作的開展更加順利。

2 固定化微生物技術基本概況

2.1 固定化微生物技術原理

固定化微生物技術是將特選的微生物固定在選證的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖的生物技術。這種技術應用于廢水處理，有利于提高生物反應器內微生物，尤其是特殊功能的微生物的濃度，有利于微生物抵抗不利環境的影響，有利于反應后的固液分離，縮短處理所需的時間。利用固定化微生物技術提高廢水處理效率的工藝方法也被稱作“生物增效”，其適用的領域非常廣泛，如化糞池、隔油槽、排水管、城市污水處理廠以及工業廢水。一般而言，針對特殊污染源，來自天然環境的微生物消耗很快、效率低下，即使有快速的繁殖能力仍不足以負荷。因此，生物增效的作業過程還是依循自然的方式，向目標添加定制的、具有已知降解能力的微生物制劑（固定化微生物），處理效果則有明顯的提升[1]。

2.2 固定化方法種類及優缺點

2.2.1 共價鍵結合法

該方法可通過利用微生物細胞表面功能團和固相載體表面基團間形成化學共價鍵，從而使固定細胞實現相連，以此來提升穩定性，不過在此過程中，由于基因結合會產生劇烈反應，所以實際操作難度較大，具備復雜性特點。

2.2.2 吸附法

吸附法一般依靠生物體與載體之間的作用，包括范德華力、氫鍵、靜電作用、共價鍵及離子鍵，兩者間的屯電位，在微生物體和載體的相互作用中起重要作用。常用的吸附載體有活性炭、木屑、多孔玻璃、多孔陶瓷、磁鐵礦、硅藻土、硅膠、纖維素、聚氨酯泡沫體、離子交換樹脂等。它是一種簡單易行、條件溫和的固定化方法，但用它固定的生物體不夠牢靠，容易脫落。

2.2.3 交聯法

該方法被稱之為無載固定化法，是一種不用載體的工藝，通過化學、物理手段使生物體細胞間彼此附著交聯[2]?；瘜W交聯法一般是利用醛類、胺類等具有雙功能或多功能基團的交聯劑與生物體之間形成共價鍵相互聯結形成不溶性的大分子而加以固定，所使用的交聯劑主要有戊二醛、聚乙烯酞胺、表氯醇等等。物理交聯法在是指在微生物培養過程中，適當改變細胞懸浮液的培養條件（如離子強度、溫度、pH 值等），使微生物細胞之間發生直接作用而顆?；蛐跄齺韺崿F固定化，即利用微生物自身的自絮凝能力形成顆粒的一種固定化技術[3]。

2.2.4 包埋法

在微生物的固定化方法中，以包埋法最為常用。它的原理是將生物體細胞截留在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網絡中，通過聚合作用或通過離子網絡形成，或通過沉淀作用，或通過改變溶劑、溫度、pH 值使細胞截留。凝膠聚合物的網絡可以阻止細胞的泄露，同時能讓基質滲入和產物擴散出來。包埋材料可以分為兩大類：①天然高分子多糖類，如海藻酸鹽、瓊脂、明膠等，其中以海藻酸鈉和卡拉膠應用最多，它們具有固化方便，對微生物毒性小及固定化密度高等優點，但是它們抗微生物分解性能較差，機械強度低，但是可使用交聯劑進行穩定化處理，但活力和傳質性能又會下降。②合成高分子化合物，如聚丙烯酞胺、聚乙烯醇（PvA）娜l 等。這類交聯劑的突出優點是抗微生物分解性能好，機械強度高，化學性能穩定。但是聚合物網絡的形成條件比較劇烈，對微生物細胞的損害較大，而且成形的多樣性和可控性不好。下表1 為不同固定化方法間優缺點對比。

表1 不同固定化方法優缺點對比

3 固定化微生物技術在環境工程中的應用

3.1 廢水處理的應用

在廢水處理方面，通過應用固定化微生物技術，不僅能夠使其相關工作能夠順利開展，且具備較強的優越性與潛力，能夠探尋出高效、廉價且抗毒性較強的微生物，以此來形成多種生物固定化體系，使得廢水處理力度加強，以高效固定化反應器設備作為基準來實現廢水處理技術上的創新，有助于技術性廢水固定化處理與其他優化組合的處理工藝開發。進而能夠使廢水處理在科學技術應用方面更加科學化與合理化[4]。

3.2 凈化大氣的應用

大氣污染一直以來都是中國環境工程中重點關注的工作，在凈化大氣方面的研究，早在20世紀末，中國就將固定化微生物與凈化大氣之間的關系進行了研究，而在多年來研究成果的積累上，有專家學者采取固定床反應器的方式來分析了固定化微生物對凈化大氣的作用及效能，其通過將海藻酸鈉包埋活性污泥的方式來對NH3臭氣進行處理，在研究中發現，NH3臭氣的去除率高達93%，而千克固定化濕顆粒的硝化速度（以N 計）＞0.63g/d，硝化速度達到2.95g/d。在此基礎上，北京微生物研究學院通過使用海酸鈉包埋和CaCl2膠聯法的方式以滴濾塔反應器來凈化H2S氣體，經過研究發現，這種處理方式下，使H2S 體積負荷達到6000~6500g/(m3·d)，而該氣體的凈化效率始終維持在85%以上的水平。2019年，北京微生物研究學院再次開展凈化大氣的研究，此次以固定化微生物技術為主，來對甲硫醇惡臭氣體進行應用，本次實驗結果顯示，當空塔停留時間不大于12s 時，低濃度的甲硫醇氣體去除率高達99%，而高濃度甲硫醇氣體的去除率同樣如此，已經來驗證了固定化微生物技術凈化大氣的作用，這對于環境工程的開展來說提供了很大的幫助，能夠為人民生活的空氣環境質量提供保障[5]。下圖1 為2020年固定化微生物技術在我國環境工程中應用占比。

圖1 2020年固定化微生物技術在環境工程中應用占比

4 結語

總的來看，環境工程已成為當下國家發展及社會建設的重要工作事項，而固定化微生物技術應用在環境工程中，對于其相關工作的開展有很大的幫助，尤其是在污水處理及凈化大氣方面，能夠進一步推動環境工程及生態環境建設的發展。對于改善我國生態環境來說，意義重大。目前，該項技術在實際應用中雖在污水處理方面應用較為廣泛，在凈化大氣方面還需進一步推廣，但不可否認其對于促進環境工程相關工作開展的有效性，我國環境工程整體質量水平要想得到提升，就要高度重視固定化微生物技術的應用，以此來實現環境工程的高效建設。