固定化微生物技术及其处理废水机制的研究进展

摘要:固定化微生物技术利用物理或化学手段将具有特定生理功能的游离微生物固定于载体材料内部或表面，并加以有效利用。该技术具有微生物活性高、单位空间微生物密度高、耐受性好、抗冲击负荷能力强、处理效率高等优点，目前已被广泛应用于废水处理。综述了固定化载体、固定化方法、固定化装置，阐述了固定化微生物技术对废水中重金属、有机污染物及氨氮的去除机制，并展望了固定化微生物技术的发展趋势，为固定化微生物技术在废水领域的普遍应用提供了指导。

固定化微生物技术的研究始于1959年，HAT-TORI等首次将大肠杆菌固定在树脂载体上实现大肠杆菌的固定化。它是在固定化酶的基础上发展起来的，目前固定化微生物技术的研究和应用已趋于成熟。固定化微生物技术是利用物理或化学手段将游离微生物限定在特定区域内，使其高浓度密集、保持较高生物活性且可持续使用的一种新型生物工程技术。固定化微生物技术可将选定的高效优势菌属固定在载体上，使该菌属在特定处理系统中具有活性高、专一性强、耐受性强(如pH、温度、有毒有害物质)、处理效果稳定、有毒有害物质去除速率快和固液分离效果好等优点。同时，固定化微生物技术还可以将混合菌属集于同一载体，使混合菌属协同处理污染物。此外，该技术还促使处理工艺的运营管理简单化、处理设备小型化以及反应过程的可控制化。正是由于这些独特的优势，固定化微生物技术现已广泛应用于环境修复、食品工业、化学分析、能源开发、医学和制药等多种领域，并且已在废水领域中的重金属去除、有机污染物降解、脱氮等方面取得重大进展。本研究综述了固定化载体、固定化方法和固定化装置，比较了不同固定化载体、方法，探讨了固定化微生物在重金属、有机污染物及氨氮等废水处理中的去除机制，并展望了固定化微生物技术的发展前景，以期为实现固定化微生物技术的实用化、工业化提供参考。

1固定化载体

固定化载体种类繁多，选择理想的载体材料对固定化微生物的应用很关键，需要考虑载体对固定化微生物的机械强度、传质性能、弹性、成球难易程度及其生物毒性等方面的影响。理想的载体材料应具备以下特点：(1)生物相容性良好、不易被生物分解及无生物毒害性;(2)机械强度高、传质快、易成球、多孔且比表面积大等物理性质;(3)价格低廉、使用寿命长、存在可引入配基的官能团。就目前而言，固定化微生物技术采用的载体材料主要由3大类组成：有机载体、无机载体和新型复合载体。

1.1有机载体

1.1.1天然有机高分子载体

这类载体包括海藻酸钠(SA)、甲壳素、壳聚糖、琼脂、卡拉胶、骨胶原以及天然多糖、蛋白质和植物纤维类物质等。它们对微生物无毒害作用且传质性能良好，但存在机械性能低、微生物流失大、抗微生物分解性能差等缺陷。如SA的凝胶结构会被溶液中高浓度的K+、Mg2+或其他金属离子以及磷酸盐破坏;甲壳素、壳聚糖及琼脂的机械强度和比表面积均较小。

1.1.2人工合成有机高分子聚合物载体

聚乙二醇、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚氨酯泡沫、聚羟基丁酸酯(PHB)、光聚合树脂、羧甲基纤维素和硅胶等均属于人工合成有机高分子聚合物，其中PVA在国内外的研究中较广泛。该类载体大多具有机械强度高、化学稳定性好、抗微生物分解性强、对微生物无毒害作用和价格低廉等优点，但PVA因其黏性和水溶胀性大而对固定化载体的制备产生附聚作用。PAM对微生物有毒害作用，使微生物活性降低且不易成型，因而得不到广泛应用。

1.2无机载体

无机载体种类较多，如活性炭(AC)、石英砂、沸石、硅藻土、多孔陶珠、微孔玻璃、泡沫金属等。其优点在于机械强度高、传质性能好、耐酸碱性、制备简单、使用经济、多孔、通透性好、比表面积大，能较好地吸附微生物且有利于氧气、底物、代谢产物的扩散，不毒害微生物。存在的缺点是微生物易流化、吸附量有限且易脱落。

1.3新型复合载体

新型复合载体主要包括新型载体和多种传统载体的复合。新型复合载体将各种载体的特长集于一体，优化了原有载体，为固定化微生物技术开拓了更广阔的应用前景。

新型载体可以通过改性载体材料表面基团或孔结构得到特定性能的载体。如LIU等采用聚乙烯亚胺和戊二醛处理纤维材料，制得改性固定化载体，并用其固定酿酒酵母，发现这种固定化载体在木薯的糖化和发酵过程中对淀粉的利用率明显高于游离菌，并可长期、有效地生产乙醇。VERMA等对丝瓜瓤固定化黄孢原毛平革菌进行酸化处理，实验表明，这种处理改进了生物质的还原能力;对生物质的表面进行了清理，为Cr(Ⅵ)的吸附提供更多的活性位点;增加了表面功能基团的数量，从而提高了Cr(Ⅵ)的去除效果。

磁性载体材料也属于新型载体的一种，在环境工程领域中的应用颇多。IVANOVA等将磁性纳米颗粒分别与SA、壳聚糖及纤维素结合组成新的固定化载体，并对酵母细胞进行固定化，研究表明，这些磁性载体固定化的酵母细胞不仅显著提高了乙醇的成产量，而且其性能稳定可长期保存。LIN等采用磁性Fe3O4壳聚糖载体制备了可去除NOX的固定化还原菌，大大改进了目标微生物的生物还原性。张斌等以微磁载体技术为机体，成功研制除了可固定化活性污泥微生物的多孔磁性聚苯乙烯载体，并提高了目标微生物对氨氮和有机污染物的去除效果。

有机载体与无机载体组建为多功能复合载体的研究也较常见。李婷等利用PVA-SA-PHB-AC组成复合载体固定化间甲酚降解菌，发现经吸附改性的载体对废水中间甲酚的耐受能力更高，可实现更宽浓度范围的高效降解，且可长期稳定使用。BAO等研究了SA/AC复合材料固定化石油烃降解菌的性能，发现在同等条件下，与游离菌相比，该固定化菌不仅活性高，还明显提高了重油的生物降解率(高出游离菌的33%)。BRYASKOVA等采用PVA/正硅酸乙酯(TEOS)固定化皮状丝孢酵母，GEORGIEVA等用PVA/TEOS/3-巯丙基三乙氧基硅烷(MPTEOS)混合载体固定化皮状丝孢酵母，这种固定化载体不是将各载体材料简单混合，而是PVA的羟基与有机烷氧基硅烷(TEOS、MPTEOS)的硅烷醇基形成很强的氢键，MPTEOS为固定化微生物提供了额外的吸附位点，使载体的机械强度更高。

杨玖坡等总结了不同载体材料对微生物的固定化效果，结果见表1。

表1不同载体材料对微生物的固定化效果

2固定化方法

2.1吸附法

吸附法是利用载体材料的物理性质(如黏附力、表面张力等)或微生物与载体之间的作用力(如范德华力、氢键及静电引力)将微生物吸附在载体上，从而实现微生物固定化的方法。该方法又叫载体结合法，可分为物理吸附法、离子结合法、共价结合法和生物特异性吸附法，废水处理系统中主要采用物理吸附法。该方法的优点是制备简单、条件温和、对微生物活性影响小、载体可重复利用，但是微生物的固定化数量有限、微生物与载体间的结合牢固性差、抗冲击负荷能力弱、反应稳定性差。

2.2包埋法

包埋法是利用载体材料的特殊性能将微生物束缚在凝胶的微小格子、微胶囊内或包埋于半透明的多孔性聚合物或膜载体内部。微生物所需的底物和氧气可通过凝胶网格空隙渗入载体内，其代谢产物可扩散至载体外。常见的包埋法包括凝胶包埋法、微胶囊法和纤维包埋法。该方法具有操作简单、固定化颗粒强度高、对微生物影响小、微生物流失少、微生物装载容量大等优点，因而成为目前研究应用频率最高、最成熟的固定化方法。但是该方法空间位阻大，会在一定程度上不利于底物和溶解氧的扩散传递，使固定化颗粒凝胶中心区域形成死区，导致凝胶颗粒内外不能得到有效的疏通。因此，该方法不适于处理含大量纤维素、蛋白质、脂类等大分子底物的废水。

2.3交联法

交联法又名无载体固定化微生物方法，是通过带有两个或两个以上官能团的试剂与微生物表面的氨基、羟基、巯基、咪唑基等基团共价结合进行交联，使微生物菌体间形成“生物网”结构。该方法结合强度高、稳定性好，但反应激烈，微生物活性损失大且交联剂昂贵。常用的交联剂有戊二醛、氰胺、双重氮联苯胺、甲苯二异氰酸酯、乙醇二异氰酸酯等。

除以上3种常用方法外，固定化微生物方法还包括介质截留固定化法、膜截留固定化法和自身固定化法等。介质截留法可以利用介质孔径的选择性有效地控制微生物的密集度及其底物和产物的扩散，从而使微生物与基质充分接触、反应;膜截留固定化是通过半透膜、超滤膜和中空纤维膜等进行部分截留;自身固定化，即细胞间自交联固定化，是在适宜条件及处理装置的条件下，利用微生物自身的絮凝作用进行固定化微生物，所需固定化时间长、受环境影响因素大。

2.4复合固定化法

复合固定化法是将两种或两种以上的固定化方法联合应用的改进方法，使微生物系统活性更高、单位密集度更高、菌体流失更少、耐受能力更强、机械稳定性和生化稳定性更高，具有单一固定化方法无可比拟的性能和处理效果，这与固定化载体材料的“高分子效应”对微生物的保护作用不无关系。该方法可根据废水的实际情况选择性能优良、价格低廉的复合固定化载体以及经济合理、操作简单的组合固定化工艺。

2.4.1吸附—包埋法

吸附—包埋法是利用吸附剂-包埋剂复合载体的吸附和包埋双重效果固定化微生物，大多是先将微生物吸附在载体上，再对其进行包埋的过程。

2.4.2包埋—交联法

包埋—交联法在保证微生物密集度高且不易流失的前提下加强固定化微生物的机械稳定性及抗冲击负荷能力，提高微生物系统处理污染物的能力。运用该方法时应严格控制交联剂的用量及其与微生物的接触时间，从而减小交联剂对微生物活性的损伤。已有研究者用PVA-SA为包埋载体，CaCl2-硼酸溶液为交联剂制得固定化微生物，并在含重金属和有机污染物的废水中取得显著效果。DINH等用同样的载体包埋微生物，但以Na2SO4溶液对其进行交联，这不但保留了较高的微生物活性，而且具有良好的总碳去除性能。

2.4.3聚集—交联法

聚集—交联法是先利用凝聚剂将微生物聚凝为微生物聚集体，然后在交联剂的作用下形成性能稳定、微生物密集的立体网状结构。

2.4.4吸附—包埋—交联法

吸附—包埋—交联法形成的复合固定化微生物系统会比原有系统及两种固定化方法相结合的系统更强、稳定性更高、处理效果更好。因此，对该方法的研究探讨会日益增加。该方法常用的顺序是先将吸附剂与微生物混合吸附，然后将包埋剂加入上述混合液中进行包埋，最后将吸附—包埋后的混合溶液滴入交联剂中进行硬化交联，最终制得固定化微生物。已有研究者将这种复合固定化方法应用于地下水中三氯乙烷的去除，发现这种固定化厌氧菌在厌氧条件下不仅能有效地降解三氯乙烷，还可重复利用。YANG等采用吸附—交联—包埋法固定化Cr(Ⅵ)还原菌，其不仅对Cr(Ⅵ)有较高的耐受性，还能高效还原废水中Cr(Ⅵ)，此固定化过程以PVA-SA-AC-硅藻土为固定化载体，CaCl2-硼酸溶液为交联剂。魏大鹏等以PVA-SA为包埋剂，二氧化硅为吸附剂，CaCl2-硼酸溶液为交联剂，对复合菌进行固定化，发现这种固定化小球载菌量高，并对水体中的氨氮和亚硝酸盐氮具有极高的降解效率。

主要固定化方法的比较见表2。

表2主要固定化方法的比较

3固定化装置

大多数研究实验中，固定化微生物的制备是利用注射器手动将黏性聚合溶液滴制成固定化小球，这种技术虽简单，但最大的缺陷是固定化小球的制备速率低，此外这还是一项繁琐的工作。为了克服这些缺点，下面阐述了3种固定化装置：(1)目前有一种可将海藻酸盐溶液和内部电极合并为静电荷的设备，能增强海藻酸盐溶液单分子散性，且不影响微生物细胞活性，并能在重力作用下生产固定化微球(见图1(a)，由DEBASHAN等改进);(2)另外一种自动化工序可用于实验室范围所需的固定化量，并具有高效低耗、经济适用、易产业化、运行管理容易等特点，这种工序的基本设备包括蠕动泵、输液管、注射器等(见图1(b));(3)为了满足大型废水的处理效果，需要长时间大规模生产固定化微生物小球，此时多喷嘴包埋/固定化系统诞生了，它是以上层流射分裂技术为基础进行设计的，以1～15mL/min的速率在无菌固定化装置中连续生产不同直径(250～1000μm)的固定化小球，可用于不同类型的海藻酸盐溶液固定微生物，喷射出形态规则的固定化小球(见图1(c)，由BASHAN等改进)。

图1固定化装置