于魯冀李廷梅劉攀龍范錚

（1. 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評價研究中心，鄭州 450003；3. 鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程公司，鄭州 450003）

微生物固定化技術(shù)在河流治理中的應(yīng)用及研究進展

于魯冀1，2李廷梅2，3劉攀龍2，3范錚2，3

（1. 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評價研究中心，鄭州 450003；3. 鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程公司，鄭州 450003）

微生物在污染物去除中發(fā)揮著重要作用，但是河流自身條件會限制微生物持久有效的發(fā)揮凈化功能，微生物固定化技術(shù)則可以改善這種狀況，起到強化微生物處理效果的作用。分析了微生物直接用于受污染河流治理的限制因素，闡述了微生物固定化技術(shù)的高效作用機理和改進方法，并對當前該技術(shù)應(yīng)用存在的問題進行分析和未來研究的方向進行展望，以期為固定化技術(shù)用于河流污染治理提供理論參考和技術(shù)借鑒。

微生物；固定化；河流；污染治理

微生物固定化技術(shù)是指通過物理或化學(xué)手段，將特定功能的游離態(tài)微生物固定于載體材料上［1］，保持反應(yīng)區(qū)域的生物量和傳質(zhì)面，使微生物保持活性并能反復(fù)使用，增加其對污染物的降解能力，在污水處理領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注［2-5］。微生物在河流污染物去除中發(fā)揮著重要作用，而常常由于河流不利的環(huán)境條件，微生物的凈化作用受到限制，因此將微生物固定化技術(shù)用于河流污染的治理中，對于改善微生物所處的環(huán)境、提高處理效果具有重要的意義。本文針對微生物固定化技術(shù)現(xiàn)有的研究和報道，分析了微生物用于受污染河流的限制因素，總結(jié)了微生物固定化技術(shù)去除河流中污染物的研究情況，闡述了微生物固定化的基本技術(shù)、作用機理和改進方法，并探討了微生物固定化技術(shù)研究中存在的問題與發(fā)展趨勢，以期為固定化技術(shù)用于河流污染治理提供理論參考和技術(shù)借鑒。

1　微生物用于受污染河流的限制因素

河流中污染物的去除主要依靠微生物作用來完成，植物和基質(zhì)填料也對氨氮有一定的吸附去除作用?，F(xiàn)有的治理手段通常為采用一定的措施增強微生物作用或者直接投加高效功能菌以及具有綜合修復(fù)功能的復(fù)合菌［6］，將高效微生物直接投加到河道中，可以在短期內(nèi)取得良好的效果，但也存在著一些限制因素。

（1）高效菌種易流失：由于河水處于不斷的流動狀態(tài)，微生物投加進入河道后，會隨著水流向下游擴散、稀釋，導(dǎo)致菌種的作用不夠持久。（2）菌體密度降低：微生物濃度需要達到一定水平才能發(fā)揮更好的作用，但投加的菌種經(jīng)河水稀釋后密度大大降低，相對于大量的河水而言所占比例少之又少，而河水的營養(yǎng)條件又不能保證微生物快速的增長，進而會影響作用效果。（3）環(huán)境條件差：受污染河流中通常含有大量的有毒有害物質(zhì)，外來污染的不確定、有毒物質(zhì)的毒害、溶解氧的不均衡、溫度的變化等，都考驗著微生物的生長繁殖與對污染物的降解效果。（4）土著微生物的競爭作用：高效菌種在數(shù)量和適應(yīng)能力方面都處于劣勢地位，土著微生物與其不斷的競爭碳源等營養(yǎng)物質(zhì)，很容易喪失優(yōu)勢地位，進而被淘汰。（5）長期效果受到考驗：正是由于易流失、環(huán)境因素、競爭作用等，導(dǎo)致高效菌種在河水中應(yīng)用時不能長期有效的發(fā)揮作用，而反復(fù)投加微生物成本也比較高，不夠經(jīng)濟。

2　微生物固定化技術(shù)在河流污染治理中的應(yīng)用

與懸浮型生物法相比，微生物固定化技術(shù)具有穩(wěn)定性高、處理效果好、耐沖擊能力強、微生物數(shù)量多等優(yōu)勢，在河流中應(yīng)用時還可以彌補高效菌種流失的缺點。Huang等［7］采用生物沸石覆蓋的方法用于揚州古運河氮負荷的削減，起到有效的作用，且人工強化得到的生物沸石比自然形成的生物沸石效果好。張晟瑀等［8］利用沸石吸附微生物，并用于處理微污染水體，發(fā)現(xiàn)其對氨氮有較好的去除作用，指出沸石需要經(jīng)過吸附、吸附飽和、再生階段，最終會達到沸石吸附與生物再生的動態(tài)平衡狀態(tài)。田晉紅等［9］研究指出PVA包埋的固定化反硝化細菌的脫氮速率明顯大于未固定的反硝化細菌。尹艷娥等［10］以活性炭纖維（ACF）固定微生物用于微污染水的治理，其對氨氮和亞硝酸鹽氮有較好的去除作用，可以達到60％-90％。黃廷林等［11］通過對軟性填料和懸浮海綿球形填料進行組合，并將篩選得到的2株異養(yǎng)硝化菌和2株好氧反硝化菌共固定于該組合填料上用于微污染水源水的脫氮處理，當原水中TN 2.7 mg/L，NH3-N 1.3 mg/L時，在水溫25℃、DO 3-4 mg/L條件下連續(xù)運行19 d，系統(tǒng)可完全去除水中的氨氮及52％的TN。高巖等［12］的研究表明，在溫度較低的季節(jié)，采用微生物固定化技術(shù)凈化后，污染河塘水體中NH3-N、TDN、可溶性正磷酸鹽、TDP 濃度較進水口處相應(yīng)各指標的濃度明顯降低。吳珊等［13］針對水體富營養(yǎng)化問題，比較了5種不同固定化方法對光合細菌固定的效果，發(fā)現(xiàn)采用固定化技術(shù)可以有效提高光合細菌對藻類的抑制效率，為利用光合細菌控制相對開放的水域中水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。

現(xiàn)有關(guān)于微生物固定化處理污染河水，多處于實驗室研究水平，也有在河道中應(yīng)用的探索，李富宇［14］在河道內(nèi)放入長30 m，寬3 m的生物膜塊，測定該固定化微生物對 COD、氨氮、TP 的最高去除率分別為 24.76％、18.72％和10％，比預(yù)計實驗結(jié)果偏低。李海明［15］在模擬河道進行微生物固定化技術(shù)凈化污染河水的模擬試驗研究，固定化活性污泥經(jīng)過13 d，對河水中氨氮、TP和TN的去除率分別達到了99.33％、53.73％和30.39％，優(yōu)于空白對照河段。邸攀攀等［16］在河塘橫向每 9 m 掛 10 個微生物膜，結(jié)果表明微生物固定化技術(shù)對COD、氮的削減效果比較好，并提高了水體透明度，且微生物固定化掛膜技術(shù)通過其自身微生物的高效生長，并協(xié)同環(huán)境因子調(diào)節(jié)河塘水體中微生物尤其是反硝化脫氮微生物豐度變化，從而達到良好的水質(zhì)凈化效果。

3　微生物固定化基本技術(shù)及影響

3.1固定化基本技術(shù)

微生物固定化方法繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，其基本作用原理大概可劃分成吸附固定、交聯(lián)固定、包埋固定以及介質(zhì)截留4種類型［17-21］，其中最常用的為吸附固定法和包埋固定法，4種固定化技術(shù)的機理、常用材料、優(yōu)缺點等如表1所示。

表1　四種基本固定化技術(shù)的比較

3.2固定化對微生物的影響

對微生物來說，固定化技術(shù)可以為其提供相對封閉的生存空間和相對穩(wěn)定環(huán)境條件，保證微生物正常的生長代謝活動，降低外界環(huán)境中有害因素的影響，如抵御土著微生物的惡性競爭、防止噬菌體的吞噬、降低毒性物質(zhì)的毒害等。包埋固定化顆粒的孔道直徑具有由外向內(nèi)逐漸增加的特點，可以使微生物不容易溶出、水中大的懸浮物也難以進入顆粒內(nèi)部，此機械隔斷作用可以保證顆粒內(nèi)部相對清潔［22］。固定所用的材料也可以通過電荷反應(yīng)、氫鍵作用等吸附水中的有毒物質(zhì)，此吸附機制使微生物所處的微環(huán)境得到改善，固定化載體對有毒物質(zhì)的可逆吸附為菌體提供了保護作用，則提高了對有毒物質(zhì)的耐受性。微生物在固定化材料表面和內(nèi)部增殖以后用于污染治理，其數(shù)量得到大大提高，相對于進入顆粒內(nèi)部的土著微生物而言，其在數(shù)量上具有明顯的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢種的排斥作用也強化了微生物的作用。

固定化對微生物的影響并非都是積極的，顆粒內(nèi)部微生物的生長狀況也會有很大的差別，部分區(qū)域營養(yǎng)物質(zhì)及氧氣不充足、微環(huán)境的改變可能會造成微生物生長速率的降低，而基質(zhì)對微生物的保護作用則會促進微生物的生長，同時不同的底物濃度、有毒有害物質(zhì)含量都會影響固定化微生物的生長。微觀分析表明，固定化顆粒的孔隙結(jié)構(gòu)在徑向上分布有所差別，中心部位的傳質(zhì)性能沒有表層好，導(dǎo)致菌體因不能得到充足的養(yǎng)分、代謝產(chǎn)物不能及時排出而出現(xiàn)生理形態(tài)的變化［23］。固定化顆粒對有害物質(zhì)的過多吸收也會對微生物產(chǎn)生一定的毒害作用［24］。

4　微生物固定化技術(shù)的改進

4.1復(fù)合固定法

復(fù)合固定法［25］指將不同的基本微生物固定化方法組合，利用各種方法的互補以改進單一固定化方法的不足，使微生物固定化顆粒具有更好的性能和處理效果。常用的復(fù)合固定法為吸附-包埋復(fù)合固定法，該法制得的顆粒中，包埋劑作為固定化顆粒的基本骨架結(jié)構(gòu)，同時可以削弱外界環(huán)境對微生物活性的影響；吸附基質(zhì)填充于包埋顆粒的內(nèi)部，對固定化顆粒的性質(zhì)有一定的影響，同時能夠吸附部分的氨氮等污染物，使其濃度在顆粒內(nèi)部得到聚集以供微生物利用；微生物是固定化顆粒發(fā)揮降解作用的主體，也可以降解吸附基質(zhì)所吸附的氨氮實現(xiàn)基質(zhì)的生物再生。商平等［26］研究表明吸附-包埋-交聯(lián)法比不加沸石的包埋-交聯(lián)方法得到的固定化顆粒對河水中氨氮的去除效果好。李婷等［27］指出污染物去除速度受傳質(zhì)和微生物作用速度的影響，并與污染物濃度有關(guān)，添加吸附基質(zhì)可以使微生物承受更高的污染物濃度，但會影響固定化載體的擴散系數(shù)。

4.2共固定

共固定指將具有不同功能的微生物進行組合后，共同固定于同一載體上，穩(wěn)定生長后以生物膜的形式存在，膜外層為好氧的微生物，膜內(nèi)層為兼性厭氧菌，形成一個相對完整的微生物生態(tài)系統(tǒng)。杜剛等［28］將具有有機物分解、硝化、反硝化3種功能的微生物組合后進行共固定，利用不同種類微生物的協(xié)同作用處理養(yǎng)殖水體，發(fā)現(xiàn)該共固定化所形成的生物膜對養(yǎng)殖水體中不同形態(tài)的氮具有較好的去除效果，遠遠大于加有等量游離混合菌的作用效果。劉海琴等［29］用SA和PVA兩種包埋劑將含有不同功能的微生物復(fù)合菌群進行固定，表明微生物固定化后的脫氮效果較好。趙琳等［30］通過控制曝氣方式實現(xiàn)了包括厭氧菌和好氧菌在內(nèi)的不同氮轉(zhuǎn)化功能細菌共同固定于載體材料的表面，細菌增殖后進入多孔材料的內(nèi)部實現(xiàn)了穩(wěn)定固定。

4.3固定化材料改性

指載體材料表面基團或孔結(jié)構(gòu)的改性優(yōu)化，利用反應(yīng)性大孔載體提高所得固定化微生物的穩(wěn)定性等［31］。常見的有在固定基質(zhì)中加入不同材料［32］；磁性固定化技術(shù)［33］等。侯藝等［34］對載體改性得到功能化硅包覆介孔磁性載體易于再生并能保持較好的效果。張密林等［35］通過研究磁性細菌對屠宰廢水的處理效果，指出磁粉和磁場可以增強微生物的代謝活動和降解活性，提高系統(tǒng)的處理效率。常中春等［36］在包埋劑海藻酸鈉中加入適量的Fe3O4磁性納米粒子，制備的微膠囊具有良好磁響應(yīng)效果、成球效果良好，粒徑小且大小均勻。袁媛［37］采用鹽酸對活性炭纖維進行改性處理，并固定株微囊藻毒素降解菌用于污染物的降解，實驗結(jié)果表明固定化菌的降解效果優(yōu)于游離菌，且該材料具有良好的生物相容性。Takei等［38，39］指出硫酸鈉代替硼酸作為誘導(dǎo)物與PVA進行交聯(lián)可以降低對微生物活性的影響，提高固定化顆粒的穩(wěn)定性，且具有較高的膠化率和低的溶脹率。

4.4固定化手段的改進

當前研究中也有對固定化操作方法進行改進，如采用噴霧方式［35］制備包埋固定化顆粒，循環(huán)接種法［40］進行吸附固定微生物，均取得了較好效果。通過對PVA-SA固定化顆粒進行二次交聯(lián)反應(yīng)，可以有效提高顆粒的機械強度，降低水溶膨脹性［41］。在固定化操作過程中添加葡萄糖和底物，可以使所固定的微生物保持了較好活性［42］。茆云漢等［43］指出PVA-硫酸鹽法得到的固定化顆粒在機械穩(wěn)定性和生物活性兩方面優(yōu)于硼酸法、硝酸鹽法、磷酸鹽法和凍融法。

5　存在問題與發(fā)展趨勢

微生物固定化技術(shù)用于河流氨氮污染的治理仍存在一定的需要克服的難題。

5.1固定化載體材料方面

針對一些特殊的使用環(huán)境及需求，功能性載體材料研究開發(fā)也顯得非常必要，同時如何降低固定化載體對細胞的毒性、提高固定化細胞的力學(xué)強度、通透性、成本及壽命等方面還有許多問題需要解決。污染地表水的低有機物濃度限制微生物生長，影響微生物菌體的活性，對此開發(fā)可替代某些營養(yǎng)的固定化載體材料，或篩選貧營養(yǎng)菌進行固定。包埋材料有助于微生物抵抗外界不良環(huán)境的影響，但同時也會限制微生物的自由生長，可能會導(dǎo)致菌體形狀、生理特性等發(fā)生變化；微生物在載體內(nèi)生長時也可能會導(dǎo)致載體內(nèi)部受力不均勻而使結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響穩(wěn)定性，對此需要研究性能穩(wěn)定的載體材料，并控制好操作條件。

5.2固定化菌種方面

因為不同的微生物菌種的生理特點、代謝途徑、對外界環(huán)境的要求和適應(yīng)能力都有所不同，與固定化材料之間的相互作用也有差別，所以不同的菌種對應(yīng)不同的固定化方法，在研究中可以篩選出適合于同種固定化方法的優(yōu)勢菌種，并構(gòu)建成為優(yōu)勢菌群，發(fā)揮不同菌種的協(xié)調(diào)作用，起到穩(wěn)定的效果。

5.3微環(huán)境塑造方面

對于水體氨氮污染問題，由于硝化和反硝化是兩個獨立的過程，兩種微生物難以同時固定，導(dǎo)致氨氮不能高效徹底的去除，因此研發(fā)硝化細菌和反硝化細菌的同時固定化工藝，使外部好氧域進行硝化反應(yīng)、內(nèi)部厭氧區(qū)進行反硝化反應(yīng)，或者固定厭氧氨氧化菌、異養(yǎng)硝化菌等新型脫氮微生物，使固定化顆?？梢詫⒌貜氐讖乃w中去除，具有一定意義。

5.4應(yīng)用方面

固定化顆粒在應(yīng)用時，固定化顆粒的沉降性能、如何適應(yīng)水體的水力特性、并能保持固定化顆粒的長效穩(wěn)定性也是值得探討的問題，對此可以添加合適的無機礦物材料，提高固定化顆粒的機械強度，改善顆粒的水力沉降性能；采用溫和的物理改性方法，強化顆粒表面的親水性，提高其在水中的分散性；設(shè)計高效的微生物固定化反應(yīng)裝置，提高微生物固定化顆粒的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和長效性。

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（責任編輯 狄艷紅）

Application of Microbial Immobilized Technology in River Pollution Control and Its Research Progress

YU Lu-ji1，2LI Ting-mei2，3LIU Pan-long2，3FAN Zheng2，3
（1. School of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001；2. Research Center for Environmental Policy Planning＆amp;Assessment of Zhengzhou University，Zhengzhou 450003；3. Zhengzhou University Environmental Technology and Consultancy Company，Zhengzhou 450003）

Microorganisms play important roles in the removal of pollutants，however，river's conditions limit the permanent and effective purification function；microbial immobilized technology may improve the situation as it enhances the effect of microorganism removing pollutants. This paper analyzed the governance constraints while microbes directly were used in contaminated river，meanwhile expounded the effective mechanism and improvement methods of the microbial immobilized technology. Further，the paper discussed the current issues in the application of the technology and prospected the future research trends，aiming at providing theoretical and technical references for immobilization technology in river pollution control.

microorganism；immobilization；river；pollution control

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.08.010

2015-12-09

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07204-001-004）

于魯冀，男，教授，研究方向：水生態(tài)凈化與修復(fù)、環(huán)境微生物等；E-mail：yuluji@126.com