吸附固定化技術(shù)在環(huán)境污染治理中的研究進(jìn)展

高菲 汪志 羅孫華（武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074）

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吸附固定化技術(shù)在環(huán)境污染治理中的研究進(jìn)展

高菲 汪志 羅孫華（武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074）

摘要：本文綜述了吸附法固定化技術(shù)利用現(xiàn)狀，從載體的三種類型進(jìn)行敘述，并對(duì)吸附法固定化技術(shù)在環(huán)境污染治理中載體選擇的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：固定化；吸附；環(huán)境污染

0 引言

固定化微生物技術(shù)是20世紀(jì)60年代由生物化工中的固定化酶技術(shù)發(fā)展起來的。20世紀(jì)70年代，固定化微生物技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)廢水的生物處理。如今微生物固定化技術(shù)已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)及水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并充分顯示了其獨(dú)特的優(yōu)越性。

固定化技術(shù)，是指利用化學(xué)或物理手段將游離的微生物或酶，在保持一定活性的條件下，限制于一定空間區(qū)域并可反復(fù)使用的一種基本技術(shù)。與游離微生物相比，固定化微生物技術(shù)提高微生物密度，降低微生物的流失率；提高污泥停留時(shí)間，提高降解速率；便于目標(biāo)菌種的定向培養(yǎng)，維持降解產(chǎn)物的穩(wěn)定性，減少副反應(yīng)的發(fā)生。因此，固定化技術(shù)已成為國內(nèi)外生物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科研究的重點(diǎn)。

1 吸附法優(yōu)勢

目前，固定化微生物的方法多種多樣，其中最常用的是包埋法、交聯(lián)法和吸附法。包埋法中高分子載體制備工藝復(fù)雜，無法再生，成本較高，微生物的生長和產(chǎn)物的代謝由于傳質(zhì)阻力大而受到影響。交聯(lián)法中微生物活性損失較大，交聯(lián)劑昂貴，制備成本高，降解效率低。吸附法利用微生物靜電力或分子間作用力等，將微生物吸附在附加劑的表面；微生物與載體的結(jié)合力較弱，穩(wěn)定性差，微生物菌體易脫落；制備容易，反應(yīng)溫和，載體可再生，因此吸附法成為具有市場發(fā)展?jié)摿Φ墓潭ɑ椒ā?/p>

表1 常用固定化技術(shù)特征比較

固定化中吸附法可分為物理吸附和離子吸附。物理吸附是使用具有高吸附能力的物質(zhì)，如活性炭、陶粒等吸附劑，將微生物吸附在表面固定化。離子吸附是利用微生物在解離狀態(tài)下離子健合作用而固定于帶有相反電荷的離子交換劑上，常見的離子交換劑有DEAE-纖維素、CM-纖維素等。

吸附法固定化微生物機(jī)理主要為目標(biāo)菌種表面與載體表面的：①靜電作用；②氫鍵，疏水作用和π電子親和力等作用；③分子間作用力。在吸附固定化過程中，幾種機(jī)理可能同時(shí)發(fā)生，但以某一種吸附機(jī)理為主。

2 吸附固定化技術(shù)研究現(xiàn)狀

載體材料的性能直接影響其固定化顆粒的活性。理想的載體材料應(yīng)具備良好的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、耐生物降解性及對(duì)酶的高度親和性、并能保持較高的活性等。常用的吸附固定化載體普遍存在以下問題：①吸附力較弱；②結(jié)構(gòu)不易調(diào)控；③易產(chǎn)生二次污染。因此，尋求經(jīng)濟(jì)環(huán)保、性能優(yōu)良的固定化載體材料勢在必行。目前常用的載體大致可分為有機(jī)載體、無機(jī)載體和復(fù)合載體三種。

2.1 有機(jī)載體

在吸附法固定化中，天然生物質(zhì)材料經(jīng)濟(jì)、無毒，可提供微生物生長所需碳源等養(yǎng)分；比表面積大，孔比容積大，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；易化學(xué)改性，修飾表面，大幅改善載體的生物相容性，提高對(duì)酶和微生物的親和力，提供有利于微生物生長及其表面酶促反應(yīng)微環(huán)境，從而得到理想固定化材料。因此，近來有機(jī)載體主要是生物質(zhì)材料在廢水處理中得到較多的研究和應(yīng)用。

直接以天然生物質(zhì)材料作為載體，吸附能力較弱，載體和細(xì)胞易脫落。周珊等人以竹炭為載體，用吸附法將硝化菌-反硝化菌等微生物固定在竹炭上，系統(tǒng)中可發(fā)生同時(shí)硝化-反硝化作用，氨氮去除率可達(dá)70%以上。謝冬瑾以稻草粉末、棉花稈粉末、木屑、麥稈粉末、花生殼粉末等為載體，采用吸附法固定白腐真菌降解焦化廢水，3天COD去除率可達(dá)84.89%，酚類的去除率達(dá)70.38%。盧永以玉米芯為載體，采用吸附法制備固定化菌劑進(jìn)行除油研究，玉米芯固定化微生物的除油率為47.6%～50.7%，高于相應(yīng)生物炭的除油率43.5%。對(duì)天然生物質(zhì)材料進(jìn)行表面修飾，結(jié)合力增強(qiáng)，穩(wěn)定性增高，但細(xì)胞易降低活性。張秀霞等人采用酸性氧化改性的生物秸稈（XMG）為載體制備固定化微生物用于石油污染土壤的修復(fù)，微生物的吸附量（OD600）從0.209增至0.297，35d石油污染土壤的石油降解率從40.3%提高到了42.9%。

2.2 無機(jī)載體

無機(jī)載體材料大多成本低、壽命長、機(jī)械強(qiáng)度高，無毒且穩(wěn)定性好，因而更實(shí)用，一般是借助吸附方法來制備固定化顆粒，或經(jīng)小分子化學(xué)改性以共價(jià)鍵合方式制備固定化顆粒。但缺點(diǎn)是無機(jī)載體的結(jié)構(gòu)不易調(diào)控，影響傳質(zhì)且鍵合酶的能力差，但可與傳統(tǒng)有機(jī)聚合物載體材料形成互補(bǔ)體系。

Su等以蛭石為載體，吸附固定毛霉及芽孢桿菌，用于降解土壤中的苯并［a］芘。4d內(nèi)，苯并［a］芘的降解率高達(dá)95.3%，而游離菌組的降解率僅為79.6%。Balfanz等用粘土吸附固定的產(chǎn)堿桿菌，提高了土壤中對(duì)氯苯酚的降解速率。劉幽燕等利用本堿桿菌降氰，以沸石為載體進(jìn)行吸附法固定化，降解率能達(dá)到90%。周林成用普通陶粒吸附固定化微生物單級(jí)去除工業(yè)污水中CODCr，CODCr去除率達(dá)91.1%。烏日娜用聚乙烯亞胺涂覆改性漿料纖維為載體，利用離子吸附法固定化果膠酶處理造紙廢水。比游離酶有更寬的pH和溫度適用范圍，具有更好的穩(wěn)定性和更高的催化分解速率。

2.3 復(fù)合載體

復(fù)合載體是有機(jī)載體和無機(jī)載體的結(jié)合，組成和結(jié)構(gòu)可調(diào)控，它兼顧了有機(jī)載體和無機(jī)載體各自的優(yōu)點(diǎn)，形成互補(bǔ)體系。因此，復(fù)合載體用于固定化研究，非常具有前景。如聶芊在固定化活性污泥去除水中COD時(shí)，以海藻酸鈉、殼聚糖等為高分子載體材料，與活性炭、硅藻土無機(jī)多空材料結(jié)合作為復(fù)合固定化載體材料進(jìn)行研究。

但復(fù)合載體選材較為精細(xì)，制備成本較高，操作要求高；吸附法細(xì)胞與載體結(jié)合力度不強(qiáng)，載體再生較為頻繁。因此復(fù)合載體在交聯(lián)法、包埋法或復(fù)合方法中使用較多。李婧以多環(huán)芳烴“芘”為生物降解對(duì)象，通過“玉米秸稈吸附-包埋-交聯(lián)”相結(jié)合的復(fù)合固定化方法對(duì)混合菌進(jìn)行了固定化對(duì)比去除率達(dá)到97.3%。目前采用復(fù)合載體，單獨(dú)吸附法進(jìn)行固定化的研究還未見報(bào)道。

表2 常用吸附固定化載體性能比較

3 結(jié)語

吸附固定化技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、簡單的特點(diǎn)在環(huán)境污染治理領(lǐng)域中引起普遍關(guān)注，但目前技術(shù)還不成熟，主要是：①載體結(jié)合力較弱，表面改性增大結(jié)合力時(shí)易引起細(xì)胞失活；②天然載體經(jīng)濟(jì)，取材方便，但固定化效果不好，復(fù)合載體制備較為復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性較差；③吸附固定化技術(shù)載體易脫落，為防止二次污染，應(yīng)加大發(fā)展生物再生技術(shù)。相信通過不斷的研究和改進(jìn)，吸附固定化微生物技術(shù)必將取長補(bǔ)短，在環(huán)境污染治理領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

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