固定化微生物技術(shù)在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用

張小雄(南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，江西 南昌 330038)

0 引言

當(dāng)前隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，很多含有磷或者氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生活廢水以及工業(yè)廢水排入到了江河湖泊等眾多地表水環(huán)境中，許多城市內(nèi)湖出現(xiàn)了不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化。目前針對(duì)這種富營(yíng)養(yǎng)化水體來(lái)說(shuō)，需要對(duì)其進(jìn)行水體修復(fù)，采用的主要方法有生物、物理以及化學(xué)技術(shù)等。其中微生物技術(shù)憑借著污染和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)有著廣泛應(yīng)用和關(guān)注，但是該技術(shù)存在因微生物的流失而增加管理和投加難度等缺陷。微生物固定化后有利于解決這一難題，減少了人工管理和運(yùn)行成本。

1 固定化微生物技術(shù)概述

1.1 固定化載體

固定化微生物載體材料，通常可以對(duì)固定化效果產(chǎn)生直接影響，并且對(duì)固定化微生物技術(shù)作用能否有效發(fā)揮也有著重要關(guān)聯(lián)。對(duì)于固定化微生物技術(shù)來(lái)說(shuō)，其選擇的載體材料應(yīng)該具有一種成本較低并且容易獲得的特點(diǎn)。并且在面對(duì)微生物的時(shí)候，還要保證材料不會(huì)被微生物所降解，能夠?yàn)槲⑸锾峁┮粋€(gè)必要的外部環(huán)境，培養(yǎng)微生物能夠再生并且方便處理的特點(diǎn)。當(dāng)前固定化微生物技術(shù)所運(yùn)用的載體主要包括5種，即有機(jī)載體、無(wú)機(jī)載體、改性載體、復(fù)合載體以及新型載體等。其中無(wú)機(jī)載體主要包括黏土、沸石以及活性炭等，在實(shí)際應(yīng)用中有著成本廉價(jià)并且容易獲得的特點(diǎn)，但是容易脫落并且負(fù)載量較小讓該材料使用受到了一定限制；有機(jī)載體主要有兩類，一是天然有機(jī)載體，其有著環(huán)保和污染率去除較高的優(yōu)勢(shì)，二是合成有機(jī)載體，在實(shí)際應(yīng)用中有著更高的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性；復(fù)合載體通常是指有機(jī)載體和無(wú)機(jī)載體的結(jié)合，能夠?qū)⒍叩膬?yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)；至于改性載體，主要指的就是將一些改性物質(zhì)和固定化載體實(shí)施了有效結(jié)合，讓載體材料的基因和表面結(jié)構(gòu)都得到了有效優(yōu)化。微生物在和載體結(jié)合時(shí)，有著更高的強(qiáng)度；新型載體是表面有著量子尺寸效應(yīng)和磁學(xué)性質(zhì)的載體，使用中有著成本較低能夠反復(fù)利用的優(yōu)勢(shì)，目前受到了廣泛關(guān)注[1]。

1.2 固定化微生物技術(shù)理論

對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體來(lái)說(shuō)，固定化微生物技術(shù)對(duì)磷和氮的同步去除是主要目標(biāo)。傳統(tǒng)脫氮除磷過(guò)程往往會(huì)因?yàn)樘荚锤?jìng)爭(zhēng)和聚磷菌齡不同產(chǎn)生諸多問(wèn)題，對(duì)同步去除造成了很大阻礙。而一些反硝化菌在硝酸鹽存在狀況下有著較好的吸磷功能，所以通過(guò)對(duì)一些有著除磷和脫氮雙重特性反硝化聚磷的提取，實(shí)現(xiàn)除磷和脫氮同步的進(jìn)行。另外發(fā)揮多種微生物的協(xié)同代謝優(yōu)勢(shì)，也可以在水體修復(fù)中對(duì)水體中多種污染物實(shí)現(xiàn)同步講解。比如利用固定光合細(xì)菌對(duì)污水進(jìn)行處理，對(duì)氮和磷的去除率能夠達(dá)到74.52%、85.89%。固定化微生物表面細(xì)胞的生物降解作用實(shí)效性發(fā)揮，會(huì)被多種因素影響，比如微生物表面電荷、表面結(jié)構(gòu)、表面疏水性以及菌齡等。

2 富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用

2.1 吸附法

吸附法是該技術(shù)的一種常用實(shí)施法法，其原理就是在微生物細(xì)胞和載體結(jié)合的前提下 ，通過(guò)各種吸附方法將將這些載體進(jìn)行黏附。以吸附法實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，其應(yīng)用流程和形式較為簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中并不需要化學(xué)劑的添加就可以產(chǎn)生較為溫和的反應(yīng)。不過(guò)該技術(shù)的也有著一定的應(yīng)用局限性，比如在微生物和載體之間發(fā)揮結(jié)合作用的時(shí)候，往往作用力比較弱，因此會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞和載體連接不牢固的現(xiàn)象。為了對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行解決，要選擇和微生物細(xì)胞有著相同性質(zhì)的載體以及技術(shù)。結(jié)合載體表面積、電荷以及質(zhì)地等，來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附法的科學(xué)使用。比如將一些框架化合物和和金屬氧化物進(jìn)行結(jié)合，形成一種復(fù)合材料來(lái)應(yīng)用吸附法，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的去除功能。其中金屬氧化物和金屬有機(jī)框架化合物所組合形成的復(fù)合材料可以展現(xiàn)出較好的吸附除磷性能，比如空磁性Fe3O4@NH2-MIL-101(Fe)材料，在ph 值為7條件下，可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的吸附將水體的磷質(zhì)量濃度由0.60降至0.044mg·L-1，這樣就可以對(duì)水體中的磷進(jìn)行快速的去除以及吸附。因此吸附法的應(yīng)用，關(guān)鍵就是研制出合適載體，進(jìn)行年來(lái)一些酸堿改性吸附材料、人工合成吸附材料和磁性納米吸附材料得到了創(chuàng)新研發(fā)和應(yīng)用。在富營(yíng)養(yǎng)水體除磷應(yīng)用上，發(fā)揮出了更快的吸附速度和吸附容量，有著極強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[2]。

2.2 包埋法

包埋法在實(shí)際應(yīng)用中，具體可以分為微囊包埋和凝膠包埋兩種。其中凝膠包埋方法指的是載體材料內(nèi)部固定出微生物，不在外部固定就可以免受外部環(huán)境影響。這種方法作為一種不可逆的固定化方法，其有著明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，比如固定化的微球強(qiáng)度比較高等。和吸附法相同，其在應(yīng)用過(guò)程中有時(shí)也會(huì)面臨一定的應(yīng)用局限性，比如應(yīng)用過(guò)程中微生物活性受到干擾不利于水體修復(fù)，一些傳質(zhì)阻力比較大，讓應(yīng)用范圍受到影響。此外包埋法應(yīng)用中的局限性還體現(xiàn)在其透氣性不好，所以在好氧微生物固定化上應(yīng)用有著不足。至于微囊包埋技術(shù)，主要是在半透膜形成的微膠囊中固定出相應(yīng)的微生物，為微生物細(xì)胞的浮動(dòng)提供外部空間，在外層對(duì)其進(jìn)行包裹。保護(hù)其不受外界環(huán)境因素影響的同時(shí)，也可以有效防止其外溢。該方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是對(duì)一些核心材料影響較少，不僅不需要改性，同時(shí)也不需要相應(yīng)的修飾工作，最大限度保證生物活性。比如在富營(yíng)養(yǎng)水體修復(fù)中利用SA+PVA 包埋硝化細(xì)菌放置于人工濕地中，可以發(fā)現(xiàn)包埋小球上菌種有著豐富多樣性，有著較好的除磷和脫氮性能。而對(duì)于該技術(shù)的固定化效率和固定化微生物活性穩(wěn)定性而言，其包埋載體材料具體質(zhì)量也會(huì)對(duì)固定化效果產(chǎn)生直接影響。所以在具體應(yīng)用中可以為包埋載體加入一些改性劑，比如累托石以及活性炭等，可以對(duì)包埋材料的機(jī)械強(qiáng)度以及微生物密度進(jìn)行提高。

2.3 交聯(lián)法

交聯(lián)法也叫作無(wú)載體固定法，該方法在實(shí)際應(yīng)用中不需要借助載體，只憑借著交聯(lián)劑，就實(shí)現(xiàn)微生物細(xì)胞和載體的有效連接，并且有著較好的固定效果。這種固定法在實(shí)際應(yīng)用中有著穩(wěn)定性較好、結(jié)合強(qiáng)度高、受外界因素影響小等優(yōu)勢(shì)。為了達(dá)到較好的固定作用，該方法的應(yīng)用通常會(huì)產(chǎn)生比較劇烈的化學(xué)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)往往會(huì)對(duì)細(xì)胞活性造成較大的干擾和影響。而且為了實(shí)現(xiàn)這一作用，對(duì)交聯(lián)劑的選擇比較苛刻，會(huì)造成較大的實(shí)際應(yīng)用成本，進(jìn)而對(duì)交聯(lián)法的實(shí)際應(yīng)用造成限制。雖然成本較高，但該方法卻有著極大的應(yīng)用潛力空間。因?yàn)橐栽摲椒ê陀欣?xì)胞的對(duì)比情況來(lái)看，其細(xì)胞活性各個(gè)方面都有著一定的提高，在工業(yè)化中有著大規(guī)模應(yīng)用的意義。在具體應(yīng)用上，比如將已經(jīng)培養(yǎng)好的光合細(xì)菌細(xì)胞懸浮液以及海藻酸鈉分別取50mL 進(jìn)行混合，混合后再倒入自制造粒器當(dāng)中，在形成固定化顆粒以后融入到氧化鈣溶液當(dāng)中，放置一段時(shí)間后濾出顆粒，再利用生理鹽水洗凈，實(shí)現(xiàn)光和細(xì)菌的固定化。利用這種海藻酸鈣固定化的光合細(xì)菌對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行處理，能夠?qū)Φ匆约傲自催M(jìn)行很好的去除。

2.4 聯(lián)合固定法

該方法不同于上述其他方法，其主要是指方法之間的聯(lián)合，通過(guò)多種方法的取長(zhǎng)補(bǔ)短來(lái)構(gòu)建出新的微生物固定化系統(tǒng)。比如常用的吸附-包埋法、包埋-交聯(lián)法以及吸附-包埋-交聯(lián)法，這些聯(lián)合固定法的利用，對(duì)單個(gè)固定方法的應(yīng)用效果進(jìn)行有效改善，解決應(yīng)用問(wèn)題。比如對(duì)微生物的活性進(jìn)行處理上，聯(lián)合固定法有著明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和效果。吸附-包埋固定法在富氨氮水體的處理上，能夠讓基質(zhì)的運(yùn)輸以及擴(kuò)散更加高效，其中酸堿傳質(zhì)性和穩(wěn)定性能夠分別提升55.5%和12.6%以上，并且在固定化顆粒破損率和氨氮的去除率上都比較高。比如采用戊二醛和聚乙烯胺對(duì)水體中的大腸桿菌實(shí)施固定化工藝，其實(shí)際應(yīng)用相比游離細(xì)胞，在酸堿穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及操作穩(wěn)定性上都有著極強(qiáng)的應(yīng)用意義。

3 富營(yíng)養(yǎng)水體修復(fù)中固定化微生物技術(shù)的發(fā)展方向

當(dāng)前雖然固定化微生物技術(shù)在發(fā)展應(yīng)用取得了很大成果，但是同樣也面臨眾多挑戰(zhàn)。首先固定微生物技術(shù)利用還缺乏性能優(yōu)良的固定化載體，這種發(fā)展瓶頸主要在兩個(gè)方面有所體現(xiàn)。一是固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用成本較高，這主要是因?yàn)楣潭ㄎ⑸锏妮d體價(jià)格所決定的。還有就是固定化載體的使用周期比較短，在對(duì)一些富營(yíng)養(yǎng)水體進(jìn)行修復(fù)的時(shí)候，往往需要頻繁的更換，給整個(gè)水體修復(fù)工作帶來(lái)了很大不便。因此在固定化微生物技術(shù)發(fā)展上，需要盡快研制出制備簡(jiǎn)單、生物相容性較好以及低廉高效的材料，是固定微生物技術(shù)重要發(fā)展方向。其次還需要建立起固定微生物技術(shù)體系，對(duì)固定化方式、固定化材料以及固定化條件對(duì)微生物穩(wěn)定性和活性造成的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，并且研究固定化實(shí)施前后微生物指標(biāo)的變化情況。最后當(dāng)前在污水廢水處理上，很多機(jī)構(gòu)都充分運(yùn)用了固定化微生物技術(shù)研制出了眾多固定化反應(yīng)器，這些設(shè)備在廢水污水處理均展示出了極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。然而對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)水體修復(fù)來(lái)說(shuō)，固定反應(yīng)器的研究進(jìn)步還沒(méi)有真正得到重視，一些具有高效反應(yīng)能力以及原位修復(fù)能力的反應(yīng)器是研究的重要方向。總而言之，當(dāng)前固定化微生物技術(shù)存在諸多不足，必須要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)選擇正確的研究發(fā)展方向，對(duì)一些設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，對(duì)一些應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行解決，實(shí)現(xiàn)固定化微生物技術(shù)的有效應(yīng)用[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，固定化微生物技術(shù)具有可純化和保持高效優(yōu)勢(shì)菌種、處理效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在富營(yíng)養(yǎng)水體中修復(fù)中有著極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，眾多固定方法都有著一定的應(yīng)用優(yōu)劣性，需要對(duì)具體方法做出科學(xué)選擇。并且針對(duì)固定化微生物技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中的諸多問(wèn)題，需要加強(qiáng)對(duì)載體、體系以及反應(yīng)器等方面的研究，通過(guò)創(chuàng)新來(lái)解決眾多不足，在規(guī)模化上進(jìn)行推廣應(yīng)用。