固定化微生物在水环境治理中的应用研究

摘要：如今固定化微生物技术已经成为水污染治理技术中尤为重要的一环。对于固定化载体材料的选择，复合载体因其兼具无机载体及有机载体的优势受到广大学者的青睐，但复合载体制作成本相对无机载体而言偏高，因此需要根据实际运用情况选择不同的载体材料;对于固定化方法的选择，包埋法相对来说应用比较广泛，但包埋法中微生物更新换代会堆积在包埋材料中，从而缩减其它微生物生存空间，久而久之会极大的影响降解效果，因此找寻更为合适的方法尤为重要。针对不同地区氨氮污染水体，固定化材料及微生物也不尽相同，要充分考虑当地的水环境条件，选择合适的载体材料及适宜生存的微生物，最好是本土优势菌种，这样既能减少成本又能有更好的处理效果，本文主要对固定化方法、载体以及对其研究进展进行整理；并对其在固定化微生物中处理氨氮废水的研究进行总结，提供参考。

关键词：固定化；微生物；水污染；降解率；氨氮废水

1 固定化微生物

1.1 固定化微生物概述

固定化微生物技术：指经过特殊方法筛选后将微生物固定在特定（有限）空间内，保证其活性并能重复使用的方式。它主要包括机械吸附法，超声波处理法等。近年来，由于各种原因，许多工业废水被污染严重。为了解决这些问题，人们开始利用一些新型的生物制剂对废水进行治理。这是一种将固体微生物黏附到载体上致密度高并能保持生物活性的生物技术，需要时可迅速繁殖。该技术应用于污水处理中，增加生物反应器微生物浓度，阻断有害环境的产生，利于反应后固体和液体的分离，减少处理时间。

1.2固定化微生物应用于水处理的研究进展

1973年，日本的千烟一郎将具有高活性天冬酰胺酸的大肠菌固定化，使用聚丙烯酰胺凝胶生产天冬酰胺酸，固定化微生物技术进入工业应用领域。

固定化微生物在水处理中的应用可追查到人工强化生物工艺的源头——活性污泥法。这种方法具有灵活性，可靠性和高排水质量的优点。那个是广泛使用的生物学废水处理过程。活性污泥法被认为是固定化生物技术的基础。活性污泥中自然产生的微生物被认为是最原始的固定微生物。这种方法形成的微生物软盘的特征在于天然生成和容易分解。即，低固定化强度导致污泥洗脱。20世纪50年代，出现了一种高效的生物膜法，它依靠微生物的自然附着在几个固体表面上形成固定生物膜。生物学固定层、生物流动层、生物学接触氧化、其他过程等。这种生物膜的固定强度高于生物棉，但仍然不能去除自然力。从1970年代后半期到1980年代前半期，水质污染问题越来越严重，高效的水处理新技术的开发已经成为紧迫任务。固体微生物技术允许确定和选择所选的主要原料，以创建高效的废水系统。这种人工固体微生物具有微生物和酶停留时间长、微生物密度高、产品易于分离、损失变化小、反应过程可控、反应速率快等优点。

1.2.1固定化微生物常用方法

固定化的方法有多种，理想的固定化方法需要符合以下基本的条件：颗粒大小孔径等符合要求；操作便捷；成本较低；机械强度较高，化学稳定性较好及传质性能优良；底物、产物无毒无害，且对环境无影响。目前对于固定化微生物的制备方法一般分为四种：吸附法、包埋法、共价法和交联法四大类。

（1）吸附法：包括物理吸附和离子吸附，物理吸附是用高吸附容量吸附剂将细胞吸附到表面并固定，离子吸附是固定在具有不同电荷的离子交换器上，并基于离解状态引起的静电吸引。

（2）交联法：是利用两个官能团或多个官能团的试剂在分子间进行交联，常用的试剂包括戊二醛，其他交联剂包括异氰酸酯衍生物、双偶氮联苯、乙烯双马来酰亚胺等，这种方法的缺点是，交联剂价格昂贵，交联过程中的反应大，影响了细胞活性，限制该方法的广泛应用。

（3）共价法：共价化学键将微生物吸附在载体表面的方法，共价化学键是载体和微生物之间的结合。该方法结合力强，稳定性高，反应条件差，并且控制和制备困难，活性回收低，使用困难。

1.2.2固定化微生物载体

在微生物固定化技术中，载体材料为微生物提供了稳定的生存和增殖环境，同时，载体的传质传氧特性也与微生物的生长息息相关。除了传统载体外，现在还开发出具有更多特殊功能的载体，如可生物降解多聚物载体、缓释碳源载体和磁性载体等，这些新型载体的出现为固定化技术提供了更多的可能，在微生物固定化技术中，单一无机或有机材料具有很大的局限性，无法满足实际处理过程中复杂的环境条件的需要。

由于磁性材料可以磁性地得到载体，载体特性和移动方式可以通过电磁场来控制，有助于炉内搅拌和回收，省去了人工操作，在实际应用过程中易于实现大规模连续生产和应用。在PVA-SA（聚乙烯醇-海藻酸钠）体系中，两者都是具有良好溶解性的亲水性聚合物。

2 水污染概述

2.1废水主要污染物及其来源和特点

水污染是指污染物使水质恶化，从而导致使用程度降低。水污染泛指：

（1）水污染物含量比水物质含量的多，影响原有水源的使用效果；

（2）污染物达到了损坏原用水条件的程度；

（3）水污染物比水体自身净化能力要多，而达到污染级别。

对于水污染程度，一般根据水中污染物浓度和各水质的限值标准，来做出判断和区分。划分水污染类型的方法有很多，大致主要分为以下几种：

（1）有地表水污染、地下水污染等，是依据水的存在形式划分；

（2）有汞污染、苯酚污染和有机物水污染及其它化学污染，是根据污染源来区分；

（3）有物理性质的污染、化学性质的污染和生物性质的污染，是根据污染源的特性区分；

污染物来源一般为：

（1）工业废水。工业废水中有毒有害的物质成分复杂，处理难度大，是全球水污染源的主要诱因。

（2）农田排水。农田施肥和农药与农田排水系统和地表径流系统一起流向主要水体。

（3）生活污水。该物质成分复杂，随着人口的增加污水排放量与日俱增。

（4）城市垃圾和工业废渣。产生的垃圾和废物倒入水中或堆放在附近，经附件水的溶解和浸泡，垃圾和废渣中的有毒害物质就通过水的溶解和浸泡进入到水中。

2.2废水处理方法及研究现状

1）废水处理的三种基本方法：

物理处理方法：在不改变化学性质，用物理性质将废水中不溶性物质分离出来的处理方法。这种方法主要使用机械设备进行处理。常用的方法包括重力、离心分离、反渗透等。

化学处理方法：利用化学性质进行处理，向废水中加入特定的化学物质，使其与污染源成分发生化学反应，产生对一切都无害的物质或者是其它，从而有效的去除水中的污染源。

生物处理方法：是工业废水常用的处理方式，作为废水预处理。 利用了微生物的代谢功能，将废水源中溶解或胶体有机物分解氧化为相对稳定的无机物，从而有效地清洁废水。

2）废水处理的研究现状：

近几年，我国污水排放总量持续增长。 污水再生利用是实现水资源可持续利用的重要途径，对缓解水污染和水环境压力具有重要意义。2013年我国城市污水年排放量为427.45亿平方米，2020年增长至571.36亿平方米，增加了34%。我国工业废水排出以后基本进入城市污水管道，在城市污水处理厂进行处理。住建部统计数据显示，2013年我国仅有污水处理厂1736座，2016年污水处理厂突破2000座，到2020年我国污水处理厂数量已达到2618座。

3 固定化微生物在氨氮废水处理中的应用

3.1 用于氨氮废水处理的微生物的种类

硝化细菌及反硝化细菌：特点无污染、菌落多、活性高、见效快、适应稳定性强、抗冲击、低成本等特点。硝化细菌处理氨氮（NH4-N），对于水体偏黄，有脱色效果，减少污泥处理产量，优化水体结构，能消除有毒物质等；反硝化细菌可还原硝酸盐成氮气，加速污泥沉降，提高反硝化效率，维持水体环境秩序，与反硝化细菌形成互补，抑制病菌等再生，有效抑制藻类繁殖，在厌氧、好氧均可进行。

尹莉等B0固定脱氮复合菌处理黑臭水体，初始氨氮和总氮浓度分别为0.87mg·L-1和2.5mg·L-1，发现投加复合菌群3d后氨氮和总氮的去除率达到97%和60%。杨杰等固定脱氮复合菌群进一步研究了固定化微生物技术对黑臭河道底泥的削减效果，实验3个月后，河流中总氮、氨氮浓度基本维持在11.5mg·L-1、5.0mg·L-1，河道底泥总量也有明显削减，底泥可生化性也得到增强，颜色也发生明显变化。

3.2 处理氨氮废水的主要工艺

3.2.1传统硝化反硝化工艺

硝化与反硝化均属传统反硝化过程，硝化阶段有机氮转化为氨氮为前提，氨氮在废水中变成硝酸或亚硝酸盐；反硝阶段下，硝化作用产生的硝酸或亚硝酸盐使用多出的碳源变为氮。两个阶段相对独立，有各自的反应段、沉淀段和污泥回流系统。

3.2.2 A/O工艺

又名缺氧—好氧活性污泥法脱氮工艺，这是一个始于20世纪80年代初的过程。因为除氧器在系统前面，所以被称为生物脱氮系统。这一过程的特点是流动的水进入氧气罐，然后进入良好的氧气罐，将良好的氧气罐与沉淀池和污泥混合，然后返回氧气罐。在污垢和氧气罐中注入混合物，可以确保氧气罐和良好的氧气罐中有足够的微生物，氧气罐可以从良好的氧气罐中获得硝酸盐。

3.2.3短程硝化反硝化工艺

短时间硝化和反硝化，又称硝化和反硝化，是指氨氧化阶段控制硝化过程，生成的NO2-进一步由NO2-氧化成NO2-的过程，并将NO2用作细菌呼吸链中的氢。这两种反应导致硝酸盐生成、硝酸盐还原、硝酸盐水平、需氧量、氮含量降低，在脱硝过程中引入有机碳，降低能耗和运营成本。硝化反硝化结合的关键是抑制硝化细菌的活性和亚硝酸根的积累。游离氨、温度、pH、溶解氧等也是影响硝酸盐活性和亚硝酸根积累的因素。

3.2.4曝气生物滤池（BAF）生物处理工艺

曝气生物滤池（BAF）是一种新型的污水处理技术，它将固体微生物与好氧生物滤池相结合，在BAF反应器中加入微生物载体，占气溶胶池活性容积的10-60%。大量微生物被添加和固定，废水中的污染物被相关微生物分解。

通过培养不同的菌，在BAF各级反应器中达到降解污染物的目的；在需要脱氮时需要增加一阶脱氮滤池。BAF先应用于污水深度处理，目前在城市污水中BAF工艺也开始用于一阶生化处理，但目前反应的问题是一阶生化处理生物量大，容易引起堵塞，维修管理工作量大。

3.3固定化微生物在处理氨氮废水中的应用

王瑞研究了一种包埋氨氧化细菌处理低C/N高氨氮浓度废水，得出包埋载体的优化配方为PVA9%、SA 0.9%、活性炭0.4%、包泥量3： 2、冻融时间72 h、固定液为3% Ca（NO3）2， 最优反应条件为pH=8，温度=（28±1）℃， DO=5 mg·L-1， 此时若废水中氨氮浓度为300mg·L-1时氨氮去除率能达到93%，若氨氮浓度提升至500mg·L-1时，停留时间 6h后出水氨氮去除率最好为70%。

4 结论

综上所述，固定化微生物技术在污水厂废水中应用较多，且对于不同浓度都有显著的降解效果，但对于不同地区废水应用的固定化载体及微生物也不同，但均已包埋法使用较多，载体均为PVA（聚乙烯醇）-SA（海藻酸钠）、壳聚糖为载体，菌落用硝化菌或硝化复合菌等处理氨氮废水的效果比较理想;对于城市河涌中的废水也有应用，结合其它治理措施的情况下效果也很明显;对于其它水体也有应用，如人工湿地等。因此，由于受环境条件影响，生物材料种类繁多，其性能差异较大。 所以固定化微生物的应用需要结合实际情况选择合适的载体和微生物，本土优势菌群效果最显着。

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