微生物固定化技术在河流治理中的应用及研究进展

于鲁冀李廷梅刘攀龙范铮

（1. 郑州大学水利与环境学院，郑州 450001；2. 郑州大学环境政策规划评价研究中心，郑州 450003；3. 郑州大学环境技术咨询工程公司，郑州 450003）

微生物固定化技术在河流治理中的应用及研究进展

于鲁冀1，2李廷梅2，3刘攀龙2，3范铮2，3

（1. 郑州大学水利与环境学院，郑州 450001；2. 郑州大学环境政策规划评价研究中心，郑州 450003；3. 郑州大学环境技术咨询工程公司，郑州 450003）

微生物在污染物去除中发挥着重要作用，但是河流自身条件会限制微生物持久有效的发挥净化功能，微生物固定化技术则可以改善这种状况，起到强化微生物处理效果的作用。分析了微生物直接用于受污染河流治理的限制因素，阐述了微生物固定化技术的高效作用机理和改进方法，并对当前该技术应用存在的问题进行分析和未来研究的方向进行展望，以期为固定化技术用于河流污染治理提供理论参考和技术借鉴。

微生物；固定化；河流；污染治理

微生物固定化技术是指通过物理或化学手段，将特定功能的游离态微生物固定于载体材料上［1］，保持反应区域的生物量和传质面，使微生物保持活性并能反复使用，增加其对污染物的降解能力，在污水处理领域受到广泛的关注［2-5］。微生物在河流污染物去除中发挥着重要作用，而常常由于河流不利的环境条件，微生物的净化作用受到限制，因此将微生物固定化技术用于河流污染的治理中，对于改善微生物所处的环境、提高处理效果具有重要的意义。本文针对微生物固定化技术现有的研究和报道，分析了微生物用于受污染河流的限制因素，总结了微生物固定化技术去除河流中污染物的研究情况，阐述了微生物固定化的基本技术、作用机理和改进方法，并探讨了微生物固定化技术研究中存在的问题与发展趋势，以期为固定化技术用于河流污染治理提供理论参考和技术借鉴。

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来完成，植物和基质填料也对氨氮有一定的吸附去除作用。现有的治理手段通常为采用一定的措施增强微生物作用或者直接投加高效功能菌以及具有综合修复功能的复合菌［6］，将高效微生物直接投加到河道中，可以在短期内取得良好的效果，但也存在着一些限制因素。

（1）高效菌种易流失：由于河水处于不断的流动状态，微生物投加进入河道后，会随着水流向下游扩散、稀释，导致菌种的作用不够持久。（2）菌体密度降低：微生物浓度需要达到一定水平才能发挥更好的作用，但投加的菌种经河水稀释后密度大大降低，相对于大量的河水而言所占比例少之又少，而河水的营养条件又不能保证微生物快速的增长，进而会影响作用效果。（3）环境条件差：受污染河流中通常含有大量的有毒有害物质，外来污染的不确定、有毒物质的毒害、溶解氧的不均衡、温度的变化等，都考验着微生物的生长繁殖与对污染物的降解效果。（4）土著微生物的竞争作用：高效菌种在数量和适应能力方面都处于劣势地位，土著微生物与其不断的竞争碳源等营养物质，很容易丧失优势地位，进而被淘汰。（5）长期效果受到考验：正是由于易流失、环境因素、竞争作用等，导致高效菌种在河水中应用时不能长期有效的发挥作用，而反复投加微生物成本也比较高，不够经济。

2　微生物固定化技术在河流污染治理中的应用

与悬浮型生物法相比，微生物固定化技术具有稳定性高、处理效果好、耐冲击能力强、微生物数量多等优势，在河流中应用时还可以弥补高效菌种流失的缺点。Huang等［7］采用生物沸石覆盖的方法用于扬州古运河氮负荷的削减，起到有效的作用，且人工强化得到的生物沸石比自然形成的生物沸石效果好。张晟瑀等［8］利用沸石吸附微生物，并用于处理微污染水体，发现其对氨氮有较好的去除作用，指出沸石需要经过吸附、吸附饱和、再生阶段，最终会达到沸石吸附与生物再生的动态平衡状态。田晋红等［9］研究指出PVA包埋的固定化反硝化细菌的脱氮速率明显大于未固定的反硝化细菌。尹艳娥等［10］以活性炭纤维（ACF）固定微生物用于微污染水的治理，其对氨氮和亚硝酸盐氮有较好的去除作用，可以达到60％-90％。黄廷林等［11］通过对软性填料和悬浮海绵球形填料进行组合，并将筛选得到的2株异养硝化菌和2株好氧反硝化菌共固定于该组合填料上用于微污染水源水的脱氮处理，当原水中TN 2.7 mg/L，NH3-N 1.3 mg/L时，在水温25℃、DO 3-4 mg/L条件下连续运行19 d，系统可完全去除水中的氨氮及52％的TN。高岩等［12］的研究表明，在温度较低的季节，采用微生物固定化技术净化后，污染河塘水体中NH3-N、TDN、可溶性正磷酸盐、TDP 浓度较进水口处相应各指标的浓度明显降低。吴珊等［13］针对水体富营养化问题，比较了5种不同固定化方法对光合细菌固定的效果，发现采用固定化技术可以有效提高光合细菌对藻类的抑制效率，为利用光合细菌控制相对开放的水域中水体富营养化现象提供了理论依据。

现有关于微生物固定化处理污染河水，多处于实验室研究水平，也有在河道中应用的探索，李富宇［14］在河道内放入长30 m，宽3 m的生物膜块，测定该固定化微生物对 COD、氨氮、TP 的最高去除率分别为 24.76％、18.72％和10％，比预计实验结果偏低。李海明［15］在模拟河道进行微生物固定化技术净化污染河水的模拟试验研究，固定化活性污泥经过13 d，对河水中氨氮、TP和TN的去除率分别达到了99.33％、53.73％和30.39％，优于空白对照河段。邸攀攀等［16］在河塘横向每 9 m 挂 10 个微生物膜，结果表明微生物固定化技术对COD、氮的削减效果比较好，并提高了水体透明度，且微生物固定化挂膜技术通过其自身微生物的高效生长，并协同环境因子调节河塘水体中微生物尤其是反硝化脱氮微生物丰度变化，从而达到良好的水质净化效果。

3　微生物固定化基本技术及影响

3.1固定化基本技术

微生物固定化方法繁多，目前还没有统一的分类方法，其基本作用原理大概可划分成吸附固定、交联固定、包埋固定以及介质截留4种类型［17-21］，其中最常用的为吸附固定法和包埋固定法，4种固定化技术的机理、常用材料、优缺点等如表1所示。

表1　四种基本固定化技术的比较

3.2固定化对微生物的影响

对微生物来说，固定化技术可以为其提供相对封闭的生存空间和相对稳定环境条件，保证微生物正常的生长代谢活动，降低外界环境中有害因素的影响，如抵御土著微生物的恶性竞争、防止噬菌体的吞噬、降低毒性物质的毒害等。包埋固定化颗粒的孔道直径具有由外向内逐渐增加的特点，可以使微生物不容易溶出、水中大的悬浮物也难以进入颗粒内部，此机械隔断作用可以保证颗粒内部相对清洁［22］。固定所用的材料也可以通过电荷反应、氢键作用等吸附水中的有毒物质，此吸附机制使微生物所处的微环境得到改善，固定化载体对有毒物质的可逆吸附为菌体提供了保护作用，则提高了对有毒物质的耐受性。微生物在固定化材料表面和内部增殖以后用于污染治理，其数量得到大大提高，相对于进入颗粒内部的土著微生物而言，其在数量上具有明显的优势，这种优势种的排斥作用也强化了微生物的作用。

固定化对微生物的影响并非都是积极的，颗粒内部微生物的生长状况也会有很大的差别，部分区域营养物质及氧气不充足、微环境的改变可能会造成微生物生长速率的降低，而基质对微生物的保护作用则会促进微生物的生长，同时不同的底物浓度、有毒有害物质含量都会影响固定化微生物的生长。微观分析表明，固定化颗粒的孔隙结构在径向上分布有所差别，中心部位的传质性能没有表层好，导致菌体因不能得到充足的养分、代谢产物不能及时排出而出现生理形态的变化［23］。固定化颗粒对有害物质的过多吸收也会对微生物产生一定的毒害作用［24］。

4　微生物固定化技术的改进

4.1复合固定法

复合固定法［25］指将不同的基本微生物固定化方法组合，利用各种方法的互补以改进单一固定化方法的不足，使微生物固定化颗粒具有更好的性能和处理效果。常用的复合固定法为吸附-包埋复合固定法，该法制得的颗粒中，包埋剂作为固定化颗粒的基本骨架结构，同时可以削弱外界环境对微生物活性的影响；吸附基质填充于包埋颗粒的内部，对固定化颗粒的性质有一定的影响，同时能够吸附部分的氨氮等污染物，使其浓度在颗粒内部得到聚集以供微生物利用；微生物是固定化颗粒发挥降解作用的主体，也可以降解吸附基质所吸附的氨氮实现基质的生物再生。商平等［26］研究表明吸附-包埋-交联法比不加沸石的包埋-交联方法得到的固定化颗粒对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传质和微生物作用速度的影响，并与污染物浓度有关，添加吸附基质可以使微生物承受更高的污染物浓度，但会影响固定化载体的扩散系数。

4.2共固定

共固定指将具有不同功能的微生物进行组合后，共同固定于同一载体上，稳定生长后以生物膜的形式存在，膜外层为好氧的微生物，膜内层为兼性厌氧菌，形成一个相对完整的微生物生态系统。杜刚等［28］将具有有机物分解、硝化、反硝化3种功能的微生物组合后进行共固定，利用不同种类微生物的协同作用处理养殖水体，发现该共固定化所形成的生物膜对养殖水体中不同形态的氮具有较好的去除效果，远远大于加有等量游离混合菌的作用效果。刘海琴等［29］用SA和PVA两种包埋剂将含有不同功能的微生物复合菌群进行固定，表明微生物固定化后的脱氮效果较好。赵琳等［30］通过控制曝气方式实现了包括厌氧菌和好氧菌在内的不同氮转化功能细菌共同固定于载体材料的表面，细菌增殖后进入多孔材料的内部实现了稳定固定。

4.3固定化材料改性

指载体材料表面基团或孔结构的改性优化，利用反应性大孔载体提高所得固定化微生物的稳定性等［31］。常见的有在固定基质中加入不同材料［32］；磁性固定化技术［33］等。侯艺等［34］对载体改性得到功能化硅包覆介孔磁性载体易于再生并能保持较好的效果。张密林等［35］通过研究磁性细菌对屠宰废水的处理效果，指出磁粉和磁场可以增强微生物的代谢活动和降解活性，提高系统的处理效率。常中春等［36］在包埋剂海藻酸钠中加入适量的Fe3O4磁性纳米粒子，制备的微胶囊具有良好磁响应效果、成球效果良好，粒径小且大小均匀。袁媛［37］采用盐酸对活性炭纤维进行改性处理，并固定株微囊藻毒素降解菌用于污染物的降解，实验结果表明固定化菌的降解效果优于游离菌，且该材料具有良好的生物相容性。Takei等［38，39］指出硫酸钠代替硼酸作为诱导物与PVA进行交联可以降低对微生物活性的影响，提高固定化颗粒的稳定性，且具有较高的胶化率和低的溶胀率。

4.4固定化手段的改进

当前研究中也有对固定化操作方法进行改进，如采用喷雾方式［35］制备包埋固定化颗粒，循环接种法［40］进行吸附固定微生物，均取得了较好效果。通过对PVA-SA固定化颗粒进行二次交联反应，可以有效提高颗粒的机械强度，降低水溶膨胀性［41］。在固定化操作过程中添加葡萄糖和底物，可以使所固定的微生物保持了较好活性［42］。茆云汉等［43］指出PVA-硫酸盐法得到的固定化颗粒在机械稳定性和生物活性两方面优于硼酸法、硝酸盐法、磷酸盐法和冻融法。

5　存在问题与发展趋势

微生物固定化技术用于河流氨氮污染的治理仍存在一定的需要克服的难题。

5.1固定化载体材料方面

针对一些特殊的使用环境及需求，功能性载体材料研究开发也显得非常必要，同时如何降低固定化载体对细胞的毒性、提高固定化细胞的力学强度、通透性、成本及寿命等方面还有许多问题需要解决。污染地表水的低有机物浓度限制微生物生长，影响微生物菌体的活性，对此开发可替代某些营养的固定化载体材料，或筛选贫营养菌进行固定。包埋材料有助于微生物抵抗外界不良环境的影响，但同时也会限制微生物的自由生长，可能会导致菌体形状、生理特性等发生变化；微生物在载体内生长时也可能会导致载体内部受力不均匀而使结构发生变化，影响稳定性，对此需要研究性能稳定的载体材料，并控制好操作条件。

5.2固定化菌种方面

因为不同的微生物菌种的生理特点、代谢途径、对外界环境的要求和适应能力都有所不同，与固定化材料之间的相互作用也有差别，所以不同的菌种对应不同的固定化方法，在研究中可以筛选出适合于同种固定化方法的优势菌种，并构建成为优势菌群，发挥不同菌种的协调作用，起到稳定的效果。

5.3微环境塑造方面

对于水体氨氮污染问题，由于硝化和反硝化是两个独立的过程，两种微生物难以同时固定，导致氨氮不能高效彻底的去除，因此研发硝化细菌和反硝化细菌的同时固定化工艺，使外部好氧域进行硝化反应、内部厌氧区进行反硝化反应，或者固定厌氧氨氧化菌、异养硝化菌等新型脱氮微生物，使固定化颗粒可以将氮素彻底从水体中去除，具有一定意义。

5.4应用方面

固定化颗粒在应用时，固定化颗粒的沉降性能、如何适应水体的水力特性、并能保持固定化颗粒的长效稳定性也是值得探讨的问题，对此可以添加合适的无机矿物材料，提高固定化颗粒的机械强度，改善颗粒的水力沉降性能；采用温和的物理改性方法，强化颗粒表面的亲水性，提高其在水中的分散性；设计高效的微生物固定化反应装置，提高微生物固定化颗粒的稳定性、适应性和长效性。

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（责任编辑 狄艳红）

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

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07204-001-004）

于鲁冀，男，教授，研究方向：水生态净化与修复、环境微生物等；E-mail：yuluji@126.com