生物炭固定化微生物技术在废水处理中的研究进展

秦 宇 吴慧芳

(南京工业大学，江苏 南京 210000)

随着我国经济和工业化的快速发展，工业废水已经成为我国最大的污水主体。现阶段，由于原料、助剂等成分不断更新，使得出水水质可能达不到出水排放标准。为了提高出水效果，这需要研究新的处理技术，从而使废水排放达到标准，维护生态环境。

固定化微生物技术具有设备简单、处理效果好、没有二次污染等优点，并且比传统生物法成本低，是二十一世纪最有潜力的水处理技术之一[1]。生物炭固定化微生物技术则结合了生物炭和固定化微生物技术的优势，使得固定化微生物技术的应用范围更广，同时能多次重复利用，节省成本，在工业废水处理上具有很好的应用前景。

论文就固定化微生物技术及生物炭阐述生物炭固定化微生物的优势，同时介绍一下生物炭固定化微生物在水处理中的研究进展。

1 生物炭固定化微生物

1.1 固定化微生物技术概念

固定化微生物技术是采用物理化学方式将游离的微生物固定在载体上，使微生物在一定的空间内高度富集，与水隔开，使其既能有效处理废水，又能在一定时间内保护微生物细胞活性，不受有毒化合物的影响，能多次反复使用[2-3]。固定化微生物优点：

(1)保持微生物较高浓度和纯度，提高废水的有机负荷；

(2)增强微生物对不同浓度、温度、pH及废水种类的适应能力，提高微生物承受毒害物质的能力，加快固液分离，减少二次污染；

(3)使微生物在一定时间内保持活性，从而反复使用，提高其经济效益[2]。

这些优势使得它较传统生物技术具有更好的应用价值。

1.2 生物炭概念

生物炭一般是指在厌氧或缺氧的条件下，生物质原材料经一定的高温裂解产生的一类稳定的、含碳量高、比表面积大的固体生物燃料[4-6]。生物炭制备的原材料来源丰富，常有木炭、竹炭、污泥等[6-7]。生物炭作为人工合成的无机载体，具有较大的有效表面积，丰富的孔隙结构，强吸附力和稳定的物化性质[8]。生物炭虽然未经活化，但仍具有活性炭的优势和较高的活性，并且价格比较低廉，是很好的活性炭的替代品。生物炭在处理有机物及重金属污染的水体具有很好的应用。

1.3 生物炭固定化微生物技术

生物炭固定化微生物技术是将吸附作用与降解作用相结合。生物炭的比表面积大，能吸附更多的微生物，同时也为微生物提供稳定的环境，保持微生物的细胞活性，从而提高微生物的降解效率[8]。生物炭固定化微生物材料可以反复多次使用，从而节省成本。生物炭固定化微生物适用于土壤修复、工业废水的处理等，是一项很有潜力的生物技术。

2 生物炭固定化微生物在废水处理中的研究进展

生物炭固定化微生物技术在多种废水中都具有研究应用，如含氮废水、含酚废水、多环芳烃(PAHs)废水等。

2.1 处理含氮废水

随着经济发展，水中氨氮也越来越多，特别是来自工业废水中的氮。一旦将氮排入水体，氮就会在水中累积，从而造成水体营养过度，水中的微生物特别是藻类大量繁殖，进而破坏水生生态环境，对人类健康造成威胁[3]。Liu等[8]采用竹炭作为微生物固定化的载体，研究其对水中硝酸盐的去除效果。实验研究表明，使用固定化细胞明显改善反硝化效果，固定化细胞的反硝化时间为15小时，比游离细胞的反硝化时间缩短了9个小时，反硝化的效率也增加了2.2mg/lh。固定化细胞重复使用率也很高，可以反复使用10次，脱氮效果依旧保持在99.8%。赏国锋等[9]采用稻壳生物炭作为载体，将硝化细菌固定在载体上研究其对水中氨氮的去除效果。实验结果表明：常温条件下，水样的初始氨氮浓度≤300mg/L，溶解氧浓度控制在1.5mg/L左右，pH调节为7.5，用稻壳固定硝化菌的生物炭材料可去除85%氨氮。

2.2 处理含多环芳烃(PAHs)废水

多环芳烃属于难降解有机物，由于其具有持久性，生物累积性，细胞毒性和致癌性，对人类会产生长期的影响[10]。随着工业企业的生产快速发展，环境中的PAHs含量快速增加，超过环境自身可以降解的量，使得自然环境中的PAHs不断累积，成为重要的环境污染物之一[11]。近几年采用生物炭固定化微生物技术处理多环芳烃废水已取得一些研究成果。Deng等[12]采用改性后的花生壳生物质炭(M-PSP)固定化微生物，研究其对芘(PYR)的生物降解效果。实验结果显示：经氢氧化钠和过氧化氢处理过的花生壳活性炭(M-PSP)的具有更大的比表面积，从而负载更多的微生物。在pH=7.0，温度为30℃，PYR浓度为50mg/L时，M-PSP固定微生物7d内处理效果为70.2%，比没有改性的生物炭处理效果高12.6%，比游离细菌处理效果高25%。

2.3 处理含酚废水

酚类化合物是一种常见的工业废水污染物。该类物质毒性大，降解困难，能通过废水的排放进入污染水源，从而危害人类健康和生态环境[13]。生物炭固定化微生物技术则结合了吸附法和生物降解法优势，而成为处理酚类废水的一研究热点。黄茜等[14]采用竹炭作为固定化载体，研究其对壬基酚的降解效率。研究结果表明：采用竹炭进行微生物固定的最佳制备条件为温度30℃、pH=7、竹炭粒径35目。在不同的壬基酚初始浓度下(30、50、80、100mg·L-1)，采用竹炭固定的细菌7d内对壬基酚的降解率分别为100%、75.3%、67.3%、78.7%，比游离菌在不同壬基酚浓度下的降解率高约50%。竹炭固定菌也可以长期重复使用，重复使用4次的降解率依旧很高。

3 结语

生物炭固定化微生物作为一种新技术，在处理重金属废水、高浓度有机物废水、新型污染物废水上具有广阔的应用前景。生物炭也可以与其他固定化载体相结合，增加固定化材料的稳定性，提高其微生物的处理效果，从而提高废水的出水水质，保护生态环境。