生物固定化技术在污水处理中的研究

白靖铭

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

1 生物固定化技术的理论基础和机理

生物固定化技术［1］是利用各种理化方式的处理，旨在将少数游离微生物细胞或者酶等生物催化剂引导到指定要求的区域内，保留或者限定在指定要求的区域内，从而使细胞浓度逐渐增加，间接提升了细胞的活性，在实际操作中上也可以重复使用［2］。这种手段的特点在于不需要从细胞内提取出酶的类似物，在后续处理的过程中不需要纯化，凭借这些优势可以将该技术广泛应用于环境污染治理工程中。

2 生物固定化技术的分类

2.1 酶固定化

将多种酶通过重氮化法固定在聚氨基苯乙烯树脂上，从而制成固定化酶。固定化酶在广泛的应用过程中，该技术取得了很好的应用效果，很大程度上提高了酶的利用率，并且被广泛推广。

2.2 细胞固定化

通过自然或者人工吸附的手段将微生物固定在支撑工具上，使其形成在固定化态。从而具有高催化活性、催化再生性、长期稳定性以及低扩散性等优点。

3 生物固定化技术的方法

生物固定化技术方法的种类较多，其中有代表性的种类包括处理填埋法、吸附去除法、共价结合法和联合作用法4大类

（1）处理填埋法：将微生物细胞截留在水不溶性的多聚体化合物孔隙的网络空间中，通过集聚沉淀作用、网格式离子作用或是改变外界条件，如温度和pH值等方式达到要求。

（2）吸附去除法：该方法的类型可分为离子交换吸附和强吸附物质吸附。强吸附物质吸附是将微生物用吸附性能较强的物质去作用，并固定化作用于其表面，这种较强吸附物质可以是活性炭等其他吸附性能较强的吸附剂。离子吸附是由于离子的健合作用和离子交换剂的相反电荷条件，从而使其固定的一种方式。吸附去除法机理是不同吸附类型共同结合的结果，其中包括菌种表面与载体表面的静电作用、分子间作用力、氢键、疏水作用和电子亲和力等作用。

（3）共价结合法：是官能团之间以共价键来形成的，通过微生物细胞表面官能团与载体表面基团连接的。

（4）联合作用法：微生物细胞表面的基团通过直接利用双功能或多功能试剂发生反应而交联固定，以共价键的方式相互形成网状结构。该方法稳定性好，适应能力强。

4 生物固定化技术应用

4.1 难降解有机废水处理

难降解的有机废水有机物浓度高［3］，且组成复杂，含有毒物质较多，同时还有一些像染料废水一类的色度较大的废水。生物固定化技术在处理浓度较高且不易处理的废水中起到了至关重要的作用。污水中的有机污染物被吸附在固定化载体表面的微生物上，部分有机污染物穿过生物膜进入到微生物细胞内部，被酶降解，部分有机污染物被细胞外酶发生降解作用而被部分分解，由于载体表面的有机污染物浓度降低，导致产生内外浓度差，进而使废水中的有机污染物向载体表面扩散，促进降解作用。海藻酸钙固定化的小球［4］在处理废水中最特别的就是显著降低了染色率，并且在较长时间内也不会恢复，因此在处理偶氮染料废水也起到重要的作用。

4.2 对氨氮的去除

通常情况下，我们根据固定化微生物的内部生理结构与氧气之间进行交换的程度，可分为厌氧部分，缺氧部分和好氧部分，且顺序由内到外，在载体中间存在着大多数反硝化细菌，本着兼性的条件下，可以更好地为硝化［5］和反硝化反应过程的参与提供条件，以比较具有代表性的两种硝化菌：亚硝酸盐氧化菌和氨氧化菌为例，他们在参与硝化反应的时候会进行如下流程：（1）氮会被氨氧化菌迅速氧化成亚硝酸盐；（2）亚硝酸盐会被亚硝酸氧化成硝酸盐，而在进行反硝化的过程中则是亚硝酸盐被还原成N2或NO2的过程。在治理氨氮废水的诸多方法中，凭借其自身高效处理的优势，生物固定化技术已被广泛的应用到该领域中。

4.3 金属废水的处理

在进行农业和工业生产中极有可能引起镉的污染，其带来的严重危害表现在镉能通过食物链并经过生物富集作用，最终通过食物链等多种方式进入到人体，所以对镉的治理至关重要［6］，试验者通过一系列的实验分析发现：海藻酸钠-干凝胶固定化墨角藻［7］吸附镉的容量增加二倍，进行固定化的啤酒酵母［8]比没固定化的啤酒酵母吸附性大很多，吸附量也增大很多。废水中的铬［9］如果不能得到及时处理，就会对人体健康造成威胁，所以必须及时将其去除。在进行实验的过程中能够合理利用固定化后的球类水藻［10］将Cr（IV）全部去除，通过提高吸附剂的投加量，使得金属离子结合点位的数量得到了提高，从而在某些方面提高了去除效率。另有试验者利用海藻酸钠固定化霉菌菌丝［11］吸附废水中的铬，其中去除率增大许多，吸附效果有一令人满意的结果。所以生物固定化技术［12］在进行重金属污染物的处理数据方面有了很大的说服力，废水中的重金属种类较为复杂，要提高重金属污染物的去除率，就要在今后的试验研究中不断的去发现更佳的生物菌种，从而能够去除重金属。

4.4 对含酚废水的处理

进行处理时首先要将活性污泥用苯酚［13］驯化好，再以这些活性污泥为底物制成球状的具有固定化性质的微生物群体，之后又改变了酚类废水的性质，并且通过多次研究得出生物固定化技术在反应时间和底物浓度方面均起到了较好的作用，对COD的去除提高了许多。在处理含酚类的废水中，该技术能够较大地提升对污染物的去除率。

5 生物固定化技术的发展

5.1 高效菌

高效菌是生物固定化技术研究领域中不可缺少的重要部分，一般从特定培养的微生物中获得我们目的的高效菌。近几年来的科学研究中，我们得到的大多数高效菌在某些程度均不能满足我们的要求，所以在深入的研究中进行优化是当务之急的事。

5.2 固定化载体材料

随着污水处理的发展［14］和水质标准的提高，生物固定化材料必须满足无毒无害性，环保是第一，同时还需要有好的机械性能和稳定的化学性质，保证固定化细胞或酶的活性，以及被固定的细胞与载体媒介易于分离，物美价廉，并有较长的使用寿命。从吸附上讲，能大大提高固定化效果。我们除了在自然环境中发现了许多载体，还可以通过人工合成的方式获得满足需要的载体。常用的新型载体材料有：纳米材料载体、纤维素材料载体、磁性材料载体和介孔材料载体。

5.2.1 天然聚合物

这一类型的聚合物优点在于得到的细胞存活率较高，尤其是在很多胁迫环境中得以生存。海藻酸是由 β（1，4）-D-甘露糖醛酸和 α（1，4）-L-古罗糖醛酸组成的线性聚合物单体，海藻酸盐在内部形成不同孔径的凝胶小球。 当海藻酸遇见Ca2+并与其接触时，Ca2+会与线性的聚古罗糖醛酸结合形成交联的网状结构。相比于甘露糖醛酸与Ca2+的结合能力，古罗糖醛酸与Ca2+的结合能力更强，所以古罗糖醛酸所占含量越高，凝胶形成就越好。

5.2.2 合成聚合物

聚乙烯醇（PVA）固定化技术有着满足机械性强、稳定性高、恢复性好的优质条件，并且对细胞无毒无害。将聚乙烯醇热溶于水形成水溶液，再向聚乙烯醇水溶液中加入添加剂或将其处于零下十摄氏度的低温下可以发生凝胶化，从而将细胞包埋固定。常用的添加剂为硼酸（H2BO3）。通过大量研究可以发现，将海藻酸盐加入到PVA交联过程中，可以增强其成球的能力。PVA-H2BO3包埋固定技术有很好的发展价值。

5.2.3 纳米材料载体

纳米材料载体具有极其细小，但较大比表面积的颗粒，在载体表面上，易于偶联一些特异性的配体，便于对特定酶的结构和特性进行有效控制、具有更高的表面自由能，且易于分离。

5.2.4 纤维素材料载体

纤维素的来源较为广泛，凭借其较好的稳定性可以作为生物降解的材料。目前也发现了很多新载体为试验提供了多种选择。

5.2.5 磁性材料载体

磁性高分子微球是采取技术手段，能够很好地结合高分子的有机材料和带有一定磁性的无机颗粒得到的共同体。因内部含有磁性金属或金属氧化物的超细粉末而具有磁响应性的高分子微球。其中，Fe3O4纳米物质［15］应用广泛，这类纯磁性载体有着良好的分离效果，但是对酶的亲和性不是很高，所以有研究者将Fe3O4与聚氨酯泡沫体（PUF）结合，经研究发现，Fe3O4-PUF提高了Fe3O4的热稳定性，这种优势磁性材料能够在人为添加磁场的条件下实现磁性可控，从而更好地发挥它的性能。

5.2.6 介孔材料载体

在酶固定化领域中，孔径和比表面积较大的介孔材料得到了很多实验者的广泛应用，很多有机和无机联合的材料也被广泛的应用与研究。通过有机物质参与联合使用，使得酶的活性以及吸附性得到了较为显著的提高，发展前景很广阔。

6 结语

在污水处理的热门问题中，生物固定化技术已经越来越成为一种受关注且可行性强的处理污水的方式，因其处理效率高、稳定并能纯化以保持高效菌种且方便可行等优点在污水处理中取得了不错的效果，当然生物固定化技术在某些方面也有一些缺点之处。在生物固定化的研究过程中，对于生物载体的选择、培养与优化是研究课题重点。在进行大量的科学研究的过程中，许多的不足之处都会得以改进和克服，在以后的研究中，不断优化和充分发挥生物固定化技术，真正地让生物固定化技术在污水处理领域中发挥更大的作用。