齐水冰 罗建中 乔庆霞（广东工业大学环境工程系）
１ 引言
固定化微生物技术是用化学或物理的手段，将游离细胞或酶定位于限定的区域，使其保持活性并可反复利用的方法。最初主要用于发酵生产，７０年代后期，被用到水处理领域，近年来则成为各国学者研究的热点。固定化微生物技术克服了生物细胞太小，与水溶液分离较难，易造成２次污染的缺点，保持了效率高、稳定性强、能纯化和保持高效菌种的优点，在废水处理领域有广阔的应用前景。在实际应用过程中，如何固定、何种载体，才能使固定化微生物能较长时间的保持一定强度和活度，才能降低固化的成本，延长固定微生物的使用寿命，是该技术在污水处理中得到广泛应用的关键。文本着重介绍近年来废水处理中常用的固定化材料，及比较成熟的固定方法和影响因素。
２ 常用固定化方法
废水处理中常用微生物固定化方法主要有：包埋法、交联法、载体结合法。
２．１包埋法
包埋法是利用线性网状结构的高分子聚合物载体的加裹作用，将游离细胞截留在形成的高分子材料内，其结构可防止细胞渗出到周围培养基中，但底物仍能渗入与细胞发生反应。包埋法操作简便，微生物本身不参与水不溶性胶网格或微胶囊的形成，活力较高，应用广泛。但包埋材料会一定程度阻碍底物和氧扩散，并对大分子底物不适用。Ｊｏｓｈｉ用海藻酸钙、聚丙烯酸酯、琼脂、蛋白质等，分别包埋产苯化工厂的活性污泥用于含酚废水处理。结果表明，海藻酸钙有最大的酚降解率，能市郊降解浓度在１０００ｍｇ／Ｌ以上的含酚废水，固定化污泥反复使用１２次而酚降解率不变。
２．２交联法
交联法是使用双功能或多功能的试剂与酶分子进行分子间的交联固定化方法。由于酶蛋白的功能团参与此反应，所以酶的活性中心构造可能受到影响，而使酶显著失活。此外，在剂如戊二醛等价格昂贵，限制了其应用，实际常与其它方法结合。陈陶声等报道，Ｓｍｉｌｅｙ使用苯酚甲醛树脂Ｄｕｏｌｉｔｅ ＤＳ－７３１４１，来吸附枯草芽孢杆菌的α－淀粉酶交联，形成酶－树脂复合物，用于连续水解造纸废水中悬浮微纤维的胶态淀粉，效果很理想。
２．３吸附法
又称载体结合法，是通过物理吸附、化学或离子结合，将微生物固定于非水溶性载体。这种方法操作简单，对微生物活力影响小，但所结合的微生物量有限，反应稳定性和反复使用性差。美国宾州大学培养从活性污泥中分离出的优势菌丝孢酵母（Ｆｒｉｃｈｏｓｐｏｒｏｎ ｃｕｔａｎｅｕｍ）和假单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａ ｓｐ），提取高酶活的酚氧化酶，再以化学手段结合到玻璃珠上，用于处理冶金工业酚废水，使固定酶活性可达游离细胞的９０％。
３ 载体的选择
水处理中对载体的要求是：
1) 具有足够的机械、物理和化学稳定性；
2) 具有惰性，不能干扰生物分子的功能；
3) 具备一定的容量；
4) 价廉易得。
载体包括２大类：无机载体如多孔玻璃、硅藻土、活性炭、石英砂等；有机载体如琼脂、聚乙烯醇凝胶（ＰＶＡ）、角叉莱胶、海藻酸钠、聚丙烯酰胺（ＡＣＡＭ）凝胶等。无机载体常用于吸附法，高质量无机载体的指标之一是有较大的表面积。无机载体常与包埋载体结合，以提高包埋载体的强度，扩大孔径，提高包埋微生物的使用效率与寿命。吸附法中微生物与载体结合不牢固，易脱落，吸附数量不多；胶联法固定微生物活性较低，很少单独使用。
本文则主要讨论常用于包埋法的载体，而包埋载体品种很多，主要在天然高分子凝胶和有机合成高分子载体２类。
３．１天然高分子载体
天然高分子载体有琼脂、海藻酸钙、角叉莱胶等，它们无生物毒性，传质性好，但强度较低，在厌氧条件下易被生物分解。琼脂凝胶有良好的惰性，但机械性能与化学稳定性差，常在碱性条件下加２，３－二溴丙醇交联，以提高其稳定性。琼脂凝胶在实际操作时应避免剧烈搅拌破坏结构，同时也应尽量避免冷冻。海藻酸盐的分子式为（Ｃ８Ｈ８Ｏ８）ｎ，聚合度可从８０到７５０，无毒、不易被降解，一价盐为水溶性，二价以上的为水不溶性。可形成耐热的凝胶的重要依据，实际应用中常添加其它物质以增加强度。
３．２合成有机高分子载体
合成有机高分子聚合物有ＡＣＡＭ、ＰＶＡ、聚乙酰几丁酯、光敏聚乙烯醇等。一般强度较好，但传质性能较差，包埋后对细胞活性有影响。实际应用需注意其表面亲水性、粘度均一性和内部孔的结构。ＰＶＡ因无毒、价廉、搞微生物分解和机械强度高等特点受到重视，被认为是目前最有效的固定化载体之一。但存在包埋颗粒易破碎、传 质阻力大、产气上浮及活性丧失大等缺陷。实际常以ＰＶＡ为主要包埋骨架，添加其它能提高包埋效果的添加剂。闵航等以ＰＶＡ为主要包埋材料的混合载体，来固定厌氧活性污泥，以处理有机废水。混合载体由聚乙烯醇、０．１５％海藻酸钠、２％铁粉、０．３％碳 酸钙、４％二氧化硅组成。中野报道，ＰＶＡ胶制备过程中，加入少量粉末活性炭可提高凝胶强度，且制成的固定细胞在进水不稳定、难降解组分突然进入处理系统的情况下，与单一ＰＶＡ凝胶相比显示出优势。
３．３载体的混合使用
实际中常将几种载体混合使用，利用各自的优点以提高使用效率。Ｐａｉ用含１％活性炭、４％海藻酸钙凝胶、１％湿菌体的泫藻酸钙凝胶，包埋微生物以降解苯酚废水，效果比较理想。Ｌｉｎ利用海藻酸钙与吸附剂（粉末活性炭）联合包埋固定Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｔｅ ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｎ菌，用于降解五氯酚，与非固定化和单独固定化体系比较的结果表明，联合固定化体系更有效。孙艳利用添加硅藻土和用已二胺一戊二醛，对降酚菌种（以海藻酸钠包埋固定）的表面进行化学处理，使固定细胞的机械强度、降酚活性和稳定性得到了提高。陈敏提出聚乙烯醇包埋活性炭与微生物的固定化技术，并用于有机磷农药水胺硫磷的降解，结果表明固定微生物对废水温度、ｐＨ值和水胺硫磷浓度的适应范围扩大。混合载体法有效地缓解了实际固定化细胞成球难、易破碎、活性易丧失等难题。
３．４常见固定细胞载体性能比较
一些常见的固定细胞载体性能比较如表１。
表１ 各种固定化细胞载体的性能比较
性能
载体
琼脂
海藻酸钙
角叉莱胶
ＡＣＡＭ
ＰＶＡ－硼酸
压缩强度（ｋｇ／ｃｍ２）
０．５
０．８
０．８
１．４
２．７５
耐曝气强度
差
一般
一般
好
好
扩散系数（１０－６ｃｍ２／ｓ）
/
６．８（３０ºＣ）
３．７５（２５Ｃ）
５．４４～６．６７（６０～７５Ｃ）
３．４２（２５Ｃ）
有效系数
７５
６８
５８
６０
/
耐生物分解性
差
较差
好
好
好
生物毒性
无
无
较强
较强
一般
固定的难易
易
易
难
难
较易
成本
便宜
较便宜
贵
贵
便宜
４ 影响因素
４．１ｐＨ值
ｐＨ是影响固定化的主要因素之一，国内外许多学者对此进行了研究。Ｍａｌｌｉｃｋ等对ｐＨ、藻密度、有机酸及二价阳离子等因素的影响进行了研究，结果表明藻（干质量）密度在０．１ｇ／Ｌ，ｐＨ在６～８时，藻对无机污染物的去除率最佳，而腐殖酸对去除率的影响最大。除容的研究表明，固定化产黄青霉菌颗粒对Ｐｂ２＋的吸附受ｐＨ的影响较大，在ｐＨ值为２～５时，吸附量随ｐＨ值的增大而呈线性增加，在ｐＨ大于５后，逐渐趋于最大值，最佳ｐＨ值为５～５．５。另有研究表明，活跃硝化杆菌（Nitrobacter agilis）包埋到海藻酸钙的小球中，装入流化床处理含ＮＯ２的废水，３０ｈ内ＮＯ２可被完全氧化，但系统对酸碱度比较敏感，ｐＨ也不能恢复活性。王翠红报道，用固定化藻菌系统处理含酚废水，固定系统的最适ｐＨ变化范围为７．０～８．５；同时，ｐＨ对固定化小珠强度也有影响，ｐＨ越高，小珠强度左，当ｐＨ≥１０时，小珠立即破碎，ｐＨ≤７时，小珠可稳定３０ｄ左右。
４．２温度
温度是影响菌体包埋体包埋颗粒机械强度的关键因素。温度高不利于颗粒形状的保持，细胞包埋后的硬化过程中，环境温度应保持不高于２０ºＣ，偏高的环境温度可能导致硬化不彻底而造成颗粒强度降低。翟晓萌等利用海藻酸钠包埋微生物处理有机微污染源水，当温度降到２０ºＣ时，经过６ｄ的观察测定，颗粒强度保持良好，但温度对提高包埋颗粒的最高ＴＯＣ降解率及其出现时间，以及水中的ＴＯＣ变化趋势，有影响作用。适合硝化菌生长繁殖的温度在２５～３５ºＣ之间，对固定化硝化菌而言，当温度在１５～２０ºＣ时，氨氮的去除效果较好，在２４～２８ºＣ范围内，固定化硝化菌硝化速率很高，除氮效果相当好。牛志卿利用紫色非硫光合细菌降解活性艳红Ｘ－３Ｂ后指出，固定化和游离细胞的适应温度范围均为２５～４５ºＣ，自然细胞最适温度为３０～４０ºＣ，固定化细胞为３５～４５ºＣ，固定化细胞最适温度一般和完整细胞一样，台刘树培的研究表明，在ｐＨ为７．０的条件下，固化细胞与自然细胞的最适温度皆为３０～４０ºＣ，热稳定性也一样，但５０ºＣ以后，细胞活力有较大变化，６０ºＣ后处理活力显著下降。
４．３载体及菌体浓度
载体浓度直接影响固定化细胞的性能。载体浓度越高，固定化小球的强度越大，但粘度增加，使操作的难度增加，且不利于基质的传递，对微生物的生长也有影响。Bailliez利用海藻酸钠固定从粒藻（Botrvococcus braunnii），发现其生长速率略低于悬浮自由藻，细胞形状相同，大小约为悬浮藻的２．５倍。菌体浓度越高，一般处理效率亦较高，但易造成供氧不足。对不同的载体和不同的处理对象，合的包埋条件非常重要。刘双江以不同的包埋剂和包埋量，制备固定化光合细菌处理豆制品废水，结果表明，在湿细胞包埋量分别为１０、２０、３０ｍｇ／ｍＬ情况下，以海藻酸钠制备的固定化细胞放氢量，优于以琼脂为包埋材料制备的固定化细胞。杨基础在不同海藻酸钠浓度下固定双歧杆菌发现，随海藻酸钠浓度的增大，细胞的回收率有所增加，但变化不大，而体系的粘度大幅度增加，操作难度亦随之增大。
５ 结语
固定化微生物技术处理废水，由于处理效率高、稳定性强、生物浓度高、能纯化并保持高效菌种、固液分离效果好，故有广阔的应用前景。但由于载体或成本大，需繁杂的提酶过程，还需对废水进行适当的预处理等，所以实际应用尚不多。今后固定化技术能否得到进一步应用推广的关键是：
1) 廉价固定化微生物载体的开发；
2) 如何提高载体的使用寿命；
3) 固定化微生物体系的选择；
4) 高效固定化微生物反应器的开发。
来源：资源与环境