1固定化微生物技术简介
固定化微生物技术是从20世纪60年代末直接从固定化酶技术发展起来的，它是用化学的或者物理的手段和方法将游离微生物限制或定位在某一特定空间范围内，保留其固有的催化活性，且能够被重复和连续使用的现代生物工程技术。利用固定化微生物技术，可将选择性地筛选出的优势菌种加以固定,构成一种高效、快速、耐受性强、能连续处理的废水处理系统，可以有效地减少二次污染。固定化微生物废水处理技术与传统的悬浮生物处理工艺相比，具有处理效率高、运行稳定、可纯化和保持高效优势菌种、反应器生物量大、污泥产生量少以及固液分离效果好等一系列优点。这些突出的优点使得该技术在水处理中得到越来越多的研究和应用。
但在实际应用过程中，现有的固定化技术又有各自的局限性和缺点。选择何种固定化方法和运作工艺，使固定化微生物保持高稳定性和高活性、降低成本，且能延长固定微生物的使用寿命是该技术在废水处理中能否广泛应用的关键[1]。
1.1固定化微生物技术分类
国内外不同的研究工作者对固定化法采用不同的分类方法，目前较合理的固定法大致有包埋法、吸附法和共价结合法三大类，其中以包埋法最为常用。
1.1.1包埋法
包埋法是用物理方法将微生物细胞包埋在凝胶的微小空格内或埋于半透膜聚合物的超滤膜内。根据载体材料和方法的不同，包埋法可分为凝胶包埋法和半透膜包埋法两种。凝胶包埋法是将细胞包埋在各种凝胶内部的微孔中而使细胞固定的方法；半透膜包埋法是将细胞包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内而使细胞固定的方法。目前工业应用中以凝胶包埋法固定细胞最为广泛。
1.1.2吸附法
吸附法又叫载体结合法，是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和粘附力的作用，而使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法，可分为物理吸附法和离子吸附法两种。从本质上来看，吸附固定法是微生物自我固定，它在废水生物处理中已广泛应用，如生物塔滤池、生物接触氧化法、厌氧滤器、厌氧流化床等生物膜，以及上流式污泥床内厌氧颗粒污泥，都是依靠微生物吸附于载体(填料)表面或自聚凝而成，尽管成膜过程或颗粒化过程的机理不甚清楚，但技术工艺已非常成熟。
1.1.3共价结合法
共价结合法是细胞表面上功能团(如α-,ε-氨基、α-,β-或γ-羧基或羟基咪唑基、酚基等)和固相支持物表面的反应基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。该法细胞与载体之间的连接键很牢固，使用过程中不会发生脱落，稳定性好，但反应条件激烈,操作复杂，控制条件苛刻。利
用此法制备的固定化细胞，细胞大多死亡。有人用此法将卡尔酵母固定在已活化的多孔玻璃珠上，虽然细胞已经死亡，但仍然保留生产尿酐酸的活性。
以上各种单一的固定化方法中，虽然各有自身的优势但也都存在着不同的缺点其性能比较见表1。
表1 各种固定化方法性能比较
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性能
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包埋法
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吸附法
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共价结合法
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制备难易
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适中
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易
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难
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结合力
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适中
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弱
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强
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细胞活力
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适中
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高
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低
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固定化成本
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低
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低
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高
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适用性
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大
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适中
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大
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稳定性
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高
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低
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高
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空间位阻
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大
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小
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较大
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1.2固定化细胞的载体
开发筛选理想的固定化细胞载体是固定化细胞技术能否投入实用的关键。适用于废水处理的理想固定化细胞载体应具备以下特点：(1)对微生物无毒性；(2)传质性能好；(3)性质稳定，不易被生物分解；(4)强度高、寿命长；(5)细胞的固定化操作容易；(6)水不溶性；(7)价格低廉等。研制开发具有这些特性的载体是固定化微生物研究中最为重要的课题之一。各种常用载体性能见表2[2,3,4]。
表2 常用载体性能的比较
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载体
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琼脂
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海藻酸钙
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角叉莱胶
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聚丙烯酰胺
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PVA-硼酸
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压缩强度（kg/cm2）
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0.5
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0.8
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0.8
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1.4
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2.75
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耐暴气强度
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差
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一般
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一般
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好
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好
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扩散系数(cm2/s)
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75
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68
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58
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60
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/
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耐生物分解性
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差
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较差
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较差
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好
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好
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对生物毒性
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无
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无
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无
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较强
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一般
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固定的难易
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易
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易
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易
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难
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较易
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成本
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便宜
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较便宜
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贵
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贵
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便宜
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1.3固定化微生物研究现状
固定化微生物技术用于处理废水研究已经进入一个新的发展时期，相应的理论构造己初步建立、并积累了较多的经验，换言之，固定化微生物处理废水的广泛工业化应用已为期不远。目前的现状如下：
(1)固定化厌氧微生物利用较多。由于脱氮菌和甲烷发酵菌不必要提供氧，因此对其进行固定化的研究较多。固定化方法可以恒定维持高浓度的具有很好活性的脱氮菌和甲烷发酵菌，并且因厌氧菌的性质而不需考虑固定化易造成供氧速度低下等问题。目前，对BOD类物质去除效果好的活性污泥进行固定化的研究较多，而对酚、胺等较难降解物质的细菌进行固定化研究较少。
(2)固定化方法中以胶体包埋法为多。用水凝胶材料对微生物进行包埋为常用的固定化方法，其直径一般在2-3mm。在基础研究中，使用天然高分子者较多，而对实际废水长期连续性处理的应用研究中，由于天然高分子物质的初期活性较低，因而多采用强度较高的PVA等合成高分子物质为载体。
(3)厌氧处理常用固定床，好氧处理多用于流化床。在厌氧处理时，固定床容易操作，因此使用较多。在好氧处理中，载体的不断流动可实现快速和均匀供氧，因而流化床使用较多。
(4)在高负荷条件下运转。固定化微生物的运转一般为非固定化微生物的3-10倍，在处理浓度相同条件下，可实现高的微生物浓度和效率。通常场合，好氧处理的BOD负荷可达3-1Okg/m3·d[4]。
2固定化微生物技术在处理不同废水中的具体研究进展
2.1含重金属废水的处理研究
环境中重金属的危害已为人们所认识，加快经济与环境方面可行的治理技术和处理系统的研究是非常重要的。处理高浓度重金属废水可采用沉淀过滤、离子交换、反渗透、氧化还原、溶剂萃取、膜分离及电沉积，但这些方法用于治理低浓度废水时效果不好，不能使金属浓度降到排放标准以下。大量研究表明,微生物固定化后有利于解决这一难题。目前处理重金属废水的固定化微生物来源主要是菌体和藻类。
2.1.1固定化菌类
国外学者在研究固定化真菌方面，已研制出大量新型高效的去除废水中金属离子的固定化生物吸附剂。
其中具有代表性的是Iqbal等用一种新型经济的多孔载体-丝瓜瓤固定黄孢原毛平革菌(Phanero-chaete hrysosporium)，制成吸附剂，用以吸附溶液中的Pb2+、Cu2+和Zn2+离子，并与悬浮液做了对比研究。在pH为6.0时，吸附1h达平衡，Pb2+、Cu2+和Zn2+3种金属离子的去除率分别是88. 2%、68. 7%和39. 6%，相对于悬浮液，去除率分别提高了14.6%、12.8%和16.1%。实验发现, FBILS对金属离子的吸附随初始浓度的增加而增加，且对离子进行选择性吸附：Pb2+>Cu2+> Zn2+；吸附容量分别为135.3 mg/g、102.8 mg/g和50.9 mg/g干重(FBILS)；温度对实验的影响不大，范围在10~50℃之间。吸附符合Langmuir等温吸附模型。用50.0 mmol/L HCl解吸，回收率高达98%。循环解析5次后，对Pb2+、Cu2+和Zn2+3种离子的吸附仅比初次吸附降低了2.46%、1.95%和3.15%。实验表明， FBILS是一种新型有效的金属生物吸附剂。
国内学者侧重于利用废弃菌去除废水中重金属，研究已具规模,取得较大成功，但目前还处于实验阶段，很少投入工业应用。如张利等利用发酵工业中废弃的菌丝体-黑根霉菌吸附铅离子，并就此作了一系列研究。在实验中，他们发酵废渣黑根霉菌对Pb2+有较好的吸附能力，在pH 3.0~6. 5范围内，吸附能力最强；而用明胶作为包埋细胞载体进行静态和动态实验时，包埋得到的小球机械性能都较好，但吸附效果并不比悬浮细胞好。这说明明胶并不是良好的固定化载体，它的内部结构过于密实，不利于水中铅离子向小球内部扩散。
谢丹丹等用2%海藻酸钠与1%明胶混合为包埋剂固定啤酒酵母废菌体( ISCWB)。研究结果表明，该固定化废菌体颗粒中的菌体分布较均匀，ISCWB不仅能吸附Pd2+，还能将Pd2+还原成Pd0。ISCWB吸附Pd2+的最适pH值为3.5。在30~70℃范围内，吸附作用不受温度的影响。吸附作用是一个较快的过程，在最初的5 min内吸附量可达最大吸附量的36%。吸附作用受ISCWB浓度、Pd2+起始浓度和共存离子的影响。在起始Pd2+浓度100 mg/L，ISCWB浓度1.8g/L、pH 3.5和30℃条件下振荡吸附90 min,吸附量为40.6 mg/L。连续吸附与解吸附试验结果表明，ISCWB的最大饱和吸附量为46.3 mg/L，以0.5 mol/L盐酸作为解吸剂，解吸率为98%。
2.1.2固定化藻类
国外对固定藻类处理金属离子的研究相对要早些，研究规模也较大，研究水平已达到了一定的高度，已有学者不仅对固定体系各成分的去除率做了实验分析，还与死活藻的吸附做了对比研究。
W il-kinson等对海藻酸钙固定小球藻去除污水中重金属汞的研究表明，处理12 d，固定化小球藻可去除99%的汞。固定化增加了藻细胞的生理活性，固定在载体内的小球藻能富积70%的汞，而悬浮的小球藻仅富集40%。据分析在固定化小球藻对汞的去除中，除去藻体的吸附，藻类代谢活动引起汞的挥发20%，载体凝胶吸附10%。
Geoffrey等是将小球藻固定在藻朊酸盐小球中，用来富集Co、Zn和Mn等金属。在5 h内，62%的Co，40%的Mn，54%的Zn被吸附；与之相比，在相同的条件下，悬浮细胞的吸附量要小得多。进一步将吸附了金属的小球用0.1 mol/L的HNO3、HCl、H2SO4进行解吸，均可以将金属完全解吸下来；但小球由绿色变成棕色，也就是说，包埋在其中的细胞已经失活，这表明活性细胞的新陈代谢可以和金属离子的吸附相互促进，有利于废水中金属离子的去除。
国内学者在这方面的研究要晚一些，规模相对较小，研究方向主要集中在小球藻对金属离子的吸附上。近几年在这方面做了较多探索，研究发现固定化小球藻在合适条件下对Hg2+、Cr6+和Cu2+等离子有较好的吸附效果。
严国安等利用褐藻酸钙包埋固定普通小球藻，对人工配置的含汞污水进行净化试验，结果表明，固定藻对汞的去除明显高于悬浮藻。在初始浓度为0.2、0.8、1.4μg/L的污水中，静态停留5 d，固定藻对Hg2+的去除率分别94.7%、94.5%和97.5%，而悬浮藻分别为79.7%、88.1%和76·9%。严国安等又研究了污水中Hg2+浓度的大小对藻去除Hg2+的影响，发现随Hg2+浓度负荷增加，固定藻对Hg2+的去除有微弱的提高。其对Hg2+去除过程规律与悬浮藻相似，去除效果主要表现在开始的第1、2 d，研究表明固定藻对Hg2+的去除主要是被动吸附[5]。
2.2含酚废水的处理研究
对固定化细胞除酚效果的研究包括固定化条件下酚类化合物的降解机理、固定化细胞的降解动力学、游离细胞与固定细胞的除酚效果比较及不同因素对细胞降解酚效果的影响等。
VeraL等用Trichosporon sp.对酚进行降解，将微生物用海藻胶质固定化后的降解率与该微生物处于悬浮状态时的降解率进行比较实验。结果发现，酚在固定化体系中的降解率远高于微生物的悬浮体系，且微生物的连续使用时间也有大大延长。
何泽超等将活性污泥中驯化分离出的对苯酚具有较强降解能力的菌株，用海藻酸钠进行固定化包埋，结果表明：该降酚菌株的固定化细胞对苯酚的耐受能力和降解速度均优于游离细胞，经48 h可将低于1 650 mg/L的苯酚完全降解。
刘和等采用经苯酚驯化后的活性污泥制成固定化微生物小球，处理了2种不同类型的含酚废水：对于苯酚浓度为2148.0mg/L，COD浓度为10828.8 mg/L的高浓度含酚废水，经24 h处理后对苯酚及COD去除率分别为50.1%和38.7%;对于苯酚浓度为180.7mg/L，COD浓度为947 mg/L左右的一般浓度混合含酚废水，经6h处理后对苯酚及COD去除率分别为89.1%和84.6%，而活性污泥法分别为76.6%和75.0%。固定化微生物法在处理时间及浓度两方面均优于活性污泥法。
周运听等通过驯化、筛选和富集，从温州某印染厂的生化曝气池下水道的活性污泥中分离得到1株高效降解苯酚的细菌并采用海藻酸钙对该菌进行固定化，实验结果表明：最佳温度35℃，pH 5.0，转速120 r/min，在有氧条件下，24 h内对100 mg/L苯酚降解率可达99%以上[6]。
2.3含醇类废水的处理研究
王里奥等利用固定化包埋技术对高浓度甲醇废水进行了试验研究，确定了海藻酸钠和聚乙烯醇的最佳包埋条件，并对在最佳包埋条件下制成的固定化小球进行了性能的改进。同时，通过对固定化颗粒小球的比表面积、传质性能的测定以及电镜扫描分析了固定化小球的性能。试验表明，交联时间是固定化颗粒活性的主要影响因素；两种材料均有适合微生物附着生长的网状结构；加入添加剂后，PVA固定化小球的机械性能进一步得到改善，对甲醇5h的去除率达到了93.78%。 Helia Radianingtyas等使用硅藻R-635作为支持材料固定Sulfolobussdfamrg来降解2-丙醇，降解速度可以达到0.035g/L·h，而游离菌体的最高降解速度为0.0012g/L·h[2]。
2.4含油废水的处理研究
郭召海等人通过包埋固定化微生物法固定除油菌(Y1#菌)实验，发现新制备的包埋固定化微生物在最初用于含油废水的降解实验的前30 h，处理效果并不理想，除油率在50% ~60%之间，其除油效果有可能来自微生物降解和包埋固定化微生物载体材质对油分吸附共同作用的结果；随后，除油效果开始下降，在连续运行70 h后，除油率仅为35%，原因可能在于：一方面，包埋固定化微生物载体材质本身对油分的吸附达到吸附平衡；另一方面，包埋固定化微生物中包埋固定化的部分菌体在处理过程中，对目标环境不能适应，产生失活现象，导致包埋固定化微生物活性降低，从宏观表现为除油率的明显降低。在连续实验进行到80 h后,处理效果开始缓慢回升，在连续运行200 h后，除油率逐步恢复到开始实验时的水平(60% )，在连续运行310 h后，处理效果可达到基本稳定的状态，除油率在90%左右。原因可能在于：随着实验的进行，包埋固定化微生物中包埋固定化的菌种在经过前期的适应过程，逐步适应目标环境并在载体内部增殖形成具有良好除油性能的优势菌群，使包埋固定化微生物的除油效果逐步恢复。由于包埋固定化微生物整体结构空间的限制和处理环境中基质的制约因素，当包埋固定化微生物内部优势菌群增殖到一定程度时，会形成一种均衡状态，此时，除油效果主要取决于环境因素，如温度、pH值、处理时间等，而与包埋固定化微生物本身情况无关，在实验中表现为除油率达到基本稳定，保持在90%左右。该实验得到一下结论：
(1)包埋固定化微生物法有效的应用于含油废水处理，在初始油含量低于50mg/L时，除油率保持在87%以上，出水油含量一般可保持在5 mg/L以下；
(2)表面硬化处理可以有效提高包埋固定化微生物的抗盐溶性能，增加使用寿命；
(3)包埋固定化微生物具有很好的抗负荷冲击性能[7]。
2.5城市污水的处理研究
唐凤舞，樊华等人利用固定化包埋技术对城市污水进行污染物降解处理实验研究。采用海藻酸钠和聚乙烯醇为包埋材料，以氯化钙和饱和硼酸的混合溶液作为交联剂包埋富集培养后的活性污泥，制成固定化小球。用包埋颗粒作城市污水的COD去除实验，以确定影响因素。
实验结果表明随着系统pH值的提高，COD的去除率逐渐增加，在pH值为8.0时效果最好，去除率为72. 1%；之后继续提高pH值，去除率反而降低。因此可以得出结论：固定化颗粒去除COD的适宜pH范围在7~9之间；随着温度的升高， COD的去除率逐渐增加，温度控制在30℃时效果最好，去除率为71.1%，之后继续提高温度，去除率不再增加，反而下降，因此可以得出结论:固定化颗粒去除的适宜温度范围在25~35℃之间；在固定化颗粒与污水的质量比例为16%时，去除率为69.3%,效果最好，之后继续增加固定化颗粒的量，去除率不再增加，反而下降。因此可以得出结论：固定化颗粒与污水适宜的质量比例在15%~17%之间。
实验结论为：
(1)采用海藻酸钠-聚乙烯醇(PVA)复合载体为包埋剂。实验研究证明，两者混合既能弥补海藻酸钠强度低的缺陷，又能消除PVA载体传质性能效果不好的影响。
(2)在对城市污水的COD去除实验中，各因素对COD去除率的影响程度大小依次为： pH值>固定化颗粒与污水的质量比例>温度。
(3)去除COD的最佳工艺条件是：pH值为8.0、固定化颗粒与污水的质量比例为16%、温度为25℃。在此条件下，COD去除率为91%，出水COD浓度为55 mg/L，达到GB 18918—2002一级标准[8]。
2.6氨氮废水的处理研究
在硝化、反硝化研究方面，最早是Nilsson用海藻酸钙固定假单胞反硝化菌，采用填充柱对地下水中浓度为20 mg/L的硝酸盐进行两个月的连续脱氮试验，脱氮效果良好，反硝化速度为66 mg/(h·kg凝胶)，容积负荷为3.6 kg/(m3·d)。随后，Vanotti等用PVA冷冻法把硝化污泥固定在聚乙烯醇小球里，用来处理养猪废水。采用批量试验和连续试验进行好氧处理，研究结果表明：硝化污泥小球不受养猪废水高BOD浓度的影响，适用于快速和有效地去除厌氧养猪废水塘中的NH+4。
葛文准等人通过固定消化菌处理氨氮废水和研究，着重从凝胶颗粒的机械强度、缩水性能、化学稳定性和微生物活性等4个方面来选择包埋剂。结果表明通过固定硝化菌处理氨氮废水的研究，说明包埋法固定微生物细胞是一种均实可行的固定化方法。从理论上说，细胞与载体之间不会相助结合，制得颗粒能保持较高生物活性，特别是对于较小分子底物和产物的反应尤为合适；海藻酸钠、卡拉胶、聚乙烯醇、丙烯酞胺都能作为载体，包埋微生物制备活性颗粒。由于载体本身性质或在包埋过程的不同，制备活性颗粒有差异，其中丙烯酞胺形成的凝胶颗粒机械强度最大，包埋微生物失活较小，化学稳定性良好，是理想的载体[9]。
2.7抗生素废水的处理研究
庞胜华等研究了PVA复合载体包埋固定化微生物颗粒处理抗生素废水的工艺条件，活性微生物为经抗生素废水以10%浓度增幅驯化75d后的活性污泥。以确定影响因素。
CODCr和NH3-N去除率随着曝气时间的增加而迅速增大，20 h之后该趋势变得缓慢；若继续增加曝气时间，去除率基本不变,反而增加能耗。因此，可以认为固定化活性污泥处理抗生素废水20 h已完成；当进水ρ(CODCr)为2000 mg·L-1时，固定化颗粒表现出最佳状态，其去除率高达80.57%。随之增大进水CODCr质量浓度，去除率缓慢下降。再继续增大进水CODCr质量浓度时，其去除率却出现了较为明显的下降；对于固定化活性污泥，温度在10~45℃范围内对其处理效果的影响不大，而该范围内的温度对悬浮活性污泥处理效果的影响却较大。因此，活性污泥经固定化后，对环境变化的适应能力有一定程度的提高；固定化颗粒在对CODCr和总氮的去除过程中，其适宜pH值范围综合选取7~10；而悬浮活性污泥为6.5~8.5，对总氮几乎没有去除效果。该现象说明，微生物经固定化后对环境变化的适应性更好。
实验结论为：
(1)进水ρ(CODCr)为2000 mg·L-1、曝气时间20h、温度10~45℃、pH值7~10、固定化颗粒与废水比例1：4是固定化活性污泥处理抗生素废水的最佳运行条件，此时去除率可达80.57%。
(2)活性污泥经固定化后对环境变化的适应能力得到一定程度的提高[10,11]。
3结语
综上所述，固定化微生物技术具有处理效率高、运行稳定、可纯化和保持高效优势菌种、反应器生物量大、污泥产生量少以及固液分离效果好等优点，且在各类废水处理中表现出了较大的优异性，但要广泛地应用于工业生产中，仍有许多问题亟待解决。
3.1固定化操作系统的研究
如何能得到固定化细胞的最佳活性，在固定化操作过程中有诸多影响因素。因此如何得到在不同固定化方法和不同载体中的最佳操作参数，是该方法广泛应用的关键。
3.2高效反应器的研究
开发高效固定化反应器，使之能克服载体或包埋材料对基质与代谢产物扩散的阻碍作用，不仅使固定化微生物处于良好的微环境中，同时利用微生物与基质良好的接触，促进对污染物的降解等，都要求研究和开发新型合理的反应器。
3.3固定化对象的研究
对于不同的废水应该采用什么样的微生物固定化处理，是单一菌种的作用还是多种细菌的共同作用好，需要进一步的研究。
3.4与其他处理方法相结合的研究
将固定化微生物技术与其他废水处理技术相结合,发挥各自的优势以达到最佳处理效果。
3.5混合菌种固定化技术的研究
废水中含有的污染物是一个十分复杂的混合体系，用单一的菌种进行处理，往往难以达到预期的效果。因此，采用混合菌固定化技术，在反应器中建立混合菌群组成的微生态环境，使各种固定化微生物协同发挥其功能，将有利于该技术的应用和推广[2,3]。
参考文献
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