任偉

湖北普雷杰環(huán)?？萍加邢薰荆袊?guó)·湖北 宜都 443300

1 引言

自從20世紀(jì)70年代研制出固定化微生物技術(shù)后，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用及其效能等專(zhuān)題研究一直以來(lái)在都受到了相關(guān)部門(mén)及專(zhuān)家學(xué)者們的高度重視。在不斷地研究中發(fā)現(xiàn)，固定化微生物技術(shù)的核心理念就是采取化學(xué)與物理的手段來(lái)對(duì)游離微生物進(jìn)行定位，使其處于一個(gè)限定的空間區(qū)域內(nèi)，且在此區(qū)域中能夠確保其具備活性，能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)利用。該項(xiàng)技術(shù)不僅不用將酶從細(xì)胞中進(jìn)行提取，也不需要進(jìn)行純化，這是其酶活性損失小的一大原因。當(dāng)下，中國(guó)關(guān)于固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)是在環(huán)境工程方面，來(lái)改善環(huán)境污染問(wèn)題，在該項(xiàng)技術(shù)的加持下使得中國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)相關(guān)工作的開(kāi)展更加順利。

2 固定化微生物技術(shù)基本概況

2.1 固定化微生物技術(shù)原理

固定化微生物技術(shù)是將特選的微生物固定在選證的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖的生物技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用于廢水處理，有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)微生物，尤其是特殊功能的微生物的濃度，有利于微生物抵抗不利環(huán)境的影響，有利于反應(yīng)后的固液分離，縮短處理所需的時(shí)間。利用固定化微生物技術(shù)提高廢水處理效率的工藝方法也被稱(chēng)作“生物增效”，其適用的領(lǐng)域非常廣泛，如化糞池、隔油槽、排水管、城市污水處理廠(chǎng)以及工業(yè)廢水。一般而言，針對(duì)特殊污染源，來(lái)自天然環(huán)境的微生物消耗很快、效率低下，即使有快速的繁殖能力仍不足以負(fù)荷。因此，生物增效的作業(yè)過(guò)程還是依循自然的方式，向目標(biāo)添加定制的、具有已知降解能力的微生物制劑（固定化微生物），處理效果則有明顯的提升[1]。

2.2 固定化方法種類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 共價(jià)鍵結(jié)合法

該方法可通過(guò)利用微生物細(xì)胞表面功能團(tuán)和固相載體表面基團(tuán)間形成化學(xué)共價(jià)鍵，從而使固定細(xì)胞實(shí)現(xiàn)相連，以此來(lái)提升穩(wěn)定性，不過(guò)在此過(guò)程中，由于基因結(jié)合會(huì)產(chǎn)生劇烈反應(yīng)，所以實(shí)際操作難度較大，具備復(fù)雜性特點(diǎn)。

2.2.2 吸附法

吸附法一般依靠生物體與載體之間的作用，包括范德華力、氫鍵、靜電作用、共價(jià)鍵及離子鍵，兩者間的屯電位，在微生物體和載體的相互作用中起重要作用。常用的吸附載體有活性炭、木屑、多孔玻璃、多孔陶瓷、磁鐵礦、硅藻土、硅膠、纖維素、聚氨酯泡沫體、離子交換樹(shù)脂等。它是一種簡(jiǎn)單易行、條件溫和的固定化方法，但用它固定的生物體不夠牢靠，容易脫落。

2.2.3 交聯(lián)法

該方法被稱(chēng)之為無(wú)載固定化法，是一種不用載體的工藝，通過(guò)化學(xué)、物理手段使生物體細(xì)胞間彼此附著交聯(lián)[2]。化學(xué)交聯(lián)法一般是利用醛類(lèi)、胺類(lèi)等具有雙功能或多功能基團(tuán)的交聯(lián)劑與生物體之間形成共價(jià)鍵相互聯(lián)結(jié)形成不溶性的大分子而加以固定，所使用的交聯(lián)劑主要有戊二醛、聚乙烯酞胺、表氯醇等等。物理交聯(lián)法在是指在微生物培養(yǎng)過(guò)程中，適當(dāng)改變細(xì)胞懸浮液的培養(yǎng)條件（如離子強(qiáng)度、溫度、pH 值等），使微生物細(xì)胞之間發(fā)生直接作用而顆粒化或絮凝來(lái)實(shí)現(xiàn)固定化，即利用微生物自身的自絮凝能力形成顆粒的一種固定化技術(shù)[3]。

2.2.4 包埋法

在微生物的固定化方法中，以包埋法最為常用。它的原理是將生物體細(xì)胞截留在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)聚合作用或通過(guò)離子網(wǎng)絡(luò)形成，或通過(guò)沉淀作用，或通過(guò)改變?nèi)軇?、溫度、pH 值使細(xì)胞截留。凝膠聚合物的網(wǎng)絡(luò)可以阻止細(xì)胞的泄露，同時(shí)能讓基質(zhì)滲入和產(chǎn)物擴(kuò)散出來(lái)。包埋材料可以分為兩大類(lèi)：①天然高分子多糖類(lèi)，如海藻酸鹽、瓊脂、明膠等，其中以海藻酸鈉和卡拉膠應(yīng)用最多，它們具有固化方便，對(duì)微生物毒性小及固定化密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是它們抗微生物分解性能較差，機(jī)械強(qiáng)度低，但是可使用交聯(lián)劑進(jìn)行穩(wěn)定化處理，但活力和傳質(zhì)性能又會(huì)下降。②合成高分子化合物，如聚丙烯酞胺、聚乙烯醇（PvA）娜l 等。這類(lèi)交聯(lián)劑的突出優(yōu)點(diǎn)是抗微生物分解性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定。但是聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成條件比較劇烈，對(duì)微生物細(xì)胞的損害較大，而且成形的多樣性和可控性不好。下表1 為不同固定化方法間優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表1 不同固定化方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 固定化微生物技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用

3.1 廢水處理的應(yīng)用

在廢水處理方面，通過(guò)應(yīng)用固定化微生物技術(shù)，不僅能夠使其相關(guān)工作能夠順利開(kāi)展，且具備較強(qiáng)的優(yōu)越性與潛力，能夠探尋出高效、廉價(jià)且抗毒性較強(qiáng)的微生物，以此來(lái)形成多種生物固定化體系，使得廢水處理力度加強(qiáng)，以高效固定化反應(yīng)器設(shè)備作為基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)廢水處理技術(shù)上的創(chuàng)新，有助于技術(shù)性廢水固定化處理與其他優(yōu)化組合的處理工藝開(kāi)發(fā)。進(jìn)而能夠使廢水處理在科學(xué)技術(shù)應(yīng)用方面更加科學(xué)化與合理化[4]。

3.2 凈化大氣的應(yīng)用

大氣污染一直以來(lái)都是中國(guó)環(huán)境工程中重點(diǎn)關(guān)注的工作，在凈化大氣方面的研究，早在20世紀(jì)末，中國(guó)就將固定化微生物與凈化大氣之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，而在多年來(lái)研究成果的積累上，有專(zhuān)家學(xué)者采取固定床反應(yīng)器的方式來(lái)分析了固定化微生物對(duì)凈化大氣的作用及效能，其通過(guò)將海藻酸鈉包埋活性污泥的方式來(lái)對(duì)NH3臭氣進(jìn)行處理，在研究中發(fā)現(xiàn)，NH3臭氣的去除率高達(dá)93%，而千克固定化濕顆粒的硝化速度（以N 計(jì)）＞0.63g/d，硝化速度達(dá)到2.95g/d。在此基礎(chǔ)上，北京微生物研究學(xué)院通過(guò)使用海酸鈉包埋和CaCl2膠聯(lián)法的方式以滴濾塔反應(yīng)器來(lái)凈化H2S氣體，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這種處理方式下，使H2S 體積負(fù)荷達(dá)到6000~6500g/(m3·d)，而該氣體的凈化效率始終維持在85%以上的水平。2019年，北京微生物研究學(xué)院再次開(kāi)展凈化大氣的研究，此次以固定化微生物技術(shù)為主，來(lái)對(duì)甲硫醇惡臭氣體進(jìn)行應(yīng)用，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)空塔停留時(shí)間不大于12s 時(shí)，低濃度的甲硫醇?xì)怏w去除率高達(dá)99%，而高濃度甲硫醇?xì)怏w的去除率同樣如此，已經(jīng)來(lái)驗(yàn)證了固定化微生物技術(shù)凈化大氣的作用，這對(duì)于環(huán)境工程的開(kāi)展來(lái)說(shuō)提供了很大的幫助，能夠?yàn)槿嗣裆畹目諝猸h(huán)境質(zhì)量提供保障[5]。下圖1 為2020年固定化微生物技術(shù)在我國(guó)環(huán)境工程中應(yīng)用占比。

圖1 2020年固定化微生物技術(shù)在環(huán)境工程中應(yīng)用占比

4 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)看，環(huán)境工程已成為當(dāng)下國(guó)家發(fā)展及社會(huì)建設(shè)的重要工作事項(xiàng)，而固定化微生物技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境工程中，對(duì)于其相關(guān)工作的開(kāi)展有很大的幫助，尤其是在污水處理及凈化大氣方面，能夠進(jìn)一步推動(dòng)環(huán)境工程及生態(tài)環(huán)境建設(shè)的發(fā)展。對(duì)于改善我國(guó)生態(tài)環(huán)境來(lái)說(shuō)，意義重大。目前，該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中雖在污水處理方面應(yīng)用較為廣泛，在凈化大氣方面還需進(jìn)一步推廣，但不可否認(rèn)其對(duì)于促進(jìn)環(huán)境工程相關(guān)工作開(kāi)展的有效性，我國(guó)環(huán)境工程整體質(zhì)量水平要想得到提升，就要高度重視固定化微生物技術(shù)的應(yīng)用，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境工程的高效建設(shè)。