基于生物炭的固定化微生物技术在水处理中的应用

马悦，董畅，金磊

基于生物炭的固定化微生物技术在水处理中的应用

马悦，董畅，金磊

（沈阳建筑大学， 辽宁 沈阳 110168）

基于生物炭的固定化微生物技术是一种将生物炭和微生物固定化技术的优势相结合的技术。阐述了基于生物炭的固定化微生物技术的特点以及在水处理中的应用现状，同时提出该项技术面临的挑战以及今后的大致研究方向。

固定化微生物技术；生物炭；水处理

随着城市现代化进程的快速推进，人类日常生产生活用水量与日俱增，污水排放量加大导致水环境污染不断加重，已成为难以回避的世界性难题。目前，控制水污染的方法主要有三种，即物理法、化学法和生物法[1]。生物法以其对环境污染少、运行成本低、操作简单等优势，在水处理研究中受到广泛应用。微生物固定化技术更是凭借着稳定性高、处理效果强、对外界环境抵抗能力强等特点成为生物法中的研究热点。在固定化微生物技术中，载体的选择至关重要，而生物炭不仅可以满足作为固定化过程中的载体的需求，并且在处理某些重污染废水中效果优良[2]。于是，将微生物固定在生物炭制备的复合载体上，可以在降低成本、提高微生物降解能力的同时扩大固定化技术在水处理中的应用范围。

目前，介绍固定化微生物技术的综述都较多，在水处理方面的应用也有着较全面的介绍，但是基于生物炭的固定化微生物技术在水处理方面鲜见全面的综述。为此，本文着重介绍了基于生物炭的固定化微生物技术的优势及其在水处理中的研究进展，并指出该技术在使用时面临的挑战。最后，展望了基于生物炭的固定化微生物技术在今后的研究发展。

1 固定化微生物技术

固定化微生物技术是一种采用物理或化学方法，将游离微生物固定在载体上，在一定的空间内高度富集，使微生物既能有效地处理废水，又能在一段时间内保持活性和重复利用性的技术[3]。将微生物固定在载体上的方法主要有包埋法、吸附法和交联法[4]。表1简单介绍这几种固定化方法。

表1 固定化技术常用方法[5]

2 基于生物炭的固定化微生物技术

基于生物炭的固定化微生物技术可以说是生物炭技术和固定化技术的组合，即将游离微生物固定在生物炭或生物炭制备的复合载体上。在固定化技术中，研究较多的传统载体因存在寿命短、吸附能力小、容易造成二次污染等劣势，未能广泛应用于实际[6]。而选择吸附能力强、制作成本低、绿色环保无污染的生物炭作为载体，不仅可以解决以上问题，还能在提高微生物的存活和降解能力的同时对废弃物进行二次利用。基于生物炭的固定化微生物技术中常用的固定方法为吸附法和包埋法，吸附法是指利用生物炭的吸附作用，使微生物吸附在生物炭上，该方法操作简单但微生物易流失；包埋法是利用交联剂将微生物包埋在生物炭上，该方法微生物固定性能较稳定，但包埋的过程可能会抑制微生物体的生长。

基于生物炭的固定化微生物技术在固定化过程中利用生物炭代替传统固定化过程中常用的商业活性炭。与商业化活性炭相比，生物炭存在不少优势，如原材料为废物，廉价易得、吸附能力更强、绿色环保等[7]，下表为生物炭与商业用活性炭的对比。

表2 生物炭与商业用活性炭的对比

基于生物炭的固定化微生物技术在增强了微生物对污染物降解能力的同时也提高了吸附材料重复使用的次数，且生物炭原材料多为废弃物，更降低了生产成本，体现了环保理念，是一种极具潜力的微生物技术。研究生该技术对于提高污水处理效率和资源化利用具有重要的意义，在废水处理上具有广阔的应用前景。

3 基于生物炭的固定化微生物技术在废水处理中的应用

3.1 氨氮废水的处理

当工业污水中的氨氮排放到水体中，会在水中大量积累，逐渐引起水体黑臭、水体富营养化等环境问题。随着人们对水环境质量要求的不断提高，含氮废水的排放标准也越来越高，氨氮污染也成为水处理领域的研究热点。

郑华楠[9]等将硝化污泥固定在芦苇制备的生物炭载体上制备成固定化颗粒，研究了其对废水中氨氮的处理效果。实验结果表明，添加了生物炭的固定化微生物体对氨氮的降解能力在72 h内高达96.3%，且破损率下降，酸碱稳定性和传质性得到提升，证明了添加生物炭作为载体，在增加了固定体的稳定性的同时也大大了提高固微生物对氨氮降解能力。乔鑫等[10]分别以包埋法和吸附法将筛选出的好氧反硝化细菌固定在稻壳生物炭上。实验结果表明，添加生物炭后吸附固定了大量活菌株，显著促进了菌株对氨氮的降解能力，且与包埋法相比，吸附法更适用于微生物固定化体。

3.2 有机废水的处理

废水中的有机物是一种具有易积累、毒性和致癌性的物质，对人体和水环境的毒害作用不容小觑。而某些化学工业有时会产生高浓度的有机物废水。因此，对排放废水中的有机物需要进行严格控制和处理。

李婧等[11]使用玉米秸秆生物炭固定环芳烃降解菌制备固定化小球，探究对芘的降解性能。试验结果表明，在5 d内，添加生物炭载体的固定化小球对芘的去除率达到98. 2%，使游离菌对的芘去除得到大幅提升；肖冬林等[12]等将苯酚降解菌固定在花生壳生物炭上，并投加到模拟废水系统中，研究其对苯酚的降解效果。结果表明，添加生物炭不仅提高了微生物的降解效果，也降低了高浓度苯酚对微生物的抑制作用，在16 h内可以将苯酚全部降解。赵晓晴等[13]将烷基酚降解菌固定在椰壳生物炭上来处理含双酚废水，实验结果表明，添加了生物炭固定化微生物对双酚的去除效果高于生物炭和微生物的分别单独作用下的去除效果。

3.3 重金属废水

重金属废水是一种会对环境和对人体产生极大伤害的工业废水，工业生产过程中，常常会有含重金属的废水被排放出来。因此，重金属废水的无害化处理是水处理中的重要环节之一。

张杰[14]等，将筛选的解磷菌固定在小麦秸秆生物炭上，探究对Pb2+的吸附能力，实验结果表明生物炭固定化微生物体对Pb2+的吸附量最高可达89.39 mg·g-1，能够有效处理含铅废水。朱雯喆[15]等将微藻吸附固定在水葫芦茎叶上，并探究固定化体对Cd2+的降解效果，实验结果表明生物炭固定微藻对Cd2+的吸附量高于微藻和生物炭分别单独作用下的吸附量，可达到217.41 mg·g-1。迟建国等[16]将枯草芽孢杆菌吸附固定在松针生物炭上，并探究其对含油海水中石油的处理效果，研究结果表明，4周后固定化体对石油的降解率可达为70.1% 。

3.4 人工湿地中的废水处理

人工湿地是一种类似于沼泽的地貌。人工湿地技术是指在土壤、植物和微生物和人工介质的共同作用下，对投配到湿地上的污水和污泥进行处理[17]。生物炭固定化微生物技术也有应用于改善人工湿地的污水处理效果的例子。袁敏[18]等将从冬季南四湖湿地底泥中分离筛选鉴定出的黄假单胞菌固定在水稻秸秆生物炭上，并投加到人工湿地污水处理系统中，研究结果表明，生物炭固定化菌体可以大幅度改善菌体流失情况，对氨氮的去除率可达83.57%。

3.5 生物炭固定化技术在水体中的应用

虽然生物炭固定化技术目前仍是以实验室层面内的研究为主，并未在实际应用中受到广泛应用，但也已经自然水体中也有着一定的应用。黄潇[19]等制备了固定石油烃降解菌的生物炭球，修复辽河口湿地水环境。实验结果表明，生物炭固定化石油烃降解菌提高了石油烃降解菌的降解效率，且提高了菌株抗高盐特性。在未来的研究里，将更多理论成果应用于实际废水处理中是该技术发展的一大方向。

4 结论与展望

现阶段，生物炭固定化微生物技术作为一种新技术，以其独特的优势，在废水处理、土壤污染方面都有着广泛的应用和极大的发展空间[20]，但该项技术仍面临一些挑战：1）部分生物炭中可能含有的内源污染物，一旦造成污染不易解决[21]；2）生物炭固定化微生物技术在水处理的方面应用大部分停留在实验室阶段，实际水体中应用较少[22]；3）针对废水的特性对生物炭载体进行选择或改性，并探究生物炭与菌种的最适搭配以提高两者之间的吸附力等方面，都有待进一步研究。

综上所述，基于生物炭的固定化微生物技术绿色环保、成本低廉、处理效率高，在环境修复领域具有较大的应用研究空间，但同时也存在诸多问题需要更深入的探索[23]，在未来的研究中，该项技术会不断改进，成为一项可以广泛实际应用的水处理技术。

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Application of Immobilized Microorganism Technology Based on Biochar in Water Treatment

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（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Biochar-based immobilized microbial technology is a technology that combines the advantages of biochar and microbial immobilization technology. In this article, the characteristics of biochar-based immobilized microbial technology were described,as well as its application status in water treatment. At the same time, the challenges faced by this technology and general research directions in the future were proposed.

Immobilized microbial technology; Biochar; Water treatment

2021-04-07

马悦（1997-），女，黑龙江省大庆市人，回族，硕士研究生，研究方向：污水处理。

TQ085+.413

A

1004-0935（2021）06-0865-04