摘要：本文针对生物固定化技术及其在废水处理的工程应用中常见的问题，结合多孔陶瓷制备技术的发展状况，论述了作为生物固定化载体的多孔陶瓷应具备的性能及其改进措施，说明了多孔陶瓷固定化生物的各种机理，指出了多孔陶瓷固定化生物技术的发展趋势，即实现连续处理和生产设备小型化。

关键词：生物固定化 废水处理 多孔陶瓷 载体

　　1 前言

　　多孔陶瓷材料是在材料成形与烧结的过程中通过控制孔径大小和分布而形成的一类陶瓷产品。由于其共价键和复杂离子键的键合以及复杂的晶体结构而具有耐高温、耐腐蚀、热稳定性好的特点，并且可以通过对其孔隙率和孔径的调节而使之具有良好的表面特性。根据气孔的类型，可以将多孔陶瓷分为开气孔和闭气孔两种，前者的气孔都是相互贯通并与外界环境相连，而后者的则是相互孤立地被封闭在陶瓷体内，在不同的场合它们分别有不同的用途，反过来，多孔陶瓷用途的多异性也对其孔径的变化范围提出了不同的要求。从19世纪60年代初始发展至今，多孔陶瓷就一直倍受生物、环保领域科研人员的青睐，这是因为它作为生物催化剂的载体具有无毒害作用、稳定性优异、传质性能好、机械强度高、生物亲合性好、操作简单、价廉易得等优点^[1,2]，而且，随着多孔陶瓷造孔技术、发泡技术、强度控制技术、孔隙率控制技术、孔径控制技术的发展，以多孔陶瓷作为生物催化剂载体的生物固定化技术将会更加广泛地被应用在生物生产上。

　　生物固定化技术就是用化学或物理的方法将游离细胞定位于材料的限定空间中，并使其保持生物活性且可反复利用的生物技术^[3]。目前被采用得最多的固化方法有：包埋法、吸附法、交联法和膜截留法。其中包埋法虽然容易操作但会对微生物产生较大的伤害（热伤害、毒物伤害等），它的应用主要还是停留在试验改进阶段，采用后三种方法对微生物的伤害会小些，但固定化载体材料的制造难度较大，其工程应用很受限制。近年来，在纤维素及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、凝胶材料、有机合成聚合物等有机高分子材料上进行微生物固定化的科学研究较多，生产效率也大大提高，但实际应用中普遍存在材料再生困难、菌种易老化、成本较高等问题，本文将结合生物固定化方法及其在废水处理工程应用中常见问题来探讨生物固定化载体多孔陶瓷的性能。

　　2 利用多孔陶瓷的吸附性能固定化微生物

　　多孔陶瓷作为一种利用物理表面的新型材料^[4]，因为有很高的比表面积而具有较强的吸附性。在废水处理工程应用中，多孔陶瓷载体的通孔孔径宜控制在30～40um^[5]之间，载体粒径控制在2～4mm^[6]，保证有较高的比表面积，利于吸附，同时也有利于微生物的增殖。提高孔隙率可以提高比表面积从而提高材料的吸附性能，但材料的强度也因此而下降，如果强度太低，材料会因无法经受曝气引起的冲击而破碎，而且微生物在增殖过程中也有可能因充满孔道而将材料胀裂，因此，必须综合这些因素选取一个最佳孔隙率。静电吸附也是多孔陶瓷固定微生物的一个重要机理，载体表面和菌体表面的静电引力有助于微生物的附着^[7,8,9]。微生物（比如细菌）在水环境中很容易带上负电荷^[10]，其机理如下：①由细菌等电点机理可知，在一般情况下，由于细菌生境的pH若比细菌的等电点高，细菌的游离氨基电离受抑制，游离羧基电离，细菌则带负电荷。如果培养液的pH比细菌的等电点低，细菌的游离，羧基电离受抑制，游离氨基电离，细菌则带正电。在一般的培养过程中，细菌多处于偏碱性(pH为7~7.5)、中性(pH为7)和偏酸性(6<pH <7)，都高于细菌的等电点，所以，细菌表面总是带负电荷。②细菌细胞壁的磷壁酸含有大量酸性较强的磷酸基，加强了细菌表面负电性。由此，我们可以对多孔陶瓷筋络进行酸碱改性处理，使筋络中金属离子裸露或使多孔陶瓷吸附上正离子，再加入菌液，调节其PH值略高过菌种的等电点即可获得较好的固定化效果，此外，用这种方法固定化微生物一般不会影响微生物的活性，但是会带来孔道内部传质困难的问题，从而间接地制约微生物的生长繁殖^[11]。

　　3 利用多孔陶瓷与有机配位体的交联作用固定化微生物

　　具有生物活性的多孔陶瓷筋络可通过交联的方法固定化微生物。研究发现，含水的过渡金属氧化物中的羟基可以被细胞的适当配位体取代，形成共价键。对原核生物或真菌的细胞而言,由于细胞壁上含有大量多糖(比如甲壳素等)^[12],可以通过螯合作用与多孔陶瓷筋络交联，对于原生生物或微型后生动物而言，细胞质膜上镶嵌有大量蛋白质，蛋白质的肽链上的氨基酸残基可与含水的过渡金属氧化物中的羟基形成共价键，这种交联作用几乎不影响细胞的生物活性^[13]。我们可以在多孔陶瓷的配料中添加氧化锆（或氧化钛），烧成后再对其进行亲水性处理^[14,15]，使多孔陶瓷内部筋络表面氧化锆含水，有利于固定微生物时的螯合反应的进行。

　　4 利用多孔陶瓷膜截留作用固定微生物

　　采用中空双层陶瓷膜的截留作用，微生物体不能透过膜而产物和底物可以。一般的细菌的大小在几个微米到几十个微米，而且在生长的过程中它们容易形成菌胶团，增加了生物体的尺寸，真菌和原生生物的形体尺寸更大，孔径在1～10个微米的多孔陶瓷膜基本上可以满足截留的需要。这种固定化与其他的方法相比，具有以下优点^[16]：①可以使底物与微生物细胞充分接触，同时可以极大地提高生物浓度，进行有效的反应；②固定化方法非常简单，通过控制膜的孔径可以选择性地控制底物和产物的扩散，防止细胞的泄露。用这种材料可以做成小型生物反应器，经济、高效、快速地处理废水，但是这种固定化处理方法的应用也有一个较大的受制因素，那就是该反应器对进水水质要求很高，比如要求有进水中带有很低的SS（悬浮固体），这加重了废水前处理的负担。

　　5 多孔陶瓷基凝胶包埋法固定微生物

　　多孔陶瓷基凝胶包埋法固定微生物是指以闭气孔泡沫陶瓷球为基体，采用凝胶法将微生物固定在基体上。通过控制基体的密度使其能悬浮在废水中，这样可以极大地降低曝气及脱膜的负担，但是闭气孔泡沫陶瓷基体的制备难度较大。有人用钟祥瓷砂作为基础原料,添加部分碎玻璃助熔剂及少量的Fe₂O₃(作高温发泡剂)和碳粉烧制出体积密度为0.887g/cm³,吸水率为47%，抗压强度为3.92Mpa的闭气孔泡沫陶瓷,气孔孔径在0.1～3mm^[17],是良好的基体材料。在实际的生产中，应调节其孔隙率将其含水密度控制在1～1.1g/cm³左右。但是，包埋法对微生物的活性的影响较大，因为产生凝胶的过程往往是复杂的生理和化学过程，大都会对微生物产生一定的毒害，而且凝胶体的通透性直接影响微生物与外界环境的物质交换，另外，凝胶体的破裂导致细胞泄漏也是在模拟试验和工程应用中经常碰到的问题。

　　6 生物活性

　　从前面介绍的多孔陶瓷固定微生物的方法来看，膜截留的方法对微生物的活性没有影响，吸附法次之，其次是的交联法，影响最大的是包埋法,但这也只是一般的情况，在研究的过程中，我们可以通过对材料的不断改性来提高固定化生物的活性。对于吸附法，可以减小载体的形体尺寸以缩短传质孔道，提高孔道内部微生物与外界环境的传质效果从而提高其中生物的活性，但这样做对生物活性提高很有限，较好的方法是将多孔陶瓷做成涂层（厚度在0.5～1mm左右）以缩短孔道的长度，提高传质效果，加强孔道内部微生物的物质和能量的代谢，生物活性可大大提高。

　　7 提高生物浓度的方法

　　相比之下，膜截留的方法具有最高的生物浓度，对于其他方法则要看载体的粒径和投加比例。投加比例(载体体积与反应器容积之比)的变化范围一般在0.5到0.8之间^{[18,19,20,21]}，当投加比例确定后，通过缩小填料粒径可以增大单位体积填料的作用面积，从而增大固定的生物量以提高生物浓度。如果这种方法还是满足不了处理速度和效率的要求，可以进一步改变载体材料的结构及性能，比如采用孔梯度陶瓷载体^[22,23]固定微生物，通过控制发泡剂和造孔剂的相关因子及烧成制度使孔梯度陶瓷载体具有两种孔径分布，即30～40um之间的微孔（起固定化作用）和0.5～3mm大孔（起传质作用），微孔主要分布在大孔的筋络上，而且由于载体内部呈三维立体网状,孔壁厚薄适宜,气孔分布均匀,有利于减少流体通过时压力损失,便于传质,气孔率高则表面积大,有利于提高固定化效果,降低生物流失量。这样不但生物浓度可以大大提高，而且生物活性也有了良好的保证，将这种材料投加到曝气生物滤池进行废水的好氧处理可使处理速度和效率均大大提高。

　　8 固定化微生物的生长繁殖与载体再生

　　固定化生物在多孔陶瓷孔道内生长繁殖形成生物膜，其生长量与底物的去除速率成比例地增加直到一个临界生物膜厚度，当生物膜超过这个厚度时，传质作用受阻从而限制生物生长，同时膜生物的衰老也会限制底物的去除速率和效率，而且，孔道也有可能被完全堵塞而阻止传质作用，因此需要定期对载体进行再生。再生机理有两种，生物脱膜和人工再生。对于生物脱膜，其影响因素主要有:剪切力、上升流速(气体速度或液体速度) 、载体浓度以及载体的表面特性等^[24], 有研究表明,对于生物流化床而言,流体上升流速对载体产生的剪切力会显著地影响生物膜的脱落^[25]，另外，老龄微生物由于胞外物质因内源呼吸被耗尽而失去絮凝吸附作用也容易产生与载体的自行脱落。如果生物脱膜作用不能再生出足够的载体，可以考虑采用人工再生的途径。对于固定化微生物的多孔陶瓷载体，可以通过回烧的方法使之再生，采用二阶段升温法^[26]，即干燥升温（至100 ^oC），有机物灰化升温（100 ^oC～500 ^oC），回烧再生时, 必须注意回烧温度和时间, 及载体材料的特性等，否则会出现不良效果^[27]。

　　9 传质问题

　　多孔陶瓷固定化细胞颗粒中的传质主要有氧气传递、底物传递、产物传递，其中氧气传递阻力最为复杂，包括以下几项：气泡中氧从气相主体扩散到气-液界面的阻力f₁、通过气-液界面的阻力f₂、通过气泡外侧滞流液膜到达液相主体的阻力f₃、液相主体中的传递阻力f₄、通过固定化细胞颗粒表面的滞流液膜到达细胞颗粒与液体间界面的阻力f₅、通过液体与固定化细胞颗粒之间界面的阻力f₆、氧气在固定化细胞颗粒内部扩散的阻力f₇、氧气进入细胞内的阻力f₈。针对以上情况并对相关因素进行筛选，可得固定化细胞内氧气传递模型^[28,29]：

　　上式中，D为氧气在固定化细胞颗粒内的扩散系数；c为半径为r处的氧的浓度，为固定化细胞颗粒密度，为最大比耗氧速率，为米氏常数。

　　提高氧浓度梯度是解决氧气传递问题的主要方法之一，可以通过改变曝气方式实现，比如采用微孔板进行底层曝气，微孔板可以将空气分割得很细，增加空气与液相的接触面积，加快氧气向液相的扩散，提高曝气效率。底物传质相对来说要简单些，因为通常它是溶解在液相中直接向固定化颗粒内部传递，产物传质与底物传质则刚好相反。

　　10 多孔陶瓷固定化生物技术今后的发展趋势

　　综合以上论述可以看出，多孔陶瓷对生物的固定作用力主要有以下几种:范德华力、静电引力、共价键等，通过对多孔陶瓷进行改性可以增强之或者使几种作用力同时作用。多孔陶瓷作为固定化生物的载体与其他材料相比有着巨大的优势，从目前的生产应用情况来看，多孔陶瓷固定化生物技术还有着广阔的应用空间。作为新兴的生物生产技术，它可以应用在食品、制药、化工、环保等行业。实现连续生产是该技术今后的发展趋势之一，以废水处理为例，它的连续生产是指从进水到反应器，废水与多孔陶瓷固定化微生物颗粒接触使废物降解，实现有机废物向生物体和产物的转化，老化生物膜脱落，再生出来的载体重新固定化，直至最后出水这一连串的操作过程连续进行；该技术今后发展的另一个重要趋势则是实现生产设备的小型化，使该技术的优点真正体现出来，目前，我国的环境污染问题还是很突出，根本原因是污染治理工程投入巨大，运行费用太高，生产设备的小型化可以极大程度地解决这个问题。

　　1.陈铭，周晓云.固定化细胞技术在有机废水中的应用与前景.水处理技术,1997.23(2):98

　　2.R.E.Speece等.工业废水的厌氧生物技术[M] .中国建筑出版社.2001.

　　3.杨柳燕，肖琳.环境微生物技术. 北京:科学出版社.2003.377.

　　4.朱时珍，赵振波等.多孔陶瓷材料的制备技术.材料科学与工程.1996.

　　5.欧阳琨等.多孔陶瓷载体固定化酵母的研究.西北轻工业学院学报.1992.9(3):46-53.

　　6.Kent T D, Williams S C, Fitzpatrick C S B. Ammoniacal nitrogen removal in biological aerated filters:The effect of media size[j].Journal of the Chartered Institution of water and Environment Management,2000,14（6）：409－414.

　　7.伦世仪等,惰性载体厌氧颗粒污泥培育及某些性质的研究,生物工程学报, 1987.3 :297-302.

　　8. Kenji Kida ,et al. ,The Importance of the Surface Charge on Support Media for Microbial Adhesion ,J Ferment Bioeng , 1992.73 :323～325.

　　9. Kenji Kida ,et al. ,Support Media for Microbial Adhesion in An Anaerobic Fluidized2Bed Reactor ,J Ferment Bioeng , 1990.69:354～359.

　　10.周群英，高廷耀.环境工程微生物学.北京，高等教育出版社.2002:34-35.

　　11.刘建广.聚乙烯醇固定化细胞技术及特性研究.山东建筑工程学报,1997.12（2）：65-68.

　　12.Tseng How,Takechi Kensuke,Furuhata Kerichi.Carbohydr Polym.1997.33(1)：13.

　　13.王建龙.生物固定技术与水污染控制.北京：科学出版社，2002：28-31.

　　14.黄平，徐可为，憨勇。富含钙磷的多孔氧化钛膜及其生物活化机理.硅酸盐学报2004.32（12）：1449-1454.

　　15.李谦，周大鹏等.有机酸修饰溶胶/凝胶法制备的二氧化钛纳米薄膜的表征.河南大学学报（自然科学版）.2001.31（2）：56-58.

　　16.王建龙.生物固定技术与水污染控制.北京：科学出版社，2002：33.

　　17.王国梅，徐晓虹等.钟祥瓷砂制备高温发泡陶瓷试验研究.陶瓷1997.3：27-30.

　　18.刘军，王晓阳等.运行方式对曝气生物滤池的影响研究.云南化工. 2004.31（3）：7-10.

　　19.熊小京，黄智贤等.牡蛎壳填料浸没式生物滤池的除磷特性.环境污染与防治. 2003.25（6）：329-331.

　　20.季民，刘卫华等，微污染水生物陶粒滤池预处理研究：工业用水与废水，2003.34.（6）：22-25.

　　21.马立，白宇等，下向流生物滤池低温堵塞问题的分析与研究：给水与排水，2005.31（1）：37-40.

　　22.张芳,徐晓虹.孔梯度泡沫陶瓷的制备.武汉化工学院学报.2002.24(4)：31-33.

　　23.张兰，何洪泉等.细胞固定化载体泡沫陶瓷的制备.山东陶瓷.2004.27（6）

　　24.杨平，郭勇等.聚合物多孔载体厌氧生物流化床中的脱膜.四川大学学报( 工程科学版).2000.32（3）

　　25.Chang H T. Biofilm detachment mechanisms in a liquid-fluidized bed [J ] .Biotechnology and Bioengineering,1991 ,38(5):499～506.

　　26.卞直旭.活性炭高温热再生设备述评.黄金.1998.19（3）.43-44

　　27.杨德武，徐守东等.多孔道陶瓷膜的阻力和再生研究.过滤与分离.1999.1：13-15

　　28.王建龙.生物固定技术与水污染控制.北京：科学出版社，2002：124-126

　　29.纪树兰，谭立扬等.固定化细胞降解LAS废水的动力学模型研究.北京工业大学学报.1997.23（4）