微生物固定化技術是生物工程中的一項新興技術，其利用物理或化學手段將微生物限制或定位於限定的空間區域，使之成為水不溶性，但仍能保留生物活性且在適宜的條件下還可以增殖。微生物被固定化後具有密度高、反應速度快、耐毒害能力強、產物分離容易、能實現連續操作、可以大大提高生產能力等優勢，因此近幾年微生物固定化技術得到了迅速發展和廣泛應用。
1 微生物固定化技術的分類方法
一般將微生物固定化方法分為載體結合法、交聯法、載體分離法、系統截留法和聯合固定化技術。
1.1 載體結合法
載體結合法是基於微生物與載體之間通過物理吸附、離子結合、共價結合及生物特異性吸附等作用將微生物固定在非水溶性載體上的方法。
1.2 交聯法
交聯法又稱為無載體固定化法，可分為化學交聯法和物理交聯法。其中物理交聯法是利用微生物自身作用進行微生物固定化的方法，即所謂的自身固定化。此法一般不需使用人工載體或包埋劑，但所需固定化時間長且受環境因素的影響大。
1.3 載體分隔法
載體分隔法是指依靠載體對生物催化劑的物理阻擋來實現生物催化劑的固定化。載體分隔法又可分為包埋法和微膠囊法。將生物催化劑限制在聚合網絡中的方法稱為包埋法；微膠囊固定化法是指通過乳化作用將生物催化劑包埋在各種多聚物製成的半透性微膠囊內的方法。
1.4 系統截留法
系統截留法是利用各種半透膜（如滲析膜、超濾膜等）將生物催化劑以可溶形式限定在一定的空間範圍內，或將過濾、離心、沉澱後的生物催化劑返回到生物反應器中循環使用的方法。
1.5 聯合固定化技術
聯合固定化最初是指把外來酶結合於固定化完整細胞上。後來，又發展到將兩種酶、兩種微生物細胞或生物催化劑（酶、細胞）與底物或其他物質聯合固定在一起。與普通的固定化酶或固定化細胞相比，聯合固定化生物催化劑可以充分利用酶和細胞各自的特點，把不同來源的酶和整個細胞的生物催化性質結合到一起。
2 微生物固定化技術在廢水處理中的研究與應用
2.1 處理氨氮廢水
微生物去除氨氮需經過好氧硝化、厭氧（缺氧）反硝化兩個階段。硝化菌、脫氮菌的增殖速度慢，要想提高去除率，必須有較長的停留時間和較高的細菌濃度，而用固定化細胞技術就可解決這個問題。Nilsson 用海藻酸鈣固定假單細胞反硝化菌Pseudomonas denitrificans，用填充床對含20 mg/L 硝酸鹽的地下水進行兩個月的連續脫氮試驗，脫氮效果良好，反硝化速度為66 mg/（h·kg），容積負荷（以N 計）達到3.6 kg/（m3·d）。中村裕紀用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脫氮菌，用好氧硝化與厭氧反硝化兩段工藝進行合成廢水的脫氮試驗，其結果表明：與懸浮生物法相比，低溫下硝化速度（以N計）加快了6～7 倍，約為0.5 kg/（m3·d）；脫氮速率提高了3 倍，約為l.5 kg/（m3·d）；停留時間由原來的7 h（硝化4 h，反硝化3 h）縮短為4 h（硝化2 h，反硝化2 h），即處理裝置容積可減少約50%左右。周定等將脫氮細胞包埋於PVA（聚乙烯醇）中，結果表明在低溫、低pH 的條件下，固定化細胞能夠保留比未包埋細胞更高的脫氮活性，減輕溶解氧對脫氮的抑制作用，脫氮微生物在固定化載體中可以增殖。
筆者用包埋有硝化細菌的微生物載體投入某生活汙水廠的好氧池中，控制溫度在20～38 ℃，pH6.0～9.0，溶解氧在0.5 mg/L 以下，汙泥沉降比SV30為15%～30%，停留時間3～6 h，進水COD 為400～650 mg/L，出水COD 為60～100 mg/L，汙泥回流比控制在1∶1～1∶4，進水硝酸鹽和亞硝酸鹽的質量濃度為150～400 mg/L。在添加硝化細菌載體工程中，氨氮去除率達到90%以上，明顯高於不添加的處理工程，這說明在添加硝化細菌載體的工程中，載體有利於硝化細菌從外界汙水中吸收氨氮轉化成硝基氮，使最終出水氨氮達到國家一級A 標準。且在運行中，硝化細菌載體的投加較方便、抗衝擊負荷能力較強，運行管理方便，成本較低。
2.2 處理難降解的有機廢水
2.2.1含重金屬廢水的處理
M. Iqbal 等用一種新型經濟的多孔載體絲瓜瓤固定黃孢原毛平革菌（Phanerochaete hrysosporium），製成吸附劑用以吸附溶液中的Pb2+、Cu2+和Zn2+，並與懸浮液做了對比研究。在pH 為6.0 時，吸附1 h達平衡，Pb2+、Cu2+和Zn2+ 3 種金屬離子的去除率分別是88.2%、68.7%和39.6%，相對於懸浮液，去除率分別提高了14.6%、12.8%和16.1%。M.Y. Arica 等將黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）固定在海藻酸鈣中，用於吸附人工靜態模擬廢水中30～600 mg/L 的Pb2+和Zn2+，對其吸附容量做了細緻的研究。結果表明，在pH 5.0～6.0、吸附60 min 後，加熱滅活菌對Pb2+和Zn2+的吸附容量為355、48 mg/g，大於活菌球的282、37 mg/g。2 種形態菌對離子的吸附也是隨初始濃度的增加而增加，吸附符合Langmuir等溫式。
2.2.2含氮廢水的處理
黃正等富集、培養硝化細菌汙泥，選用PVA 作為載體，添加適量粉末活性炭包埋固定硝化細菌汙泥，處理養殖廢水（NH4+-N 質量濃度45 mg/L），處理24 h 後， NH4+-N 去除率達82.5%。屈計寧等用提高基質濃度的方式大幅度提高了硝化細菌的含量，當溫度為30 ℃、pH 為6.5～8.0、DO>2 mg/L 時，經過12～13 周的富集培養1 g汙泥中硝化菌數量是未經富集處理的12～20 倍。安立超等混合固定硝化細菌和反硝化細菌，在體積為1.0 L流化床中使用模擬廢水進行研究。試驗表明：當COD 處於500～1 000 mg/L 內， pH 在8.0～8.5 之間，氣體體積流量為24～42 L/h 時脫氮速率最高。此時，NH4+-N 去除率達90%以上。
2.2.3印染、造紙等廢水的處理
染料、造紙廢水色度高、成分複雜、有毒有害有機物多，用常規的物化方法處理成本高。利用微生物對染料脫色和降解被認為是行之有效的方法。王增長等利用篩選的高效優勢脫色菌種固定在活性汙泥上處理印染廢水。試驗結果表明，固定化脫色菌活性汙泥顯示了極大的優越性，出水CODCr<50 mg/L，出水色度0.005～0. 05 倍。處理後的水可回收利用。洪衛等採用還原鐵床與固定化微生物技術相結合的工藝深度處理造紙中段廢水，結果發現該工藝是可行的，在進水色度平均251 倍、CODCr平均319.9 mg/L的情況下，出水色度平均18.3 倍、CODCr平均31.9mg/L，色度去除率為92.7% 、CODCr去除率為90.0%。J. S. Chang分別用聚丙烯醯胺、海藻酸鈣做載體固定假單胞菌（Pseudomonm luteola），對自配製含氮染料廢水進行脫色處理，降解其中的活性豔紅。結果表明，固定化細胞生物系統雖然脫色速度較慢，但受溶解氧和pH 影響較小，長時間運行也能保持較高的反應效率，且重複使用性好，更適合實際工業應用。
2.2.4含醇類廢水的處理
王裡奧等利用固定化包埋技術對高濃度甲醇廢水進行了處理試驗，確定了海藻酸鈉和聚乙烯醇的最佳包埋條件，並對在最佳包埋條件下製成的固定化小球進行了性能的改進。同時，通過對固定化顆粒小球的比表面積、傳質性能的測定以及電鏡掃描分析了固定化小球的性能。試驗表明，交聯時間是固定化顆粒活性的主要影響因素；2 種材料均有適合微生物附著生長的網狀結構；加入添加劑後，PVA 固定化小球的機械性能進一步得到改善，對甲醇5 h 的去除率達到了93.78%。
2.2.5含雜環芳烴類廢水的處理
張波等採用大孔樹脂白球固定化微生物強化SBR 工藝處理含對甲苯胺廢水，結果表明，在進水TOC 為434.8 mg/L，對甲苯胺為326.9 mg/L 的條件下，強化組可在180 min 內將TOC 和對甲苯胺基本去除完全，去除率在98%以上，對照組則需要300 min才能達到相同的去除效果。Jianlong Wang 等用PVA 和紗布混合載體以及單獨用PVA 凝膠固定皮氏伯克霍爾德氏菌（Burkholderia picketti）降解廢水中的喹啉，當初始喹啉質量濃度在50～500 mg/L 時，喹啉降解過程符合零級反應速率方程。用海藻酸鈣固定該菌處理含喹啉廢水，固定化菌體的活性可保持100 h。
3 微生物固定化技術在汙水處理行業的發展趨勢
固定化細胞技術在廢水處理領域中具有獨特的優勢，但要實現處理廢水的規模化，還需解決幾個問題：（1）研究開發性能穩定、強度高、壽命長、費用低、傳質阻力小的新型固定化載體；（2）開發多種微生物共生的固定化體系，篩選、構建高效、抗逆性強的高性能微生物；（3）開發高效的廢水處理工藝、固定化生物反應器和固定化細胞批量生產裝置。相信固定化細胞技術將在廢水處理領域中會發揮越來越廣泛、重要的作用。（生物谷Bioon.com）