科技日报记者 赵汉斌
水是一种不可再生的资源，而且是社会持续发展中必不可少的重要资源。随着城市化发展，工业化推进，越来越多不易去除的污染物质进入自然环境中，对环境造成破坏，最终影响人类健康。
经过长期的实践证明，传统的污水处理方法已经很难满足现有污染物的去除需求，因此研究和开发新型有效的处理技术是当前的主要任务。
微生物固定化技术凭借其污染物治理效果好、优势菌种富集率高、微生物活性高、抗环境干扰能力强、经济成本低以及可重复利用等优势得到了国内外众多学者的关注。随着技术的发展，能够“吃污”的微生物，在污水处理领域得到广泛应用。
贵州省威宁草海（2020年6月17日摄） 科技日报记者 赵汉斌 摄
污水治理，微生物“黑科技”众望所归
黑臭水体、工业污水、生活污水恣肆横流……但只要在水体中投放不同的微生物，一潭死水很快“活”起来，重新形成一个平衡的生态系统。
从这时起，分解者生物、生产者生物，还有消费者生物开始分工协作；污水中的污染物，也成为“别人”的食物，一条条食物链也由此形成，架构起纵横交错的食物网生态系统。
在这个系统中，水中的有机污染物等，不仅被细菌和真菌降解净化，其降解的最终产物，以太阳能为初始能源，参与食物网中的新陈代谢过程，最后转变成水生作物、鱼、虾、蚌、鹅、鸭等生命体产物，通过循环保持水体的综合生态平衡，污水变清……这不是美好的愿景，而是真实的场景。
水的污染，通常指人为原因造成的水质恶化，降低水的使用价值，主要污染物是固体废弃物和需氧有机物、难降解有机物、重金属、植物营养物质、酸、碱和石油类物质等化学物质。
目前，传统污水处理技术，主要有通过重力沉降、混凝澄清、浮力浮上、离心力分离、磁力分离等物理法即不溶态污染物的分离技术，以及通过酸碱中和法、化学沉淀法、氧化还原法、化学物理消毒的污染物的化学转化技术。此外，通过利用吸附法、离子交换法、膜分离法、蒸发法、冷冻法等进行的溶解态污染物物理化学分离技术，也有相应的应用。
但这些传统方法中，物理方法通常占地面积大，基建费、运行费高，能耗大，管理复杂，易出现污泥膨胀现象，设备不能满足高效低耗的要求，单独使用效果不明显；化学方法运行成本高，消耗大量的化学试剂，易产生二次污染。在大多数情况下，物理化学法结合使用，弊端明显。
如何使城乡污水处理工艺朝着低能耗、高效率、少剩余污泥量、最方便的操作管理，以及实现磷回收和处理水回用等可持续的方向发展，且所采用的技术必须以低能耗和少资源损耗为前提，微生物技术满足了以上的要求。
微生物包括细菌、病毒、真菌等。“微生物技术，主要是利用微生物的代谢反应过程和生物合成产物，对污染环境进行监测、评价、整治以及修复的单一或综合性的现代化人工技术系统。”长期从事生物工程和环境治理研究的包头轻工职业技术学院教师王美霞介绍，它不仅包含了生物技术所有的特点，还融合了环境污染防治以及其他工程技术，目前已逐步发展成为一种经济效益和环境效益俱佳、解决水污染等突出环境问题的有效手段。
根据污染水体底物不同，微生物固定化的优势菌种也不同。主要包括去除多环芳烃类的铜绿假单胞菌、黄孢原毛平革菌、红球菌等；去除氨氮的皱褶念珠菌、副球菌属以及赤水黄杆菌等；去除苯酚的不动杆菌、短杆菌属以及皮氏罗尔斯通氏菌等；去除重金属的微生物主要有去除汞的蜡样芽孢杆菌、去除砷的硫酸盐还原细菌、去除铬的黑曲霉和铜绿假单胞菌以及去除铜的黄孢原毛平革菌等。
经过治理，昆明大观河近年水质明显改善，大观公园成为鸥鹭栖息、游人如织的景区。（2022年2月1日摄） 科技日报记者 赵汉斌 摄
小小微生物，“实战”建奇功
虎年新春，贵州威宁草海雪后初晴，数百只黑颈鹤在湖面翩翩起舞，成群灰雁时而在低鸣翱翔、时而在水中游憩，白鹭在岸边踱步捕食，引得路人驻足欣赏，纷纷拍照或录个短视频。
威宁草海是典型的高原淡水湖，也是贵州最大的天然淡水湖泊。过去几十年间，随着人口增多、人类活动频繁，威宁草海一度濒临消失，水体富营养化突出。为此，“拯救草海”成为近40年来最重要的行动。
随着综合工程的推进，贵州大学副校长周少奇率领的团队，突破国际上生物脱氮研究领域长期无法逾越的难题，妙用微生物脱氮技术，破解了水环境治理密码，让草海明珠重焕异彩。同时，周少奇团队还把新技术与工程化应用推广到城市污水、炼油废水、垃圾渗滤液和农村污水等广阔领域，效果显著。
2016年，长沙高新区肖河、雷锋河黑臭水体引人诟病。湖南三友环保科技股份有限公司利用水体微生物活化系统，在短短一个半月时间里，便消除了肖河的黑臭问题，让微生物技术“名声大噪”。“简单地说，就是通过有效激活水体微生物，使之不断大量繁殖，以重组、完善和优化水体微生物生态系统，促使水体恢复自净能力。”该公司的易境博士介绍说。
无独有偶，在上海市杨浦区长海新村西湖园，从被大片蓝藻覆盖的浊绿水塘，变成鱼儿畅游其间的清流，湖水水质也从劣五类变身为二、三类。创造这一奇迹的，是同济大学环境新技术团队新近研发的创新技术——水体微生物活化系统。这一技术也应用于云南滇池东岸30万平方米的海东湿地生态修复净化工程。
工业废水、生活污水、化石燃烧等产生的污水中，重金属是最醒目的“元凶”，当重金属进入人体内会对人体造成严重的危害。微生物固定化技术去除水体中的重金属离子，也是近年的研究热点。
中国地质大学教授冯传平团队对“微生物－磷矿物－海藻酸盐”固定化颗粒处理含铬废水的效果以及微生物群落特征进行分析，结果表明固相颗粒在不同操作条件下均表现出铬还原效率高、抗铬毒性好、磷余量低等优势。此项研究，为含铬废水的治理提供新的视角和理论依据。
而在业界已广泛采用的生物膜法，即利用在固体载体表面附着生长的微生物所形成的生物膜，去除废水中溶解性有机污染物的一类方法。除了治理水体污染，微生物在重金属、固体废弃物、大气污染等的治理过程中，均取得了显著效果。
昆明滇池草海一角（2022年1月30日摄） 科技日报记者 赵汉斌 摄
微生物治理水环境前景广阔
据住建部和中商产业研究院的数据表明，2016年我国污水年排放量480.30亿立方米，2018年突破500亿立方米，2020年增至571.36亿立方米，2021年预计达589.64亿立方米。
2021年底，工信部发布的《“十四五”工业绿色发展规划》提出，要加强高耗水行业废水、海水和再生水等非常规水高效利用；重点推广工业废水深度治理回用、高效提取分离、高效膜分离等工艺装备技术。
微生物固定化技术因其处理效率高、应用范围广且无二次污染等优势在污水治理领域得到了广泛的应用，并已取得良好的处理效果，为生物法治理氮磷废水、重金属废水、印染废水和有机废水等提供了广阔的舞台。
微生物治理污水技术的关键，就是合适的底物固定化方法、高效的优势菌种和良好的固定化载体。
科技日报记者了解到，各种单独的固定化方法，有利有弊，今后学界微生物治理污水方面，将联合使用多种固定化方法，高效富集优势菌种以去除污染物；在优势菌种方面，寻找出更易培养、更高效的菌种，并提高菌种在复杂环境中的生存能力；在载体材料方面，可以对磁性纳米材料、可生物降解多聚物材料、缓释材料以及多种功能载体材料的复合使用进行更多的研究，从而提高载体的微生物固定性能和污染物去除效果。同时通过提高“载体－微生物”体系的稳定性与经济性，促进规模化生产，加快推进微生物固定化技术的实际应用。
2021年我国推出了多项涉及污水处理政策，推进污水资源化利用，污水年处理量提升，工业污水处理投资增加。目前，随着科技成果的转化和国内一批生物环境治理企业兴起，微生物污水处理被广泛应用于建筑、农业、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗餐饮等各个领域。
