固定化反硝化菌在低污染水環(huán)境治理中脫氮性能的研究

夏汗飛

摘要：近年來，氮污染已日益嚴重，傳統(tǒng)的生物脫氮理論認為細菌的反硝化作用是一個嚴格的厭氧過程，但反硝化菌的發(fā)現(xiàn)打破了此規(guī)律。隨著生物脫氮技術(shù)的不斷改進、更新，固定化微生物脫氮技術(shù)日益受到廣泛關(guān)注。文章綜述了反硝化菌的應(yīng)用研究、固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于低污染水環(huán)境治理研究動態(tài)以及固定化反硝化菌脫氮效果比對，從而闡述固定化反硝化菌脫氮技術(shù)的研究狀況與應(yīng)用展望。

關(guān)鍵詞：固定化反硝化菌;低污染水環(huán)境治理;脫氮性能

前言

隨著水體氮素污染日趨嚴重，脫氮技術(shù)的改進及強化方法成為研究熱點。固定化微生物技術(shù)因具有微生物密度大、處理效率高、反應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強等優(yōu)點而備受關(guān)注。綜述了不同固定化載體及方法對生物脫氮的強化效果，分析了固定化作用對微生物的影響，總結(jié)了固定化技術(shù)脫氮應(yīng)用的最新研究進展，并對該領(lǐng)域今后的發(fā)展進行探討。

1固定化方法

在固定化微生物脫氮性能研究中，包埋法利用海藻酸鈉（SA）、聚乙烯醇（PVA）等固定化材料將微生物限定在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內(nèi)，同時能讓基質(zhì)滲入和產(chǎn)物擴散出來，此方法所得微生物濃度大，形成的顆粒強度高。關(guān)于包埋法的研究首先需確定最佳包埋材料。作為包埋載體，SA和PVA在包埋不同菌種時顯示出不同的包埋效果。包埋蛋白核小球藻用于城市水治理脫氮除磷時，PVA是比SA更合適的固定化材料;包埋活性污泥用于聚酯廢水治理時，SA顯示出優(yōu)于PVA的效果。綜合來說，包埋法強化了脫氮效果。唐艷葵等采用SA和PVA添加膨潤土包埋以反硝化聚磷菌為主的活性污泥治理氨氮廢水，在一定的條件下總磷及氨氮平均去除率均達95%以上，且無NO2--N積累。S.H.Song等用PVA和黃原膠混合固定Ochrobactrumanth-ropiSY509，研究其在填充床反應(yīng)器中的脫氮性能，結(jié)果表明該混合固定化細胞具有較高的脫氮效率，是傳統(tǒng)包埋細胞脫氮效率的2.7倍。吸附法利用聚氨酯泡沫、沸石、陶土等材料為載體，通過微生物和吸附載體之間的作用（主要是范德華力、氫鍵及靜電作用）將微生物吸附到載體表面。吸附法固定脫氮菌也顯示出對脫氮效果的加強。

2固定化反硝化菌在低污染水環(huán)境治理中的應(yīng)用

2.1單菌群領(lǐng)域

在自然界氮素的循環(huán)轉(zhuǎn)換中，硝化是整個生物脫氮過程的限速步驟，且硝化細菌是化能自養(yǎng)菌，生長緩慢，對環(huán)境因子變化敏感，極易被處理系統(tǒng)淘汰。固定化作用可一定程度上減少菌體流失，提高硝化細菌的抗沖擊能力，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。同樣對于反硝化細菌，固定化技術(shù)可增強其生物密度和對環(huán)境變化的耐受性，減少系統(tǒng)掛膜及穩(wěn)定時間。Y.S.Kim等用多孔纖維素作載體固定反硝化細菌，處理硝酸鹽污染地下水，在水力停留時間為1h條件下，NO3--N去除率達99.5%。影響生物脫氮過程的環(huán)境因素有多種，溫度是影響脫氮菌的活性及比增長速率的較為重要的因素之一。在實際應(yīng)用中生物脫氮常需要低溫環(huán)境下進行，固定化作用的優(yōu)點之一，即增強微生物對環(huán)境的耐受性。相關(guān)研究也證實了固定化微生物的耐低溫性能優(yōu)于相應(yīng)的懸浮細胞。鄭平等研究了固定化硝化細菌的過程反應(yīng)特性，總結(jié)了固定化硝化細菌耐低溫性能高的原因：固定化細胞的生化反應(yīng)過程受擴散控制，擴散對溫度變化的敏感程度明顯低于生化反應(yīng)，相比較固定化作用帶來的擴散阻力而言，低溫相對提高了硝化細菌對基質(zhì)的親和力，從而提高了固定化硝化細菌的耐低溫性能。方明亮等研究顯示，低溫（13～14℃）下固定化硝化細菌投加質(zhì)量為10g的SBR反應(yīng)器氨氮去除效率提高了20%。

2.2與人工濕地結(jié)合強化脫氮

人工濕地系統(tǒng)廣泛用于低污染水環(huán)境治理，去除水環(huán)境中的污染物其主要依靠植物、基質(zhì)、微生物3種途徑，其中微生物的作用至關(guān)重要。固定化脫氮菌對人工濕地脫氮效率的有較高的強化作用，主要體現(xiàn)在高效脫氮微生物加快了硝化和反硝化。濕地植物與固定化微生物聯(lián)合作用時，植物泌氧和植物根系分泌物可在一定程度上影響微生物的脫氮過程。根據(jù)不同的濕地植物，不同固定化菌種大幅提高人工濕地系統(tǒng)對水環(huán)境治理的最佳效果。

3固定化對微生物的影響

因存在擴散阻力，固定化顆粒內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣不足，進而影響微生物的生存環(huán)境。A.C.Hulst等發(fā)現(xiàn)，以海藻酸鈣為材料的固定化顆粒中，氧氣的擴散速率隨顆粒中微生物細胞濃度的增大而降低。A.Martinsen等以SA為固定化材料，研究血清蛋白的擴散性能，認為均勻凝膠（即SA在固定化顆粒中分布均勻）內(nèi)物質(zhì)擴散速率優(yōu)于非均勻凝膠。另一方面，對于傳統(tǒng)反硝化菌，用于固定微生物細胞的凝膠基質(zhì)對氧氣擴散造成阻礙而形成的缺氧環(huán)境，恰有利于其生存，可實現(xiàn)同步硝化和反硝化脫氮。對微生物代謝活性的影響固定化作用影響了微生物的生存環(huán)境，不可避免地影響微生物活性，表現(xiàn)為顆粒內(nèi)部微生物生長速率的降低。S.H.Omar研究表明微生物趨于生長在固定化顆粒的邊緣區(qū)，而顆粒內(nèi)部則出現(xiàn)微生物生長惰性區(qū)。H.G.Monbouquette等觀察固定化細胞也發(fā)現(xiàn)，在固定化顆粒內(nèi)部，不同部位微生物生長速率不同，且從邊緣到中心呈遞減趨勢。對此可通過添加多孔物質(zhì)來增加固定化微生物顆粒的通氣性和通水性，改善其傳質(zhì)性能，從而提高處理效果;也可通過反復(fù)實驗探究最佳固定化條件，增大固定化材料的孔隙度，提高微生物密度。固定化技術(shù)可通過固定化微環(huán)境對有毒物質(zhì)的屏蔽作用和載體的保護作用，提高微生物的活性，從而大幅提高生物系統(tǒng)的處理能力和適應(yīng)性。K.C.Chen等在固定化載體中包埋微生物生長促進因子，以改善固定化凝膠顆粒內(nèi)部因傳質(zhì)限制引起的底物不足，有效改善了固定化微生物的微環(huán)境。

4固定化反硝化菌脫氮技術(shù)應(yīng)用展望

通過對分離菌株的單獨包埋和混合包埋來處理不同濃度的含氮廢水以及對OGO反應(yīng)器的強化效果來分析，反硝化菌包埋投放的處理效果較菌株直接投放時的處理效果要好，菌株的脫氮效率提高，脫氮穩(wěn)定性的增強，耐受性也有所提高。這與固定化反硝化技術(shù)的特性密切相關(guān)：①反硝化菌固定化后，通過固液分離，在分離后的出水中剩余反硝化菌的量很少，因此不需要大型沉淀池，從而減少了固定基礎(chǔ)投資;②反應(yīng)器中的微生物可達到較高細胞濃度，通常為常規(guī)活性污泥法的7～8倍。

總結(jié)

固定化反硝化菌脫氮技術(shù)將以其獨特的優(yōu)點引起了人們的普遍關(guān)注，在污染物排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴格的情況下，單純依靠傳統(tǒng)處理難以達標(biāo)，固定法反硝化菌脫氮技術(shù)將成為有效的輔助方法。為了更好地利用固定化反硝化菌脫氮技術(shù)，針對不同的水污染環(huán)境體系，應(yīng)選擇合適的包埋材料，以提高處理能力，同時在載體對細胞濃度、活性的影響及其傳質(zhì)阻力的研究還有待進一步深入探討，在有機包埋載體中加入某些特定的添加劑以改善其性能，有些組成的混合載體體系是很有應(yīng)用前途的。開發(fā)研制性能優(yōu)良的包埋載體材料仍是生物固定化技術(shù)的重要課題之一。隨著反硝化菌固定化技術(shù)的不斷深入研究和發(fā)展，該項技術(shù)必將成為一項高效而實用的水治理技術(shù)，在水環(huán)境污染治理中獲得廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

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（作者單位：宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司）