微生物封裝技術(shù)在廢水脫氮工藝中的研究進(jìn)展

楊 旸，侯 成，江心白，陳 丹，楊 浩，牛 浩

（1.南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.江蘇源理環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

目前，氮素污染已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。從廢水中去除氮可防止水體富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)于保護(hù)人類(lèi)健康、減少環(huán)境污染極為重要。由微生物驅(qū)動(dòng)的污水生物脫氮工藝因其高效率、低成本和無(wú)二次污染的特點(diǎn)備受關(guān)注，已成為污水處理廠(chǎng)主流的脫氮方式[1]?，F(xiàn)有污水處理廠(chǎng)采用傳統(tǒng)工藝好氧硝化和缺氧反硝化反應(yīng)進(jìn)行脫氮，各種氮轉(zhuǎn)化微生物可穩(wěn)定去除廢水中的氮，其主要包括氨氧化細(xì)菌（ammoniaoxidizing bacteria，AOB）、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（nitrite oxidizing bacteria，NOB）、異養(yǎng)反硝化細(xì)菌（heterotrophic denitrifiers，HD）和厭氧氨氧化（anaerobic ammonia oxidation，anammox）細(xì)菌[2]。傳統(tǒng)脫氮工藝氮去除效能較好，但存在流程長(zhǎng)和成本高等缺點(diǎn)。由于一些轉(zhuǎn)化氮的微生物（如AOB，NOB 和anammox 細(xì)菌）生長(zhǎng)緩慢，且需特定條件，因此在活性污泥系統(tǒng)中難以控制和優(yōu)化它們的種群規(guī)模和活性，特別是生長(zhǎng)緩慢的微生物，如果其懸浮，也較容易從系統(tǒng)中流失[3]。針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一些緊湊、強(qiáng)大和節(jié)能的去除技術(shù)，其中一些技術(shù)通過(guò)使用顆粒活性污泥、移動(dòng)床生物反應(yīng)器系統(tǒng)、膜生物反應(yīng)器或封裝來(lái)控制生物質(zhì)保留[4]。

封裝技術(shù)是一種較有應(yīng)用前景的解決方案，符合更嚴(yán)格的排放法規(guī)，并滿(mǎn)足可持續(xù)廢水處理工藝發(fā)展的需求[5]。酶和全組織細(xì)胞的封裝均是生物催化和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的新興技術(shù)。將微生物封裝在可滲透基質(zhì)中可防止細(xì)胞流失，并保留特定的微生物種群免受不利生長(zhǎng)條件的影響[6]，提高生物脫氮過(guò)程的效率和穩(wěn)定性的同時(shí)，還可縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間[7]。微生物細(xì)胞封裝示意見(jiàn)圖1。

圖1 微生物細(xì)胞封裝示意

1 選擇封裝材料

由于封裝不同于基于生物膜的生物技術(shù)，無(wú)需細(xì)胞外聚合物物質(zhì)（eextracellular polymeric substances，EPS）的積累以聚集和固定細(xì)胞，故可封裝特定的微生物以執(zhí)行靶向生化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更快速啟動(dòng)，該技術(shù)特別適合生長(zhǎng)緩慢的自養(yǎng)微生物。在操作過(guò)程中，封裝還可防止細(xì)胞因剪切應(yīng)力而脫落，同時(shí)保持內(nèi)部的厭氧區(qū)。另也可選擇定制的封裝劑代替EPS，并用于控制所選和封裝的微生物周?chē)沫h(huán)境。封裝劑的物理和化學(xué)性質(zhì)可通過(guò)吸附濃縮底物或螯合重金屬減少抑制，由圖1 可以看出,封裝系統(tǒng)可控制的其他工程參數(shù)，主要包括封裝劑的大、小和表面積及初始封裝濃度。

1.1 封裝材料的穩(wěn)定性

天然衍生的多糖和化學(xué)合成的聚乙烯醇（PVA）均為最常用的封裝材料?；诙嗵堑牟牧希òêＴ逅猁}、角叉菜膠和殼聚糖）主要來(lái)自海洋生物，因其無(wú)毒性質(zhì)而被廣泛用于食品工業(yè)。同時(shí)由于封裝過(guò)程較為簡(jiǎn)單，故以上材料在生物脫氮和廢水處理中的應(yīng)用較受歡迎[8]，但缺點(diǎn)是以上材料缺乏穩(wěn)定性。關(guān)于海藻酸鹽作為封裝劑的研究較多，因其使用溶液中二價(jià)陽(yáng)離子的擴(kuò)散方法交聯(lián)相對(duì)簡(jiǎn)單[9]。在多糖封裝劑中添加活性炭、氧化石墨烯或碳納米管等碳基復(fù)合材料，還可提高這些材料的機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)和微生物穩(wěn)定性[10]。

PVA 是另一種常見(jiàn)的封裝劑，由乙烯和乙酸化學(xué)合成，其具有更高的韌性，但彈性低于藻酸鹽[11]。PVA 也是通過(guò)簡(jiǎn)單的凝膠過(guò)程形成，其盡管在傳統(tǒng)上涉及凍融循環(huán)或使用硼酸，但封裝微生物的生存能力可能受到影響。對(duì)此，開(kāi)發(fā)出使用不同交聯(lián)試劑（如磷酸鹽、硝酸鹽或硫酸鹽）的其他方法。同時(shí)將光交聯(lián)單體（如PVA-sbQ）摻入PVA 的方法以避免使用有毒交聯(lián)試劑。PVA 的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性可通過(guò)加入填料（如粉末活性炭）進(jìn)一步提高[12]。

其他合成材料（包括硅膠、水性聚氨酯（waterborne polyurethane，WPU）和聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG））[13]也均被用于生物廢水處理和氮去除的研究。

1.2 封裝材料的可持續(xù)性

封裝劑材料的可持續(xù)性需采用全生命周期的方法進(jìn)行評(píng)估，主要評(píng)估封裝劑在采購(gòu)和合成過(guò)程中對(duì)人類(lèi)和環(huán)境健康的影響、在操作過(guò)程中的耐用性及使用結(jié)束時(shí)可用的處置方法。據(jù)估計(jì)，全球污水處理廠(chǎng)EPS 的潛在生產(chǎn)能力是目前年產(chǎn)量30 000 t 褐藻酸鹽的10 倍[14]。盡管交聯(lián)的PVA 和PEG 聚合物毒性低、對(duì)環(huán)境基本無(wú)害，但PVA,PEG 和WPU 均來(lái)自化石燃料。以上聚合物均可從可再生原料中獲取前體（如通過(guò)“醋酸乙烯酯循環(huán)”從生物乙醇生產(chǎn)PVA），以提高合成過(guò)程的可持續(xù)性。

復(fù)合材料或混合材料在穩(wěn)定性和可持續(xù)性方面可結(jié)合天然和合成材料的優(yōu)點(diǎn)（如PVA 被摻入海藻酸鹽中以改善其化學(xué)和物理穩(wěn)定性，淀粉被摻入WPU 中以提高其生物降解性）[15]。由于封裝材料的耐久性與可降解性指標(biāo)存在直接沖突，在大規(guī)模應(yīng)用生物脫氮的微生物封裝之前，應(yīng)需對(duì)各種封裝材料進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析或生命周期評(píng)估，以系統(tǒng)地評(píng)估它們的成本效益和環(huán)境影響。

常用封裝材料的可持續(xù)性指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 常用封裝材料的可持續(xù)性指標(biāo)

1.3 封裝材料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)

封裝劑表面的微生物可通過(guò)對(duì)流直接進(jìn)入底物和電子受體，但由于聚合物網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞簇和周?chē)鶨PS 的阻塞，使得封裝劑內(nèi)的傳質(zhì)以擴(kuò)散為主，因此，為促進(jìn)封裝微生物的生長(zhǎng)需有效地將基質(zhì)擴(kuò)散至封裝材料中，可溶性氮（銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽）、氧氣和有機(jī)底物的有效擴(kuò)散率均取決于封裝材料的孔隙率和擴(kuò)散路徑的曲折度，因此可通過(guò)改變封裝材料的組成、涂層材料、磁珠尺寸和固定化細(xì)胞密度進(jìn)行改變[16]。

封裝材料內(nèi)的靜電相互作用可影響離子的傳質(zhì)（其中包括帶電氮）。海藻酸鹽可滲透至可溶性氮物質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)，其擴(kuò)散率接近水溶液中的擴(kuò)散率。氨和亞硝酸鹽在海藻酸鹽中的擴(kuò)散率均是封裝生物脫氮的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，盡管PVA 中氮物質(zhì)的擴(kuò)散率已知但未確定，無(wú)孔封裝材料中氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽和氧的擴(kuò)散率[17-18]見(jiàn)表2。由于EPS 中氮物質(zhì)的擴(kuò)散率低于水中的擴(kuò)散率，使得一些封裝系統(tǒng)適合生物膜系統(tǒng)的類(lèi)似物可進(jìn)行傳質(zhì)研究。帶負(fù)電荷的亞硝酸鹽和硝酸鹽從水溶液至（帶負(fù)電荷的）海藻酸鹽的分配均隨封裝劑中藻酸鹽含量的降低而增加。但由于構(gòu)成海藻酸鹽中交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的離子帶正電（例如鈣離子），因此，也可通過(guò)增加封裝劑中帶正電荷的鈣離子濃度來(lái)改善將帶負(fù)電荷的離子分配至海藻酸鹽封裝劑中[19]。帶正電荷的銨離子分配到海藻酸鹽在平衡過(guò)程中是有利的。同樣，PVA 與硼酸或硫酸鹽交聯(lián)，具有帶負(fù)電荷的硼或硫原子中心可通過(guò)靜電吸引吸附帶正電荷的銨[20]。PEG 中氮物質(zhì)的擴(kuò)散率仍未確定，小分子和不帶電的分子（如氧）在無(wú)細(xì)胞封裝材料中自由擴(kuò)散，其擴(kuò)散率與封裝材料組成無(wú)關(guān)。當(dāng)封裝材料顆粒尺寸隨著封裝劑密度和壓實(shí)程度的增加而減小時(shí)，可觀(guān)察到不帶電分子的有效擴(kuò)散率顯著降低。因此，顆粒尺寸也可通過(guò)氧氣和氮氧化物的差異擴(kuò)散控制缺氧和厭氧區(qū)的深度。

表2 無(wú)孔封裝材料中氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽和氧的擴(kuò)散率

2 生物脫氮工藝中封裝技術(shù)的性能評(píng)估和微生物的選擇

以上說(shuō)明，生物脫氮通常使用硝化、反硝化或厭氧氨氧化反應(yīng)去除廢水中的氮[2]。一些微生物生長(zhǎng)緩慢，需在特定的條件下才可生長(zhǎng)，故難以在生物反應(yīng)器中富集和保留。除選擇封裝材料以創(chuàng)造最佳生長(zhǎng)條件外，根據(jù)微生物的生理和生化特性選擇封裝微生物也同樣重要。在生物脫氮過(guò)程中，一些重要的具有封裝應(yīng)用潛力的活性微生物物種的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量參數(shù)[21-26]（包括純培養(yǎng)和富集）見(jiàn)表3。為合理使用特定微生物或群落，可通過(guò)應(yīng)用封裝，系統(tǒng)地改善生物脫氮。

表3 生物脫氮中部分活性微生物的化學(xué)計(jì)量和動(dòng)力學(xué)參數(shù)

生物脫氮的第一步主要由AOB 和氨氧化古菌（ammonia oxidizing archaea，AOA）將氨氧化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽在有氧條件下被亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，完全氨氧化（comammox）的細(xì)菌可氧化氨和亞硝酸鹽產(chǎn)生硝酸鹽。因以上自養(yǎng)微生物群生長(zhǎng)緩慢且對(duì)抑制劑敏感，故封裝可有利于細(xì)胞保留和減少抑制。在短程硝化反應(yīng)器中，為不使亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，先從亞硝酸鹽開(kāi)始厭氧氨氧化和典型反硝化。在懸浮生長(zhǎng)體系中抑制NOB 的同時(shí)，促進(jìn)AOB 生長(zhǎng)的常用方法主要包括曝氣控制或維持特定的pH 值、溫度或保留時(shí)間，以利用AOB 和NOB 之間生長(zhǎng)速率、氧/培養(yǎng)基親和力和對(duì)抑制劑（例如游離氨和亞硝酸）的敏感性的差異。AOB 的封裝（如亞硝基單胞菌屬（nitrosomonas））可確保AOB 相對(duì)于NOB 的相對(duì)豐度和活性更高，并實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。每毫克AOA（nitrosopumilus maritimus）和comammox 細(xì)菌（nitrospira inopinata）去除氮的生物量產(chǎn)量較低，氨親和力高于A(yíng)OB（nitrosomonas europaea）[27]且具有與AOB 相當(dāng)?shù)脑鲩L(zhǎng)率。因AOA 和comammox 細(xì)菌均可維持高硝化速率和低生物量產(chǎn)量，使之成為封裝首選。為更好地預(yù)測(cè)含有封裝微生物的生物脫氮過(guò)程的性能，需澄清其它動(dòng)力學(xué)參數(shù)。如：雖在低溶解氧（質(zhì)量濃度＜0.6 mg/L）條件下證明comammox 細(xì)菌中“candidatus nitrospira nitrosa”的富集，但未量化comammox 細(xì)菌對(duì)氧氣的親和力。因此，為進(jìn)一步探究其在生物脫氮過(guò)程中的作用，仍需在懸浮和封裝的生長(zhǎng)條件下，對(duì)AOA 和comammox 細(xì)菌進(jìn)行抑制研究。

由于需氧菌的生長(zhǎng)在封裝劑表面附近受到刺激，故在生物脫氮過(guò)程中亞硝酸鹽或硝酸鹽的還原可通過(guò)異養(yǎng)反硝化（heterotrophic denitrifiers，HD）在下方的缺氧區(qū)進(jìn)行。HD 微生物通常比氨氧化劑具有更高的生長(zhǎng)速率，其從有機(jī)碳中提取的電子可將氮氧化物（如亞硝酸鹽和硝酸鹽）還原為氣態(tài)氮物種（N2，N2O）[28]。部分化學(xué)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌（如pseudomonas stutzeri（斯氏假單胞菌）、paracoccus denitrificans（反硝化副球菌）和alcaligenes faecalis（產(chǎn)堿性菌））也均可氧化各種形式的還原氮（包括氨、亞硝酸鹽和有機(jī)氮物種），故被稱(chēng)為異養(yǎng)硝化（heterotrophic nitrification，HN）[22]，HN 相對(duì)較高的氮濃度具有耐受性，反映在其對(duì)亞硝酸鹽和硝酸鹽的高抑制常數(shù)上。HN/HD 生物在封裝應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，其具有高轉(zhuǎn)化率和同時(shí)硝化-反硝化過(guò)程，但其高生物量產(chǎn)量可導(dǎo)致過(guò)度生長(zhǎng)，從封裝劑中逸出。

3 全面應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的機(jī)會(huì)

雖然封裝劑-微生物相互作用的詳細(xì)機(jī)制尚不清楚，但有研究證明，生物脫氮封裝過(guò)程的成功應(yīng)用效應(yīng)。因PVA 和PEG 的耐用性和相對(duì)簡(jiǎn)單的制備條件，使之成為應(yīng)用中最常用的材料。PVA 已被用于中試規(guī)模的厭氧-缺氧-氧化過(guò)程的氧化區(qū)，以增強(qiáng)硝化作用和磷的吸收。含有PEG 封裝生物質(zhì)的中試規(guī)模反應(yīng)器在長(zhǎng)期（＞200 d）運(yùn)行中硝化和厭氧氨氧化的作用穩(wěn)定高效。生物脫氮已開(kāi)發(fā)出多種商業(yè)化封裝工藝，主要包括日立的PEGASUS 工藝[29]、Microvi Biotech 的MNE 生物催化劑[30]、Lentikats 的PVA 顆粒[31]、Kuraray 的KURAGEL 和BioCastle 的小型生物反應(yīng)器平臺(tái)膠囊[32]。以上商業(yè)化工藝在城市廢水中超越生物脫氮的應(yīng)用前景顯著（如工業(yè)廢水或飲用水處理、污染物修復(fù)和生物產(chǎn)品合成）。封裝技術(shù)因其保留微生物的能力，故非常容易被集成到具有各種配置的現(xiàn)有廢水處理工藝中，具體見(jiàn)圖2。由圖2 可以看出，封裝生物質(zhì)在2 個(gè)反應(yīng)堆和單反應(yīng)堆中形成，可通過(guò)優(yōu)化封裝材料、要封裝的微生物和反應(yīng)器運(yùn)行條件，實(shí)現(xiàn)所需的整體氮去除率。

圖2 生物脫氮的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意

4 結(jié)論

封裝技術(shù)隨著封裝材料合成、微生物富集/分離、數(shù)學(xué)建模和分子工具等方面的進(jìn)展在生物脫氮中的應(yīng)用得到進(jìn)一步改善和拓寬，為滿(mǎn)足其穩(wěn)定性、滲透性和可持續(xù)性的要求，需開(kāi)發(fā)一種新型復(fù)合封裝材料。而成功富集、分離研究關(guān)鍵的氮轉(zhuǎn)化微生物作為封裝技術(shù)應(yīng)用首選，基本可實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)健和可預(yù)測(cè)的生物脫氮。進(jìn)一步研究可更好地了解封裝微生物之間及微生物與其封裝劑環(huán)境之間相互作用，并使用先進(jìn)的遺傳和微觀(guān)工具闡明其在封裝劑中的分布和活性。通過(guò)建立更好、更準(zhǔn)確的模型以提高生物脫氮的性能，將其實(shí)驗(yàn)性的應(yīng)用于污水處理過(guò)程中的封裝生物脫氮系統(tǒng)，了解其性能隨時(shí)間的變化情況，為探索工程應(yīng)用的未來(lái)研究提供一定參考。