固定化反硝化菌在低污染水環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，但反硝化菌的發現打破了此規律。隨著生物脫氮技術的不斷改進、更新，固定化微生物脫氮技術日益受到廣泛關注。文章綜述了反硝化菌的應用研究、固定化微生物技術應用于低污染水環境治理研究動態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的研究狀況與應用展望。

關鍵詞：固定化反硝化菌;低污染水環境治理;脫氮性能

前言

隨著水體氮素污染日趨嚴重，脫氮技術的改進及強化方法成為研究熱點。固定化微生物技術因具有微生物密度大、處理效率高、反應速度快、適應能力強等優點而備受關注。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，總結了固定化技術脫氮應用的最新研究進展，并對該領域今后的發展進行探討。

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，同時能讓基質滲入和產物擴散出來，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器中的脫氮性能，結果表明該混合固定化細胞具有較高的脫氮效率，是傳統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境治理中的應用

2.1單菌群領域

在自然界氮素的循環轉換中，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菌，生長緩慢，對環境因子變化敏感，極易被處理系統淘汰。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，維持系統穩定運行。同樣對于反硝化細菌，固定化技術可增強其生物密度和對環境變化的耐受性，減少系統掛膜及穩定時間。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。在實際應用中生物脫氮常需要低溫環境下進行，固定化作用的優點之一，即增強微生物對環境的耐受性。相關研究也證實了固定化微生物的耐低溫性能優于相應的懸浮細胞。鄭平等研究了固定化硝化細菌的過程反應特性，總結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，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量為10g的SBR反應器氨氮去除效率提高了20%。

2.2與人工濕地結合強化脫氮

人工濕地系統廣泛用于低污染水環境治理，去除水環境中的污染物其主要依靠植物、基質、微生物3種途徑，其中微生物的作用至關重要。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。根據不同的濕地植物，不同固定化菌種大幅提高人工濕地系統對水環境治理的最佳效果。

3固定化對微生物的影響

因存在擴散阻力，固定化顆粒內部營養物質和氧氣不足，進而影響微生物的生存環境。A.C.Hulst等發現，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）內物質擴散速率優于非均勻凝膠。另一方面，對于傳統反硝化菌，用于固定微生物細胞的凝膠基質對氧氣擴散造成阻礙而形成的缺氧環境，恰有利于其生存，可實現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境，不可避免地影響微生物活性，表現為顆粒內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，而顆粒內部則出現微生物生長惰性區。H.G.Monbouquette等觀察固定化細胞也發現，在固定化顆粒內部，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來增加固定化微生物顆粒的通氣性和通水性，改善其傳質性能，從而提高處理效果;也可通過反復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。固定化技術可通過固定化微環境對有毒物質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的處理能力和適應性。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部因傳質限制引起的底物不足，有效改善了固定化微生物的微環境。

4固定化反硝化菌脫氮技術應用展望

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，脫氮穩定性的增強，耐受性也有所提高。這與固定化反硝化技術的特性密切相關：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投資;②反應器中的微生物可達到較高細胞濃度，通常為常規活性污泥法的7～8倍。

總結

固定化反硝化菌脫氮技術將以其獨特的優點引起了人們的普遍關注，在污染物排放標準越來越嚴格的情況下，單純依靠傳統處理難以達標，固定法反硝化菌脫氮技術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，針對不同的水污染環境體系，應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用前途的。開發研制性能優良的包埋載體材料仍是生物固定化技術的重要課題之一。隨著反硝化菌固定化技術的不斷深入研究和發展，該項技術必將成為一項高效而實用的水治理技術，在水環境污染治理中獲得廣泛的應用。

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（作者單位：宇星科技發展（深圳）有限公司）