硝化細菌在污水凈化中的研究與應用

陸立海，陳國寧，蘇 柳，陳永利，李文文，覃思躍，劉 熹

(廣西博世科環保科技股份有限公司，廣西 南寧 530000)

1 背景

當今經濟的飛速發展，給人類帶來了更佳的物質生活條件，同時也帶來了一些環境污染問題。生活污水、工業污水和農業污水等污染水體，進而給人類帶來了健康問題，影響了水生態平衡。其中水體富營養化是水污染的普遍現象之一，而氨氮濃度是治理富營養化污水的重要指標。采用生物脫氮法去除污水中氨氮，具有操作簡單、成本低等特點，在水產品養殖和污水處理中廣泛應用。微生物中氮循環主要由生物體內有機氮的合成、氨化作用、消化作用、反硝化作用和固氮作用組成。污水中的氨氮通過硝化作用轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽；進而通過反硝化作用，最終生成氮氣。硝化細菌的硝化作用是生物脫氮應用中氨氮轉化的關鍵。因此，對硝化細菌更深入的研究，對污水處理中的氨氮去除具有重要意義。本文就硝化細菌在污水氨氮去除中的應用研究現狀進行討論。

2 硝化細菌的研究進展

硝化細菌分為自養和異養類型，目前自然界中已發現的硝化細菌大多數為自養硝化細菌，異養硝化細菌較少。自養硝化細菌分為氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)，這兩類細菌分別參與硝化作用的氨氧化和亞硝酸氧化階段。AOB和NOB共有9種屬，20種[1]。為了硝化細菌菌劑的高效應用，研究學者從自然界中富集培養、分離純化與菌種鑒定、包埋固定化、擴大培養和混合菌群多樣性研究，研究新發現菌株的生理特性和脫氮作用機制。硝化細菌研究領域涵蓋了菌種的分離鑒定[2]、代謝機理、基因水平研究、菌劑的制備、菌種的保存[3]以及硝化細菌檢測技術的研究[4]。當前，硝化細菌的研究獲得了一定的成效。比如養殖業往往采取人工投餌方式，加上魚等養殖產品的排泄物導致了養殖水體中氨、亞硝酸鹽超標而使養殖產能低下。而定期投入一定的硝化細菌，大大改善養殖水質，為水產養殖業帶來了更高的養殖效益。如專門培養觀賞性水生動植物的水族箱、養魚池等，硝化細菌及時去除里面的氨氮、亞硝酸鹽等對魚類有毒物質[5]。此外，利用硝化細菌菌劑，活性污泥法、生物濾池和生物膜法等去除工業污水和生活污水中的氨氮，也獲得了一定成效。

3 硝化細菌在污水凈化中的應用情況

硝化細菌主要應用于處理養殖廢水和氨氮、亞硝酸鹽超標的工業廢水和生活污水。硝化細菌廣泛應用于廢水生化處理的工藝中，傳統的工藝有A/O法、A2/O法、接觸氧化法、SBR工藝等。此外，新型生物脫氮技術也在研究發展中，包括厭氧氨氧化技術、硝化反硝化技術和短程硝化反硝化技術等[6]。

4 硝化細菌污水應用瓶頸

硝化細菌的研究已持續一百多年，但是硝化細菌的工業應用技術尚存在問題。其在凈化污水的應用中依然存在一些技術瓶頸。

(1)自身因素的限制。目前發現的硝化細菌多數為自養型，少量異養型。自養型硝化細菌生長繁殖周期長(10 h以上)，生長緩慢，自然條件下硝化菌群的富集培養與馴化時間周期長且有效菌體濃度低下，而單一菌種的擴大培養，菌體濃度較高，但是其硝化作用效果不如富集培養的菌種。另外，異養型硝化細菌的生長周期比自養型長，但對生長環境的適應性更強[7]。

(2)外界因素的限制。硝化細菌在工業應用中硝化作用效果，除了受自身特性的影響菌，菌種的生長繁殖對外界因素較為敏感性。比如溫度、pH值、DO、C/N、有機物濃度、消毒劑[8]、有毒物質和重金屬等[9]，將直接影響硝化細菌的硝化作用效果。

綜上，目前市售硝化細菌菌劑種類繁多，硝化作用效果參差不齊，大多數為生物直投法使用。硝化細菌菌劑的凈化效果除了受生長環境的影響，主要受菌劑本身特性的影響。就處理效果而言，國產菌劑的除氨氮效果一般；而部分進口產品效果相對顯著，但價格高，其中商業菌劑市場份額最大的是EM和諾維信。市售硝化細菌為復合菌劑，含有多種功能不同的細菌組分，如光合菌劑、枯草芽孢桿菌等。盡管進口復合菌劑有較好的效果，但在工業應用中不具有針對性，且需要定期添加菌劑維持。其出售菌劑都是按照固定的細菌類別配比制備而成。但是處理不同的污水，由于水質原因和生長條件的不同，復合菌劑中的某些成分，不但不能在該條件下生長繁殖，還可能短時間內衰亡，在污水處理中不起任何作用。故復合菌劑在實際應用中，菌劑部分成分為無效組分，在一定程度上是一種資源浪費。原因是投放的菌劑無法適應被投放的生長環境，對外界做出應激反應，難以進行生長繁殖，逐步衰亡，因此無法長期保持較好的硝化作用能力，維持較好的氨氮去除效果。如何獲取不同極端條件下能適應生長的硝化細菌菌種，如具有耐酸、耐堿、耐高溫、耐低溫、耐高鹽濃度、耐低DO等基因特性的菌株是當務之急。如此，根據處理污水的特性制備菌劑，保證菌種的精準高效投放，使菌種在治理目標—污水中進行生長繁殖，持續性保持一定的硝化作用能力，達到持續凈化的效果。

5 發展前景

硝化細菌菌劑是一種安全性較高的菌劑[10]。硝化細菌在污水處理中的應用需要更深層次的研究，以獲得更高效的工程應用效果。獲得生長繁殖周期較短、利于擴大培養、硝化作用活性更強、適應能力較好的硝化細菌菌劑。根據不同的污水水質，選取最佳的菌種，配制更高效的復合菌劑，使其快速適應污水的環境，進行生長繁殖，維持更為持久高效的氨氮去除效果。研究者甚至可通過基因手段整合硝化細菌的優勢基因，增強菌劑對生長環境的適應能力，提高菌劑的效能，降低污水處理成本，提高氨氮去除環保技術的水平。