微生物封裝技術在廢水脫氮工藝中的研究進展

楊 旸，侯 成，江心白，陳 丹，楊 浩，牛 浩

（1.南京理工大學環(huán)境與生物工程學院，江蘇 南京 210094；2.江蘇源理環(huán)保產業(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日益嚴重的環(huán)境問題。從廢水中去除氮可防止水體富營養(yǎng)化，對于保護人類健康、減少環(huán)境污染極為重要。由微生物驅動的污水生物脫氮工藝因其高效率、低成本和無二次污染的特點備受關注，已成為污水處理廠主流的脫氮方式[1]。現有污水處理廠采用傳統工藝好氧硝化和缺氧反硝化反應進行脫氮，各種氮轉化微生物可穩(wěn)定去除廢水中的氮，其主要包括氨氧化細菌（ammoniaoxidizing bacteria，AOB）、亞硝酸鹽氧化細菌（nitrite oxidizing bacteria，NOB）、異養(yǎng)反硝化細菌（heterotrophic denitrifiers，HD）和厭氧氨氧化（anaerobic ammonia oxidation，anammox）細菌[2]。傳統脫氮工藝氮去除效能較好，但存在流程長和成本高等缺點。由于一些轉化氮的微生物（如AOB，NOB 和anammox 細菌）生長緩慢，且需特定條件，因此在活性污泥系統中難以控制和優(yōu)化它們的種群規(guī)模和活性，特別是生長緩慢的微生物，如果其懸浮，也較容易從系統中流失[3]。針對以上問題，開發(fā)出一些緊湊、強大和節(jié)能的去除技術，其中一些技術通過使用顆粒活性污泥、移動床生物反應器系統、膜生物反應器或封裝來控制生物質保留[4]。

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

圖1 微生物細胞封裝示意

1 選擇封裝材料

由于封裝不同于基于生物膜的生物技術，無需細胞外聚合物物質（eextracellular polymeric substances，EPS）的積累以聚集和固定細胞，故可封裝特定的微生物以執(zhí)行靶向生化反應，從而實現更快速啟動，該技術特別適合生長緩慢的自養(yǎng)微生物。在操作過程中，封裝還可防止細胞因剪切應力而脫落，同時保持內部的厭氧區(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圍的環(huán)境。封裝劑的物理和化學性質可通過吸附濃縮底物或螯合重金屬減少抑制，由圖1 可以看出,封裝系統可控制的其他工程參數，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合成的聚乙烯醇（PVA）均為最常用的封裝材料。基于多糖的材料（包括海藻酸鹽、角叉菜膠和殼聚糖）主要來自海洋生物，因其無毒性質而被廣泛用于食品工業(yè)。同時由于封裝過程較為簡單，故以上材料在生物脫氮和廢水處理中的應用較受歡迎[8]，但缺點是以上材料缺乏穩(wěn)定性。關于海藻酸鹽作為封裝劑的研究較多，因其使用溶液中二價陽離子的擴散方法交聯相對簡單[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合材料，還可提高這些材料的機械強度及化學和微生物穩(wěn)定性[10]。

PVA 是另一種常見的封裝劑，由乙烯和乙酸化學合成，其具有更高的韌性，但彈性低于藻酸鹽[11]。PVA 也是通過簡單的凝膠過程形成，其盡管在傳統上涉及凍融循環(huán)或使用硼酸，但封裝微生物的生存能力可能受到影響。對此，開發(fā)出使用不同交聯試劑（如磷酸鹽、硝酸鹽或硫酸鹽）的其他方法。同時將光交聯單體（如PVA-sbQ）摻入PVA 的方法以避免使用有毒交聯試劑。PVA 的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性可通過加入填料（如粉末活性炭）進一步提高[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行評估，主要評估封裝劑在采購和合成過程中對人類和環(huán)境健康的影響、在操作過程中的耐用性及使用結束時可用的處置方法。據估計，全球污水處理廠EPS 的潛在生產能力是目前年產量30 000 t 褐藻酸鹽的10 倍[14]。盡管交聯的PVA 和PEG 聚合物毒性低、對環(huán)境基本無害，但PVA,PEG 和WPU 均來自化石燃料。以上聚合物均可從可再生原料中獲取前體（如通過“醋酸乙烯酯循環(huán)”從生物乙醇生產PVA），以提高合成過程的可持續(xù)性。

復合材料或混合材料在穩(wěn)定性和可持續(xù)性方面可結合天然和合成材料的優(yōu)點（如PVA 被摻入海藻酸鹽中以改善其化學和物理穩(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存在直接沖突，在大規(guī)模應用生物脫氮的微生物封裝之前，應需對各種封裝材料進行技術經濟分析或生命周期評估，以系統地評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)性指標見表1。

表1 常用封裝材料的可持續(xù)性指標

1.3 封裝材料中營養(yǎng)物質的傳質

封裝劑表面的微生物可通過對流直接進入底物和電子受體，但由于聚合物網絡、細胞簇和周圍EPS 的阻塞，使得封裝劑內的傳質以擴散為主，因此，為促進封裝微生物的生長需有效地將基質擴散至封裝材料中，可溶性氮（銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽）、氧氣和有機底物的有效擴散率均取決于封裝材料的孔隙率和擴散路徑的曲折度，因此可通過改變封裝材料的組成、涂層材料、磁珠尺寸和固定化細胞密度進行改變[16]。

封裝材料內的靜電相互作用可影響離子的傳質（其中包括帶電氮）。海藻酸鹽可滲透至可溶性氮物質，有研究發(fā)現，其擴散率接近水溶液中的擴散率。氨和亞硝酸鹽在海藻酸鹽中的擴散率均是封裝生物脫氮的重要設計參數，盡管PVA 中氮物質的擴散率已知但未確定，無孔封裝材料中氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽和氧的擴散率[17-18]見表2。由于EPS 中氮物質的擴散率低于水中的擴散率，使得一些封裝系統適合生物膜系統的類似物可進行傳質研究。帶負電荷的亞硝酸鹽和硝酸鹽從水溶液至（帶負電荷的）海藻酸鹽的分配均隨封裝劑中藻酸鹽含量的降低而增加。但由于構成海藻酸鹽中交聯網絡的離子帶正電（例如鈣離子），因此，也可通過增加封裝劑中帶正電荷的鈣離子濃度來改善將帶負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程中是有利的。同樣，PVA 與硼酸或硫酸鹽交聯，具有帶負電荷的硼或硫原子中心可通過靜電吸引吸附帶正電荷的銨[20]。PEG 中氮物質的擴散率仍未確定，小分子和不帶電的分子（如氧）在無細胞封裝材料中自由擴散，其擴散率與封裝材料組成無關。當封裝材料顆粒尺寸隨著封裝劑密度和壓實程度的增加而減小時，可觀察到不帶電分子的有效擴散率顯著降低。因此，顆粒尺寸也可通過氧氣和氮氧化物的差異擴散控制缺氧和厭氧區(qū)的深度。

表2 無孔封裝材料中氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽和氧的擴散率

2 生物脫氮工藝中封裝技術的性能評估和微生物的選擇

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

表3 生物脫氮中部分活性微生物的化學計量和動力學參數

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菌（NOB）進一步氧化為硝酸鹽，完全氨氧化（comammox）的細菌可氧化氨和亞硝酸鹽產生硝酸鹽。因以上自養(yǎng)微生物群生長緩慢且對抑制劑敏感，故封裝可有利于細胞保留和減少抑制。在短程硝化反應器中，為不使亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，先從亞硝酸鹽開始厭氧氨氧化和典型反硝化。在懸浮生長體系中抑制NOB 的同時，促進AOB 生長的常用方法主要包括曝氣控制或維持特定的pH 值、溫度或保留時間，以利用AOB 和NOB 之間生長速率、氧/培養(yǎng)基親和力和對抑制劑（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 相對于NOB 的相對豐度和活性更高，并實現快速啟動。每毫克AOA（nitrosopumilus maritimus）和comammox 細菌（nitrospira inopinata）去除氮的生物量產量較低，氨親和力高于AOB（nitrosomonas europaea）[27]且具有與AOB 相當的增長率。因AOA 和comammox 細菌均可維持高硝化速率和低生物量產量，使之成為封裝首選。為更好地預測含有封裝微生物的生物脫氮過程的性能，需澄清其它動力學參數。如：雖在低溶解氧（質量濃度＜0.6 mg/L）條件下證明comammox 細菌中“candidatus nitrospira nitrosa”的富集，但未量化comammox 細菌對氧氣的親和力。因此，為進一步探究其在生物脫氮過程中的作用，仍需在懸浮和封裝的生長條件下，對AOA 和comammox 細菌進行抑制研究。

由于需氧菌的生長在封裝劑表面附近受到刺激，故在生物脫氮過程中亞硝酸鹽或硝酸鹽的還原可通過異養(yǎng)反硝化（heterotrophic denitrifiers，HD）在下方的缺氧區(qū)進行。HD 微生物通常比氨氧化劑具有更高的生長速率，其從有機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]。部分化學有機營養(yǎng)菌（如pseudomonas stutzeri（斯氏假單胞菌）、paracoccus denitrificans（反硝化副球菌）和alcaligenes faecalis（產堿性菌））也均可氧化各種形式的還原氮（包括氨、亞硝酸鹽和有機氮物種），故被稱為異養(yǎng)硝化（heterotrophic nitrification，HN）[22]，HN 相對較高的氮濃度具有耐受性，反映在其對亞硝酸鹽和硝酸鹽的高抑制常數上。HN/HD 生物在封裝應用中優(yōu)勢明顯，其具有高轉化率和同時硝化-反硝化過程，但其高生物量產量可導致過度生長，從封裝劑中逸出。

3 全面應用和產業(yè)化的機會

雖然封裝劑-微生物相互作用的詳細機制尚不清楚，但有研究證明，生物脫氮封裝過程的成功應用效應。因PVA 和PEG 的耐用性和相對簡單的制備條件，使之成為應用中最常用的材料。PVA 已被用于中試規(guī)模的厭氧-缺氧-氧化過程的氧化區(qū)，以增強硝化作用和磷的吸收。含有PEG 封裝生物質的中試規(guī)模反應器在長期（＞200 d）運行中硝化和厭氧氨氧化的作用穩(wěn)定高效。生物脫氮已開發(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 的小型生物反應器平臺膠囊[32]。以上商業(yè)化工藝在城市廢水中超越生物脫氮的應用前景顯著（如工業(yè)廢水或飲用水處理、污染物修復和生物產品合成）。封裝技術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有廢水處理工藝中，具體見圖2。由圖2 可以看出，封裝生物質在2 個反應堆和單反應堆中形成，可通過優(yōu)化封裝材料、要封裝的微生物和反應器運行條件，實現所需的整體氮去除率。

圖2 生物脫氮的應用設計示意

4 結論

封裝技術隨著封裝材料合成、微生物富集/分離、數學建模和分子工具等方面的進展在生物脫氮中的應用得到進一步改善和拓寬，為滿足其穩(wěn)定性、滲透性和可持續(xù)性的要求，需開發(fā)一種新型復合封裝材料。而成功富集、分離研究關鍵的氮轉化微生物作為封裝技術應用首選，基本可實現高效、穩(wěn)健和可預測的生物脫氮。進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，并使用先進的遺傳和微觀工具闡明其在封裝劑中的分布和活性。通過建立更好、更準確的模型以提高生物脫氮的性能，將其實驗性的應用于污水處理過程中的封裝生物脫氮系統，了解其性能隨時間的變化情況，為探索工程應用的未來研究提供一定參考。