湯麗娟

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固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)應(yīng)用展望

湯麗娟

福州市環(huán)境科學(xué)研究院

近年來，氮污染已日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的生物脫氮理論認(rèn)為細(xì)菌的反硝化作用是一個嚴(yán)格的厭氧過程，但好氧反硝化菌的發(fā)現(xiàn)打破了此規(guī)律。隨著生物脫氮技術(shù)的不斷改進(jìn)、更新，固定化微生物脫氮技術(shù)日益受到廣泛關(guān)注。文章綜述了好氧反硝化菌的應(yīng)用研究、固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于廢水處理研究動態(tài)以及固定化好氧反硝化菌脫氮效果比對，從而闡述固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)的研究狀況與應(yīng)用展望。

生物脫氮 固定化微生物 好氧反硝化菌 廢水處理

對氮素引起的環(huán)境污染來說，生物脫氮具有十分重要的意義和極大的實用價值。傳統(tǒng)生物脫氮工藝將硝化和反硝化作為兩個相互獨立的階段，使二者在時間和空間上分開，即硝化反應(yīng)發(fā)生在好氧條件下，反硝化反應(yīng)發(fā)生在嚴(yán)格的缺氧條件下。近年來，眾多專家在傳統(tǒng)硝化反硝化脫氮理論的基礎(chǔ)之上，又探索出了一些生物脫氮的新途徑，如同時硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND）、好氧反硝化（Aerobic Denitrification）、異養(yǎng)硝化（Heterotrophic Nitrification）、異養(yǎng)硝化－好氧反硝化（Heterotrophic Nitrification）等，而好氧反硝化現(xiàn)象的發(fā)生又離不開好氧反硝化菌的作用，好氧反硝化菌是利用好氧反硝化酶的作用，在有氧條件下進(jìn)行反硝化作用的一類反硝化菌，它使得硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)在同一個反應(yīng)器中發(fā)生，從而實現(xiàn)真正意義上的同步硝化反硝化。

目前國外對好氧反硝化菌的研究方向概括起來主要有兩個方面：

①生理生化性質(zhì)的研究：國外的Lone Frette、Shwu Ling Pai和Naoki Takaya等分離出了不同種屬的好氧反硝化菌，并對細(xì)菌的生理條件（溫度、pH、C/N比），總氮的去除過程等作了深入的研究。

②工藝方法的研究：國外的研究者把得到的好氧反硝化菌用于實驗階段的工藝研究，也取得了較好的總氮去除效果。

國內(nèi)傳統(tǒng)的生物脫氮的理論知識較為成熟，不僅把工藝成功運(yùn)用于實踐中，而且還結(jié)合我國的特色，研發(fā)出了許多新型反應(yīng)器。但好氧反硝化菌的研究才剛剛起步，做的工作還不多，很多研究基本還處于實驗的探索階段，已篩得的好氧反硝化菌大部分脫氮效率不是很高，其相關(guān)機(jī)理研究還不夠深入。如何提高好氧反硝化菌在工藝研究中的脫氮效率，解決菌種流失、脫氮穩(wěn)定性較差的問題仍然是一個新的研究方向。而固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)在一定程度上解決好氧反硝化菌直接投放于工藝研究中存在的諸多問題，從而大大提高好氧反硝化菌的脫氮效率。

本文將從好氧反硝化菌的應(yīng)用研究、固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于廢水處理研究動態(tài)以及固定化好氧反硝化菌脫氮效果比對等方面綜述固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)的研究狀況與應(yīng)用展望。

1 好氧反硝化菌的應(yīng)用研究

與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，好氧反硝化菌的出現(xiàn)可以使生物脫氮在同一反應(yīng)器中完成，實現(xiàn)真正意義上的同步硝化反硝化。關(guān)于利用好氧反硝化菌實現(xiàn)的生物脫氧已經(jīng)有成功應(yīng)用的報道。Cupta等[1]用含有的生物轉(zhuǎn)盤處理不同濃度的生活污水時，總氮去除率達(dá)20%～68%。Kshirsagar等[2]利用兩個操作條件完全相同的氧化溝來處理模擬肥料工業(yè)廢水，其中一氧化溝內(nèi)投加有，另一沒有投加的氧化溝為對照系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)水TKN的質(zhì)量濃度為790mg/L時，含有的氧化溝系統(tǒng)對TKN去除（硝化效果）和TN去除（反硝化效果）分別比對照系統(tǒng)高出10%和20%。丁愛中等[3]則從土壤中分離出一種兼性細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)其能在好氧條件下還原硝酸鹽。Huang等[4]分離出好氧反硝化菌，發(fā)現(xiàn)其好氧反硝化最適碳氮比（C/N）為4~5，DO為2~6mg/L。Pai等[5]也曾將好氧反硝化菌T6和硝化污泥投加到同一個好氧反應(yīng)器中，在進(jìn)水NO3--N的質(zhì)量濃度為250mg/L時，總氮去除負(fù)荷最大可達(dá)360mg[N]/g[MLVSS]·d。因而在單污泥系統(tǒng)或者生物膜系統(tǒng)中，可將硝化菌和好氧反硝化菌進(jìn)行混合培養(yǎng)，只要控制好合適的運(yùn)行條件，就可以在同一反應(yīng)器中實現(xiàn)同步硝化好氧反硝化。

當(dāng)前對好氧反硝化菌的應(yīng)用，無論是用宏觀環(huán)境理論還是微觀環(huán)境理論來解釋，都還是沒有擺脫傳統(tǒng)的好氧缺氧生物脫氮模式，其通常所說的反硝化，其實質(zhì)仍然是缺氧微環(huán)境下的反硝化，不能稱之為真正意義上的好氧反硝化，沒有發(fā)揮出好氧反硝化技術(shù)的優(yōu)勢。好氧反硝化菌脫氮的研究雖然在國內(nèi)還處于起步階段，但是由于其比傳統(tǒng)生物脫氮具有優(yōu)勢，必將成為未來廢水生物脫氮的重要途徑之一。

2 固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于廢水處理研究動態(tài)[6]

用固定化細(xì)胞處理廢水前景是喜人的。Canizares等[7]比較研究了角叉萊膠聚糖固定的螺旋藻與懸浮藻處理釀酒廢水，固定化藻對氮、磷的去除率在90%以上，而懸浮藻對氮、磷的去除率分別為75%和53%，而Travieso等[8]利用固定化小球藻處理下水道污染物的研究表明，固定化小球藻對污水凈化7d后，可使污水中的氨氮由原來的35mg/L降低為近乎零，使磷酸鹽的去除率也達(dá)71%。席淑琪等[9]采用厭氧、好氧環(huán)境交替出現(xiàn)的培養(yǎng)條件，富集培養(yǎng)以假單胞菌為主的除磷菌。使用PVA硼酸法固定以假單胞菌為優(yōu)勢微生物的活性污泥，制成的固定化污泥經(jīng)過活化，可以保持細(xì)胞活性并略有提高，具有明顯的除磷能力和較好的抗酸、堿沖擊能力，在起始濃度為87.5mg/L時，6 h可去除49.5%的磷。在酸性條件下，菌體會釋放磷，而硝氮的存在有利于提高固定化污泥的除磷效果，24h除磷率為88.2%。在好氧條件下，固定化污泥還具有明顯的脫氮能力，這為采用固定化細(xì)胞法同時進(jìn)行污水的脫氮、除磷處理提供了可能。用藻菌共生系統(tǒng)進(jìn)行污水的脫氮除磷處理，藻類通過光合作用產(chǎn)生氧氣，供給好氧菌降解有機(jī)物質(zhì)，而且有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的CO2可被藻類利用，這樣就減少了曝氣量，降低了能耗。Bashan等[10]將微藻類Chlorella vulgaris和藻類促進(jìn)生長細(xì)菌Azospirillum brasilens共固定化的海藻酸鈣包埋顆粒用在半連續(xù)合成廢水的處理中。與單獨微藻類的固定化相比，固定化混合微生物對銨離子和溶解性磷離子有很高的去除率。實驗發(fā)現(xiàn)藻類促進(jìn)生長細(xì)菌Abrasilense與微藻類Cvulgaris共固定在包埋顆粒中，對微藻類的生長有很大的促進(jìn)作用，并且能提高微藻類Cvulgaris對銨離子和溶解性磷離子的去除率。

3 固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)應(yīng)用

由于固定化細(xì)胞技術(shù)用于廢水生物處理與傳統(tǒng)的懸浮生物處理法相比，能純化和保持高效菌種，微生物濃度高，污泥產(chǎn)量少，固液分離效果好。因此，該項技術(shù)在廢水生物處理，尤其是在特種水處理領(lǐng)域中，獲得了廣泛的研究。固定化細(xì)胞技術(shù)已用于BOD物質(zhì)的去除、硝化－反硝化、脫磷、去酚、氰的降解、LAS降解[11-12]、重金屬離子的去除與回收以及印染廢水的脫色處理等。近年來，固定化硝化菌脫氮技術(shù)已經(jīng)從實驗室和小規(guī)模試驗階段進(jìn)入大規(guī)模的生產(chǎn)性試驗階段。目前，固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)還處于實驗室和小規(guī)模試驗階段。

本人通過實驗室的小試研究，從具有同時硝化反硝化（SND）現(xiàn)象的OGO反應(yīng)器中分離出三株好氧反硝化菌，命名為T3、T6、T7，分離菌株革蘭氏染色皆為陽性、形狀皆為桿狀。通過形態(tài)學(xué)特征、16SrDNA同源性比較對篩選菌株進(jìn)行鑒定，確定T3、T7為赤紅紅球菌屬（），T6為戈登氏菌屬（）。菌株在檸檬酸鈉為碳源，硝酸鉀為氮源的培養(yǎng)基中生長良好，將其按比例混合擴(kuò)大培養(yǎng)后以5%的接種量投放于OGO應(yīng)器中，檢測菌株強(qiáng)化后反應(yīng)器的脫氮效果。結(jié)果表明：聚乙烯醇(PVA)包埋菌泥投放較菌泥直接投放的處理效果好，其強(qiáng)化后的OGO反應(yīng)器對COD、NH4+-N、TN的平均去除率分別為98.48%、90.18%、78.92%，比強(qiáng)化前的處理結(jié)果分別提高了4.21%、6.43%、4.61%，且反應(yīng)器出水NOx--N的量較少[13]。

此外將好氧反硝化菌T7擴(kuò)大培養(yǎng)后對硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮為唯一氮源的模擬廢水進(jìn)行處理，選用聚乙烯醇(PVA)作為包埋載體，將接種菌做成固定化的小球，再將其投放于不同濃度的模擬廢水中，同時與未包埋時的處理效果進(jìn)行比對。試驗結(jié)果表明：該菌株能在好氧的條件下代謝硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮，可以處理不同濃度的硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮的廢水，但兩種投放方式對這5種初始濃度（1mg/L，10 mg/L，100 mg/L，500 mg/L，1000 mg/L）的硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮模擬廢水的降解率差異顯著。當(dāng)硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮的初始濃度都為1mg·L-1時，降解率最高，都達(dá)到85%以上。但隨著硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮初始濃度的增加，兩種投放方式的處理效果都下降，但菌泥直接投放時的處理效果下降速度更快，表明PVA包埋的好氧反硝化菌比直接投放的好氧反硝化菌對高濃度的含氮廢水具有更強(qiáng)的耐受性。同時也說明單位數(shù)量的好氧反硝化菌對氮的降解是有限的，當(dāng)硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮初始濃度超出好氧反硝化菌的最大承受范圍時，就會對好氧反硝化菌的脫氮效果起到抑制或毒害作用[14]。

3.2 固定化好氧反硝化菌脫氮技術(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(qiáng)化效果來分析，好氧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，菌株脫氮效率提高，脫氮的穩(wěn)定性增強(qiáng)，耐受性也有所提高。這與固定化好氧反硝化技術(shù)的特性密切相關(guān)：

①好氧反硝化菌固定化后，利于固液分離，分離后的出水中剩余好氧反硝化菌的量很少，因此不需要大型沉淀池和固定投資；

②反應(yīng)器中可達(dá)到較高的細(xì)胞濃度，通常為常規(guī)活性污泥法的7～8倍；

③通過優(yōu)化載體體積特征，可達(dá)到好氧反硝化菌的最大活性；

④具有抗沖擊負(fù)荷的能力，特別是采用包埋法固定化技術(shù)時，微生物被高分子化合物所覆蓋，與毒性物質(zhì)的接觸受到限制，安全性大大增加。

綜上所述，隨著對好氧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廢水處理技術(shù)，在廢水處理中獲得廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)語

固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)必將以其獨特的優(yōu)點引起了人們的普遍關(guān)注，在污染物排放標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格而單純依靠傳統(tǒng)處理難以達(dá)標(biāo)的情況下，固定法好氧反硝化菌脫氮技術(shù)將成為有效輔助方法。為了更好地利用固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)，針對不同的廢水體系，應(yīng)選擇合適的包埋材料以提高處理能力，同時載體對細(xì)胞濃度、活性的影響及其傳質(zhì)阻力的研究還有待深入，在有機(jī)包埋載體中加入某些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。隨著好氧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廢水處理技術(shù)，在廢水處理中獲得廣泛的應(yīng)用。

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