固定化脱氮菌在低污染水处理中的应用研究

张焕杰，阮馨怡，施雪旖，邢朝晖，孔海南，林　燕

（上海交通大学，上海200240）

固定化脱氮菌在低污染水处理中的应用研究

张焕杰，阮馨怡，施雪旖，邢朝晖，孔海南，林燕

（上海交通大学，上海200240）

随着水体氮素污染日趋严重，脱氮技术的改进及强化方法成为研究热点。固定化微生物技术因具有微生物密度大、处理效率高、反应速度快、适应能力强等优点而备受关注。综述了不同固定化载体及方法对生物脱氮的强化效果，分析了固定化作用对微生物的影响，总结了固定化技术脱氮应用的最新研究进展，并对该领域今后的发展进行探讨。

固定化；生物脱氮；水处理；低污染水

目前我国许多河流都存在低污染问题，低污染水体涉及范围广，而随着氮素污染的加剧，低污染水的脱氮处理已引起广泛关注。低污染水水质水量波动性强、污染物浓度及碳氮比相对较低，若使用传统污水深度处理方法治理，存在技术及成本上的双重瓶颈。对于大规模的非点源低污染水的处理，人工湿地已广泛应用并成为研究热点〔1〕。然而，人工湿地的脱氮效率受气温影响较大，在低于15℃的环境下含氮污染物的去除效果不佳〔2-3〕；且不少潜流湿地非植物根际区溶解氧不足，硝化反应进行不彻底，NO2--N的积累会对反硝化菌产生毒害作用，不利于反硝化反应的进行，从而使生物脱氮的整个过程受阻〔4〕；此外，利用人工湿地脱氮存在碳源不足的问题。有学者将厌氧氨氧化菌与反硝化菌联合，以期解决生物脱氮中NO2--N积累和碳源不足的问题〔5〕，或对脱氮菌进行低温及贫营养驯化，从而削弱温度及碳源对脱氮效果的影响〔6〕。

固定化微生物技术具有微生物密度高、反应速度快、耐毒害能力和适应能力强等优点，通过筛选目标菌株（群），利用固定化技术将其固定后投加，则可一定程度上强化人工湿地的脱氮效果〔7〕。不仅如此，固定化技术在低污染水生物脱氮领域的研究也体现在菌藻联合固定改善景观水体。I.Cruz等〔8〕利用微藻和细菌联合固定的方法处理三级污水，净化效果显著；S.A.Covarrubias等〔9〕的研究也证实了菌藻联合固定的可行性。因此，利用固定化脱氮菌来强化人工湿地对于低污染水中氮素的处理有重要意义。笔者从固定化方法对脱氮效果的强化着手，分析了固定化作用对微生物的影响，总结了固定化技术在生物脱氮方面的应用，对其在人工湿地工程领域中的最新研究进行归纳，并对其发展作了探讨。

1　固定化方法

在固定化微生物脱氮研究中，包埋法利用海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）等固定化材料将微生物限定在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内，同时能让基质渗入和产物扩散出来，此方法所得微生物浓度大，形成的颗粒强度高。关于包埋法的研究首先需确定最佳包埋材料。作为包埋载体，SA和PVA在包埋不同菌种时显示出不同的包埋效果。包埋蛋白核小球藻用于城市污水脱氮除磷时，PVA是比SA更合适的固定化材料〔10〕；包埋活性污泥用于聚酯废水处理时，SA显示出优于PVA的效果〔11〕。综合来说，包埋法强化了脱氮效果。唐艳葵等〔12〕采用SA和PVA添加膨润土包埋以反硝化聚磷菌为主的活性污泥处理氨氮废水，在好氧条件下总磷及氨氮平均去除率均达95%以上，且无NO2--N积累。S.H.Song等〔13〕用PVA和黄原胶混合固定Ochrobactrumanthropi SY509，研究其在填充床反应器中的脱氮性能，结果表明该混合固定化细胞具有高脱氮效率，是传统包埋细胞脱氮效率的2.7倍。

吸附法利用聚氨酯泡沫、沸石、陶土等材料为载体，通过微生物和吸附载体之间的作用（主要是范德华力、氢键及静电作用）将微生物吸附到载体表面。吸附法固定脱氮菌也显示出对脱氮效果的加强。张会萍等〔14〕以陶粒为载体吸附固定脱氮菌群，对景观水进行模拟脱氮试验，处理2 d后NO3--N去除率达98.1%，TN去除率达91.5%。吸附材料改性可优化脱氮菌的作用效果。杨基先等〔15〕以水性聚氨酯（PU）为介质制备负载电气石的聚氨酯（TPU）载体，不仅增加了PU的表面粗糙度，而且因电气石具有自发电极性，自动调节环境酸碱性，促进了硝化细菌的生长繁殖，挂膜量明显增加，投加TPU载体后NH4+-N和NO2--N的去除率分别提高了8.12%、9.08%。

2　固定化对微生物的影响

2.1对微生物生存环境的影响

因存在扩散阻力，固定化颗粒内部营养物质和氧气不足，进而影响微生物的生存环境。A.C.Hulst等〔16〕发现，以海藻酸钙为材料的固定化颗粒中，氧气的扩散速率随颗粒中微生物细胞浓度的增大而降低。A.Martinsen等〔17〕以SA为固定化材料，研究血清蛋白的扩散性能，认为均匀凝胶（即SA在固定化颗粒中分布均匀）内物质扩散速率优于非均匀凝胶。另一方面，对于传统反硝化菌，用于固定微生物细胞的凝胶基质对氧气扩散造成阻碍而形成的缺氧环境〔18〕，恰有利于其生存，可实现同步硝化反硝化脱氮。

2.2对微生物代谢活性的影响

固定化作用影响了微生物的生存环境，不可避免地影响微生物活性，表现为颗粒内部微生物生长速率降低。S.H.Omar〔19〕研究表明微生物趋于生长在固定化颗粒的边缘区，而颗粒内部则出现微生物生长惰性区。H.G.Monbouquette等〔20〕观察固定化细胞也发现，在固定化颗粒内部，不同部位微生物生长速率不同，且从边缘到中心呈递减趋势。对此可通过添加多孔物质来增加固定化微生物颗粒的通气性和通水性，改善其传质性能，从而提高处理效果；也可通过反复实验探究最佳固定化条件，增大固定化材料的孔隙度，提高微生物密度〔21〕。

2.3对微生物的保护作用

固定化技术可通过固定化微环境对有毒物质的屏蔽作用和载体的保护作用，提高微生物的活性，从而提高生物系统的处理能力和适应性〔22〕。G.T.Chun等〔23〕用塑料载体包埋丝状菌Tolypocladium inflatum，实验表明固定化作用可使微生物免受高剪切力的作用，从而有利于微生物生长。K.C.Chen等〔24〕在固定化载体中包埋微生物生长促进因子，以改善固定化凝胶颗粒内部因传质限制引起的底物不足，有效改善了固定化微生物的微环境。

3　固定化技术脱氮的应用

3.1单菌群领域

在自然界氮素的循环转换中，硝化是整个生物脱氮过程的限速步骤，且硝化细菌是化能自养菌，生长缓慢，对环境因子变化敏感，极易被处理系统淘汰。固定化作用可一定程度上减少菌体流失，提高硝化细菌的抗冲击能力，维持系统稳定运行。对于反硝化细菌，固定化技术可增强其生物密度和对环境变化的耐受性，减少系统挂膜及稳定时间。C. Rongsayamanont等〔25〕以PVA为固定化材料包埋硝化细菌，探究了固定化颗粒透气性与群落结构对短程硝化的影响。Y.S.Kim等〔26〕用多孔纤维素作载体固定反硝化细菌，处理硝酸盐污染地下水，在水力停留时间为1 h条件下，NO3--N去除率达99.5%。

作为影响生物脱氮过程的环境因素之一，温度影响脱氮菌的活性及比增长速率。而实际应用中生物脱氮常需要在低温环境下进行，固定化作用的优点之一即增强微生物对环境的耐受性。相关研究也证实了固定化微生物的耐低温性能优于相应的悬浮细胞〔27〕。郑平等〔28〕研究了固定化硝化细菌的过程反应特性，总结了固定化硝化细菌耐低温性能高的原因：固定化细胞的生化反应过程受扩散控制，扩散对温度变化的敏感程度明显低于生化反应，相比较固定化作用带来的扩散阻力而言，低温相对提高了硝化细菌对基质的亲和力，从而提高了固定化硝化细菌的耐低温性能。方明亮等〔29〕研究显示，低温（13～14℃）下固定化硝化细菌投加质量为10 g的SBR反应器氨氮去除率提高了20%。张爽等〔30〕固定含耐冷菌的硝化污泥以处理生活污水，固定菌转入低温环境作用6 h后，对氨氮的去除率为80%左右。另外，对于潜流湿地非植物根际区NO2--N积累的问题，固定化载体的保护作用一定程度上使微生物对有毒物质的耐受性增强〔31〕。

3.2混合菌领域

在固定化脱氮技术研究中，为实现硝化和反硝化2个过程的有机结合，固定化菌种不再为单一菌种（群），而是混合菌（群）。起初通过分层包埋硝化菌与反硝化菌来人工营造好氧区和缺氧区，以适应2种菌的同步生长。H.Uemoto等〔32〕利用管状聚合凝胶将硝化菌固定于表层，反硝化菌固定于内层，实现单级生物脱氮。后来研究发现，将2种菌混合后包埋，由于扩散阻力在颗粒内部产生氧浓度梯度，不同种菌会选择性地生长在不同区域。Guomin Cao等〔33〕探究了冷冻法混合固定中硝化菌与反硝化菌的比例对单级脱氮过程的影响，实验结果表明适当增加硝化细菌比例会增强脱氮效果，当硝化与反硝化细菌之比（细胞干质量）为1.5∶1～3.6∶1时混合固定菌群脱氮效果最好。随后Guomin Cao等〔34〕用PVA固定硝化菌与反硝化菌为2∶1的混合菌悬液，在壳管式共固定细胞生物反应器中研究废水脱氮，以期达到外加多余碳源循环利用而不与废水混合的效果。结果显示，投加固定化菌株后系统脱氮效果稳定，且该方法避免了外加碳源对废水造成的污染。

若筛选好氧反硝化菌与硝化菌混合固定，则不需着重考虑2种菌群对环境溶解氧的不同需求，使好氧条件下单级生物脱氮变得更易行。蔡昌凤等〔35〕加入麦秸粉末改进PVA固定化方法，混合固定硝化细菌和好氧反硝化细菌对焦化废水进行脱氮，在有效容积为5 L的好氧槽中，经过12 h的曝气处理氨氮去除率高达94.3%，脱氮过程无NO2--N和NO3--N的积累。Dayu Yu等〔36〕采用PVA分别与SA、Fe3O4纳米材料、细菌纤维素固定硝化细菌和好氧反硝化细菌，实验结果表明3种材料固定脱氮菌的总氮去除率分别为66.04%、77.22%、69.81%，其中总氮去除率较高的Fe3O4纳米材料可实现菌株与水的分离，以便重复利用。

3.3与人工湿地结合强化脱氮

人工湿地系统广泛用于处理低污染水，其去除污染物主要依靠植物、基质、微生物3种途径，其中微生物的作用至关重要。固定化脱氮菌对人工湿地脱氮效率的强化作用之一体现在高效脱氮微生物加快了硝化反硝化。湿地植物与固定化微生物联合作用时，植物泌氧和植物根系分泌物可一定程度上影响微生物的脱氮过程。根据不同湿地植物、不同固定化菌种对人工湿地系统的最佳处理效果，列举了固定化脱氮菌与人工湿地结合处理废水的应用实例，如表1所示，可为固定化脱氮菌工程领域的应用提供一定参考。

表1　固定化脱氮技术与人工湿地结合处理废水

4　展望

微生物固定化技术以其特有的优点在废水处理领域中广泛应用〔47〕。采用固定化脱氮菌加强低污染水生物脱氮的研究虽然很多，但应用存在一定局限性，如目前固定化脱氮技术主要集中在室内模拟阶段，在流域生态修复方面得不到广泛应用。该技术需要进行以下研究和改进：（1）开发多种生物共生的固定化载体；（2）延长固定化微生物及载体的使用周期；（3）将固定化微生物技术与其他废水处理技术相结合；（4）开发研究大型固定化微生物反应器等。

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Research on the application of immobilized denitrifier to the treatment of slightly-polluted water

Zhang Huanjie，Ruan Xinyi，Shi Xueyi，Xing Zhaohui，Kong Hainan，Lin Yan （Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

With the nitrogen pollution in water getting worse and worse，the improvement and enhancement methods for denitrification technology have become a research hot spot.Much attention is paid to immobilized microorganism technology because of its advantages，such as high concentration，high efficiency，high reaction rate，good adaptability，etc.The enhancement effects of different immobilization carriers and methods on biological denitrification are summarized.The influences of immobilization on microorganisms are analyzed，and the newest research progress in the application of immobilized technology to denitrification is summarized.Furthermore，its future development in this field is discussed.

immobilization；biological denitrification；wastewater treatment；slightly-polluted water

X703

A

1005-829X（2016）08-0001-04

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07105-003）