包埋厭氧氨氧化污泥的原理及研究進展

周 鵬，許祥祥，李光蕾

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

1 厭氧氨氧化工藝介紹以及存在問題

厭氧氨氧化過程是在厭氧或者缺氧環(huán)境下，由厭氧氨氧化菌以氨氮為電子供體、亞硝態(tài)氮為電子受體，氨氮與亞硝態(tài)氮反應(yīng)將氮元素轉(zhuǎn)化為N2的過程。厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮工藝得以應(yīng)用的前提條件是實現(xiàn)系統(tǒng)中Anammox菌的富集培養(yǎng)與維持。然而，Anammox菌作為自養(yǎng)菌，緩慢的生長速率與較長的倍增時間使其難以在低溫低NH4+濃度的城市污水中進行快速增殖，種種不利影響致使厭氧氨氧化菌工藝在城市污水中的應(yīng)用變得緩慢。針對這一問題國內(nèi)外學(xué)者做了大量的實驗研究，例如采用技術(shù)手段控制進水的條件與濃度等，但是采用這些新技術(shù)方法成本較高，沒有從根本上解決厭氧氨氧化技術(shù)不能大量應(yīng)用的問題。因此探究如何阻止厭氧氨氧化菌的流失，加速菌體顆粒的形成，即研究截留微生物技術(shù)手段成為了厭氧氨氧化工藝應(yīng)用的主要研究方向之一。

傳統(tǒng)的污水生物處理工藝主要采用活性污泥法處理微生物懸浮生長。該方法雖然具有許多優(yōu)點，在污水處理領(lǐng)域長期發(fā)揮著重要作用，多將微生物固定化應(yīng)用于污水處理，但也存在許多難以克服的缺陷，如反應(yīng)器中生物量濃度低、污泥與水分離困難、抗沖擊負荷能力差、污泥漂浮膨脹和流失等。固定化微生物技術(shù)是一種新的處理技術(shù)，由于固定化微生物技術(shù)可以固定所選擇的可以降解特定污染物的特定菌種，特定的菌群可以提升污水處理系統(tǒng)的針對性，通過包埋也可以提高菌種對環(huán)境的耐受性。該技術(shù)使污水處理效果穩(wěn)定，整個反應(yīng)器的操作與看護更加簡單，重要的是污染物降解速率也比傳統(tǒng)方法好。因此，近年來固定化微生物技術(shù)已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，一些研究成果已從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用階段。在用固定化微技術(shù)進行污水或者廢水試驗時，包埋法是被廣大研究者所使用最多的方法，也是目前看來較為有效的微生物固定化方法之一。

2 包埋固定微生物技術(shù)的介紹

2.1 包埋固定技術(shù)的基本原理及特點

包埋法是通過聚合、沉淀、離子網(wǎng)絡(luò)或改變?nèi)軇?、溫度、pH值等方法，微生物細胞被聚合物的空隙所截取。聚合物所形成的細小網(wǎng)格可以阻攔微生物細胞，防止微生物細胞漏失，同時細胞所需的營養(yǎng)物質(zhì)以及細胞所產(chǎn)生的小物質(zhì)可以通過小網(wǎng)格進行傳遞與擴散。包埋法操作簡單，對微生物活性影響小，能將微生物細胞固定在特定的聚合物網(wǎng)絡(luò)中，固定化微生物強度高，與微生物細胞結(jié)合力強，化學(xué)性能穩(wěn)定。通過包埋，可以在一定的空間內(nèi)提高空間內(nèi)微生物的強度，固定了的生物細胞可以提高對外界不良因素的抗性如抵抗外界不合適的pH值，同時減緩了水力停留時間的影響，使微生物的相對反應(yīng)時間延長。包埋后的微生物相對位置穩(wěn)定，不容易隨著水流飄走，在連續(xù)流的處理試驗過程當(dāng)中不易發(fā)生微生物的流失現(xiàn)象，微生物與介質(zhì)的分離也十分方便。包埋法是固定化微技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的方法之一，關(guān)于包埋法處理污水的研究很多。

2.2 包埋固定技術(shù)中常用的載體

固定化細胞技術(shù)中所用載體的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響固定化細胞的協(xié)調(diào)性。協(xié)調(diào)性指的是傳質(zhì)性能和生物活性的協(xié)調(diào)，固定化材料必須具有足夠的孔隙，以允許底物進入細胞并允許底物流出細胞，與此同時還要限制生物細胞的泄漏，細胞固定后，還要確保細胞的活力不受影響。一般來說，理想的微生物固定化載體應(yīng)具有以下特點：制備工藝簡單、容易，對細胞無毒性，傳質(zhì)性能好，不易被微生物分解，性質(zhì)穩(wěn)定，強度高、壽命長，價格低廉。目前常用的載體有聚乙烯醇（PVA）、海藻酸鈉（SA）、羧甲基纖維素鈉（CMC）、活性炭、硅膠、聚丙烯酰胺等，每一種載體都會有各自的優(yōu)缺點。天然高分子凝膠載體有瓊脂、角叉菜膠、海藻酸鈉、卡拉膠和海藻酸鈣等，這類天然高分子具有易成型、無毒性、傳質(zhì)性能好等優(yōu)點，但是形成的包埋小球強度低、易破裂、易被微生物分解。有機合成高分子載體有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、光硬化樹脂、聚丙烯酸等，這類有機合成高分子載體機械強度高、抗沖擊負荷能力強、不易被微生物分解、對細胞無毒、成本低廉，但其缺點是通透性傳質(zhì)性能差。因此催生出一些新型包埋材料，天然高分子凝膠載體和有機合成高分子載體組成的混合載體，這種載體結(jié)合了兩者的優(yōu)點，彌補了兩者的缺點，而得到廣泛應(yīng)用。

2.3 包埋固定微生物技術(shù)的應(yīng)用實例

包埋技術(shù)在固定硝化細菌方面的應(yīng)用：宋吟玲等使用海藻酸鈉和PVA包埋固定硝化細菌，研究結(jié)果表明經(jīng)過包埋之后的硝化細菌有著比包埋之前更好的反映作用活性，并且對細菌所處的環(huán)境有著一定的耐受能力，較之前有更好的環(huán)境溫度適應(yīng)性，對環(huán)境pH的敏感性也有所降低。

包埋技術(shù)在固定反硝化菌方面的應(yīng)用：國外研究學(xué)者利用海藻酸鈣固定反硝化菌，固定后細胞的對抗外界不良環(huán)境的能力有所提高，在低溫下存活的能力得到提升，對pH變化的抵御能力增強。譚佑銘等利用固定后的反硝化菌材質(zhì)進行脫氮以及有機物降解試驗，經(jīng)過一段時間的試驗之后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過包埋固定的實驗組的處理效果較未經(jīng)包埋固定的對照組處理效果好得多，原因可能為包埋加速了細胞外物質(zhì)的傳遞。田晉紅等利用PVA與紗布包埋過的反硝化細菌進行脫氮試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過固定化之后的反硝化細菌脫氮效率增加，同時也表現(xiàn)出了對低溫環(huán)境良好的耐受性。

包埋微生物固定技術(shù)在廢水生物脫氮領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用該技術(shù)大部分的反應(yīng)過程均有好的改變，該技術(shù)有很好的應(yīng)用前景。

3 包埋厭氧氨氧化污泥的應(yīng)用實例

厭氧氨氧化菌作為自養(yǎng)菌，緩慢的生長速率與較長的倍增時間使其難以在低溫低NH4+濃度的城市污水中進行快速增殖，嚴重制約了厭氧氨氧化菌工藝的發(fā)展。因此利用包埋技術(shù)強化厭氧氨氧化菌使其具有在惡劣環(huán)境下較好生存的能力顯得十分有意義，已有研究人員通過試驗證明包埋厭氧氨氧化菌的方法可行。

朱剛利等使用4種不同的包埋材料對培養(yǎng)好的厭氧氨氧化污泥進行固定，并將固定后的材料制成球形。實驗結(jié)果表明，4種厭氧氨氧化固定小球的處理效果均比較好，都表現(xiàn)出了很好的厭氧氨氧化活性。但是不同的包埋小球表現(xiàn)出了不同的機械強度，有的小球在經(jīng)過幾天的培養(yǎng)之后發(fā)生碎裂。這說明包埋厭氧氨氧化污泥可行，且對合適包埋材料的選擇十分重要。

陳光輝等在采用厭氧氨氧化法進行污水處理的過程中，為了防止水中厭氧氨氧化污泥量的減少采用了水性聚氨酯（WPU）這種包埋材料。同時與采用其他材料的包埋小球進行穩(wěn)定性能與厭氧氨氧化性能對比。實驗結(jié)果表明，經(jīng)包埋后的厭氧氨氧化污泥的厭氧氨氧化性能均比未包埋時好，采用了WPU材料的包埋顆粒機械性能最好。選用WPU包埋顆粒進行100 d的連續(xù)流試驗，在100 d內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)包埋顆粒碎裂的現(xiàn)象。這種包埋顆粒除了提升了反應(yīng)系統(tǒng)的抗負荷沖擊能力，還有良好的機械強度，很好解決了反應(yīng)器中厭氧氨氧化污泥流失的問題。

4 結(jié)語

研究表明，為了改善厭氧氨氧化菌的弱點，深入研究包埋厭氧氨氧化菌污泥很有意義。為了更好使厭氧氨氧化技術(shù)與包埋固定技術(shù)相結(jié)合還應(yīng)完善如下問題：開發(fā)出更加適應(yīng)厭氧氨氧化污泥的固定化載體，以及適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的設(shè)備；對包埋形成顆粒物理性質(zhì)進行研究，探究多大的包埋顆粒性狀更加適應(yīng)厭氧氨氧化污泥的包埋；單一的厭氧氨氧化菌很難很好地生長，為此探究在包埋體中添加有利于厭氧氨氧化生長的物質(zhì)，是否有益于生物反應(yīng)有待研究；探究厭氧氨氧化污泥的包埋濃度也十分重要。綜上，可以推測包埋厭氧氨氧化污泥技術(shù)有助于改善厭氧氨氧化污水處理法的缺點，可以幫助其在污水處理領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。