固定化好氧反硝化菌脱氮技术应用展望

[摘要]近年来,氮污染已日益严重,传统的生物脱氮理论认为细菌的反硝化作用是一个严格的厌氧过程,但好氧反硝化菌的发现打破了此规律。随着生物脱氮技术的不断改进、更新,固定化微生物脱氮技术日益受到广泛关注。文章综述了好氧反硝化菌的应用研究、固定化微生物技术应用于废水处理研究动态以及固定化好氧反硝化菌脱氮效果比对,从而阐述固定化好氧反硝化菌脱氮技术的研究状况与应用展望。

[关键词]生物脱氮 固定化微生物 好氧反硝化菌 废水处理

对氮素引起的环境污染来说,生物脱氮具有十分重要的意义和极大的实用价值。传统生物脱氮工艺将硝化和反硝化作为两个相互独立的阶段,使二者在时间和空间上分开,即硝化反应发生在好氧条件下,反硝化反应发生在严格的缺氧条件下。近年来,众多专家在传统硝化反硝化脱氮理论的基础之上,又探索出了一些生物脱氮的新途径,如同时硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND)、好氧反硝化(Aerobic Denitrification)、异养硝化(Heterotrophic Nitrification)、异养硝化-好氧反硝化(Heterotrophic Nitrification)等,而好氧反硝化现象的发生又离不开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,在有氧条件下进行反硝化作用的一类反硝化菌,它使得硝化反应与反硝化反应在同一个反应器中发生,从而实现真正意义上的同步硝化反硝化。

目前国外对好氧反硝化菌的研究方向概括起来主要有两个方面:

① 生理生化性质的研究:国外的Lone Frette、Shwu Ling Pai和Naoki Takaya等分离出了不同种属的好氧反硝化菌,并对细菌的生理条件(温度、pH、C/N比),总氮的去除过程等作了深入的研究。

② 工艺方法的研究:国外的研究者把得到的好氧反硝化菌用于实验阶段的工艺研究,也取得了较好的总氮去除效果。

国内传统的生物脱氮的理论知识较为成熟,不仅把工艺成功运用于实践中,而且还结合我国的特色,研发出了许多新型反应器。但好氧反硝化菌的研究才刚刚起步,做的工作还不多,很多研究基本还处于实验的探索阶段,已筛得的好氧反硝化菌大部分脱氮效率不是很高,其相关机理研究还不够深入。如何提高好氧反硝化菌在工艺研究中的脱氮效率,解决菌种流失、脱氮稳定性较差的问题仍然是一个新的研究方向。而固定化好氧反硝化菌脱氮技术在一定程度上解决好氧反硝化菌直接投放于工艺研究中存在的诸多问题,从而大大提高好氧反硝化菌的脱氮效率。

本文将从好氧反硝化菌的应用研究、固定化微生物技术应用于废水处理研究动态以及固定化好氧反硝化菌脱氮效果比对等方面综述固定化好氧反硝化菌脱氮技术的研究状况与应用展望。

1好氧反硝化菌的应用研究

与传统的生物脱氮工艺相比,好氧反硝化菌的出现可以使生物脱氮在同一反应器中完成,实现真正意义上的同步硝化反硝化。关于利用好氧反硝化菌实现的生物脱氧已经有成功应用的报道。Cupta等[1]用含有Thiosphaera pantotropha 的生物转盘处理不同浓度的生活污水时,总氮去除率达20%～68%。Kshirsagar等[2]利用两个操作条件完全相同的氧化沟来处理模拟肥料工业废水,其中一氧化沟内投加有Thiosphaera pantotropha,另一没有投加的氧化沟为对照系统。当进水TKN的质量浓度为790mg/L时,含有Thiosphaera pantotropha的氧化沟系统对TKN去除(硝化效果)和TN去除(反硝化效果)分别比对照系统高出10%和20%。丁爱中等[3]则从土壤中分离出一种兼性细菌DN11,发现其能在好氧条件下还原硝酸盐。Huang等[4]分离出好氧反硝化菌Citrobacterdiversus,发现其好氧反硝化最适碳氮比(C/N)为4~5,DO为2~6mg/L。Pai等[5]也曾将好氧反硝化菌T6和硝化污泥投加到同一个好氧反应器中,在进水NO3--N的质量浓度为250mg/L时,总氮去除负荷最大可达360mg[N]/g[MLVSS]・d。因而在单污泥系统或者生物膜系统中,可将硝化菌和好氧反硝化菌进行混合培养,只要控制好合适的运行条件,就可以在同一反应器中实现同步硝化好氧反硝化。

当前对好氧反硝化菌的应用,无论是用宏观环境理论还是微观环境理论来解释,都还是没有摆脱传统的好氧缺氧生物脱氮模式,其通常所说的反硝化,其实质仍然是缺氧微环境下的反硝化,不能称之为真正意义上的好氧反硝化,没有发挥出好氧反硝化技术的优势。好氧反硝化菌脱氮的研究虽然在国内还处于起步阶段,但是由于其比传统生物脱氮具有优势,必将成为未来废水生物脱氮的重要途径之一。

2固定化微生物技术应用于废水处理研究动态[6]

用固定化细胞处理废水前景是喜人的。Canizares等[7]比较研究了角叉莱胶聚糖固定的螺旋藻与悬浮藻处理酿酒废水,固定化藻对氮、磷的去除率在90%以上,而悬浮藻对氮、磷的去除率分别为75%和53%,而Travieso等[8]利用固定化小球藻处理下水道污染物的研究表明,固定化小球藻对污水净化7d后,可使污水中的氨氮由原来的35mg/L降低为近乎零,使磷酸盐的去除率也达71%。席淑琪等[9]采用厌氧、好氧环境交替出现的培养条件,富集培养以假单胞菌为主的除磷菌。使用PVA硼酸法固定以假单胞菌为优势微生物的活性污泥,制成的固定化污泥经过活化,可以保持细胞活性并略有提高,具有明显的除磷能力和较好的抗酸、碱冲击能力,在起始浓度为87.5mg/L时,6 h可去除49.5%的磷。在酸性条件下,菌体会释放磷,而硝氮的存在有利于提高固定化污泥的除磷效果,24h除磷率为88.2%。在好氧条件下,固定化污泥还具有明显的脱氮能力,这为采用固定化细胞法同时进行污水的脱氮、除磷处理提供了可能。用藻菌共生系统进行污水的脱氮除磷处理,藻类通过光合作用产生氧气,供给好氧菌降解有机物质,而且有机质降解产生的CO2可被藻类利用,这样就减少了曝气量,降低了能耗。Bashan等[10]将微藻类Chlorella vulgaris和藻类促进生长细菌Azospirillum brasilens共固定化的海藻酸钙包埋颗粒用在半连续合成废水的处理中。与单独微藻类的固定化相比,固定化混合微生物对铵离子和溶解性磷离子有很高的去除率。实验发现藻类促进生长细菌Abrasilense与微藻类Cvulgaris共固定在包埋颗粒中,对微藻类的生长有很大的促进作用,并且能提高微藻类Cvulgaris对铵离子和溶解性磷离子的去除率。

3固定化好氧反硝化菌脱氮技术研究进展

3.1 固定化好氧反硝化菌脱氮技术应用

由于固定化细胞技术用于废水生物处理与传统的悬浮生物处理法相比,能纯化和保持高效菌种,微生物浓度高,污泥产量少,固液分离效果好。因此,该项技术在废水生物处理,尤其是在特种水处理领域中,获得了广泛的研究。固定化细胞技术已用于BOD物质的去除、硝化-反硝化、脱磷、去酚、氰的降解、LAS降解[11-12]、重金属离子的去除与回收以及印染废水的脱色处理等。近年来,固定化硝化菌脱氮技术已经从实验室和小规模试验阶段进入大规模的生产性试验阶段。目前,固定化好氧反硝化菌脱氮技术还处于实验室和小规模试验阶段。

本人通过实验室的小试研究,从具有同时硝化反硝化(SND)现象的OGO反应器中分离出三株好氧反硝化菌,命名为T3、T6、T7,分离菌株革兰氏染色皆为阳性、形状皆为杆状。通过形态学特征、16SrDNA同源性比较对筛选菌株进行鉴定,确定T3、T7为赤红红球菌属(Rhodococcus),T6为戈登氏菌属(Gordonia)。菌株在柠檬酸钠为碳源,硝酸钾为氮源的培养基中生长良好,将其按比例混合扩大培养后以5%的接种量投放于OGO应器中,检测菌株强化后反应器的脱氮效果。结果表明:聚乙烯醇(PVA)包埋菌泥投放较菌泥直接投放的处理效果好,其强化后的OGO反应器对COD、NH4+-N、TN的平均去除率分别为98.48%、90.18%、78.92%,比强化前的处理结果分别提高了4.21%、6.43%、4.61%,且反应器出水NOx--N的量较少[13]。

此外将好氧反硝化菌T7扩大培养后对硝酸盐氮与亚硝酸盐氮为唯一氮源的模拟废水进行处理,选用聚乙烯醇(PVA)作为包埋载体,将接种菌做成固定化的小球,再将其投放于不同浓度的模拟废水中,同时与未包埋时的处理效果进行比对。试验结果表明:该菌株能在好氧的条件下代谢硝酸盐氮与亚硝酸盐氮,可以处理不同浓度的硝酸盐氮与亚硝酸盐氮的废水,但两种投放方式对这5种初始浓度(1mg/L,10 mg/L,100 mg/L,500 mg/L,1000 mg/L)的硝酸盐氮与亚硝酸盐氮模拟废水的降解率差异显著。当硝酸盐氮与亚硝酸盐氮的初始浓度都为1mg・L-1时,降解率最高,都达到85%以上。但随着硝酸盐氮与亚硝酸盐氮初始浓度的增加,两种投放方式的处理效果都下降,但菌泥直接投放时的处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对高浓度的含氮废水具有更强的耐受性。同时也说明单位数量的好氧反硝化菌对氮的降解是有限的,当硝酸盐氮与亚硝酸盐氮初始浓度超出好氧反硝化菌的最大承受范围时,就会对好氧反硝化菌的脱氮效果起到抑制或毒害作用[14]。

3.2 固定化好氧反硝化菌脱氮技术应用展望

通过对分离菌株的单独包埋和混合包埋来处理不同浓度的含氮废水以及对OGO反应器的强化效果来分析,好氧反硝化菌包埋投放的处理效果较菌株直接投放时的处理效果要好,菌株脱氮效率提高,脱氮的稳定性增强,耐受性也有所提高。这与固定化好氧反硝化技术的特性密切相关:

①好氧反硝化菌固定化后,利于固液分离,分离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资;

②反应器中可达到较高的细胞浓度,通常为常规活性污泥法的7～8倍;

③通过优化载体体积特征,可达到好氧反硝化菌的最大活性;

④具有抗冲击负荷的能力,特别是采用包埋法固定化技术时,微生物被高分子化合物所覆盖,与毒性物质的接触受到限制,安全性大大增加。

综上所述,随着对好氧反硝化菌固定化技术的不断深入研究和发展,该项技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术,在废水处理中获得广泛的应用。

4结语

固定化好氧反硝化菌脱氮技术必将以其独特的优点引起了人们的普遍关注,在污染物排放标准比较严格而单纯依靠传统处理难以达标的情况下,固定法好氧反硝化菌脱氮技术将成为有效辅助方法。为了更好地利用固定化好氧反硝化菌脱氮技术,针对不同的废水体系,应选择合适的包埋材料以提高处理能力,同时载体对细胞浓度、活性的影响及其传质阻力的研究还有待深入,在有机包埋载体中加入某些添加剂以改善其性能,有些组成的混合载体体系是很有应用前途的。开发研制性能优良的包埋载体材料仍是生物固定化技术的重要课题之一。随着好氧反硝化菌固定化技术的不断深入研究和发展,该项技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术,在废水处理中获得广泛的应用。

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