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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。文章综述了反硝化菌的应用研究、固定化微生物技术应用于低污染水环境治理研究动态以及固定化反硝化菌脱氮效果比对，从而阐述固定化反硝化菌脱氮技术的研究状况与应用展望。
关键词：固定化反硝化菌;低污染水环境治理;脱氮性能
前言
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。
1固定化方法
在固定化微生物脱氮性能研究中，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水治理脱氮除磷时，PVA是比SA更合适的固定化材料;包埋活性污泥用于聚酯废水治理时，SA显示出优于PVA的效果。综合来说，包埋法强化了脱氮效果。唐艳葵等采用SA和PVA添加膨润土包埋以反硝化聚磷菌为主的活性污泥治理氨氮废水，在一定的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等用PVA和黄原胶混合固定Ochrobactrumanth-ropiSY509，研究其在填充床反应器中的脱氮性能，結果表明该混合固定化细胞具有较高的脱氮效率，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。
2固定化反硝化菌在低污染水环境治理中的应用
2.1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。同样对于反硝化细菌，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。Y.S.Kim等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1h条件下，NO3--N去除率达99.5%。影响生物脱氮过程的环境因素有多种，温度是影响脱氮菌的活性及比增长速率的较为重要的因素之一。在实际应用中生物脱氮常需要低温环境下进行，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。郑平等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。方明亮等研究显示，低温（13～14℃）下固定化硝化细菌投加质量为10g的SBR反应器氨氮去除效率提高了20%。
2.2与人工湿地结合强化脱氮
人工湿地系统广泛用于低污染水环境治理，去除水环境中的污染物其主要依靠植物、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有较高的强化作用，主要体现在高效脱氮微生物加快了硝化和反硝化。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在一定程度上影响微生物的脱氮过程。根据不同的湿地植物，不同固定化菌种大幅提高人工湿地系统对水环境治理的最佳效果。
3固定化对微生物的影响
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，恰有利于其生存，可实现同步硝化和反硝化脱氮。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的降低。S.H.Omar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。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，从而大幅提高生物系统的处理能力和适应性。K.C.Chen等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。
4固定化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，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，菌株的脱氮效率提高，脱氮稳定性的增强，耐受性也有所提高。这与固定化反硝化技术的特性密切相关：①反硝化菌固定化后，通过固液分离，在分离后的出水中剩余反硝化菌的量很少，因此不需要大型沉淀池，从而减少了固定基础投资;②反应器中的微生物可达到较高细胞浓度，通常为常规活性污泥法的7～8倍。
总结
固定化反硝化菌脱氮技术将以其独特的优点引起了人们的普遍关注，在污染物排放标准越来越严格的情况下，单纯依靠传统处理难以达标，固定法反硝化菌脱氮技术将成为有效的辅助方法。为了更好地利用固定化反硝化菌脱氮技术，针对不同的水污染环境体系，应选择合适的包埋材料，以提高处理能力，同时在载体对细胞浓度、活性的影响及其传质阻力的研究还有待进一步深入探讨，在有机包埋载体中加入某些特定的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水治理技术，在水环境污染治理中获得广泛的应用。
参考文献
[1]王春喜，余关龙，张登祥，严晓江，付永江，彭海渊.固定化反硝化菌联合固体碳源小球处理低碳氮比污水的性能研究[J].环境污染与防治，2018，40（08）：870-874.
[2]何雪薇. 固定化硝化污泥的定植方法及其去除水中氨氮的效能研究[D].哈尔滨工业大学，2017.
[3]邵勇，赵茂杰，曾文超，戴昕，安立超.包埋固定化硝化菌剂处理合成氨工业废水[J].给水排水，2017，53（04）：68-73.
（作者单位：宇星科技发展（深圳）有限公司）
关键词：固定化反硝化菌;低污染水环境治理;脱氮性能
前言
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。
1固定化方法
在固定化微生物脱氮性能研究中，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水治理脱氮除磷时，PVA是比SA更合适的固定化材料;包埋活性污泥用于聚酯废水治理时，SA显示出优于PVA的效果。综合来说，包埋法强化了脱氮效果。唐艳葵等采用SA和PVA添加膨润土包埋以反硝化聚磷菌为主的活性污泥治理氨氮废水，在一定的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等用PVA和黄原胶混合固定Ochrobactrumanth-ropiSY509，研究其在填充床反应器中的脱氮性能，結果表明该混合固定化细胞具有较高的脱氮效率，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。
2固定化反硝化菌在低污染水环境治理中的应用
2.1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。同样对于反硝化细菌，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。Y.S.Kim等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1h条件下，NO3--N去除率达99.5%。影响生物脱氮过程的环境因素有多种，温度是影响脱氮菌的活性及比增长速率的较为重要的因素之一。在实际应用中生物脱氮常需要低温环境下进行，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。郑平等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。方明亮等研究显示，低温（13～14℃）下固定化硝化细菌投加质量为10g的SBR反应器氨氮去除效率提高了20%。
2.2与人工湿地结合强化脱氮
人工湿地系统广泛用于低污染水环境治理，去除水环境中的污染物其主要依靠植物、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有较高的强化作用，主要体现在高效脱氮微生物加快了硝化和反硝化。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在一定程度上影响微生物的脱氮过程。根据不同的湿地植物，不同固定化菌种大幅提高人工湿地系统对水环境治理的最佳效果。
3固定化对微生物的影响
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，恰有利于其生存，可实现同步硝化和反硝化脱氮。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的降低。S.H.Omar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。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，从而大幅提高生物系统的处理能力和适应性。K.C.Chen等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。
4固定化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，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，菌株的脱氮效率提高，脱氮稳定性的增强，耐受性也有所提高。这与固定化反硝化技术的特性密切相关：①反硝化菌固定化后，通过固液分离，在分离后的出水中剩余反硝化菌的量很少，因此不需要大型沉淀池，从而减少了固定基础投资;②反应器中的微生物可达到较高细胞浓度，通常为常规活性污泥法的7～8倍。
总结
固定化反硝化菌脱氮技术将以其独特的优点引起了人们的普遍关注，在污染物排放标准越来越严格的情况下，单纯依靠传统处理难以达标，固定法反硝化菌脱氮技术将成为有效的辅助方法。为了更好地利用固定化反硝化菌脱氮技术，针对不同的水污染环境体系，应选择合适的包埋材料，以提高处理能力，同时在载体对细胞浓度、活性的影响及其传质阻力的研究还有待进一步深入探讨，在有机包埋载体中加入某些特定的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水治理技术，在水环境污染治理中获得广泛的应用。
参考文献
[1]王春喜，余关龙，张登祥，严晓江，付永江，彭海渊.固定化反硝化菌联合固体碳源小球处理低碳氮比污水的性能研究[J].环境污染与防治，2018，40（08）：870-874.
[2]何雪薇. 固定化硝化污泥的定植方法及其去除水中氨氮的效能研究[D].哈尔滨工业大学，2017.
[3]邵勇，赵茂杰，曾文超，戴昕，安立超.包埋固定化硝化菌剂处理合成氨工业废水[J].给水排水，2017，53（04）：68-73.
（作者单位：宇星科技发展（深圳）有限公司）