包埋厌氧氨氧化污泥的原理及研究进展

周 鹏，许祥祥，李光蕾

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

1 厌氧氨氧化工艺介绍以及存在问题

厌氧氨氧化过程是在厌氧或者缺氧环境下，由厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体、亚硝态氮为电子受体，氨氮与亚硝态氮反应将氮元素转化为N2的过程。厌氧氨氧化自养脱氮工艺得以应用的前提条件是实现系统中Anammox菌的富集培养与维持。然而，Anammox菌作为自养菌，缓慢的生长速率与较长的倍增时间使其难以在低温低NH4+浓度的城市污水中进行快速增殖，种种不利影响致使厌氧氨氧化菌工艺在城市污水中的应用变得缓慢。针对这一问题国内外学者做了大量的实验研究，例如采用技术手段控制进水的条件与浓度等，但是采用这些新技术方法成本较高，没有从根本上解决厌氧氨氧化技术不能大量应用的问题。因此探究如何阻止厌氧氨氧化菌的流失，加速菌体颗粒的形成，即研究截留微生物技术手段成为了厌氧氨氧化工艺应用的主要研究方向之一。

传统的污水生物处理工艺主要采用活性污泥法处理微生物悬浮生长。该方法虽然具有许多优点，在污水处理领域长期发挥着重要作用，多将微生物固定化应用于污水处理，但也存在许多难以克服的缺陷，如反应器中生物量浓度低、污泥与水分离困难、抗冲击负荷能力差、污泥漂浮膨胀和流失等。固定化微生物技术是一种新的处理技术，由于固定化微生物技术可以固定所选择的可以降解特定污染物的特定菌种，特定的菌群可以提升污水处理系统的针对性，通过包埋也可以提高菌种对环境的耐受性。该技术使污水处理效果稳定，整个反应器的操作与看护更加简单，重要的是污染物降解速率也比传统方法好。因此，近年来固定化微生物技术已成为国内外学者研究的热点，一些研究成果已从实验室走向实际应用阶段。在用固定化微技术进行污水或者废水试验时，包埋法是被广大研究者所使用最多的方法，也是目前看来较为有效的微生物固定化方法之一。

2 包埋固定微生物技术的介绍

2.1 包埋固定技术的基本原理及特点

包埋法是通过聚合、沉淀、离子网络或改变溶剂、温度、pH值等方法，微生物细胞被聚合物的空隙所截取。聚合物所形成的细小网格可以阻拦微生物细胞，防止微生物细胞漏失，同时细胞所需的营养物质以及细胞所产生的小物质可以通过小网格进行传递与扩散。包埋法操作简单，对微生物活性影响小，能将微生物细胞固定在特定的聚合物网络中，固定化微生物强度高，与微生物细胞结合力强，化学性能稳定。通过包埋，可以在一定的空间内提高空间内微生物的强度，固定了的生物细胞可以提高对外界不良因素的抗性如抵抗外界不合适的pH值，同时减缓了水力停留时间的影响，使微生物的相对反应时间延长。包埋后的微生物相对位置稳定，不容易随着水流飘走，在连续流的处理试验过程当中不易发生微生物的流失现象，微生物与介质的分离也十分方便。包埋法是固定化微技术中应用最广泛的方法之一，关于包埋法处理污水的研究很多。

2.2 包埋固定技术中常用的载体

固定化细胞技术中所用载体的物理化学性质直接影响固定化细胞的协调性。协调性指的是传质性能和生物活性的协调，固定化材料必须具有足够的孔隙，以允许底物进入细胞并允许底物流出细胞，与此同时还要限制生物细胞的泄漏，细胞固定后，还要确保细胞的活力不受影响。一般来说，理想的微生物固定化载体应具有以下特点：制备工艺简单、容易，对细胞无毒性，传质性能好，不易被微生物分解，性质稳定，强度高、寿命长，价格低廉。目前常用的载体有聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）、羧甲基纤维素钠（CMC）、活性炭、硅胶、聚丙烯酰胺等，每一种载体都会有各自的优缺点。天然高分子凝胶载体有琼脂、角叉菜胶、海藻酸钠、卡拉胶和海藻酸钙等，这类天然高分子具有易成型、无毒性、传质性能好等优点，但是形成的包埋小球强度低、易破裂、易被微生物分解。有机合成高分子载体有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、光硬化树脂、聚丙烯酸等，这类有机合成高分子载体机械强度高、抗冲击负荷能力强、不易被微生物分解、对细胞无毒、成本低廉，但其缺点是通透性传质性能差。因此催生出一些新型包埋材料，天然高分子凝胶载体和有机合成高分子载体组成的混合载体，这种载体结合了两者的优点，弥补了两者的缺点，而得到广泛应用。

2.3 包埋固定微生物技术的应用实例

包埋技术在固定硝化细菌方面的应用：宋吟玲等使用海藻酸钠和PVA包埋固定硝化细菌，研究结果表明经过包埋之后的硝化细菌有着比包埋之前更好的反映作用活性，并且对细菌所处的环境有着一定的耐受能力，较之前有更好的环境温度适应性，对环境pH的敏感性也有所降低。

包埋技术在固定反硝化菌方面的应用：国外研究学者利用海藻酸钙固定反硝化菌，固定后细胞的对抗外界不良环境的能力有所提高，在低温下存活的能力得到提升，对pH变化的抵御能力增强。谭佑铭等利用固定后的反硝化菌材质进行脱氮以及有机物降解试验，经过一段时间的试验之后，发现经过包埋固定的实验组的处理效果较未经包埋固定的对照组处理效果好得多，原因可能为包埋加速了细胞外物质的传递。田晋红等利用PVA与纱布包埋过的反硝化细菌进行脱氮试验，发现经过固定化之后的反硝化细菌脱氮效率增加，同时也表现出了对低温环境良好的耐受性。

包埋微生物固定技术在废水生物脱氮领域有着十分广泛的应用，应用该技术大部分的反应过程均有好的改变，该技术有很好的应用前景。

3 包埋厌氧氨氧化污泥的应用实例

厌氧氨氧化菌作为自养菌，缓慢的生长速率与较长的倍增时间使其难以在低温低NH4+浓度的城市污水中进行快速增殖，严重制约了厌氧氨氧化菌工艺的发展。因此利用包埋技术强化厌氧氨氧化菌使其具有在恶劣环境下较好生存的能力显得十分有意义，已有研究人员通过试验证明包埋厌氧氨氧化菌的方法可行。

朱刚利等使用4种不同的包埋材料对培养好的厌氧氨氧化污泥进行固定，并将固定后的材料制成球形。实验结果表明，4种厌氧氨氧化固定小球的处理效果均比较好，都表现出了很好的厌氧氨氧化活性。但是不同的包埋小球表现出了不同的机械强度，有的小球在经过几天的培养之后发生碎裂。这说明包埋厌氧氨氧化污泥可行，且对合适包埋材料的选择十分重要。

陈光辉等在采用厌氧氨氧化法进行污水处理的过程中，为了防止水中厌氧氨氧化污泥量的减少采用了水性聚氨酯（WPU）这种包埋材料。同时与采用其他材料的包埋小球进行稳定性能与厌氧氨氧化性能对比。实验结果表明，经包埋后的厌氧氨氧化污泥的厌氧氨氧化性能均比未包埋时好，采用了WPU材料的包埋颗粒机械性能最好。选用WPU包埋颗粒进行100 d的连续流试验，在100 d内没有发现包埋颗粒碎裂的现象。这种包埋颗粒除了提升了反应系统的抗负荷冲击能力，还有良好的机械强度，很好解决了反应器中厌氧氨氧化污泥流失的问题。

4 结语

研究表明，为了改善厌氧氨氧化菌的弱点，深入研究包埋厌氧氨氧化菌污泥很有意义。为了更好使厌氧氨氧化技术与包埋固定技术相结合还应完善如下问题：开发出更加适应厌氧氨氧化污泥的固定化载体，以及适应工业化生产的设备；对包埋形成颗粒物理性质进行研究，探究多大的包埋颗粒性状更加适应厌氧氨氧化污泥的包埋；单一的厌氧氨氧化菌很难很好地生长，为此探究在包埋体中添加有利于厌氧氨氧化生长的物质，是否有益于生物反应有待研究；探究厌氧氨氧化污泥的包埋浓度也十分重要。综上，可以推测包埋厌氧氨氧化污泥技术有助于改善厌氧氨氧化污水处理法的缺点，可以帮助其在污水处理领域发挥巨大作用。