王志強(qiáng) 張少磊 陳文清

摘要：近年來，在固定化微生物處理污水方面國內(nèi)研究報道逐漸增多，人們對于包埋材料也進(jìn)行了多方面的探索，如瓊脂，海藻酸鈉，聚乙烯醇（PVA）等均見到相關(guān)研究報道，但是使用聚乙二醇（PEG）作為包埋材料的介紹比較少見，在國外，使用聚乙二醇（PEG）包埋固定化硝化菌的產(chǎn)品已經(jīng)有了投放市場的產(chǎn)品。國內(nèi)也有部分的研究。本文目的在于介紹該款產(chǎn)品在國內(nèi)外研究及應(yīng)用狀況，期望能為國內(nèi)同行提供參考。

關(guān)鍵詞：聚乙二醇（PEG），硝化菌，包埋固定化，佩格薩斯

Application of Technology on PEG immobilized nitrifying bacteria

zhangshaolei1 wangzhiqiang1 chenwenqing1，2

1. Collage of Architecture and Environment， Sichuan UniversityChengdu Sichuan 610065China

2. SCU-HITACHI Environment Applied Technology Research CenterChengdu Sichuan 610065China

Abstract:This year,the reports about research on immobilized Microbiology is Gradually increased．People make great effort works on the Material selection. The research report on Agar, Sodium alginate, PVA are widely issued on various kind of magazine , anyway, there are seldom to see the studies on PEG Microbiology Immobilization .Ｔhe commercial application on PEG immobilized nitrifying bacteria have already been putted on the market ,Chinese also have partly study on it as well. In order to give a perspective for our coworkers,here I wrote is passage on the research and application on PEG immobilized nitrifying bacteria.

Key words:PEGnitrifying bacteriaMicrobiology ImmobilizationPEGASUS

固定化技術(shù)的發(fā)展背景

最早的固定化可以追溯到古代，人們在釀造工業(yè)中添加各種固形物，使生物附著在其表面，以提高微生物的釀造效果。

1916年，Nelson和Griffin發(fā)現(xiàn)蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保持與游離酶同樣的活性，現(xiàn)在所講的固定化主要是以此為開端。隨后，人們?yōu)榱烁行У乩妹?，積極地進(jìn)行了各種固定化技術(shù)研究和開發(fā)。

在我國，固定化微生物催化劑的研究始于20世紀(jì)70年代初期，中國科學(xué)院微生物研究所和上海生物化學(xué)研究所同時開始了固定化酶的研究工作。1973年中國科學(xué)院微生物所固定化酶研究小組成功的將黑曲霉葡萄糖淀粉酶吸附到DEAE-SephadexA50上。隨后應(yīng)用SESA與甘蔗渣纖維素進(jìn)行醚化反應(yīng)得到ABSE-纖維素，通過載體氨基重氮化偶聯(lián)葡萄糖淀粉酶。70年代后期，許多單位相繼開展了固定化酶和固化細(xì)胞的應(yīng)用研究。

1. 固定化方法和載體

固定化（immobilization）技術(shù)是使生物催化劑更廣泛、更有效應(yīng)用的一種重要手段。

任何一種限制生物催化劑自由流動的技術(shù)都可以用于制備固定化生物催化劑。目前，由于制備固定化生物催化劑的方法種類繁多，新方法也層出不窮，加之不同的研究者也采用不同的分類方法，因此很難對此作出精確地分類。綜合考慮生物與載體間作用力，固定化生物催化劑的狀態(tài)、載體來源及固定化生物催化劑的制備過程等因素，并參照Kennedy等對沒固定化方法的分類，對生物催化劑固定化方法進(jìn)行分類。分類如下。

微生物固定化方法中，以包埋法最為常用。包埋法的原理是將微生物細(xì)胞截留在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網(wǎng)絡(luò)空間中。通過聚合作用或通過離子網(wǎng)絡(luò)形成，或通過沉淀作用，或改變?nèi)軇?、溫度、PH值，使細(xì)胞截留。凝膠聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以阻止細(xì)胞的泄露，同時能讓急智滲入和產(chǎn)物擴(kuò)散出來。

作為包埋載體，天然高分子多糖類的海藻酸鈉和卡拉膠應(yīng)用最多，它們具有固化成形方便，對微生物毒性小及固化密度較高等優(yōu)點。但它們抗微生物分解性能較差，機(jī)械強(qiáng)度較低。天然卡拉膠中含有 -卡拉膠，它使凝膠強(qiáng)度降低，去除 -卡拉膠所需的費(fèi)用較高，而且凝膠對鈉離子比較敏感。海藻酸鈉凝膠在磷酸鹽溶液中不穩(wěn)定。這兩種載體的凝膠雖然可用交聯(lián)劑進(jìn)行穩(wěn)定化處理，但是活性和傳質(zhì)性能又會降低。

合成高分子化合物中常用的載體物質(zhì)有聚丙烯酸銨、光硬化樹脂等。它們的突出優(yōu)點是抗微生物分解性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定。但聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成條件比較劇烈，對微生物細(xì)胞的損害較大，而且形成的多樣性和可控性不好。適用于細(xì)胞固定化的光硬化樹脂聚合物一般尚未商品化，而且固定化的操作條件也較嚴(yán)格。

2. 國內(nèi)外關(guān)于使用的聚乙二醇（PEG）硝化菌包埋固定化的研究

國內(nèi)外研究使用研究的采用的固定化包埋硝化菌普遍描述如下：為邊長為3 mm 的立方體顆粒，以聚乙二醇為包埋載體，呈黃褐色，表面光滑，觸感柔軟有彈性，機(jī)械強(qiáng)度好，無明顯氣味。在曝氣作用下可以懸浮在水中，并能隨流體運(yùn)動。

國外研究相關(guān)文獻(xiàn)

美國農(nóng)業(yè)部-沿海平原土壤水分與植物研究中心研究人員Matias B.Vanotti and Patrik G Hunt。曾使用固定化微生物技術(shù)對豬糞便污水處理效果進(jìn)行評估，使用的聚乙烯醇得到了更高的脫氮除氮效率，更短的水力停留時間，和更小的反應(yīng)器。更短的水力停留時間是硝化的重要因素，因為曝氣量可能成為一個限制因素。該工藝使用流化床，投加使用比例為15%，使用續(xù)批反應(yīng)器和連續(xù)流反應(yīng)器處理，在序批式反應(yīng)器中，達(dá)到銨態(tài)氮250mg N/L需要14個小時，相反它使用了10天的充氧曝氣，是反應(yīng)器啟動，并且69%的銨態(tài)氮在被吹脫。在連續(xù)流反應(yīng)器中，在氨氮負(fù)荷418mgN/L/D,水力停留時間12小時條件下銨態(tài)氮的去除效率達(dá)到了90%，硝化豬糞便廢水速率在水力停留時間4小時時候是604 N/L/D,這種高效的去除率表明了固定化硝化菌技術(shù)是一個有潛力的減低養(yǎng)殖廢水的方法[1]。

國內(nèi)研究相關(guān)文獻(xiàn)

李志榮曾經(jīng)研究比較過采用不同兩種固定化微生物方法：硝化菌包埋于聚乙二醇凝膠小顆粒和硝化菌生物膜附著生長于彈性塑料濾料的硝化特性。他使用的是相同的反應(yīng)器，他們在30天后達(dá)到了最大硝化硝化速率，分別為為39 mgN/L·.h和25mgN/L·.h 。研究表明硝化效率在PEG反應(yīng)器中比在生物膜反應(yīng)器的反應(yīng)在同一條件下要快。其余相關(guān)報道見表。

3. 硝化菌包埋固定化的應(yīng)用

日立公司的佩格薩斯處理技術(shù)即PEG包埋硝化菌載體的硝化脫氮技術(shù)，是日本建設(shè)省綜合技術(shù)開發(fā)項目,由日本下水道事業(yè)團(tuán)與株式會社日立工業(yè)設(shè)備技術(shù)共同研究開發(fā)。自1991 年研制成功以來,在日本城市污水與工業(yè)廢水處理領(lǐng)域已有近20 年的運(yùn)行佳績，在日本及海外已有近50 個工程業(yè)績。

該聚乙烯乙二醇等高分子材料包埋成型的邊長為3mm的立方體，在硝化菌容易繁殖的環(huán)境下馴化載體，硝化菌就會在載體表面內(nèi)側(cè)繁殖起來，形成穩(wěn)定的生物相。研究發(fā)現(xiàn)，硝化菌在通常的液體培養(yǎng)中只能培養(yǎng)到105～106 個/mL，而在載體內(nèi)部形成菌落群，可以增殖到107～1010個/mL。投加佩格薩斯載體可使生物曝氣池中始終保持穩(wěn)定的硝化菌量，大幅度增強(qiáng)生物反應(yīng)池的硝化能力(硝化效率可達(dá)95%～99%)。

長江下游的著名景區(qū)——太湖每年一到夏天就會滋生出大量的綠藻，致使以太湖為水源的沿岸地區(qū)的自來水管道中散發(fā)出強(qiáng)烈的異味，水環(huán)境的污染問題日益嚴(yán)重。日立曾在日本使用“包埋固定化除氮工藝”的水處理系統(tǒng)，最普通的下水道處理法——活性污泥法。該方法是在下水道的流入槽（生物反應(yīng)槽）中吹入空氣，通過微生物的作用，實現(xiàn)水的凈化。

3.1西浦下水處理廠（日本，升級改造）

原有處理工藝為標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法；改造后的處理工藝為采用包埋載體的多段式A/O 脫氮工藝/加藥除磷。處理水量為45000m3/d。西浦下水處理廠A 系處理工藝設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)見表3。

3.2 宗像終末處理廠（日本，升級改造）

原有工藝為標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法、改造后處理工藝為采用包埋載體的A/O 脫氮工藝/加藥除磷。處理水量為11300 m3/d。宗像終末處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)實測結(jié)果見表4。

改造前、后工藝水力停留時間的比較見表5。

如表5 所示，改造所采用的包埋載體的A/O 脫氮工藝比一般的A/O 工藝縮短約50%的水力停留時間，即可用約50%的池容進(jìn)行硝化處理。此外，對首期投資進(jìn)行測算的結(jié)果也表明，采用佩格薩斯載體的A/O 工藝比一般的A/O 工藝可節(jié)約15%的費(fèi)用。在維護(hù)和管理方面，為了確認(rèn)生物反應(yīng)池內(nèi)是否充分進(jìn)行著硝化和除氮反應(yīng)，只需對厭氧池內(nèi)的ORP(氧化還原電位)值，好氧池內(nèi)的pH 及DO 進(jìn)行監(jiān)管，確保好氧池內(nèi)的DO 濃度不低于3 mg/L 即可，維護(hù)管理費(fèi)用與一般的A/O 法沒有差異。

４.硝化菌包埋固定化技術(shù)在我國應(yīng)用的前景

通過向曝氣池中投加佩格薩斯載體，提高硝化效率，大大提高了脫氮效率。佩格薩斯處理系統(tǒng)具有以下主要特征：投加載體簡單易行，可在傳統(tǒng)活性污泥法及A/O、A2/O 等工藝中直接投加，應(yīng)用靈活，特別適宜原有污水處理廠的升級改造，無需擴(kuò)建反應(yīng)池即可使出水總氮、氨氮達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)；容積負(fù)荷高、停留時間短（只需要一般深度處理法1/2 的停留時間，即6～8h），占地少；與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，硝化菌與活性污泥共存易受水溫、藥劑、BOD 等影響的問題少，運(yùn)行管理方便；硝化效率高，脫氮效果好。

隨著我國對污染物排放指標(biāo)的要求日趨嚴(yán)格，新建污水處理廠，特別是內(nèi)湖、重要河流及臨海區(qū)域的污水處理廠大多會以出水水質(zhì)達(dá)到CB18918-2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，且原有污水處理廠的升級改造也勢在必行。佩格薩斯處理系統(tǒng)在日本已被廣泛用于污水處理廠的新建及升級改造，出水水質(zhì)良好,運(yùn)行管理方便。

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