聚乙二醇硝化菌包埋固定化技术研究及应用

摘要：近年来，在固定化微生物处理污水方面国内研究报道逐渐增多，人们对于包埋材料也进行了多方面的探索，如琼脂，海藻酸钠，聚乙烯醇（PVA）等均见到相关研究报道，但是使用聚乙二醇（PEG）作为包埋材料的介绍比较少见，在国外，使用聚乙二醇（PEG）包埋固定化硝化菌的产品已经有了投放市场的产品。国内也有部分的研究。本文目的在于介绍该款产品在国内外研究及应用状况，期望能为国内同行提供参考。

关键词：聚乙二醇（PEG），硝化菌，包埋固定化，佩格萨斯

Application of Technology on PEG immobilized nitrifying bacteria

zhangshaolei1 wangzhiqiang1 chenwenqing1，2

1. Collage of Architecture and Environment， Sichuan University Chengdu Sichuan 610065 China

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

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:PEG nitrifying bacteria Microbiology Immobilization PEGASUS

固定化技术的发展背景

最早的固定化可以追溯到古代，人们在酿造工业中添加各种固形物，使生物附着在其表面，以提高微生物的酿造效果。

1916年，Nelson和Griffin发现蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保持与游离酶同样的活性，现在所讲的固定化主要是以此为开端。随后，人们为了更有效地利用酶，积极地进行了各种固定化技术研究和开发。

在我国，固定化微生物催化剂的研究始于20世纪70年代初期，中国科学院微生物研究所和上海生物化学研究所同时开始了固定化酶的研究工作。1973年中国科学院微生物所固定化酶研究小组成功的将黑曲霉葡萄糖淀粉酶吸附到DEAE-SephadexA50上。随后应用SESA与甘蔗渣纤维素进行醚化反应得到ABSE-纤维素，通过载体氨基重氮化偶联葡萄糖淀粉酶。70年代后期，许多单位相继开展了固定化酶和固化细胞的应用研究。

1. 固定化方法和载体

固定化（immobilization）技术是使生物催化剂更广泛、更有效应用的一种重要手段。

任何一种限制生物催化剂自由流动的技术都可以用于制备固定化生物催化剂。目前，由于制备固定化生物催化剂的方法种类繁多，新方法也层出不穷，加之不同的研究者也采用不同的分类方法，因此很难对此作出精确地分类。综合考虑生物与载体间作用力，固定化生物催化剂的状态、载体来源及固定化生物催化剂的制备过程等因素，并参照Kennedy等对没固定化方法的分类，对生物催化剂固定化方法进行分类。分类如下。

微生物固定化方法中，以包埋法最为常用。包埋法的原理是将微生物细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中。通过聚合作用或通过离子网络形成，或通过沉淀作用，或改变溶剂、温度、PH值，使细胞截留。凝胶聚合物的网络结构可以阻止细胞的泄露，同时能让急智渗入和产物扩散出来。

作为包埋载体，天然高分子多糖类的海藻酸钠和卡拉胶应用最多，它们具有固化成形方便，对微生物毒性小及固化密度较高等优点。但它们抗微生物分解性能较差，机械强度较低。天然卡拉胶中含有 -卡拉胶，它使凝胶强度降低，去除 -卡拉胶所需的费用较高，而且凝胶对钠离子比较敏感。海藻酸钠凝胶在磷酸盐溶液中不稳定。这两种载体的凝胶虽然可用交联剂进行稳定化处理，但是活性和传质性能又会降低。

合成高分子化合物中常用的载体物质有聚丙烯酸铵、光硬化树脂等。它们的突出优点是抗微生物分解性能好，机械强度高，化学性能稳定。但聚合物网络的形成条件比较剧烈，对微生物细胞的损害较大，而且形成的多样性和可控性不好。适用于细胞固定化的光硬化树脂聚合物一般尚未商品化，而且固定化的操作条件也较严格。

2. 国内外关于使用的聚乙二醇（PEG）硝化菌包埋固定化的研究

国内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：为边长为3 mm 的立方体颗粒，以聚乙二醇为包埋载体，呈黄褐色，表面光滑，触感柔软有弹性，机械强度好，无明显气味。在曝气作用下可以悬浮在水中，并能随流体运动。

国外研究相关文献

美国农业部-沿海平原土壤水分与植物研究中心研究人员Matias B.Vanotti and Patrik G Hunt。曾使用固定化微生物技术对猪粪便污水处理效果进行评估，使用的聚乙烯醇得到了更高的脱氮除氮效率，更短的水力停留时间，和更小的反应器。更短的水力停留时间是硝化的重要因素，因为曝气量可能成为一个限制因素。该工艺使用流化床，投加使用比例为15%，使用续批反应器和连续流反应器处理，在序批式反应器中，达到铵态氮250mg N/L需要14个小时，相反它使用了10天的充氧曝气，是反应器启动，并且69%的铵态氮在被吹脱。在连续流反应器中，在氨氮负荷418mgN/L/D,水力停留时间12小时条件下铵态氮的去除效率达到了90%，硝化猪粪便废水速率在水力停留时间4小时时候是604 N/L/D,这种高效的去除率表明了固定化硝化菌技术是一个有潜力的减低养殖废水的方法[1]。

国内研究相关文献

李志荣曾经研究比较过采用不同两种固定化微生物方法：硝化菌包埋于聚乙二醇凝胶小颗粒和硝化菌生物膜附着生长于弹性塑料滤料的硝化特性。他使用的是相同的反应器，他们在30天后达到了最大硝化硝化速率，分别为为39 mgN/L·.h和25mgN/L·.h 。研究表明硝化效率在PEG反应器中比在生物膜反应器的反应在同一条件下要快。其余相关报道见表。

3. 硝化菌包埋固定化的应用

日立公司的佩格萨斯处理技术即PEG包埋硝化菌载体的硝化脱氮技术，是日本建设省综合技术开发项目,由日本下水道事业团与株式会社日立工业设备技术共同研究开发。自1991 年研制成功以来,在日本城市污水与工业废水处理领域已有近20 年的运行佳绩，在日本及海外已有近50 个工程业绩。

该聚乙烯乙二醇等高分子材料包埋成型的边长为3mm的立方体，在硝化菌容易繁殖的环境下驯化载体，硝化菌就会在载体表面内侧繁殖起来，形成稳定的生物相。研究发现，硝化菌在通常的液体培养中只能培养到105～106 个/mL，而在载体内部形成菌落群，可以增殖到107～1010个/mL。投加佩格萨斯载体可使生物曝气池中始终保持稳定的硝化菌量，大幅度增强生物反应池的硝化能力(硝化效率可达95%～99%)。

长江下游的著名景区——太湖每年一到夏天就会滋生出大量的绿藻，致使以太湖为水源的沿岸地区的自来水管道中散发出强烈的异味，水环境的污染问题日益严重。日立曾在日本使用“包埋固定化除氮工艺”的水处理系统，最普通的下水道处理法——活性污泥法。该方法是在下水道的流入槽（生物反应槽）中吹入空气，通过微生物的作用，实现水的净化。

3.1西浦下水处理厂（日本，升级改造）

原有处理工艺为标准活性污泥法；改造后的处理工艺为采用包埋载体的多段式A/O 脱氮工艺/加药除磷。处理水量为45000m3/d。西浦下水处理厂A 系处理工艺设计进、出水水质见表3。

3.2 宗像终末处理厂（日本，升级改造）

原有工艺为标准活性污泥法、改造后处理工艺为采用包埋载体的A/O 脱氮工艺/加药除磷。处理水量为11300 m3/d。宗像终末处理厂进、出水水质实测结果见表4。

改造前、后工艺水力停留时间的比较见表5。

如表5 所示，改造所采用的包埋载体的A/O 脱氮工艺比一般的A/O 工艺缩短约50%的水力停留时间，即可用约50%的池容进行硝化处理。此外，对首期投资进行测算的结果也表明，采用佩格萨斯载体的A/O 工艺比一般的A/O 工艺可节约15%的费用。在维护和管理方面，为了确认生物反应池内是否充分进行着硝化和除氮反应，只需对厌氧池内的ORP(氧化还原电位)值，好氧池内的pH 及DO 进行监管，确保好氧池内的DO 浓度不低于3 mg/L 即可，维护管理费用与一般的A/O 法没有差异。

４.硝化菌包埋固定化技术在我国应用的前景

通过向曝气池中投加佩格萨斯载体，提高硝化效率，大大提高了脱氮效率。佩格萨斯处理系统具有以下主要特征：投加载体简单易行，可在传统活性污泥法及A/O、A2/O 等工艺中直接投加，应用灵活，特别适宜原有污水处理厂的升级改造，无需扩建反应池即可使出水总氮、氨氮达到一级A 排放标准；容积负荷高、停留时间短（只需要一般深度处理法1/2 的停留时间，即6～8h），占地少；与传统脱氮工艺相比，硝化菌与活性污泥共存易受水温、药剂、BOD 等影响的问题少，运行管理方便；硝化效率高，脱氮效果好。

随着我国对污染物排放指标的要求日趋严格，新建污水处理厂，特别是内湖、重要河流及临海区域的污水处理厂大多会以出水水质达到CB18918-2002 一级A 标准为目标，且原有污水处理厂的升级改造也势在必行。佩格萨斯处理系统在日本已被广泛用于污水处理厂的新建及升级改造，出水水质良好,运行管理方便。

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