固定化微生物在好氧条件下同时硝化和反硝化研究

固定化微生物在好氧条件下同时硝化和反硝化研究

黄振方

广州环发环保工程有限公司510000

摘要：微生物固定化技术在环境保护及水处理领域发挥着重要的作用。固定化微生物在好氧条件下同时硝化与反硝化研究事关废水除氮的作业效果。本文从固定化细胞间歇试验入手，对好氧条件下固定化微生物的硝化效应与反硝化效应进行了分析

关键词：固定化细胞；硝化细菌；反硝化细菌；好氧条件

前言：在固定化微生物技术应用于石油污染治理、环境保护等多个领域以后，固定化微生物技术的深入研究开始得到了学术界的关注。同游离微生物修复技术相比，固定化微生物技术可以在促进细胞生物稳定性提升的基础上，降低极端ph值及污染土壤中的毒性物质对微生物体的毒害。在水处理方面，活性污泥法在污水处理过程中发挥着重要的作用。硝化技术与反硝化技术是污水处理工作的重要影响因素。

1、试验材料与试验方法

1.1硝化细菌、反硝化细菌及相关培养基

硝化细菌和反硝化细菌是试验进行过程中不可缺少的物质。为保证试验结果的精确性，试验过程中所使用的硝化细菌的培养基为包含有（NH4）2SO4和NaHC03l、铁、磷酸盐及钙、镁等微量元素的缓冲液；反硝化细菌的培养基为包含有KNO3l和CH3OH等物质和适量微量元素的磷酸缓冲液。

1.2细胞的固定化方法

海藻酸钠溶液是细胞固定化处理过程中不可缺少的试剂。在本次实验中使用的细胞固定化方法。在细胞固定化方法实施过程中，研究者需要让硝化细菌及反硝化细菌的培养液在3000r/min的离心速度下离心15min，在用生理水洗涤及进行两次离心处理以后，研究者需要按照一定比例，对浓缩菌体与海藻酸钠溶液进行混合处理，此时海藻酸钠溶液的浓度需要控制在3%。在浓缩菌体与海藻酸钠溶液混合以后，溶液中需要滴入浓度为4%的CaCl2溶液。在经过搅拌处理及钙化处理以后，硝化细菌及反硝化细菌会形成直径为3mm左右的小球，为增强载体的机械强度，相关人员也需要将己二胺和戊二醛等物质应用于固定化微生物处理过程之中。

1.3模拟废水

试验过程中使用的模拟废水为氨氮废水和硝酸盐废水，其中模拟氨氮废水（NH4）2S04的含量在300-500mg/L之间；NaHCO3的含量在500-800mg/L之间。微量元素CH3IH的含量在340-570mg/L之间。模拟硝酸盐废水中的KNO3含量为350-500mg/L；CH3OH的使用量为340-570mg/L。

1.4试验方法

本次试验采用的是以固定化细胞间歇试验为主的试验方式。在实验进行过程中，实验环境为有效容积1L，并带有保温夹套的鼓泡床。鼓泡床夹套中的水的温度在30-31℃之间。固定化细胞的填充率需要控制在10-20%之间；试验进行过程中的空气流量在20-30L/h之间。研究者每隔一段时间，需要去除少量样品，分析NH4+-N、NO3--N和NO2--N的浓度变化情况。为保证试验结果的精确性，研究者也可以使用固定化硝化菌与游离硝化菌相对比的试验形式。

2、试验分析

2.1微生物固定化对硝化细菌和反硝化细菌的活力的影响

根据一些学者的研究结果，固定化微生物的活性与稳定性是微生物固定化技术的重要影响因素[1]。微生物固定化对硝化细菌和反硝化细菌的活力的影响，与硝化细菌及反硝化细菌的氨氧化时间进程之间有着一定的联系。从硝酸盐在硝化细菌及反硝化细菌的作用下的还原情况来看，固定化硝化菌对氨的氧化速率是游离硝化菌的氧化速率的70%。固定化反硝化菌对氨的还原效率是游离反硝化菌的70%。从这一实验现象的产生原因来看，细胞在试验研究者利用化学试剂对载体进行强化时出现的失活现象与细胞在固定化以后出现的传质阻力增大的问题是导致上述现象的主要原因。细胞传质阻力的增加，会让细胞的表观活力有所下降。但是在将试验结果与基于PVA-硼酸法的固定化反硝化菌时的活力回收率相比，本次实验中使用的试验方法的活力回收率要高于PVA-硼酸法的反硝化菌活力回收率，故而这一试验表明海藻酸钙在硝化菌和反硝化菌包埋固定过程中发挥着重要的作用。在好氧环境下，部分N02-N会被反硝化菌还原为N2，从而在缩短脱氮历程的基础上，提升脱氮的速率。

2.2Ph值对固定化细胞活力的影响

一般情况下，固定化微生物的优势主要表现在以下几个方面：一是固定化微生物可以在增加连续循环反应过程的应用的基础上，发挥自身的持续降解性能。二是固定化微生物可以发挥出延长生物活性与稳定性的作用；三是在简化相关工艺流程的基础上，提升固定化微生物的利用效率，从而发挥出降低资金成本的作用[2]。在固定化微生物应用于生物脱氮领域以后，ph值也成为了人们在生物脱氮过程中不可忽视的因素。

在硝化过程的实际特点进行分析以后，我们可以发现，硝化过程中的ph值的理想值在8.0-8.4之间；反硝化过程中的理想化ph值在7.0-7.5之间。下图所示的内容为ph值对固定化细胞活力的影响情况：

图1ph值对固定化细胞的活力的影响

根据图中反映的信息。固定化微生物的最适ph值在8.2-8.3之间。它与硝化过程的ph值（最适值）之间存在着一定的相似性。在对上述试验结果进行分析以后，我们可以发现，硝化过程可以被看作是生物脱氮过程中的重要步骤。硝化速率是单级生物脱氮过程的主要影响因素。固定化微生物在好氧条件下的硝化过程要求人们利用包埋法完成酶和细胞的固定。在包埋法无法改变细胞和酶的高级结构的情况下，固定化细胞的最适ph值会与游离细胞硝化过程中的最适ph值之间保持一致性。

2.3温度对固定化细胞活力的影响

温度因素也是固定化细胞的细胞活力的重要影响因素。从温度与脱氮速率之间的关系来看，在温度值低于30℃的情况下，脱氮速率会与温度之间呈现出正相关关系。在温度超过30℃以后，脱氮速率与温度之间的关系会由正相关关系转变为负相关关系。故而从本次试验的试验结果来看，脱氮温度的理想值为30℃。在对好氧环境下的脱氮速率进行分析以后，我们可以发现，在温度值为10℃的情况下，脱氮速率为温度值在30℃的情况下的脱氮速率的46%。这一试验结果表明固定化细胞对温度的抗性相对较强。

2.4固定化细胞的操作稳定性

在硝化试验与反硝化试验的进行过程中，操作稳定性也可以被看作是衡量固定化细胞的实际应用效果的重要因素。为保证实验结果的精确性，批式试验可以被应用在在固定化混合细胞的操作稳定性研究过程之中。批式试验的应用，要求研究者将试验过程分成不同循环，每个循环的持续时间为48h，在循环结束以后，相关人员需要及时对滤出的固定化细胞进行清理，并要将新鲜废水加入反应容器以后，进行下一轮操作。在试验进行过程中，脱氮速率会随着重复次数的增加而增加，但是在3个循环以后，固定化细胞可以稳定22d。

结语：海藻酸钙在硝化菌和反硝化菌的固定过程中发挥着提升细胞活力回收率的作用。在好氧环境下，硝化菌和反硝化菌可以发挥出提升脱氮速率与降低氧气和有机碳源消耗的作用。

参考文献：

[1]张秀霞，秦丽姣，黄聪聪，等.微生物固定化载体的选择及其性能[J].化工进展，2011，30（12）：2781-2786.

[2]申婷婷，李小明，岳秀，等.微生物固定化技术的研究与应用[J].广州化工，2011，39（20）：3-5+13.