PVA凝胶固定微生物法用于废水处理的研究进展

何滔 朱旺平 苟青 贺磊

摘要：PVA 凝胶固定微生物法是一种废水生物处理方法，具有微生物富集量高、 系统启动快、 容积负荷高、 处理效果好、 污泥减量效果好及抗冲击能力强等优点，同时固定微生物的种类较多，可用于厌氧氨氧化脱氮、硝化反硝化等工艺，因此PVA 凝胶固定微生物法用途较广。

关键词：PVA凝胶;固定微生物法;厌氧氨氧化

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）08-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.069

Research and progress of PVA-gel immobilized microorganism method used in wastewater treatment

He Tao，Zhu Wangping，Gou Qing，He Lei

（China Haisum Engineering Co.，Ltd. R&D Center，Shanghai 201702，china）

Abstract： PVA-gel immobilized microorganism method is a kind of wastewater biological treatment method， which has the advantages of high microbial enrichment， quick system startup， high volume loading， good treatment effect， sludge reduction effect and powerful resistance to impact load. PVA-gel could immobilize abundant microbial species which can be used for anaerobic ammonium oxidation， nitrification and denitrification and other processes， so the PVA-gel immobilized microorganism method is widely used in the future.

Keywords： PVA-gel;Immobilized microorganism method;Anammox

20世紀70年代，固定化微生物技术开始用于废水处理，是目前较为常见的废水生化处理手段，与未固定化的微生物工艺（悬浮生物处理法）相比，具有以下优点：所含微生物量不易流失、抗杂菌污染、降解有机物性能较强、耐冲击负荷等。固定化微生物方法一般可分为物理固定法和化学固定法两大类。物理固定法主要有吸附法、包埋法和包络法等，化学固定法包括共价结合法和交联法等[1]。

固定化微生物技术采用的载体类型主要为以下几种：（1）无机载体类（活性碳、多孔陶土、微孔玻璃等）。此类载体强度较大、传质较好、对细胞无毒害、价格便宜且制备过程简单，有较大的应用价值;但它们密度大、实现流化的能耗高、微生物吸附有限和易脱落等缺点。（2）天然有机载体类（海藻酸盐、琼脂等）。此类载体对微生物无毒害作用，传质较好，但机械强度低，易被微生物分解。（3）人工合成有机载体类（聚丙烯酰胺（ACAM）凝胶、聚乙烯醇（PVA）凝胶等）。聚丙烯酰胺中含有的丙烯酰胺单体对微生物活性有害，废水处理中的应用并不广泛。

PVA凝胶是国内外研究最为广泛的一种包埋固定化载体，它具有强度高、化学稳定性好、抗微生物分解性强、对细胞无毒且价格低廉等一系列优点，因而具有较高的研究价值[2，3]。

1 PVA凝胶固定厌氧氨氧化菌研究进展

厌氧氨氧化菌（ANAMMOX）是目前研究较为热门的一类脱氮细菌，为自养型细菌，可在缺氧条件下以亚硝酸盐作为电子受体，以铵盐为电子供体，产生氮气，无需外加碳源，无需供氧，产碱量为零并且污泥量低。

但是厌氧氨氧化微生物只有在高细胞浓度下才具有活性，倍增时间长，生长缓慢，抗冲击负荷能力弱，对环境条件要求苛刻，需控制DO、温度、pH和有机物等，特别对氧气敏感，反应需在低氧浓度下（DO<1mg/L）进行。

国内外学者对厌氧氨氧化做了大量研究，提出过anammox菌种流加等技术[4，5]，但是这些技术对于厌氧氨氧化菌培养条件要求比较高，且培养过程缓慢，普遍存在着菌体流失和颗粒形成过程缓慢的问题[6，7]。为了截留微生物，保持厌氧氨氧化菌生物量和加快培养驯化厌氧氨氧化菌，一些学者将PVA凝胶作为载体在高效反应器中培养驯化厌氧氨氧化菌。

图1 流化床反应器

图2 PVA凝胶小球

图3 PVA凝胶内部结构

图4 PVA凝胶的FISH照片

Albert Magrí等人[10]，采用冷冻-融化法（平均温度为-8℃）制备了长度为4mm的正方体型PVA凝胶，该凝胶具有弹性和橡胶型外观，内部多孔且呈三维贯穿型网络结构，对该凝胶接种含厌氧氨氧化菌的活性污泥（11.89mg TSS/1g PVA凝胶），见图1-5。采用搅拌槽反应器（Stirred-tank reactor）模拟养猪场废水进行废水处理试验，PVA凝胶填充率为20%（w/v），见图1-6。

采用PVA凝胶固定厌氧氨氧化菌的试验不需要污泥回流，且在进水未灭菌的条件下，长期与厌氧氨氧化的化学计量学方程式较为吻合，同时，该过程不限制底物浓度（除非TN<5mg/L），氮元素去除率大于93%。通过质量平衡计算，厌氧氨氧化菌可完成80%以上的氮转化，容积负荷高达2920mg-N/kg-pellet/d。此外，在高亚硝酸盐（244～270mg-N/L）抑制作用下，PVA凝胶所固定的厌氧氨氧化菌复原能力较强。

图5 接种厌氧氨氧化菌的PVA凝胶

图6 该实验采用的搅拌槽反应器过程

Muhammad Ali等人[11]重点针对固定少量厌氧氨氧化菌的PVA凝胶增强厌氧氨氧化过程的快速高效启动进行研究，实验结果表明，采用升流式圆柱形反应器（Up-flow column reactor），经过35天运行，接种固定的微生物量浓度为0.33g VSS·L-1的PVA凝胶的容积负荷高达10.8kg N/m3/d，然而同样的实验条件下，含有厌氧氨氧化颗粒污泥浓度为0.33g VSS·L-1的反应器的容积负荷仅有3.5 kg N/m3/d，说明PVA凝胶固定微生物法在较低浓度的种子微生物下，也能快速启动厌氧氨氧化反应器;为更好地解释上述现象，由微电极检测固定化微生物的有效扩散系数（De）比颗粒污泥高3倍，且较高的厌氧氨氧化活性（NH4+和NO2-的消耗率）归因于PVA凝胶具有更快和更彻底的底物传质，对比之下，颗粒污泥的厌氧氨氧化过程仅局限在颗粒表层，颗粒内部微生物没有对氮的去除作出贡献，通过FISH等检测手段也能够进一步验证PVA凝胶固定微生物法的优点。

以上研究表明，经PVA凝胶包埋的厌氧氨氧化菌能够维持反应器中高浓度和高活性的生物量，有利于固液分离，有效的避免了ANAMMOX细菌因体积小、质量轻随进出水流失。并且PVA凝胶固定化微生物的技术在提高生物性能的同时，使反应器运行更加稳定，也降低了对反应器体积的要求[12]。相较于颗粒污泥更容易收集，可大大简化运行操作，随运行时间延长，包埋颗粒内菌体富集将会实现更为高效的脱氮效能[13]。

2 PVA凝胶固定其他微生物研究进展

除固定厭氧氨氧化菌之外，也可根据废水污染物种类的不同，通过PVA凝胶固定可降解该污染物的微生物，达到废水净化处理的目的。

Sulaiman Al-Zuhair， Muftah El-Naas[14]使用PVA凝胶将恶臭假细胞菌（Pseudomonas putida）通过两种固定方法固定，并在鼓泡塔（Bubble column）和喷动床生物反应器（Spouted bed bioreactor）两种不同类型的反应器中开展苯酚废水的生物降解试验。固定方法一：取100g PVA粉体与250mL蒸馏水和50mL细菌分散液在70～80℃下搅拌10～15min，倒入特殊模具，再将模具放置在-20℃冰箱24h冷冻成型，然后放置在4℃下自然融化，重复多次冷冻和融化过程即可制备出固定微生物的PVA凝胶。冷冻-融化法有利于PVA凝胶结晶区域形成和PVA分子之间的交联度，增强聚合物机械强度。固定方法二：其固定过程与固定方法一相似，区别在于，使用50mL营养矿物盐替代50mL细菌分散液，制成不含细菌的PVA凝胶，再将该凝胶浸泡在含900mL细菌分散液、100mL矿物盐溶液和150mg苯酚的混合液中好氧曝气两周，制成固定细菌的PVA凝胶;固定细菌前后PVA凝胶的横截面显微镜照片见图7和图8，说明固定方法二制备的PVA凝胶内部已接种较多的细菌菌落。上述两种固定方法均有其优缺点，固定方法一中的微生物需忍耐较低温度的外界环境，因此可能影响微生物活性;而固定方法二的细菌接种固定时间较长，且细菌直接暴露在废水中，步骤较为繁琐。实验证明，上述两种微生物固定方式和两种反应器均能够较好地降解废水中的苯酚，去除效率取决于微生物的活性，但固定方法一和喷动床生物反应器明显更具优势。

图7 固定细菌前的PVA凝胶

图8 固定细菌后的PVA凝胶

刘巍等人[15]从焦化废水二级处理系统的生物膜中富集、培养、浓缩能够降解苯胺的混合菌种GAI，使用添加了活性炭纤维的PVA凝胶小球将其固化得到新型固化生物活性碳纤维小球（IBACFBs）。IBACFBs机械性能好、生化活性高、对高浓度苯胺溶液有优异的降解效果，经46 h的反应，苯胺浓度从初始的526 mg.L-1降至9.6 mg.L-1，降解率达到了98.4%。由于特殊的多孔结构和巨大的比表面积，其生物活性更加稳定，特别是随着循环次数的增加生物活性不但没有降低，反而有一定程度的提升。

ZHANG Li-sheng等人[16]对改进型的PVA凝胶固定活性污泥进行研究，三种PVA凝胶分别为PVA-硼酸凝胶、PVA-硝酸钠凝胶、PVA-磷酸盐凝胶，并采用耗氧速率（Oxygen uptake rate（OUR））作为评价三种PVA凝胶固定活性污泥的生物活性指标。研究结果表明，PVA-磷酸盐凝胶法是一种较为经济且生物活性指标较高的固定化微生物技术。王杏佳等人[17]采用硼酸-化学交联法制备了可用于水处理的聚乙烯醇（PVA）凝胶小球，通过对凝胶小球的弹性、力学强度、压缩强度和比表面等性能的测试及SEM照片分析，考察了交联剂种类和PVA质量分数对凝胶小球的影响。结果表明，选用Cacl2作交联剂、质量分数为5%的PVA，凝胶小球有较好的性能。将制备而成的PVA固定化微生物凝胶小球（接种固定硝化菌）用于水处理中，氨氮的去除率在15 h后可达90%。

3 PVA凝胶固定微生物法用于废水处理的技术展望

PVA 凝胶是一种亲水性好、具有良好细菌栖息性的新型微生物固定化载体，具有微生物富集量高、 系统启动快、 容积负荷高、 处理效果好、 污泥减量效果好及抗冲击能力强等技术优势[18]。

PVA 凝胶固定微生物法适用范围较为广泛，可用于制药废水、化工废水、垃圾渗滤液等毒性较大废水，也可用于高效脱氮处理。PVA 凝胶固定微生物法用于废水处理具有较好的研究价值和市场前景。因此，对PVA 凝胶固定微生物技术的深入研究很有必要，尤其是微生物的加速培养和固定，以及载体本身的理化性质进一步的优化。相信通过不断研究和改进，这种高效的水处理技术将会得到更为广泛的应用。

参考文献

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收稿日期：2019-06-11

作者简介：何滔（1995-），男，汉族，本科生，研究方向为工业水处理。