硝化细菌在污水净化中的研究与应用

陆立海，陈国宁，苏 柳，陈永利，李文文，覃思跃，刘 熹

(广西博世科环保科技股份有限公司，广西 南宁 530000)

1 背景

当今经济的飞速发展，给人类带来了更佳的物质生活条件，同时也带来了一些环境污染问题。生活污水、工业污水和农业污水等污染水体，进而给人类带来了健康问题，影响了水生态平衡。其中水体富营养化是水污染的普遍现象之一，而氨氮浓度是治理富营养化污水的重要指标。采用生物脱氮法去除污水中氨氮，具有操作简单、成本低等特点，在水产品养殖和污水处理中广泛应用。微生物中氮循环主要由生物体内有机氮的合成、氨化作用、消化作用、反硝化作用和固氮作用组成。污水中的氨氮通过硝化作用转化为亚硝酸盐和硝酸盐；进而通过反硝化作用，最终生成氮气。硝化细菌的硝化作用是生物脱氮应用中氨氮转化的关键。因此，对硝化细菌更深入的研究，对污水处理中的氨氮去除具有重要意义。本文就硝化细菌在污水氨氮去除中的应用研究现状进行讨论。

2 硝化细菌的研究进展

硝化细菌分为自养和异养类型，目前自然界中已发现的硝化细菌大多数为自养硝化细菌，异养硝化细菌较少。自养硝化细菌分为氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)，这两类细菌分别参与硝化作用的氨氧化和亚硝酸氧化阶段。AOB和NOB共有9种属，20种[1]。为了硝化细菌菌剂的高效应用，研究学者从自然界中富集培养、分离纯化与菌种鉴定、包埋固定化、扩大培养和混合菌群多样性研究，研究新发现菌株的生理特性和脱氮作用机制。硝化细菌研究领域涵盖了菌种的分离鉴定[2]、代谢机理、基因水平研究、菌剂的制备、菌种的保存[3]以及硝化细菌检测技术的研究[4]。当前，硝化细菌的研究获得了一定的成效。比如养殖业往往采取人工投饵方式，加上鱼等养殖产品的排泄物导致了养殖水体中氨、亚硝酸盐超标而使养殖产能低下。而定期投入一定的硝化细菌，大大改善养殖水质，为水产养殖业带来了更高的养殖效益。如专门培养观赏性水生动植物的水族箱、养鱼池等，硝化细菌及时去除里面的氨氮、亚硝酸盐等对鱼类有毒物质[5]。此外，利用硝化细菌菌剂，活性污泥法、生物滤池和生物膜法等去除工业污水和生活污水中的氨氮，也获得了一定成效。

3 硝化细菌在污水净化中的应用情况

硝化细菌主要应用于处理养殖废水和氨氮、亚硝酸盐超标的工业废水和生活污水。硝化细菌广泛应用于废水生化处理的工艺中，传统的工艺有A/O法、A2/O法、接触氧化法、SBR工艺等。此外，新型生物脱氮技术也在研究发展中，包括厌氧氨氧化技术、硝化反硝化技术和短程硝化反硝化技术等[6]。

4 硝化细菌污水应用瓶颈

硝化细菌的研究已持续一百多年，但是硝化细菌的工业应用技术尚存在问题。其在净化污水的应用中依然存在一些技术瓶颈。

(1)自身因素的限制。目前发现的硝化细菌多数为自养型，少量异养型。自养型硝化细菌生长繁殖周期长(10 h以上)，生长缓慢，自然条件下硝化菌群的富集培养与驯化时间周期长且有效菌体浓度低下，而单一菌种的扩大培养，菌体浓度较高，但是其硝化作用效果不如富集培养的菌种。另外，异养型硝化细菌的生长周期比自养型长，但对生长环境的适应性更强[7]。

(2)外界因素的限制。硝化细菌在工业应用中硝化作用效果，除了受自身特性的影响菌，菌种的生长繁殖对外界因素较为敏感性。比如温度、pH值、DO、C/N、有机物浓度、消毒剂[8]、有毒物质和重金属等[9]，将直接影响硝化细菌的硝化作用效果。

综上，目前市售硝化细菌菌剂种类繁多，硝化作用效果参差不齐，大多数为生物直投法使用。硝化细菌菌剂的净化效果除了受生长环境的影响，主要受菌剂本身特性的影响。就处理效果而言，国产菌剂的除氨氮效果一般；而部分进口产品效果相对显著，但价格高，其中商业菌剂市场份额最大的是EM和诺维信。市售硝化细菌为复合菌剂，含有多种功能不同的细菌组分，如光合菌剂、枯草芽孢杆菌等。尽管进口复合菌剂有较好的效果，但在工业应用中不具有针对性，且需要定期添加菌剂维持。其出售菌剂都是按照固定的细菌类别配比制备而成。但是处理不同的污水，由于水质原因和生长条件的不同，复合菌剂中的某些成分，不但不能在该条件下生长繁殖，还可能短时间内衰亡，在污水处理中不起任何作用。故复合菌剂在实际应用中，菌剂部分成分为无效组分，在一定程度上是一种资源浪费。原因是投放的菌剂无法适应被投放的生长环境，对外界做出应激反应，难以进行生长繁殖，逐步衰亡，因此无法长期保持较好的硝化作用能力，维持较好的氨氮去除效果。如何获取不同极端条件下能适应生长的硝化细菌菌种，如具有耐酸、耐碱、耐高温、耐低温、耐高盐浓度、耐低DO等基因特性的菌株是当务之急。如此，根据处理污水的特性制备菌剂，保证菌种的精准高效投放，使菌种在治理目标—污水中进行生长繁殖，持续性保持一定的硝化作用能力，达到持续净化的效果。

5 发展前景

硝化细菌菌剂是一种安全性较高的菌剂[10]。硝化细菌在污水处理中的应用需要更深层次的研究，以获得更高效的工程应用效果。获得生长繁殖周期较短、利于扩大培养、硝化作用活性更强、适应能力较好的硝化细菌菌剂。根据不同的污水水质，选取最佳的菌种，配制更高效的复合菌剂，使其快速适应污水的环境，进行生长繁殖，维持更为持久高效的氨氮去除效果。研究者甚至可通过基因手段整合硝化细菌的优势基因，增强菌剂对生长环境的适应能力，提高菌剂的效能，降低污水处理成本，提高氨氮去除环保技术的水平。