微生物封装技术在废水脱氮工艺中的研究进展

杨 旸，侯 成，江心白，陈 丹，杨 浩，牛 浩

（1.南京理工大学环境与生物工程学院，江苏 南京 210094；2.江苏源理环保产业发展有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

目前，氮素污染已成为一个日益严重的环境问题。从废水中去除氮可防止水体富营养化，对于保护人类健康、减少环境污染极为重要。由微生物驱动的污水生物脱氮工艺因其高效率、低成本和无二次污染的特点备受关注，已成为污水处理厂主流的脱氮方式[1]。现有污水处理厂采用传统工艺好氧硝化和缺氧反硝化反应进行脱氮，各种氮转化微生物可稳定去除废水中的氮，其主要包括氨氧化细菌（ammoniaoxidizing bacteria，AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（nitrite oxidizing bacteria，NOB）、异养反硝化细菌（heterotrophic denitrifiers，HD）和厌氧氨氧化（anaerobic ammonia oxidation，anammox）细菌[2]。传统脱氮工艺氮去除效能较好，但存在流程长和成本高等缺点。由于一些转化氮的微生物（如AOB，NOB 和anammox 细菌）生长缓慢，且需特定条件，因此在活性污泥系统中难以控制和优化它们的种群规模和活性，特别是生长缓慢的微生物，如果其悬浮，也较容易从系统中流失[3]。针对以上问题，开发出一些紧凑、强大和节能的去除技术，其中一些技术通过使用颗粒活性污泥、移动床生物反应器系统、膜生物反应器或封装来控制生物质保留[4]。

封装技术是一种较有应用前景的解决方案，符合更严格的排放法规，并满足可持续废水处理工艺发展的需求[5]。酶和全组织细胞的封装均是生物催化和生物医学应用方面的新兴技术。将微生物封装在可渗透基质中可防止细胞流失，并保留特定的微生物种群免受不利生长条件的影响[6]，提高生物脱氮过程的效率和稳定性的同时，还可缩短反应器启动时间[7]。微生物细胞封装示意见图1。

图1 微生物细胞封装示意

1 选择封装材料

由于封装不同于基于生物膜的生物技术，无需细胞外聚合物物质（eextracellular polymeric substances，EPS）的积累以聚集和固定细胞，故可封装特定的微生物以执行靶向生化反应，从而实现更快速启动，该技术特别适合生长缓慢的自养微生物。在操作过程中，封装还可防止细胞因剪切应力而脱落，同时保持内部的厌氧区。另也可选择定制的封装剂代替EPS，并用于控制所选和封装的微生物周围的环境。封装剂的物理和化学性质可通过吸附浓缩底物或螯合重金属减少抑制，由图1 可以看出,封装系统可控制的其他工程参数，主要包括封装剂的大、小和表面积及初始封装浓度。

1.1 封装材料的稳定性

天然衍生的多糖和化学合成的聚乙烯醇（PVA）均为最常用的封装材料。基于多糖的材料（包括海藻酸盐、角叉菜胶和壳聚糖）主要来自海洋生物，因其无毒性质而被广泛用于食品工业。同时由于封装过程较为简单，故以上材料在生物脱氮和废水处理中的应用较受欢迎[8]，但缺点是以上材料缺乏稳定性。关于海藻酸盐作为封装剂的研究较多，因其使用溶液中二价阳离子的扩散方法交联相对简单[9]。在多糖封装剂中添加活性炭、氧化石墨烯或碳纳米管等碳基复合材料，还可提高这些材料的机械强度及化学和微生物稳定性[10]。

PVA 是另一种常见的封装剂，由乙烯和乙酸化学合成，其具有更高的韧性，但弹性低于藻酸盐[11]。PVA 也是通过简单的凝胶过程形成，其尽管在传统上涉及冻融循环或使用硼酸，但封装微生物的生存能力可能受到影响。对此，开发出使用不同交联试剂（如磷酸盐、硝酸盐或硫酸盐）的其他方法。同时将光交联单体（如PVA-sbQ）掺入PVA 的方法以避免使用有毒交联试剂。PVA 的热稳定性和机械稳定性可通过加入填料（如粉末活性炭）进一步提高[12]。

其他合成材料（包括硅胶、水性聚氨酯（waterborne polyurethane，WPU）和聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG））[13]也均被用于生物废水处理和氮去除的研究。

1.2 封装材料的可持续性

封装剂材料的可持续性需采用全生命周期的方法进行评估，主要评估封装剂在采购和合成过程中对人类和环境健康的影响、在操作过程中的耐用性及使用结束时可用的处置方法。据估计，全球污水处理厂EPS 的潜在生产能力是目前年产量30 000 t 褐藻酸盐的10 倍[14]。尽管交联的PVA 和PEG 聚合物毒性低、对环境基本无害，但PVA,PEG 和WPU 均来自化石燃料。以上聚合物均可从可再生原料中获取前体（如通过“醋酸乙烯酯循环”从生物乙醇生产PVA），以提高合成过程的可持续性。

复合材料或混合材料在稳定性和可持续性方面可结合天然和合成材料的优点（如PVA 被掺入海藻酸盐中以改善其化学和物理稳定性，淀粉被掺入WPU 中以提高其生物降解性）[15]。由于封装材料的耐久性与可降解性指标存在直接冲突，在大规模应用生物脱氮的微生物封装之前，应需对各种封装材料进行技术经济分析或生命周期评估，以系统地评估它们的成本效益和环境影响。

常用封装材料的可持续性指标见表1。

表1 常用封装材料的可持续性指标

1.3 封装材料中营养物质的传质

封装剂表面的微生物可通过对流直接进入底物和电子受体，但由于聚合物网络、细胞簇和周围EPS 的阻塞，使得封装剂内的传质以扩散为主，因此，为促进封装微生物的生长需有效地将基质扩散至封装材料中，可溶性氮（铵、亚硝酸盐、硝酸盐）、氧气和有机底物的有效扩散率均取决于封装材料的孔隙率和扩散路径的曲折度，因此可通过改变封装材料的组成、涂层材料、磁珠尺寸和固定化细胞密度进行改变[16]。

封装材料内的静电相互作用可影响离子的传质（其中包括带电氮）。海藻酸盐可渗透至可溶性氮物质，有研究发现，其扩散率接近水溶液中的扩散率。氨和亚硝酸盐在海藻酸盐中的扩散率均是封装生物脱氮的重要设计参数，尽管PVA 中氮物质的扩散率已知但未确定，无孔封装材料中氨、亚硝酸盐、硝酸盐和氧的扩散率[17-18]见表2。由于EPS 中氮物质的扩散率低于水中的扩散率，使得一些封装系统适合生物膜系统的类似物可进行传质研究。带负电荷的亚硝酸盐和硝酸盐从水溶液至（带负电荷的）海藻酸盐的分配均随封装剂中藻酸盐含量的降低而增加。但由于构成海藻酸盐中交联网络的离子带正电（例如钙离子），因此，也可通过增加封装剂中带正电荷的钙离子浓度来改善将带负电荷的离子分配至海藻酸盐封装剂中[19]。带正电荷的铵离子分配到海藻酸盐在平衡过程中是有利的。同样，PVA 与硼酸或硫酸盐交联，具有带负电荷的硼或硫原子中心可通过静电吸引吸附带正电荷的铵[20]。PEG 中氮物质的扩散率仍未确定，小分子和不带电的分子（如氧）在无细胞封装材料中自由扩散，其扩散率与封装材料组成无关。当封装材料颗粒尺寸随着封装剂密度和压实程度的增加而减小时，可观察到不带电分子的有效扩散率显著降低。因此，颗粒尺寸也可通过氧气和氮氧化物的差异扩散控制缺氧和厌氧区的深度。

表2 无孔封装材料中氨、亚硝酸盐、硝酸盐和氧的扩散率

2 生物脱氮工艺中封装技术的性能评估和微生物的选择

以上说明，生物脱氮通常使用硝化、反硝化或厌氧氨氧化反应去除废水中的氮[2]。一些微生物生长缓慢，需在特定的条件下才可生长，故难以在生物反应器中富集和保留。除选择封装材料以创造最佳生长条件外，根据微生物的生理和生化特性选择封装微生物也同样重要。在生物脱氮过程中，一些重要的具有封装应用潜力的活性微生物物种的关键动力学和化学计量参数[21-26]（包括纯培养和富集）见表3。为合理使用特定微生物或群落，可通过应用封装，系统地改善生物脱氮。

表3 生物脱氮中部分活性微生物的化学计量和动力学参数

生物脱氮的第一步主要由AOB 和氨氧化古菌（ammonia oxidizing archaea，AOA）将氨氧化为亚硝酸盐，亚硝酸盐在有氧条件下被亚硝酸盐氧化细菌（NOB）进一步氧化为硝酸盐，完全氨氧化（comammox）的细菌可氧化氨和亚硝酸盐产生硝酸盐。因以上自养微生物群生长缓慢且对抑制剂敏感，故封装可有利于细胞保留和减少抑制。在短程硝化反应器中，为不使亚硝酸盐氧化成硝酸盐，先从亚硝酸盐开始厌氧氨氧化和典型反硝化。在悬浮生长体系中抑制NOB 的同时，促进AOB 生长的常用方法主要包括曝气控制或维持特定的pH 值、温度或保留时间，以利用AOB 和NOB 之间生长速率、氧/培养基亲和力和对抑制剂（例如游离氨和亚硝酸）的敏感性的差异。AOB 的封装（如亚硝基单胞菌属（nitrosomonas））可确保AOB 相对于NOB 的相对丰度和活性更高，并实现快速启动。每毫克AOA（nitrosopumilus maritimus）和comammox 细菌（nitrospira inopinata）去除氮的生物量产量较低，氨亲和力高于AOB（nitrosomonas europaea）[27]且具有与AOB 相当的增长率。因AOA 和comammox 细菌均可维持高硝化速率和低生物量产量，使之成为封装首选。为更好地预测含有封装微生物的生物脱氮过程的性能，需澄清其它动力学参数。如：虽在低溶解氧（质量浓度＜0.6 mg/L）条件下证明comammox 细菌中“candidatus nitrospira nitrosa”的富集，但未量化comammox 细菌对氧气的亲和力。因此，为进一步探究其在生物脱氮过程中的作用，仍需在悬浮和封装的生长条件下，对AOA 和comammox 细菌进行抑制研究。

由于需氧菌的生长在封装剂表面附近受到刺激，故在生物脱氮过程中亚硝酸盐或硝酸盐的还原可通过异养反硝化（heterotrophic denitrifiers，HD）在下方的缺氧区进行。HD 微生物通常比氨氧化剂具有更高的生长速率，其从有机碳中提取的电子可将氮氧化物（如亚硝酸盐和硝酸盐）还原为气态氮物种（N2，N2O）[28]。部分化学有机营养菌（如pseudomonas stutzeri（斯氏假单胞菌）、paracoccus denitrificans（反硝化副球菌）和alcaligenes faecalis（产碱性菌））也均可氧化各种形式的还原氮（包括氨、亚硝酸盐和有机氮物种），故被称为异养硝化（heterotrophic nitrification，HN）[22]，HN 相对较高的氮浓度具有耐受性，反映在其对亚硝酸盐和硝酸盐的高抑制常数上。HN/HD 生物在封装应用中优势明显，其具有高转化率和同时硝化-反硝化过程，但其高生物量产量可导致过度生长，从封装剂中逸出。

3 全面应用和产业化的机会

虽然封装剂-微生物相互作用的详细机制尚不清楚，但有研究证明，生物脱氮封装过程的成功应用效应。因PVA 和PEG 的耐用性和相对简单的制备条件，使之成为应用中最常用的材料。PVA 已被用于中试规模的厌氧-缺氧-氧化过程的氧化区，以增强硝化作用和磷的吸收。含有PEG 封装生物质的中试规模反应器在长期（＞200 d）运行中硝化和厌氧氨氧化的作用稳定高效。生物脱氮已开发出多种商业化封装工艺，主要包括日立的PEGASUS 工艺[29]、Microvi Biotech 的MNE 生物催化剂[30]、Lentikats 的PVA 颗粒[31]、Kuraray 的KURAGEL 和BioCastle 的小型生物反应器平台胶囊[32]。以上商业化工艺在城市废水中超越生物脱氮的应用前景显著（如工业废水或饮用水处理、污染物修复和生物产品合成）。封装技术因其保留微生物的能力，故非常容易被集成到具有各种配置的现有废水处理工艺中，具体见图2。由图2 可以看出，封装生物质在2 个反应堆和单反应堆中形成，可通过优化封装材料、要封装的微生物和反应器运行条件，实现所需的整体氮去除率。

图2 生物脱氮的应用设计示意

4 结论

封装技术随着封装材料合成、微生物富集/分离、数学建模和分子工具等方面的进展在生物脱氮中的应用得到进一步改善和拓宽，为满足其稳定性、渗透性和可持续性的要求，需开发一种新型复合封装材料。而成功富集、分离研究关键的氮转化微生物作为封装技术应用首选，基本可实现高效、稳健和可预测的生物脱氮。进一步研究可更好地了解封装微生物之间及微生物与其封装剂环境之间相互作用，并使用先进的遗传和微观工具阐明其在封装剂中的分布和活性。通过建立更好、更准确的模型以提高生物脱氮的性能，将其实验性的应用于污水处理过程中的封装生物脱氮系统，了解其性能随时间的变化情况，为探索工程应用的未来研究提供一定参考。