固定化微生物技术在养猪场废水处理中的应用研究进展

王 颖， 赵 静, 金明姬

(1.延边大学理学院；2.延边大学农学院：吉林 延吉 133002)

固定化微生物技术在养猪场废水处理中的应用研究进展

王 颖1， 赵 静1, 金明姬2*

(1.延边大学理学院；2.延边大学农学院：吉林 延吉 133002)

固定化微生物技术作为一种生物修复技术，具有高效、稳定、生物安全性较高等特点。本文对固定化微生物技术进行了分类，并结合养猪场废水氨氮浓度高，C/N低的特点，介绍固定化微生物技术在养猪场废水中的应用现状及前景。

生物修复技术；固定化微生物技术；养猪场废水；低C/N

近年来，随着我国大型养猪场的迅速发展及生产规模的不断增加，大型集约式工业化养猪产业在全国各省市得到急速发展，给环境带来了沉重的负担[1]。随着环境污染日益严重，人们迫切需要开发出一种高效、快速、能连续处理污染物且无二次污染的技术[2]。在养猪场废水处理过程中，生物处理因投入成本较低，无2次污染等优势，其应用前景比较广泛。然而在传统的污水处理技术中，微生物常以悬浮态生长，导致系统内微生物流失严重，有效浓度降低，抗污能力下降[3]。因此，近些年众多研究人员针对上述问题提出了固定化微生物技术，即把微生物固定于某个载体上，减少微生物的流失，从而提高微生物处理能力及抗污能力。固定化微生物技术以固定化酶为基础发展而来，开始于1959年，到目前为止，固定化微生物技术的研究与应用也正一步步趋于成熟[4]。

1 固定化微生物技术

1.1固定化微生物技术概述

固定化微生物技术是利用物理及化学方法使微生物在特定载体上固定，因而提高单位空间内微生物细胞的密度及活性的一种生物技术[5]。固定化微生物技术拥有众多优势，如微生物密度高、固液分离难度小以及抗冲击能力强等[6]。此外，微生物被固定后会与载体之间存在某种物理或化学联系，从而提高生物膜的稳定性，同时也提高固定化微生物的重复使用率，例如张秀霞等[7]在固定化降解菌Q5去除喹啉的性能研究中提出，固定化微生物可以重复使用8次，并将去除率保持在85%以上。基于上述优点，固定化微生物技术成为一种新型高效的污水处理手段[8]。

1.2固定化微生物技术一般原理与方法

制备固定化微生物的方法很多，到目前为止还没有出现一个统一的分类标准，通常固定化微生物的性能优劣取决于载体的种类与固定化的方式。在固定化微生物技术中所选用的载体应具备良好的机械强度、稳定的理化性质、无毒无害、使用寿命长、不溶于水、无二次污染、价格低廉及制备工艺简单等特点[9]。常见的微生物固定方法如表1所示，主要分为3种，即物理吸附法、包埋法及交联法。

物理吸附法(Adsorption)利用微生物细胞表面所带电荷与载体之间的静电引力而吸附于载体上固定的一种方法[10]。木材、陶瓷、玻璃和塑料等都可成为物理吸附的载体。例如，可以利用竹炭将硝化菌与反硝化菌进行固定，竹炭孔隙度高，比表面积大，微生物可以紧紧的吸附在竹炭表面及空隙内，使微生物可以充分与废水接触，在pH值为8的条件下达到最高去除率[11]。采用物理吸附法固定微生物，能够降低固定化过程中对微生物酶活性的影响。物理吸附过程非常复杂，吸附过程中会受众多因素的影响，如微生物的性质、载体结构特征，以及微生物细胞表面与载体之间的各种相互作用等，而只有当这些因素适宜时才能形成微生物细胞-载体复合物[12]。物理吸附法具有条件简单，操作方便，载体再生性强的优势，但是操作稳定性较差。

包埋法(Entrapment)是将微生物细胞包埋于多孔性载体内或高聚物形成的凝胶小格中，其技术关键是如何选择适当的载体材料以及行之有效的固定化工艺。常见的载体有海藻酸钠(SA)、聚乙烯醇(PVA)、琼脂及明胶等。包埋法具有操作容易，对微生物活性影响小，保持载体传质性能和机械强度良好等优势。因此，在污水处理领域得到迅速发展。在众多的固定化方法中，包埋法微生物固化程度较高且制备的微生物小球强度好，具有优异的综合性能，目前的应用亦最为广泛[13]。

交联法(Cross linking)又称无载体固定法，这种方法不需要载体，而是利用具有双功能或多功能的试剂直接与微生物细胞表面的反应基团进行交联形成共价键，将微生物细胞连接成网状结构，从而达到固定效果的一种方法。这种方法会对微生物细胞活性造成很大影响，而且交联试剂价格相对昂贵，导致交联法在实际应用过程中受到限制。此种方法能够使细胞浓度提高，处理效率较高，但是机械强度低并且不能再生，在实际应用中比较困难。

表1 常见微生物固定方法The common methods of the immobilized microorganism technology

2 养猪场废水

2.1养猪场废水特点

养猪场废水通常主要有养猪场的生猪排泄的尿液和粪便，以及对猪舍内相关设施的冲洗水(主要有生猪饮用槽冲洗水、圈舍冲粪水、地面清洗水、养猪设备和设施的清洗水等)，还有在生猪养殖过程中由少量的工人在生产和生活过程中产生的废水组成[14]，属高浓度有机废水，BOD高达2 000～8 000 mg/L，COD高达5 000～20 000 mg/L[15-16]。此外，传统养猪场排放废水中的悬浮物超标,氨氮含量也非常高[17]。由于养猪场废水的上述特点，国外较早认识到养猪业对环境污染问题的严重性，如20世纪60年代日本提出了“畜产公害”问题，而欧洲的荷兰(南部)、比利时、德国(西部的下萨克森州)、丹麦、法国等养猪业发达的地区也都将养猪场排放的粪尿废水视为危害环境的主要污染物。目前，我国也深刻意识到养猪业对环境造成的严重后果，不断加强对养猪业的环境管理，特别是对养猪场废水实行重点治理[18]。

2.2养猪场废水危害性

养猪场废水具有高 CODcr、高 NH4+-N、高 SS 含量以及大量病菌存在的特点，尤其是规模化养猪场，由于废水水量较大且集中，如不经处理直接排放于生态环境中或回田农用，将会造成当地生态环境的严重破坏和农田的严重污染[19]。养猪场废水的危害可从养猪场废水对水环境、大气环境、人体健康、温室效应的影响等方面进行概括。

1) 对地表水及地下水的污染 养猪场废水排入地表径流会使地表水、地下水及农田造成污染。据前人研究可知，养猪场废水中所含有N、P以及BOD等污染物多[20]，若未经处理或处理不当直接随地表径流流入地表及地下水层，或通过渗滤作用在土壤中累积，将会对地表水、地下水及农田造成严重污染，这将导致土壤生产能力下降甚至丧失、地表植物枯萎死亡。此外，氮化合物含量高的养猪场废水渗入地下，在土壤中某些微生物的作用下，易形成NH4+-N、NO2-N和NO3-N等氮氧化物，而此类氮氧化物一旦渗入地下水，使地下水中的硝酸盐含量增高，将会严重危害人体及其他生物的健康。

2) 对大气环境的污染 养猪场废水通常伴有恶臭气味，极易招致大量蚊蝇繁殖，从而使空气质量与居民的生活环境受到恶劣影响。此外，废水在微生物作用下产生大量氨气，H2S等有毒有害气体，导致养猪场内外空气质量恶化，对养猪场内工作人员的身体产生危害，且还会使养猪场内猪的生产性能及生产力受到影响[21]。

3) 对人体健康的危害 据有关资料显示，目前已存在200多种“人畜共患传染病”，即指那些在脊椎动物与人之间能够相互传染，由共同病原体引起的疾病。其中，可由猪传染的约25种。这些人畜共患传染病主要是通过动物的排泄物进行传播，养猪场废水的排放不仅会污染水体、空气，还会导致一些传染病和某些寄生虫疾病的爆发及蔓延，不仅影响到猪的生产水平，对人类的身体健康也造成威胁[22]。

4) 对温室效应的影响 养殖业的迅速发展成为影响全球性气温变暖的重要因素之一。自然界中存在很多导致气候变暖的气体，甲烷是其中之一，据统计数据显示，甲烷的增温贡献率约为15%，而在甲烷贡献率中，包括农畜禽养殖业在内的农业活动的贡献率就达70%，而在今后几年内，畜禽养殖业的甲烷释放量仍将以增长趋势发展。因此，妥善处理养猪场废水，大力控制养殖过程废水的排放将对环境保护及人类健康都有极为重要的意义[23]。

2.3养猪场废水的处理现状

养猪场废水的处理方法很多，大致可分为厌氧处理、好氧处理、厌氧好氧组合处理，以及氧化塘、人工湿地等自然处理，但此类废水处理效率依旧不理想[24]。

厌氧发酵技术可在无氧条件下，利用多种厌氧微生物将水中的大分子有机污染物分解并最终转化为沼气，在废水处理的同时，实现能源的回收利用[25]。规模化养猪场养殖废水中含有高浓度的COD，采用厌氧生物处理能够去除80%左右的有机物，并且回收大量能源。因此，很多规模化养猪场采用沼气池进行废水处理，目前沼气池也已在国内得到了广泛推广应用[26]。然而研究表明，厌氧沼液中COD浓度可降低至2 000 mg/L，但氨氮(NH4+-N)浓度依然高达500～1 000 mg/L，磷酸盐(PO43--P)浓度约为30～70 mg/L，厌氧发酵出水中C/N较低，采用传统生化方法直接处理效果不佳[27〗。为此，目前己在传统好氧处理基础上开发一系列新型脱氮除磷工艺，通过投加速效碳源提高脱氮除磷效果。改良的常规工艺[28〗有如倒置A2O工艺、UCT工艺、缺氧好氧分段进水工艺、脉冲式SBR工艺等。虽改良脱氮除磷工艺较传统好氧处理工艺有明显优势，提高了脱氮除磷效果，但也存在操作管理繁琐、稳定性差、污水停留时间较长、占地面积大等缺点[29]。鉴于此，亟待开发一种处理效果好，且投入成本低的养猪场废水处理技术。

此外，养猪场废水处理效率低的原因还有:1) 畜禽养殖业投资风险大，利润低，而且易受到自然与市场双重影响，投入到废水处理的资金远远不足；2) 环境保护意识淡薄，相关部门监管漏洞多，对废水处理认识不够深刻，处理方式过于单一；3) 一些粪污研究和设计人员始终保持“达标排放”的固定思维模式，过于追求复杂结构与机械设备的现代化，导致处理工程投入过大，运行成本过高，超出养殖企业的承担能力，出现了建有处理设施却不运行的现象。因此，应根据各地自然或经济条件，以及养殖场规模大小等因素，废水的排放标准也应有所调整，污水处理方式也应进行灵活变化[30-32]。

3 固定化微生物技术在养猪场废水处理中的应用

3.1应用现状

固定化微生物技术作为一种新型的生物技术，以独特的优势和巨大的潜力应用在各个领域。李彦锋等通过改良固定化微生物的载体，研究改性载体固定化微生物处理高氨氮废水的效果,结果改性后泡沫体有利于通过载体结合法固定化微生物细胞,所得固定化微生物用于高氨氮废水处理时呈现污染物去除速率快的动力学特征[33]。杨婷等利用复凝聚法制备了粒径约3.0 mm的羧甲基纤维素-壳聚糖胶囊,并用其固定化蔗糖酶。固定化酶耐酸性好,在pH值为3.6～ 5.0时,其活性基本保持不变,而游离酶在pH值为3.6时,其活性仅为最大时的63%[34]。韩志勇等以核桃壳为固定化载体，采用吸附法固定微生物，根据响应面模型分析确定最佳降解条件为:pH值7.2,温度32 ℃,原油浓度3 898 mg/L,固定化时间29.8 h，此时原油降解率达到66.8%[35]。黄正等将硝化细菌污泥包埋固定在添加一定量活性炭的聚乙烯醇中，用来进行养殖废水的处理,24 h后氨氮去除率达 82.5%[36]；杨会民等采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2膜,并进行苯酚降解试验，苯酚的降解率可达95%以上。膜的性能稳定,可以重复使用[37]。张雪等采用海藻酸钙凝胶包埋固定普通小球藻,比较悬浮藻与不同粒径固定化藻球对海水养殖废水中氨氮和无机磷的去除率及微藻的生长特性。结果表明，填充率为15%条件下4 mm固定化藻球对海水养殖废水中氨氮、无机磷的去除率较高，去除效果更佳[38]。

目前，固定化微生物技术在养猪场废水处理领域得到了广泛应用，同时也取得了令人瞩目的成就。梅瑜等利用固定化微生物技术去除养猪场废水消化液中的有机物，结果有机物去除率达到了88.7%[39]。崔兵等采用固定化微生物技术处理某养猪场养殖废水，其结果CODcr去除率达到98%，氨氮去除率达到94%[40]。钟成华等利用固定化微生物技术处理养猪场废水，结果在低温环境下，养猪场废水COD去除率也达到87.8%，氨氮去除率达到64.8%[41]。卢徐节等以 PVA-人工沸石包埋吸附硝化细菌用于处理某畜禽养殖废水，结果 NH4+-N去除率可达 90%以上[42]。Vanotti 等采用冷冻法以 PVA 固定硝化污泥，对养猪场废水进行处理，结果氨氮的硝化率在水力停留时间(HRT)等于4 h时为 567 mg/L[43]。 黄婧等用 SA 和改性竹炭包埋固定氨氮降解菌 AN4后处理养猪场污水，并将处理后的污水饲养泥鳅，结果发现固定化菌株对氨氮降解率高达92.56%，且后续试验发现对泥鳅没有造成遗传损伤[44]。Albert Magrí等利用PVA包埋厌氧氨氧化细菌处理养猪场废水，全程自养脱氮，总氮去除率达到80%[45]。

由于养猪场废水性质不稳定，易受环境影响，且成分复杂，故有关固定化微生物技术对养猪场废水的处理研究较多的仍处于实验室规模阶段，将此技术应用到实际中还需做进一步研究。利用固定化微生物技术建立高效养猪场废水净化系统，不仅有利于养猪场废水净化及环境改善，也有利于建立高效循环式高密度养殖系统，降低生产成本，促进养殖业发展[46]。

3.2应用前景

近年来，由于固定化微生物技术在废水处理中的独特优势，引起了众多国内外研究者们的高度关注，从而也将此技术推向了废水处理领域的前沿。传统的生物脱氮硝化反硝化需要充足的碳源，对于C/N较低养猪场废水在脱氮时需外加碳源，这样既增加了处理费用，又增大了废水处理的操作难度。固定化微生物技术中的载体材料保留了该技术的一般优势，同时在一定条件下某些材料能提供反硝化过程中的碳源，解决碳源不足的弊端[47]。

虽然目前有关固定化微生物技术处理养猪场废水的研究报道不多，但应用该技术处理养殖废水、畜禽废水、生活废水等研究都已经取得一定进展，它们与养猪场废水具有相似的性质，如氨氮含量较高，COD浓度较高，C/N比较低等等。在废水处理中利用微生物固定化的效果优于直接投加微生物，其主要原因是微生物被固定后，载体对微生物起到一定的保护作用，抵御外界的不良环境对微生物的冲击，适当的固定化方法还能提高微生物活性[48]。但现阶段微生物固定化技术从实验室走向实际应用阶段仍存在诸多待解决的问题。要解决上述问题，1) 需要筛选出高效的菌株，提高菌株的环境适应能力，并提高菌株的去除效率；2) 进行固定化微生物新型载体的研发，优化微生物与载体之间的结合方法，降低载体成本。固定化微生物技术是符合可持续发展战略的课题，相信随着今后的深入研究，固定化微生物技术在养猪场废水的处理中能够发挥更大的优势[49]。

4 结语

固定化微生物技术拥有处理效率高、稳定性强、细胞浓度高、能保持高效菌种等优点，在养猪场废水领域其应用前景广泛，但诸多问题仍有待进一步探究。因此，需通过不断的研究和改进，使固定化微生物技术成为一项高效而实用的养猪场废水处理技术，在养猪场废水处理领域获得广泛的应用。

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Theapplicationandprospectofimmobilizedmicroorganismtechnologyinswinewastewater

WANG Ying1, ZHAO Jing1, JIN Mingji2*

(1.ScienceCollegeofYanbianUniversity,YanbianJilin133002,China;2.AgriculturalCollegeofYanbianUniversity,YanbianJilin133002,China)

Immobilized microorganism technology was a bioremediation, which had advantages of high efficient, stabile and safe. The immobilized microorganism technology was classified in this paper. The application status and prospect of immobilized microorganism technology was introduced in swine wastewater that had the characteristics of high concentration of Ammonia and Nitrogen and the low C/N.

bioremediation; immobilized microorganism technology；swine wastewater; low C/N

2017-05-10

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2015]第35号)

王颖(1993—),女,吉林敦化人，在读硕士,研究方向为环境科学。金明姬为通信作者，

E-mail:jinmingji@ybu.edu.cn

1004-7999(2017)03-0088-06

10.13478/j.cnki.jasyu.2017.03.016

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