硝化菌剂的工业化生产及其应用

引言

硝化菌剂作为一种生物制剂，能通过硝化细菌将氨氮定向转化为硝酸盐，具有处理效率高、环境友好等显著优势。近年来，随着微生物学、发酵工程等学科的交叉融合，硝化菌剂的工业化生产技术取得了长足进展，从菌种选育、培养工艺优化到产品保存技术均实现了系统化突破。然而，如何进一步提升菌剂生产效率、降低成本，并拓展其在不同场景下的应用，仍是当前研究的重点。

1 硝化菌剂的生物学基础与生产技术体系

1.1 硝化菌的生物学特性

硝化菌是一类具有重要生态功能的化能自养型微生物，主要包括亚硝酸菌和硝酸菌。亚硝酸菌通过氧化氨氮生成亚硝酸盐，而硝酸菌则进一步将亚硝酸盐转化为硝酸盐，完成整个硝化作用过程。两类硝化菌均依赖无机碳源，且通过氧化氨氮获得能量。与异养微生物相比，硝化菌的生长速率较慢，且对环境条件表现出较高的敏感性。温度是影响硝化菌活性的关键因素，最适温度范围为 25-30^∘C ，低于 15℃时其活性显著下降。硝化反应需要充足的溶解氧，通常需保持在 2mg/L 以上，缺氧环境下会显著抑制硝化作用[1]。

1.2 工业化生产体系

1.2.1 菌种选育与富集

在传统的生产模式中，菌种主要来源于活性污泥、土壤及人工驯化菌株。这些来源通常具有较高的菌种多样性，但其在氨氮耐受性及增殖速率方面的表现往往不满足工业化生产的需求。近年来，现代技术通过高通量测序与代谢组学分析，能够对不同菌株进行精准筛选，选出具有高氨氮耐受性（如能耐受1500mg/L 氨氮浓度）及快速增殖能力的优势菌株，为硝化菌剂的高效生产提供了坚实的基础。硝化菌剂的富集培养过程通常采取两阶段策略。初级富集阶段主要在实验室规模的反应器中进行，采用人工配水作为底物，氨氮浓度控制在1500mg/L，通过连续曝气及 pH 调控，成功实现了硝化细菌相对丰度从 0.5% 提高至 30% 。这一阶段不仅有效提升了硝化菌的丰度，也为后续的工业化扩培提供了充足的菌种基础。在工业化扩培阶段，通常采用膜生物反应器（MBR）或序批式反应器（SBR）进行菌剂的生产。此过程通过周期性投加剩余污泥（VSS/SS 40%-60% ）并排出硝化菌剂，确保硝化菌的活性与浓度能够在大规模生产中持续保持高水平，以满足工业废水处理等应用的需求。

1.2.2 培养工艺优化

高效硝化反应器的设计需考虑氨氮去除负荷、溶解氧、pH 和温度等多个参数，其中氨氮去除负荷一般控制在 之间，溶解氧保持在0.5-9.0mg/L，pH 范围设定在 ，温度一般为 。在这一过程中，需借助在线监测系统，实时跟踪氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度变化，依据实时数据动态调整进水流量和曝气强度。通过这些手段，可以有效提升硝化过程的稳定性和硝化菌的培养效果。例如，在某焦化废水厂的中试反应器（500LMBR）中，当进水氨氮浓度控制在 800-1000mg/L 时，经过 12 天的稳定运行，硝化菌剂的产量逐渐稳定，氨氮去除负荷可达到 3.9-4.8kg-N/m³∙d 。优化培养工艺不仅提高了菌种的丰度和活性，还有效缩短了反应周期，为硝化菌剂的工业化生产提供了可靠的技术支持。

1.2.3 产品保存与投加技术

硝化菌剂通常以液体形式进行保存，在储存过程中，需添加适当的保护剂（如磷酸盐缓冲液），以维持菌剂的活性和稳定性。保存温度控制在 4℃低温环境中，以减缓微生物代谢速率，延长保存期限，防止菌体活性丧失。对于硝化菌剂的投加，首先应确保良好的溶氧条件，尤其是在好氧池的末端，DO 值应维持在 >2mg/L ，以保证硝化反应的高效进行。其次，pH 值的调控同样至关重要，硝化菌的最佳工作环境通常在 pH 7.0-8.1 之间，因此在投加过程中需要根据反应体系的实际情况进行实时调节。投加量则需根据系统规模进行合理的比例调整，一般来说，投加量为系统混合液悬浮固体（MLSS）的 5%-10% ，这一比例能够有效促进硝化反应的稳定进行。过量投加可能导致系统中菌种失衡，而投加量不足则可能导致反应速率过慢，无法达到预期的氨氮去除效果 [2]。

2. 硝化菌剂的工业化应用

2.1 市政污水处理

市政污水处理系统在冬季低温（ <15^∘C ）条件下，常常面临硝化效率下降的问题。这主要是因为低温环境使得硝化菌的活性降低，导致氨氮转化速率减慢，影响污水处理效果。在此背景下，硝化菌剂的应用成为了提高低温下硝化效率的重要手段。普罗倍活 ∘ledast 硝化菌剂通过强化硝化菌种群，能够有效提升系统的抗冲击能力，促进硝化过程的顺利进行。具体而言，硝化菌剂能够增强污水处理系统中的硝化细菌活性，缩短其适应期并提升其对环境变化的适应能力，尤其在低温和负荷波动较大的条件下尤为有效。例如，在某北方市政污水厂（20 万 m³/d）中，当水温降至 12-13^∘C 时，通过投加硝化菌剂，五天内出水氨氮浓度从 20mg/L 降至 5mg/L，十天内进一步降至 1mg/L 以下，硝化效率提升超过 90% 。这种显著的效果表明，硝化菌剂能够有效弥补低温环境对硝化过程的不利影响，保障市政污水处理系统的稳定运行。

2.2 高氨氮工业废水处理

近年来，随着生物技术的进步，硝化菌剂在工业废水处理中的应用逐渐得到推广，特别是在高氨氮废水处理方面，表现出显著的效果。硝化菌剂能够快速恢复硝化系统的功能，显著提高氨氮的去除效率。例如，在某炼化企业的BAF 池中，经过高负荷冲击后，传统的生物处理系统出现了完全失活的情况。在采用“闷曝 + 间歇进水 + 菌剂投加”的策略后，经过仅 7 天的处理，C 列出水中的氨氮浓度从原本的 >50mg/L 下降至3.6mg/L，成功达到标准排放值（8mg/L 以下）。该结果表明，硝化菌剂不仅能快速修复受损的生物滤池，还能在膜负荷较小的 BAF 池中持续保持高效的处理性能。硝化菌剂的投加不仅提高了系统的稳定性和抗冲击能力，还大大缩短了系统的适应期，使其能够应对日常工况下氨氮浓度波动的挑战。

2.3 农业氮肥增效

研究表明，施用硝化菌剂后，作物如玉米、小麦等的氮肥利用率显著提升，通常可提高 15%-20% 。这一增效作用主要源于硝化菌在土壤中对氨氮的转化，使其更易为作物根系吸收，从而减少了氮素的浪费。此外，硝化菌剂还能够显著减少氮素淋失，通常减少 30%-40% 。这一过程的优化不仅降低了肥料的成本，还减轻了因过量施肥带来的环境污染风险。硝化菌剂的应用还能够改善土壤结构，尤其是增加土壤中团粒体的含量，这有助于提升土壤的通气性和水分保持能力，进一步增强土壤的肥力和保水性 [3]。

2.4 水体富营养化治理

富营养化是水体中氮、磷等营养物质过剩所导致的水污染问题，氨氮是其主要污染源之一。硝化菌剂通过加速氨氮的硝化过程，促进氨氮转化为硝酸盐，减少水体中可供藻类生长的氮源，从而抑制藻类的过度繁殖，缓解藻类水华和水体透明度下降等问题。具体而言，硝化菌剂中的硝化细菌能够在特定的环境条件下迅速增殖，降解水体中的氨氮，降低氮负荷，抑制藻类的滋生。

3. 结束语

综上所述，硝化菌剂在水体富营养化治理中的应用前景广阔，尤其是在工业化生产领域，其技术进步和生产成本的逐步降低，为广泛应用提供了坚实基础。硝化菌剂通过促进氨氮转化为硝酸盐，显著改善水质，抑制藻类生长，提升水体透明度，具有显著的环保效益。在工业化生产方面，随着生物技术的发展，硝化菌剂的生产工艺日益成熟，能够有效满足大规模应用的需求。同时，硝化菌剂的使用不仅限于水体污染治理，还可以应用于农业、养殖业等多个领域，进一步拓展其市场空间。

参考文献：

[1] 李睿 , 张玉 . 低温硝化细菌的筛选及其氨氮去除性能研究 [J]. 当代化工研究 ,2025,(01):30-32.

[2] 陈巧凤 . 硝化菌剂处理煤化工污水小试实验研究 [J]. 广东化工 ,2024,51(15):116-118.

[3] 王佳丽 . 高温异养硝化菌系的筛选及其氮转化途径和机理 [D]. 甘肃农业大学 ,2024.