生物强化技术在废水处理中的应用

生物强化技术在废水处理中的应用刘　洋　陈双基(北京联合大学应用文理学院生物化学系,北京100083)刘建国(北京大学环境科学中心,北京100871)摘　要　本文主要从三个方面总结了近几年国内外有关生物强化技术的应用情况,即直接投加特效降解微生物或共代谢基质、固定化技术和生物强化制剂来处理各种类型的废水。

关键词　生物强化技术　固定化　投菌活性污泥Application of bioaugmentation technique to w aste w ater treatmentLiu Yang　Chen Shuangji(Biochemical Department of Arts and Science College of Beijing Union University,Beijing100083)Liu Jianguo(Center of Environmental Science of Peking University,Beijing100871)Abstract　This article summarized the application of bioaugmentation technique currently from three as2 pects,by using special functional microorganism to the pollutant or common metabolizing material,by using stationary technology and microorganism preparation to treat various kinds of wastewater.K ey w ords　bioaugmentation technique;stationary;liquid or dry live microorganism 生物处理是目前常用的废水处理手段,这种处理方法通过微生物的新陈代谢作用,将废物分解、吸收,从而达到治理污染的目的。

生物处理法和物理、化学法相比,其成本低,效率高,而且容易操作,最重要的是没有二次污染,因此,在城市污水和工业污水的处理中得到了广泛的应用。

随着经济的发展,废水的成分日益复杂,尤其当废水中含有有毒、难降解的有机污染物时,由于对该类有机物具有专项降解能力的微生物在环境中的种类、数量较少,同时它在种间竞争中处于劣势,因此,传统的生物处理技术面临极大挑战。

如果在传统的生物处理体系中投加具有特定功能的微生物或某些基质,增强它对特定污染物的降解能力,从而改善整个污水处理体系的处理效果,我们称这种技术为生物强化技术。

生物强化技术中投加的微生物可以来源于原有处理体系,经过驯化、富集、筛选、培养,从而达到一定数量的微生物,也可以是原来不存在的外源微生物或遗传工程菌。

同时,所投加的微生物应满足三个基本条件:(1)投加后,菌体活性高;(2)菌体可快速降解目标污染物;(3)在系统中不仅能竞争生存,而且可维持相当数量。

目前,生物强化技术的应用方式、方法有很多,本文将通过以下三个方面来介绍生物强化技术在废水处理中的应用情况。

1　直接投加特效降解微生物或共代谢基质类物质1.1　直接投加特效降解微生物目前,生物强化技术应用最为普遍的方式是直接投加对目标污染物具有特效降解能力的微生物,这种特效微生物经过筛选、培养、驯化之后,投入到该废水中,以目标污染物为唯一碳源和能源,废水中的微生物可以附着在载体上,形成高效生物膜;也可以以游离的状态存在。

有些生物强化是借助反应器来完成的,人们研究发明了各种新型生物强化反应器来处理各种类型的污染物,在实际中也取得了很好的效果[1—4]。

医药废水是一类典型的含有有毒、难降解污染物的废水。

Saravanance等人[5,6]在传统生物处理不能得到很好效果的情况下,利用流动床反应器,在厌氧条件下,通过生物强化来处理制药厂废水中的头孢力新和反渗透药物。

在传统的操作模式中,由于不能保持或使生物量增长,反应器不能保持持久的去除率,而通过定期加入微生物细胞,每隔2d加30—73.2g细胞的生物强化作用,COD去除率最大值保持在88.5%。

接种之后,COD去除率与培菌液(接种物)的量呈正相关。

在我国,罗国维[7]利用投第3卷第5期环境污染治理技术与设备Vol.3,No.5 2002年5月Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control May,2002菌接触氧化法处理洁霉素废水,将已经分离纯化的菌种接种、活化、离心洗涤,制成菌悬液,再接种于适量COD Cr浓度的纯废水中,同时以不加菌的相应培养基作为对照。

结果表明,混合菌的降解能力最强,降解率为52.6%,虽然未表现出明显的叠加效果,但在降解速度、降解率、存活时间、抗冲击性以及抑制杂菌入侵等综合特性上却表现出任何单一菌株无法比拟的优越特征。

他认为,混合菌依靠协作机制,彼此为对方提供生长所需的条件或消除了对方代谢的障碍,从而能顺利地降解污染物。

还有研究者[8]利用优势菌株生物膜处理卡那霉素废水,对投加优势菌和自然驯化污泥两种方法进行了比较,结果表明,含有优势菌种的培养液所挂上的生物膜致密稳定,优势菌挂膜速度快,缩短了驯化时间,经过优势菌种挂膜处理的高浓度废水,COD Cr去除率可达90%以上。

印染废水中含有大量难降解的有机染料,使用传统的好氧生物膜法来进行处理,对印染废水色度的去除效果很不理想。

曾丽璇等人[9]研究了利用优势菌处理印染废水的工艺及脱色机理。

在水解池内投入具有较好脱色效果的分属于假单胞菌属、气单胞菌属、红螺菌属的优势菌群,来处理印染废水,结果6a中系统脱色率稳定在90%以上。

贾省芬等人[10]比较了用高效脱色菌、聚乙烯醇(PVC)降解菌接种于厌氧2好氧系统和用活性污泥接种于厌氧2好氧系统来处理印染废水的效果。

结果表明,高效脱色菌和PVA降解菌接入厌氧2好氧处理系统中来处理印染废水,挂膜快,去除COD Cr、BOD5、色度的活性高,并能保持处理效果的稳定性,可作为印染废水处理的种子。

厌氧反应器出水色度去除率比用活性污泥接种法高12.5%,好氧反应器出水中的PVA、COD Cr和BOD5比厌氧反应器高20.5%、9.27%和9.34%。

直接投加特效降解微生物的生物强化技术在造纸废水和焦化废水等难处理废水中也有成功的应用。

在纸浆和造纸废水中含有树脂酸,是造成水生生物毒性的主要原因。

因此,有效可行地去除树脂酸对确保造纸设备的功能是非常重要的。

Zhong2 tang[11]成功地利用了直接投加特效降解微生物的方法来处理造纸厂废水中的树脂酸,实验所用的降解菌没有改变原来固有微生物菌体的组成。

通过树脂酸降解菌的生物强化,树脂酸的去除率提高了。

焦化废水是一类成分极其复杂的难处理废水,含有十几种无机物和有机物,有机物除含酚类物质外,还有单环及多环的芳香族化合物及含氮、硫、氧的杂环化合物。

在焦化废水中投入特效微生物,可以降解废水中的某种污染物。

Selvaratnam[12]通过投加苯酚降解菌Psendomonas proti da A TCC11172处理焦化废水中的苯酚,使苯酚的去除率一直保持在95%—100%,而没有进行生物强化的对照组,苯酚的去除率开始很高,但很快降到40%左右。

1.2　投加生物共代谢基质及辅助营养物质对于一些难降解的有机物,微生物并不以其为碳源,而以甲烷、丙烷、甲苯、酚、氨和二氯苯氧基乙酸等为原始底物,微生物降解这类底物之后,产生的氧化酶改变了目标污染物的结构,从而达到降解目标污染物的目的。

这个过程被称为生物共代谢作用。

已经有研究者利用生物的共代谢作用来降解污染物,效果显著,但生物的共代谢作用机理还没有弄清楚。

王　等人[13]研究了生物共代谢对焦化废水生物处理的增强作用,同时研究了高效菌种和共代谢初期组合协同作用的效果。

结果表明,投加共代谢初期基质、Fe3+和高效菌种,它们均能促进难降解有机物的降解,提高焦化废水COD去除率,当三者协同作用时,效果更好。

微生物以其他底物为碳源,形成可以改变目标污染物结构的氧化酶,需要Fe3+或Mg2+来传递电子,在废水中加入这些离子可以促进污染物的降解速率。

Gregory等人[14]用Fe(0)去处理高度氯化的脂肪族碳氢化合物,在Fe(0)和浓缩的甲烷菌以及甲烷菌的纯培养基中联合培养时,四氯化碳(CT)和氯仿(CF)的降解速度得到提高。

他们还研究了富含乙酸和乳酸盐的甲烷菌培养基和Fe(0)联合使用,Fe(0)作为唯一的外来电子供体,对四氯化碳、四氯乙烯(PCE)和1,1,12三氯乙烷(TCA)除氯效果的影响,结果表明,CT和1,1,12TCA的除氯效果提高,而PCE的除氯程度没有提高。

实际上,甲烷培养基的加入可能抑制了非生物反应,但是甲烷菌培养基的加入加速了Fe(0)的腐蚀,可能会降低Fe(0)处理系统的寿命。

这项研究对于发展由含氯脂肪族碳氢化合物污染的场所的修复技术是有帮助的。

2　固定化生物强化技术直接投菌法虽然简单易行,但是所投加的特效微生物容易流失,或易被其他微生物吞噬。

固定化技术是将单一或混合的优势菌株固定封闭在特定的735期刘　洋等:生物强化技术在废水处理中的应用载体上,例如将特定的微生物封闭在高分子网络载体内,使菌体脱落少、活性高,从而提高优势微生物浓度,增加了其在生物处理器中的存留时间。

2.1　固定化生物技术中载体的选择固定化生物技术目前分为三种:载体结合法、交联法和包埋法。

由于包埋法操作简单,对细胞活性影响小,固定化细胞强度高,是应用最广泛的固定化方法。

固定化细胞载体主要分两类:(1)天然高分子凝胶载体,文献报道中比较常用的是琼脂、海藻酸钙等;(2)有机合成高分子凝胶载体,如聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)等。

高效的固定化细胞载体应满足以下条件:(1)传质性能好,废水较容易接触包埋在其中的微生物;(2)强度好,不易破碎;(3)对微生物没有毒害作用。

有的研究比较了琼脂、明胶、海藻酸钙、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺凝胶作为微生物包埋剂的性能,结果反映出琼脂的强度极差,明胶内部结构密实、传质性能差,丙烯酰胺凝胶对生物有毒性,海藻酸钙和聚乙烯醇凝胶机械性能和传质性能较好,对生物无毒,生物分解性能良好且固定操作容易,是其中比较合适的固定化细胞载体[15]。

而就海藻酸盐(CA)和聚乙烯醇(PVA)的性能比较而言,有研究表明,CA球的传质性能优于PVA球,但吸附性能不及PVA球;在低负荷下,CA球的TOC去除率高于PVA球,但在高负荷下,PVA球的TOC去除率高于CA球; PVA球的强度及稳定性高于CA球,PVA是较合适的固定化微生物包埋剂,但其传质性能差,需进一步改善;CA球的主要缺点是强度及稳定性不够,必须改善加强后,才能长期应用于废水处理中[16]。