废水处理的生物强化技术

生物强化技术--废水处理

1 生物强化技术的提出

随着现代合成工业的发展，大量异生化合物(Xenobiotics)进入了工业废水和城市污水中，由于其本身具有结构复杂性和生物陌生性，因此很难在短时间内被常规生物处理系统中的微生物分解氧化。为了解决难降解有机废水的处理问题，国外学者提出了生物强化技术(Bioaugmentation)的概念。生物强化技术是指在生物处理系统中，通过投加具有特定功能的微生物、营养物或基质类似物，达到提高废水处理效果的手段和方法。

2 作用机制

2.1高效菌种的直接作用

这种作用机制首先需要通过驯化、筛选、诱变和基因重组等生物技术手段得到1株以目标降解物质为主要碳源和能源的高效微生物菌种，再经培养繁殖后，投放到具有目标降解物质的废水处理系统中。因此，当原处理系统中不含高效菌种时，如果投入一定量的高效菌种，则可有针对性地去除废水中的目标降解物；当原处理系统中只存在少量高效菌种时，那么投加高效菌种后，可大大缩短微生物驯化所需要的时间。在水力停留时间不变的情况下，能达到较好的去除效果。

2.2 微生物的共代谢作用

所谓微生物的共代谢作用是指只有在初级能源物质存在时，才能进行的有机化物的生物降解过程。共代谢过程不仅包括微生物在正常生长代谢过程中对非生长基质的共同氧化，而且也包括了休止细胞(resting cells)对不可利用基质的氧化代谢。微生物的共代谢作用可分为：①以易降解的有机物为碳源和能源，提高共代谢菌的生理活性；②以目标污染物的降解产物、前体作为酶的诱导物，提高酶的合成；③不同微生物之间的协同作用。

共代谢虽然能提高难降解有机物的去除效果，但机理十分复杂，迄今有很多问题尚处于研究阶段。一些学者曾针对共代谢现象提出了各种假设。Foster认为微生物不能在某种基质上生长的原因并不是由于微生物无法分解代谢该物质，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化产物的能力。Hughes提出卤代芳烃化合物的共代谢可能是由于微生物无法从苯环上脱去卤素取代基，并把芳香环基质导向碳吸收同化的节点。Tranter和Cain 把具有氧化代谢卤代芳烃化合物功能的细菌不能在该基质上生长的原因归结于有毒产物的积累。但目前提出的各种假设都不能圆满地解释实际工程中所发生的各种共代谢现象。

许多难降解有机物的去除是通过共代谢途径进行的。例如在氧化塘处理焦化废水的系统中，投加生活污水可大大提高COD的去除率，其主要原因就是生活污水中含有多种营养元素，加强了生物的共代谢作用。瞿福平等在对氯代芳香烃化合物的研究中发现，氯苯类同系物共存时，对氯苯的生物降解性有一定程度的影响。邻二氯苯，间二氯苯的共存有利于整个体系的降解，但氯苯的耗氧速率有所降低。Adriaens等研究发现，一株Acinetbacter sp.生长在含有4-氯苯甲酸盐(4CB)的基质上时，可以将原来不能利用的3,4-二氯苯甲酸盐(3,4-DCB)转化成3-氯-4-羟基苯甲酸盐，毫无疑问共代谢在其中发挥了重要的作用。

3 实施途径

3.1投加高效降解微生物

该技术得以实施的前提是获得能作用于目标降解物的高效菌株，从理论上讲，对于天

然合成的有机物，一般都能够找到相应的降解菌株。一些难降解有机物的高效降解菌如表1所示。

表1 一些难降解有机物降解菌

难降解有机物菌株

难降解有机

物

菌株

2,4,6-三硝

基甲苯

Pseudomonas 萘Pseudomonas putida (NAH7)

2,4-二硝基甲苯2,6-二氯甲

苯

Pseud. Cepacia HCV(有质粒)

1,3-二硝基甲苯Pseudomonas putida F1二氯苯

Pseud.Sp./

Alcaligenes sp. Pseudomonas sp.

JS150

2,4,6-三氯

苯酚

Alcaligenes sp.

Pseud.Picketii Rhodococcus sp. QT-1

五氯酚

Mycobacterium

chlorophenolicum

2-硝基苯酚

Pseudomonas putida

PCP1

4-硝基苯酚Flavobacteria sp.

Sphingomonas

chlorophenolicaRA2 Pseud. sp.(共代谢)

Flavobacterium sp. (有质

粒)

2,4-二硝基苯酚Rhodococcus

erythropolis

Arthrobacter sp.

4-氯-二硝基苯酚Alcaligenes Pseud.

sp.

1,4-二氯联

苯

Klebsiella pneumoniae (质

粒P sv21)

Denitrificans

(NTB-1)

多氯联苯Flavobacterium sp.

这些降解菌在纯培养体系中大多数都能表现出高活性，但在多菌株共存的生物处理系统中，投加纯培养高效降解菌株（菌剂）后，能否起到强化生物处理作用，在实际生产中，尚难以预料。要使高效菌持续发挥作用必须满足下列条件：

（1）投加后菌体具有的高活性不被破坏；

（2）菌体可快速降解目标污染物；

（3）在系统中（如曝气池）不仅要具有竞争性生存的能力，而且生物量还应具有一定的水平。

3.2投加营养物和基质类似物

由于大部分难降解有机物的降解是通过共代谢途径进行的，在常规活性污泥系统中可降解目标污染物的微生物活性和数量都比较低。通过投加某些碳源和能源营养物质，或提供目标污染物降解过程中所需要的因子，将有助于降解菌的生长，改善处理系统的运行工况。投加基质类似物是由代谢酶的诱导作用提出的，即利用目标污染物的降解产物、前体作为酶的诱导物，提高酶的活性。在废水处理中，诱导物（基质类似物）应满足：①毒性小；②价格低廉且有多种用途；③在无富集基质（目标污染物）时，诱导物可维持富集培养物的生长特性与污染物降解动力学。

3.3投加遗传工程菌GEM

按照传统方法，要得到能降解目标污染物的高效菌种，至少需要1个月甚至几个月的时间。基因工程的发展为人类快速获得高效菌种提供了新方法。生物学发现微生物对污染物的降解性与其所带的质粒有关。在废水处理中，可利用降解性质粒的相容性，把能够降解不同难降解物质的质粒组合到1个菌种中，组建1个多质粒的新菌种，这样就能使1

种微生物降解多种污染物质或完成降解过程的多个环节，或使非降解性的菌种带上质粒从而获得降解性。近年来，通过基因工程技术构建的具有特殊降解功能的GEM已有突破性进展，所获得的菌株在纯培养中，可有效降解一些难降解物质，但在具有复杂生态系统的废水处理构筑物中，能否达到预期的目标污染物的降解效果，尚需深入的研究。

4 效果及评价