生物强化技术在废水处理中的应用

王永胜 张鸿涛 王景 张志杰
（清华大学环境科学与工程系） （西安建筑科技大学环境与市政工程学院）

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 chlorophenolica RA₂ 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. 3-氯/4-氯苯胺 Pseud. Oucidovorans CAZB Pseud. Cepacia (Acc110) 3,4-二氯苯胺 Pseud. Putida 三氯乙烯 Pseudomonas cepalia C G₄ 2-氯甲烷 Pseud. DM₁/DM₂ Ntrosomonas europala Hyphomicrobium DM₂ Xanthobacter Py₂ Methylotrophic bacterium 四氯化碳 Acetobacterium woodii E coli Kl₂

　　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

4.1提高目标污染物的去除效果
　　生物增强作用比一般的废水处理方法更能提高系统对BOD5、COD、TOC或某种特定难降解物的去除效果。
　　Chamber利用投加高效菌种强化法处理牛奶废水，在延时曝气、曝气塘和氧化沟3种不同的处理系统，都提高了BOD5、COD的去除率。Hung等用该方法处理马铃薯废水时，TOC的去除率达到98%。
　　Selvaratnam等通过在活性污泥法中投加苯酚降解菌Pseudomonas putida ATCC11172提高了苯酚的去除率。在40d内处理系统对苯酚的去除率可保持在95%～100%；而在没有采用生物强化的对照组中苯酚的去除率开始很高，但很快降低到40%左右。Chin等在附着生长生物床中，加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合优势菌，HRT=1.9h，生物增强系统的去除效果为10mg/L BTX，而非生物增强系统的去除效果仅为3.2mg/L BTX。
　　在序批式培养条件下，Schmidt等人先后证实，葡萄糖对Pseud. putida-l菌株降解硝基酚的强化作用，短链脂肪酸及葡萄糖对氯代芳烃化合物的还原脱氯过程的刺激作用，以及葡萄糖降解过程中产生的还原当量NADH促进偶氮染料的还原裂解脱色作用。徐向阳等(1997,1998)报道，以易降解工业有机废水作为含PCP和染料有机废水厌氧处理的共基质，均有助于厌氧颗粒污泥形成，改善与稳定厌氧废水处理的效果。
4.2改善污泥性能，减少污泥产量
　　生物增强作用不仅可以有效地消除污泥膨胀，增强污泥沉降性能，而且可减少污泥产量，一般可使污泥容积降低17%～30%。这不仅可改善出水水质，而且可减少污泥排放和污泥处理的能耗。Chamber的研究结果表明，在延时曝气系统中，使用接种生物增强剂，运行3周就可消除污泥膨胀现象；在氧化沟系统中，运行4周就可消除膨胀现象。在大规模废水处理中，Hung等发现，使用生物增强剂后，污泥床厚度由2.3～2.7m降到了0.7～1.0m，既降低了能耗，又控制了臭气的产生。
4.3缩短系统的启动时间，增强耐冲击负荷的能力和系统的稳定性
　　投加一定量的高效菌种，增大处理系统中有效菌种的比率，可缩短系统的启动时间，达到较高的快速处理效果，同时还可增强系统的耐冲击负荷能力以及处理系统的稳定性。Edgehill等曾用降解五氯酚(PCP)的纯种菌来增强活性污泥处理系统，向系统中加入10%（相对于固有菌量）的纯种菌后，PCP废水处理的驯化期被大大缩短了。为了研究酚的降解情况，Watanabe等把3种菌接种到3个活性污泥系统的单元体系中，结果发现，在普通活性污泥系统中，需要10d才能将酚完全降解，而在接种了E1、E2菌种的增强系统中，分别只需要2、3d就可将酚完全降解。

5 生物强化系统的优化设计

　　应用生物增强技术时要综合考虑水质、水量、投菌量、营养物质、消耗氧量、反应器类型、水力停留时间等诸多因素。
　　菌量、营养物和基质类似物的投加量是生物强化系统设计的重要参数。随着投菌量的增加，一般强化效果会提高，但投菌量过大，废水处理成本则会升高。因此，投菌量要根据废水中目标降解物的含量和要达到的处理水平来决定，一般在系统启动时，采用重投菌，投菌量比较大，系统稳定后，投菌量可为启动时的1/10～1/8。
　　高效菌的投加方式如表2所示。在实际工程应用中，可选择适当的投加方式。

表2 高效菌种的各种投加方式 投加方式 技术要点 特点 间歇式投加 将高效菌种直接投入活性污泥系统中进行生物强化 操作简便易行，但处理系统中菌种数量与活性浓度容易发生变化 连续投加 采用一个或多个SBR反应器富集足够数量的驯化培养物，连续投加至主体工艺中
能解决高效菌种连续投加问题，工程应用方便，但需选择合适的富集培养物和操作方式 固定化细胞投加 采用载体结合法、交联法、包埋法等固定化方法，将高效菌种固定在载体上投加 该技术具有菌种稳定性高、催化效率高、抗毒性能力强等优点，但使载体价格高。 生物自固定化投加 将载体投加到生物处理反应器中，利用微生物的自固定化作用，使高效菌种固定在载体上生长 能够提高反应器中的生物量，提高处理系统的处理能力和运行稳定性，较好地克服活性污泥法的不足，工程上比较可行、适用

6 结束语

　　生物强化技术已成为在现代废水处理的研究热点。该方法具有许多优点，可提高难降解有机物的去除率、改善污泥性能、缩短系统的启动时间、增强系统的运行稳定性和耐冲击负荷能力等。利用原有水处理设施，生物增强技术能明显地提高水处理范围和水处理能力，操作简便，易于管理。生物强化技术与传统生物处理技术相结合，已成为废水生物处理的必然趋势。

参考文献

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