王永勝 張鴻濤 王景 張志杰
（清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系） （西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）

1 生物強(qiáng)化技術(shù)的提出

　　隨著現(xiàn)代合成工業(yè)的發(fā)展，大量異生化合物(Xenobiotics)進(jìn)入了工業(yè)廢水和城市污水中，由于其本身具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生物陌生性，因此很難在短時(shí)間內(nèi)被常規(guī)生物處理系統(tǒng)中的微生物分解氧化。為了解決難降解有機(jī)廢水的處理問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者提出了生物強(qiáng)化技術(shù)(Bioaugmentation)的概念。生物強(qiáng)化技術(shù)是指在生物處理系統(tǒng)中，通過(guò)投加具有特定功能的微生物、營(yíng)養(yǎng)物或基質(zhì)類似物，達(dá)到提高廢水處理效果的手段和方法。

2 作用機(jī)制

2.1高效菌種的直接作用
　　這種作用機(jī)制首先需要通過(guò)馴化、篩選、誘變和基因重組等生物技術(shù)手段得到1株以目標(biāo)降解物質(zhì)為主要碳源和能源的高效微生物菌種，再經(jīng)培養(yǎng)繁殖后，投放到具有目標(biāo)降解物質(zhì)的廢水處理系統(tǒng)中。因此，當(dāng)原處理系統(tǒng)中不含高效菌種時(shí)，如果投入一定量的高效菌種，則可有針對(duì)性地去除廢水中的目標(biāo)降解物；當(dāng)原處理系統(tǒng)中只存在少量高效菌種時(shí)，那么投加高效菌種后，可大大縮短微生物馴化所需要的時(shí)間。在水力停留時(shí)間不變的情況下，能達(dá)到較好的去除效果。
2.2 微生物的共代謝作用
　　所謂微生物的共代謝作用是指只有在初級(jí)能源物質(zhì)存在時(shí)，才能進(jìn)行的有機(jī)化物的生物降解過(guò)程。共代謝過(guò)程不僅包括微生物在正常生長(zhǎng)代謝過(guò)程中對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)的共同氧化，而且也包括了休止細(xì)胞(resting cells)對(duì)不可利用基質(zhì)的氧化代謝。微生物的共代謝作用可分為：①以易降解的有機(jī)物為碳源和能源，提高共代謝菌的生理活性；②以目標(biāo)污染物的降解產(chǎn)物、前體作為酶的誘導(dǎo)物，提高酶的合成；③不同微生物之間的協(xié)同作用。
　　共代謝雖然能提高難降解有機(jī)物的去除效果，但機(jī)理十分復(fù)雜，迄今有很多問(wèn)題尚處于研究階段。一些學(xué)者曾針對(duì)共代謝現(xiàn)象提出了各種假設(shè)。Foster認(rèn)為微生物不能在某種基質(zhì)上生長(zhǎng)的原因并不是由于微生物無(wú)法分解代謝該物質(zhì)，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化產(chǎn)物的能力。Hughes提出鹵代芳烴化合物的共代謝可能是由于微生物無(wú)法從苯環(huán)上脫去鹵素取代基，并把芳香環(huán)基質(zhì)導(dǎo)向碳吸收同化的節(jié)點(diǎn)。Tranter和Cain把具有氧化代謝鹵代芳烴化合物功能的細(xì)菌不能在該基質(zhì)上生長(zhǎng)的原因歸結(jié)于有毒產(chǎn)物的積累。但目前提出的各種假設(shè)都不能圓滿地解釋實(shí)際工程中所發(fā)生的各種共代謝現(xiàn)象。
　　許多難降解有機(jī)物的去除是通過(guò)共代謝途徑進(jìn)行的。例如在氧化塘處理焦化廢水的系統(tǒng)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種營(yíng)養(yǎng)元素，加強(qiáng)了生物的共代謝作用。瞿福平等在對(duì)氯代芳香烴化合物的研究中發(fā)現(xiàn)，氯苯類同系物共存時(shí)，對(duì)氯苯的生物降解性有一定程度的影響。鄰二氯苯，間二氯苯的共存有利于整個(gè)體系的降解，但氯苯的耗氧速率有所降低。Adriaens等研究發(fā)現(xiàn)，一株Acinetbacter sp.生長(zhǎng)在含有4-氯苯甲酸鹽(4CB)的基質(zhì)上時(shí)，可以將原來(lái)不能利用的3,4-二氯苯甲酸鹽(3,4-DCB)轉(zhuǎn)化成3-氯-4-羥基苯甲酸鹽，毫無(wú)疑問(wèn)共代謝在其中發(fā)揮了重要的作用。

3 實(shí)施途徑

3.1投加高效降解微生物
　　該技術(shù)得以實(shí)施的前提是獲得能作用于目標(biāo)降解物的高效菌株，從理論上講，對(duì)于天然合成的有機(jī)物，一般都能夠找到相應(yīng)的降解菌株。一些難降解有機(jī)物的高效降解菌如表1所示。

表1 一些難降解有機(jī)物降解菌 難降解有機(jī)物 菌　株 難降解有機(jī)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(有質(zhì)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.(共代謝) Flavobacterium sp. (有質(zhì)粒) 2,4-二硝基苯酚 Rhodococcus erythropolis Arthrobacter sp. 4-氯-二硝基苯酚 Alcaligenes Pseud. sp. 1,4-二氯聯(lián)苯 Klebsiella pneumoniae (質(zhì)粒P^sv21) Denitrificans (NTB-1) 多氯聯(lián)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

　　這些降解菌在純培養(yǎng)體系中大多數(shù)都能表現(xiàn)出高活性，但在多菌株共存的生物處理系統(tǒng)中，投加純培養(yǎng)高效降解菌株（菌劑）后，能否起到強(qiáng)化生物處理作用，在實(shí)際生產(chǎn)中，尚難以預(yù)料。要使高效菌持續(xù)發(fā)揮作用必須滿足下列條件：
　?。?）投加后菌體具有的高活性不被破壞；
　?。?）菌體可快速降解目標(biāo)污染物；
　　（3）在系統(tǒng)中（如曝氣池）不僅要具有競(jìng)爭(zhēng)性生存的能力，而且生物量還應(yīng)具有一定的水平。
3.2投加營(yíng)養(yǎng)物和基質(zhì)類似物
　　由于大部分難降解有機(jī)物的降解是通過(guò)共代謝途徑進(jìn)行的，在常規(guī)活性污泥系統(tǒng)中可降解目標(biāo)污染物的微生物活性和數(shù)量都比較低。通過(guò)投加某些碳源和能源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，或提供目標(biāo)污染物降解過(guò)程中所需要的因子，將有助于降解菌的生長(zhǎng)，改善處理系統(tǒng)的運(yùn)行工況。投加基質(zhì)類似物是由代謝酶的誘導(dǎo)作用提出的，即利用目標(biāo)污染物的降解產(chǎn)物、前體作為酶的誘導(dǎo)物，提高酶的活性。在廢水處理中，誘導(dǎo)物（基質(zhì)類似物）應(yīng)滿足：①毒性??；②價(jià)格低廉且有多種用途；③在無(wú)富集基質(zhì)（目標(biāo)污染物）時(shí)，誘導(dǎo)物可維持富集培養(yǎng)物的生長(zhǎng)特性與污染物降解動(dòng)力學(xué)。
3.3投加遺傳工程菌GEM
　　按照傳統(tǒng)方法，要得到能降解目標(biāo)污染物的高效菌種，至少需要1個(gè)月甚至幾個(gè)月的時(shí)間?；蚬こ痰陌l(fā)展為人類快速獲得高效菌種提供了新方法。生物學(xué)發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)污染物的降解性與其所帶的質(zhì)粒有關(guān)。在廢水處理中，可利用降解性質(zhì)粒的相容性，把能夠降解不同難降解物質(zhì)的質(zhì)粒組合到1個(gè)菌種中，組建1個(gè)多質(zhì)粒的新菌種，這樣就能使1種微生物降解多種污染物質(zhì)或完成降解過(guò)程的多個(gè)環(huán)節(jié)，或使非降解性的菌種帶上質(zhì)粒從而獲得降解性。近年來(lái)，通過(guò)基因工程技術(shù)構(gòu)建的具有特殊降解功能的GEM已有突破性進(jìn)展，所獲得的菌株在純培養(yǎng)中，可有效降解一些難降解物質(zhì)，但在具有復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的廢水處理構(gòu)筑物中，能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)污染物的降解效果，尚需深入的研究。

4 效果及評(píng)價(jià)

4.1提高目標(biāo)污染物的去除效果
　　生物增強(qiáng)作用比一般的廢水處理方法更能提高系統(tǒng)對(duì)BOD5、COD、TOC或某種特定難降解物的去除效果。
　　Chamber利用投加高效菌種強(qiáng)化法處理牛奶廢水，在延時(shí)曝氣、曝氣塘和氧化溝3種不同的處理系統(tǒng)，都提高了BOD5、COD的去除率。Hung等用該方法處理馬鈴薯廢水時(shí)，TOC的去除率達(dá)到98%。
　　Selvaratnam等通過(guò)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內(nèi)處理系統(tǒng)對(duì)苯酚的去除率可保持在95%～100%；而在沒(méi)有采用生物強(qiáng)化的對(duì)照組中苯酚的去除率開(kāi)始很高，但很快降低到40%左右。Chin等在附著生長(zhǎng)生物床中，加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優(yōu)勢(shì)菌，HRT=1.9h，生物增強(qiáng)系統(tǒng)的去除效果為10mg/L BTX，而非生物增強(qiáng)系統(tǒng)的去除效果僅為3.2mg/L BTX。
　　在序批式培養(yǎng)條件下，Schmidt等人先后證實(shí)，葡萄糖對(duì)Pseud. putida-l菌株降解硝基酚的強(qiáng)化作用，短鏈脂肪酸及葡萄糖對(duì)氯代芳烴化合物的還原脫氯過(guò)程的刺激作用，以及葡萄糖降解過(guò)程中產(chǎn)生的還原當(dāng)量NADH促進(jìn)偶氮染料的還原裂解脫色作用。徐向陽(yáng)等(1997,1998)報(bào)道，以易降解工業(yè)有機(jī)廢水作為含PCP和染料有機(jī)廢水厭氧處理的共基質(zhì)，均有助于厭氧顆粒污泥形成，改善與穩(wěn)定厭氧廢水處理的效果。
4.2改善污泥性能，減少污泥產(chǎn)量
　　生物增強(qiáng)作用不僅可以有效地消除污泥膨脹，增強(qiáng)污泥沉降性能，而且可減少污泥產(chǎn)量，一般可使污泥容積降低17%～30%。這不僅可改善出水水質(zhì)，而且可減少污泥排放和污泥處理的能耗。Chamber的研究結(jié)果表明，在延時(shí)曝氣系統(tǒng)中，使用接種生物增強(qiáng)劑，運(yùn)行3周就可消除污泥膨脹現(xiàn)象；在氧化溝系統(tǒng)中，運(yùn)行4周就可消除膨脹現(xiàn)象。在大規(guī)模廢水處理中，Hung等發(fā)現(xiàn)，使用生物增強(qiáng)劑后，污泥床厚度由2.3～2.7m降到了0.7～1.0m，既降低了能耗，又控制了臭氣的產(chǎn)生。
4.3縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷的能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性
　　投加一定量的高效菌種，增大處理系統(tǒng)中有效菌種的比率，可縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，達(dá)到較高的快速處理效果，同時(shí)還可增強(qiáng)系統(tǒng)的耐沖擊負(fù)荷能力以及處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Edgehill等曾用降解五氯酚(PCP)的純種菌來(lái)增強(qiáng)活性污泥處理系統(tǒng)，向系統(tǒng)中加入10%（相對(duì)于固有菌量）的純種菌后，PCP廢水處理的馴化期被大大縮短了。為了研究酚的降解情況，Watanabe等把3種菌接種到3個(gè)活性污泥系統(tǒng)的單元體系中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在普通活性污泥系統(tǒng)中，需要10d才能將酚完全降解，而在接種了E1、E2菌種的增強(qiáng)系統(tǒng)中，分別只需要2、3d就可將酚完全降解。

5 生物強(qiáng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用生物增強(qiáng)技術(shù)時(shí)要綜合考慮水質(zhì)、水量、投菌量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、消耗氧量、反應(yīng)器類型、水力停留時(shí)間等諸多因素。
　　菌量、營(yíng)養(yǎng)物和基質(zhì)類似物的投加量是生物強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。隨著投菌量的增加，一般強(qiáng)化效果會(huì)提高，但投菌量過(guò)大，廢水處理成本則會(huì)升高。因此，投菌量要根據(jù)廢水中目標(biāo)降解物的含量和要達(dá)到的處理水平來(lái)決定，一般在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，采用重投菌，投菌量比較大，系統(tǒng)穩(wěn)定后，投菌量可為啟動(dòng)時(shí)的1/10～1/8。
　　高效菌的投加方式如表2所示。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可選擇適當(dāng)?shù)耐都臃绞健?/p> 表2 高效菌種的各種投加方式 投加方式 技術(shù)要點(diǎn) 特點(diǎn) 間歇式投加 將高效菌種直接投入活性污泥系統(tǒng)中進(jìn)行生物強(qiáng)化 操作簡(jiǎn)便易行，但處理系統(tǒng)中菌種數(shù)量與活性濃度容易發(fā)生變化 連續(xù)投加 采用一個(gè)或多個(gè)SBR反應(yīng)器富集足夠數(shù)量的馴化培養(yǎng)物，連續(xù)投加至主體工藝中
能解決高效菌種連續(xù)投加問(wèn)題，工程應(yīng)用方便，但需選擇合適的富集培養(yǎng)物和操作方式 固定化細(xì)胞投加 采用載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法等固定化方法，將高效菌種固定在載體上投加 該技術(shù)具有菌種穩(wěn)定性高、催化效率高、抗毒性能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但使載體價(jià)格高。 生物自固定化投加 將載體投加到生物處理反應(yīng)器中，利用微生物的自固定化作用，使高效菌種固定在載體上生長(zhǎng) 能夠提高反應(yīng)器中的生物量，提高處理系統(tǒng)的處理能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，較好地克服活性污泥法的不足，工程上比較可行、適用

6 結(jié)束語(yǔ)

　　生物強(qiáng)化技術(shù)已成為在現(xiàn)代廢水處理的研究熱點(diǎn)。該方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，可提高難降解有機(jī)物的去除率、改善污泥性能、縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間、增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和耐沖擊負(fù)荷能力等。利用原有水處理設(shè)施，生物增強(qiáng)技術(shù)能明顯地提高水處理范圍和水處理能力，操作簡(jiǎn)便，易于管理。生物強(qiáng)化技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)相結(jié)合，已成為廢水生物處理的必然趨勢(shì)。

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