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

1 生物強化技術(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)復雜性和生物陌生性，因此很難在短時間內(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廢水的處理問題，國外學者提出了生物強化技術(shù)(Bioaugmentation)的概念。生物強化技術(shù)是指在生物處理系統(tǒng)中，通過投加具有特定功能的微生物、營養(yǎng)物或基質(zhì)類似物，達到提高廢水處理效果的手段和方法。

2 作用機制

2.1高效菌種的直接作用
　　這種作用機制首先需要通過馴化、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，投放到具有目標降解物質(zhì)的廢水處理系統(tǒng)中。因此，當原處理系統(tǒng)中不含高效菌種時，如果投入一定量的高效菌種，則可有針對性地去除廢水中的目標降解物；當原處理系統(tǒng)中只存在少量高效菌種時，那么投加高效菌種后，可大大縮短微生物馴化所需要的時間。在水力停留時間不變的情況下，能達到較好的去除效果。
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能源物質(zhì)存在時，才能進行的有機化物的生物降解過程。共代謝過程不僅包括微生物在正常生長代謝過程中對非生長基質(zhì)的共同氧化，而且也包括了休止細胞(resting cells)對不可利用基質(zhì)的氧化代謝。微生物的共代謝作用可分為：①以易降解的有機物為碳源和能源，提高共代謝菌的生理活性；②以目標污染物的降解產(chǎn)物、前體作為酶的誘導物，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物的去除效果，但機理十分復雜，迄今有很多問題尚處于研究階段。一些學者曾針對共代謝現(xiàn)象提出了各種假設(shè)。Foster認為微生物不能在某種基質(zhì)上生長的原因并不是由于微生物無法分解代謝該物質(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法從苯環(huán)上脫去鹵素取代基，并把芳香環(huán)基質(zhì)導向碳吸收同化的節(jié)點。Tranter和Cain把具有氧化代謝鹵代芳烴化合物功能的細菌不能在該基質(zhì)上生長的原因歸結(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際工程中所發(fā)生的各種共代謝現(xiàn)象。
　　許多難降解有機物的去除是通過共代謝途徑進行的。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養(yǎng)元素，加強了生物的共代謝作用。瞿福平等在對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，對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.生長在含有4-氯苯甲酸鹽(4CB)的基質(zhì)上時，可以將原來不能利用的3,4-二氯苯甲酸鹽(3,4-DCB)轉(zhuǎn)化成3-氯-4-羥基苯甲酸鹽，毫無疑問共代謝在其中發(fā)揮了重要的作用。

3 實施途徑

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

表1 一些難降解有機物降解菌 難降解有機物 菌　株 難降解有機物 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，能否起到強化生物處理作用，在實際生產(chǎn)中，尚難以預料。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污染物；
　?。?）在系統(tǒng)中（如曝氣池）不僅要具有競爭性生存的能力，而且生物量還應具有一定的水平。
3.2投加營養(yǎng)物和基質(zhì)類似物
　　由于大部分難降解有機物的降解是通過共代謝途徑進行的，在常規(guī)活性污泥系統(tǒng)中可降解目標污染物的微生物活性和數(shù)量都比較低。通過投加某些碳源和能源營養(yǎng)物質(zhì)，或提供目標污染物降解過程中所需要的因子，將有助于降解菌的生長，改善處理系統(tǒng)的運行工況。投加基質(zhì)類似物是由代謝酶的誘導作用提出的，即利用目標污染物的降解產(chǎn)物、前體作為酶的誘導物，提高酶的活性。在廢水處理中，誘導物（基質(zhì)類似物）應滿足：①毒性??；②價格低廉且有多種用途；③在無富集基質(zhì)（目標污染物）時，誘導物可維持富集培養(yǎng)物的生長特性與污染物降解動力學。
3.3投加遺傳工程菌GEM
　　按照傳統(tǒng)方法，要得到能降解目標污染物的高效菌種，至少需要1個月甚至幾個月的時間?；蚬こ痰陌l(fā)展為人類快速獲得高效菌種提供了新方法。生物學發(fā)現(xiàn)微生物對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個菌種中，組建1個多質(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)或完成降解過程的多個環(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，通過基因工程技術(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)，但在具有復雜生態(tài)系統(tǒng)的廢水處理構(gòu)筑物中，能否達到預期的目標污染物的降解效果，尚需深入的研究。

4 效果及評價

4.1提高目標污染物的去除效果
　　生物增強作用比一般的廢水處理方法更能提高系統(tǒng)對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化法處理牛奶廢水，在延時曝氣、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，TOC的去除率達到98%。
　　Selvaratnam等通過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)對苯酚的去除率可保持在95%～100%；而在沒有采用生物強化的對照組中苯酚的去除率開始很高，但很快降低到40%左右。Chin等在附著生長生物床中，加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優(yōu)勢菌，HRT=1.9h，生物增強系統(tǒng)的去除效果為10mg/L BTX，而非生物增強系統(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，葡萄糖對Pseud. putida-l菌株降解硝基酚的強化作用，短鏈脂肪酸及葡萄糖對氯代芳烴化合物的還原脫氯過程的刺激作用，以及葡萄糖降解過程中產(chǎn)生的還原當量NADH促進偶氮染料的還原裂解脫色作用。徐向陽等(1997,1998)報道，以易降解工業(yè)有機廢水作為含PCP和染料有機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
　　生物增強作用不僅可以有效地消除污泥膨脹，增強污泥沉降性能，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，在延時曝氣系統(tǒng)中，使用接種生物增強劑，運行3周就可消除污泥膨脹現(xiàn)象；在氧化溝系統(tǒng)中，運行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)的啟動時間，增強耐沖擊負荷的能力和系統(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)的啟動時間，達到較高的快速處理效果，同時還可增強系統(tǒng)的耐沖擊負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)的純種菌來增強活性污泥處理系統(tǒng)，向系統(tǒng)中加入10%（相對于固有菌量）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菌種的增強系統(tǒng)中，分別只需要2、3d就可將酚完全降解。

5 生物強化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

　　應用生物增強技術(shù)時要綜合考慮水質(zhì)、水量、投菌量、營養(yǎng)物質(zhì)、消耗氧量、反應器類型、水力停留時間等諸多因素。
　　菌量、營養(yǎng)物和基質(zhì)類似物的投加量是生物強化系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)。隨著投菌量的增加，一般強化效果會提高，但投菌量過大，廢水處理成本則會升高。因此，投菌量要根據(jù)廢水中目標降解物的含量和要達到的處理水平來決定，一般在系統(tǒng)啟動時，采用重投菌，投菌量比較大，系統(tǒng)穩(wěn)定后，投菌量可為啟動時的1/10～1/8。
　　高效菌的投加方式如表2所示。在實際工程應用中，可選擇適當?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 特點 間歇式投加 將高效菌種直接投入活性污泥系統(tǒng)中進行生物強化 操作簡便易行，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 采用一個或多個SBR反應器富集足夠數(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)投加問題，工程應用方便，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、抗毒性能力強等優(yōu)點，但使載體價格高。 生物自固定化投加 將載體投加到生物處理反應器中，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 能夠提高反應器中的生物量，提高處理系統(tǒng)的處理能力和運行穩(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

　　生物強化技術(shù)已成為在現(xiàn)代廢水處理的研究熱點。該方法具有許多優(yōu)點，可提高難降解有機物的去除率、改善污泥性能、縮短系統(tǒng)的啟動時間、增強系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和耐沖擊負荷能力等。利用原有水處理設(shè)施，生物增強技術(shù)能明顯地提高水處理范圍和水處理能力，操作簡便，易于管理。生物強化技術(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。

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