【干貨】生物強化技術(shù)詳解！
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(fù)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(xué)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(restingcells)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(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物的去除效果，但機理十分復(fù)雜，迄今有很多問題尚處于研究階段。一些學(xué)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(dǎo)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Acinetbactersp.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(yīng)的降解菌株。一些難降解有機物的高效降解菌如表1所示。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(yù)料。要使高效菌持續(xù)發(fā)揮作用必須滿足下列條件：（1）投加后菌體具有的高活性不被破壞；（2）菌體可快速降解目標污染物；（3）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(yīng)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(dǎo)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(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毒性小；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(dǎo)物可維持富集培養(yǎng)物的生長特性與污染物降解動力學(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(xué)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(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的廢水處理構(gòu)筑物中，能否達到預(yù)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PseudomonasputidaATCC11172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/LBTX，而非生物增強系統(tǒng)的去除效果僅為3.2mg/LBTX。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(yīng)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(yīng)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(yīng)用中，可選擇適當?shù)耐都臃绞健?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。
