生物強(qiáng)化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用

生物強(qiáng)化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用摘要：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)廢水的處理問題，國外學(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，通過投加具有特定功能的微生物、營養(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。關(guān)鍵字：生物強(qiáng)化技術(shù)難降解有機(jī)廢水1生物強(qiáng)化技術(shù)的提出隨著現(xiàn)代合合成工業(yè)的發(fā)發(fā)展，大量異異生化合物(Xenoobiotiics)進(jìn)入了工業(yè)業(yè)廢水和城市市污水中，由由于其本身具具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜性和生物陌陌生性，因此此很難在短時(shí)時(shí)間內(nèi)被常規(guī)規(guī)生物處理系系統(tǒng)中的微生生物分解氧化化。為了解決決難降解有機(jī)機(jī)廢水的處理理問題，國外外學(xué)者提出了了生物強(qiáng)化技技術(shù)(Bioaaugmenntatioon)的概念。生生物強(qiáng)化技術(shù)術(shù)是指在生物物處理系統(tǒng)中中，通過投加加具有特定功功能的微生物物、營養(yǎng)物或或基質(zhì)類似物物，達(dá)到提高高廢水處理效效果的手段和和方法。2作用機(jī)制2.1高效菌種種的直接作用用這種作作用機(jī)制首先先需要通過馴馴化、篩選、誘誘變和基因重重組等生物技技術(shù)手段得到到1株以目標(biāo)降降解物質(zhì)為主主要碳源和能能源的高效微微生物菌種，再再經(jīng)培養(yǎng)繁殖殖后，投放到到具有目標(biāo)降降解物質(zhì)的廢廢水處理系統(tǒng)統(tǒng)中。因此，當(dāng)當(dāng)原處理系統(tǒng)統(tǒng)中不含高效效菌種時(shí)，如如果投入一定定量的高效菌菌種，則可有有針對(duì)性地去去除廢水中的的目標(biāo)降解物物；當(dāng)原處理理系統(tǒng)中只存存在少量高效效菌種時(shí)，那那么投加高效效菌種后，可可大大縮短微微生物馴化所所需要的時(shí)間間。在水力停停留時(shí)間不變變的情況下，能能達(dá)到較好的的去除效果。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)化物的生物降解過程。共代謝過程不僅包括微生物在正常生長代謝過程中對(duì)非生長基質(zhì)的共同氧化，而且也包括了休止細(xì)胞(restingcells)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(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Acinetbactersp.生長在含有4-氯苯甲酸鹽(4CB)的基質(zhì)上時(shí)，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(shí)施途徑3.1投加高效效降解微生物物該技術(shù)術(shù)得以實(shí)施的的前提是獲得得能作用于目目標(biāo)降解物的的高效菌株，從從理論上講，對(duì)對(duì)于天然合成成的有機(jī)物，一一般都能夠找找到相應(yīng)的降降解菌株。一一些難降解有有機(jī)物的高效效降解菌如表表1所示。表1一些難降降解有機(jī)物降降解菌難降解有機(jī)物菌株難降解有機(jī)物菌株2,4,6-三三硝基甲苯Pseudommonas萘Pseudommonasputidda(NAAH7)2,4-二硝基基甲苯2,6-二氯甲甲苯Pseud.CepacciaHCCV(有質(zhì)粒)1,3-二硝基基甲苯PseudommonasputiddaF1二氯苯Pseud.Sp./AAlcaliigenesssp.Pseudommonassp.JJS1502,4,6-三三氯苯酚Alcaliggenessp.PPseud..PickketiiRhodocooccussp.QQT-1五氯酚Mycobaccteriuumchllorophhenoliicum2-硝基苯酚PseudommonasputiddaPCP14-硝基苯酚Flavobaacteriiasp..SphingoomonasschlooropheenoliccaRA22Pseud.sp.(共代謝)Flavobaacteriiumspp.(有質(zhì)粒)2,4-二硝基基苯酚RhodocooccuserythhropollisArthrobbacterrsp.4-氯-二硝基基苯酚AlcaliggenesPseudd.sp..1,4-二氯聯(lián)聯(lián)苯Klebsieellappneumooniae(質(zhì)粒Psv21)Denitriificanns(NTTB-1)多氯聯(lián)苯Flavobaacteriiumspp.3-氯/4-氯氯苯胺Pseud.OuciddovoraansCAAZBPseud.Cepaccia(AAcc1100)3,4-二氯苯苯胺Pseud.Putidda三氯乙烯PseudommonascepalliaCG42-氯甲烷Pseud.DM1/DM2

NtrosommonaseuroppalaHyphomiicrobiiumDMM2

XanthobbacterrPy2Methylootrophhicbaacteriium四氯化碳AcetobaacteriiumwooodiiEcolliKl22這些降解菌菌在純培養(yǎng)體體系中大多數(shù)數(shù)都能表現(xiàn)出出高活性，但但在多菌株共共存的生物處處理系統(tǒng)中，投投加純培養(yǎng)高高效降解菌株株（菌劑）后后，能否起到到強(qiáng)化生物處處理作用，在在實(shí)際生產(chǎn)中中，尚難以預(yù)預(yù)料。要使高高效菌持續(xù)發(fā)發(fā)揮作用必須須滿足下列條條件：（1）投加后菌菌體具有的高高活性不被破破壞；（2）菌體可快快速降解目標(biāo)標(biāo)污染物；（3）在系統(tǒng)中中（如曝氣池池）不僅要具具有競爭性生生存的能力，而而且生物量還還應(yīng)具有一定定的水平。33.2投加營養(yǎng)物物和基質(zhì)類似似物由于于大部分難降降解有機(jī)物的的降解是通過過共代謝途徑徑進(jìn)行的，在在常規(guī)活性污污泥系統(tǒng)中可可降解目標(biāo)污污染物的微生生物活性和數(shù)數(shù)量都比較低低。通過投加加某些碳源和和能源營養(yǎng)物物質(zhì)，或提供供目標(biāo)污染物物降解過程中中所需要的因因子，將有助助于降解菌的的生長，改善善處理系統(tǒng)的的運(yùn)行工況。投投加基質(zhì)類似似物是由代謝謝酶的誘導(dǎo)作作用提出的，即即利用目標(biāo)污污染物的降解解產(chǎn)物、前體體作為酶的誘誘導(dǎo)物，提高高酶的活性。在在廢水處理中中，誘導(dǎo)物（基基質(zhì)類似物）應(yīng)應(yīng)滿足：①毒性?。虎趦r(jià)格低廉且且有多種用途途；③在無富集基基質(zhì)（目標(biāo)污污染物）時(shí)，誘誘導(dǎo)物可維持持富集培養(yǎng)物物的生長特性性與污染物降降解動(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，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(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)價(jià)4.1提高目標(biāo)標(biāo)污染物的去去除效果生物增強(qiáng)作作用比一般的的廢水處理方方法更能提高高系統(tǒng)對(duì)BOD5、COD、TOC或某種特定定難降解物的的去除效果。Chambber利用投加高高效菌種強(qiáng)化化法處理牛奶奶廢水，在延延時(shí)曝氣、曝曝氣塘和氧化化溝3種不同的處處理系統(tǒng)，都都提高了BOD5、COD的去除率。Hung等用該方法法處理馬鈴薯薯廢水時(shí)，TOC的去除率達(dá)達(dá)到98%。Selvaaratnaam等通過在活活性污泥法中中投加苯酚降降解菌PseuddomonaasputtidaAATCC111172提高了苯酚酚的去除率。在40d內(nèi)處理系統(tǒng)對(duì)苯酚的去除率可保持在95%～100%；而在沒有采用生物強(qiáng)化的對(duì)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(shì)菌，HRT=1.9h，生物增強(qiáng)系統(tǒng)的去除效果為10mg/LBTX，而非生物增強(qiáng)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(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程的刺激作用，以及葡萄糖降解過程中產(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)化系系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)用生物增增強(qiáng)技術(shù)時(shí)要要綜合考慮水水質(zhì)、水量、投投菌量、營養(yǎng)養(yǎng)物質(zhì)、消耗耗氧量、反應(yīng)應(yīng)器類型、水水力停留時(shí)間間等諸多因素素。菌量量、營養(yǎng)物和和基質(zhì)類似物物的投加量是是生物強(qiáng)化系系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重重要參數(shù)。隨隨著投菌量的的增加，一般般強(qiáng)化效果會(huì)會(huì)提高，但投投菌量過大，廢廢水處理成本本則會(huì)升高。因因此，投菌量量要根據(jù)廢水水中目標(biāo)降解解物的含量和和要達(dá)到的處處理水平來決決定，一般在在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)時(shí)，采用重投投菌，投菌量量比較大，系系統(tǒng)穩(wěn)定后，投投菌量可為啟啟動(dòng)時(shí)的1/10～1/8。高效效菌的投加方方式如表2所示。在實(shí)實(shí)際工程應(yīng)用用中，可選擇擇適當(dāng)?shù)耐都蛹臃绞?。?高效菌種種的各種投加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接投入活性污污泥系統(tǒng)中進(jìn)進(jìn)行生物強(qiáng)化化操作簡便易行，但但處理系統(tǒng)中中菌種數(shù)量與與活性濃度容容易發(fā)生變化化連續(xù)投加采用一個(gè)或多個(gè)個(gè)SBR反應(yīng)器富集集足夠數(shù)量的的馴化培養(yǎng)物物，連續(xù)投加加至主體工藝藝中能解決高效菌種種連續(xù)投加問問題，工程應(yīng)應(yīng)用方便，但但需選擇合適適的富集培養(yǎng)養(yǎng)物和操作方方式固定化細(xì)胞投加加采用載體結(jié)合法法、交聯(lián)法、包包埋法等固定定化方法，將將高效菌種固固定在載體上上投加該技術(shù)具有菌種種穩(wěn)定性高、催催化效率高、抗抗毒性能力強(qiáng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但但使載體價(jià)格格高。生物自固定化投投加將載體投加到生生物處理反應(yīng)應(yīng)器中，利用用微生物的自自固定化作用用，使高效菌菌種固定在載載體上生長能夠提高反應(yīng)器器中的生物量量，提高處理理系統(tǒng)的處理理能力和運(yùn)行行穩(wěn)定性，較較好地克服活活性污泥法的的不足，工程程上比較可行行、適用6結(jié)束語生物強(qiáng)化技技術(shù)已成為在在現(xiàn)代廢水處處理的研究熱熱點(diǎn)。該方法法具有許多優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，可提高高難降解有機(jī)機(jī)物的去除率率、改善污泥泥性能、縮短短系統(tǒng)的啟動(dòng)動(dòng)時(shí)間、增強(qiáng)強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行行穩(wěn)定性和耐耐沖擊負(fù)荷能能力等。利用用原有水處理理設(shè)施，生物物增強(qiáng)技術(shù)能能明顯地提高高水處理范圍圍和水處理能能力，操作簡簡便，易于管管理。生物強(qiáng)強(qiáng)化技術(shù)與傳傳統(tǒng)生物處理理技術(shù)相結(jié)合合，已成為廢廢水生物處理理的必然趨勢(shì)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1HorrowitrrJB,,VilkkerVL,BiiodegrradatiionPrrocesssDeveelopmeentUssingaaBactteriallCytoochrommeinVivo,,Biottechnool.Biioeng..,19944,22沈東升等．．微生物共代代謝在氯代有有機(jī)物生物降降解中的作用用．環(huán)境科學(xué)學(xué),19944,43吳紅偉等．．氧化塘深度度處理焦化廢廢水的初步研研究．環(huán)境污污染與防治,19988,24瞿福平等．．氯苯馴化污污泥中氯苯類類同系物共存存對(duì)氯苯生物物降解影響．．中國環(huán)境科科學(xué),19998,35P.AAdriaeensettal.,,Comeetabollismoof3,44-DichhlorobbenzoaatebyyAcinnetobaaterssp.Sttrain4CB1,,Appll.Envviron..Micrrobioll.,19991,16ChaamberJV,ImproovingWasteeRem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