淺談生物強(qiáng)化技術(shù)及其在水污染治理中的應(yīng)用

欒曉麗　曲媛媛

（煙臺(tái)市環(huán)保工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院山東煙臺(tái)264000）

淺談生物強(qiáng)化技術(shù)及其在水污染治理中的應(yīng)用

欒曉麗曲媛媛

（煙臺(tái)市環(huán)保工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院山東煙臺(tái)264000）

生物強(qiáng)化技術(shù)近年來在污水處理領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，本文首先探討了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并從該技術(shù)在污水處理中的脫氮除磷、污泥特性以及菌株來源等方面進(jìn)行了探討，對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)下一步技術(shù)改進(jìn)提出了展望。

生物強(qiáng)化技術(shù)；污水處理；應(yīng)用

生物強(qiáng)化技術(shù)最早誕生于上個(gè)世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過十多年的發(fā)展，直到80年代后，作為污水處理技術(shù)被廣泛推廣應(yīng)用。究其原理來說，生物強(qiáng)化技術(shù)是把具有特定功能的微生物通過一定渠道引入到傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)中，提升微生物濃度，當(dāng)微生物濃度達(dá)到一定程度時(shí)，微生物的分解作用便會(huì)達(dá)到充分發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一些難以降解的微生物做到了良好的降解效果，對(duì)于難以降解的微生物來說，生物強(qiáng)化技術(shù)則極大的提高了降解速率，提高了對(duì)水污染中的難以降解的有機(jī)物的去除效能，能夠更好地發(fā)揮原有微生物處理體系的功能效果。生物強(qiáng)化技術(shù)雖然不是直接的治理技術(shù)，只是作為一項(xiàng)預(yù)處理技術(shù)，但其在高濃度有機(jī)廢水以及有毒有害難降解的污水治理中的應(yīng)用效果得到了檢驗(yàn)，具有操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、針對(duì)性強(qiáng)和見效快等優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

1生物強(qiáng)化技術(shù)機(jī)理及強(qiáng)化菌劑來源

1.1作用機(jī)理

生物強(qiáng)化技術(shù)機(jī)理按照其類別來分，主要包括直接作用、共代謝作用以及基于水平轉(zhuǎn)移作用而發(fā)揮應(yīng)有功效。其中，共代謝作用，是指在有毒有害難以被微生物直接降解的情況下，通過微生物改變有毒有害物質(zhì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如以甲烷、異戊二烯和丙烯為主要基質(zhì)生長(zhǎng)的一些菌，產(chǎn)生一種氧化酶，這種酶可以共代謝三氯乙烯（TCE），在有其他底物存在的情況下，達(dá)到對(duì)目標(biāo)物降解的效果；直接作用，是指微生物對(duì)目標(biāo)處理物的直接分解，從而達(dá)到降解底物的預(yù)期效果。基于水平轉(zhuǎn)移作用，是指通過生物強(qiáng)化技術(shù)的引入，把其中具有特定代謝基因的微生物引入進(jìn)來，基于基因水平達(dá)到構(gòu)建自然基因的交換和代謝途徑，實(shí)現(xiàn)降解有機(jī)污染物效果。

1.2強(qiáng)化菌劑來源

生物強(qiáng)化技術(shù)利用了生物強(qiáng)化菌劑的功能作用，實(shí)現(xiàn)降解有機(jī)污染的目的。目前強(qiáng)化菌劑的來源主要有三個(gè)方面，（1）自然界直接篩選；（2）構(gòu)建基因工程菌；（3）直接購(gòu)買商業(yè)菌劑。其中，在自然界中直接篩選的菌劑主要是先在特定環(huán)境中分離篩選，然后將篩選出的菌劑進(jìn)行一定的馴化和培養(yǎng)；而基因工程菌的構(gòu)建，則是通過添加抑制劑或冷卻、干燥從而實(shí)現(xiàn)有效保存，并根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行對(duì)菌株組合加入目標(biāo)處理物系統(tǒng)中。

1.2.1從自然環(huán)境篩選

從自然界篩選高效的菌種，首先需要選擇特定的如水或土壤環(huán)境中，在特定環(huán)境中進(jìn)行適應(yīng)菌株的分離，并從分離出的特殊菌株進(jìn)行選擇，把具有特殊降解功能和高效的菌株選出來，在高效菌株中增加適量的突變劑，通過突變劑的增加達(dá)到增強(qiáng)酶活性、胞外酶分泌、效應(yīng)因子分子作用，并降低阻礙分子的作用，發(fā)酵并培養(yǎng)出具有降解功能的單一菌株（見圖1）。自然環(huán)境下篩選菌劑操作起來較為簡(jiǎn)便，菌種的來源也較為廣泛而易獲得。因此，從自然環(huán)境下篩選出高效的菌株，也是目前較為常用也是技術(shù)方面較為成熟的一種方法[1]。

圖1從自然界中篩選高效菌種步驟

1.2.2培育基因工程菌

把微生物的細(xì)胞中一些參與富集和降解過程中的一些主導(dǎo)性基因引入到哪些適應(yīng)性更強(qiáng)、繁殖能力較好的受體菌株中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)難降解物的處理效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)難降解適應(yīng)性，提高有機(jī)污染物的降解效率[2]。圖2是構(gòu)建基因工程菌步驟。目前，從廢水處理行業(yè)來說，通過構(gòu)建基因工程菌的方式進(jìn)行污水預(yù)處理中，大多是選擇質(zhì)粒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移或者通過原生質(zhì)體之間的融合來獲得[1]。以共代謝三氯乙烯為例，該共代謝三氯乙烯可以在芳香烴化合物存在的條件下產(chǎn)生，通過在特定化合物中插入Tn5，從而產(chǎn)生Burkholderia cepaciaG45223-PR1，實(shí)現(xiàn)在降解污染物中產(chǎn)生出對(duì)能夠從結(jié)構(gòu)上表達(dá)的降解TCE鄰甲苯單氧合酶，消除芳香烴化合物在降解過程中所產(chǎn)生的毒害抑制作用的毒害菌，實(shí)現(xiàn)在沒有誘導(dǎo)物的情況下可以降解TCE。

圖2基因工程菌的構(gòu)建過程

1.2.3商業(yè)菌劑

目前，商業(yè)菌劑大多是干化和液態(tài)形態(tài)，其組成主要有自養(yǎng)、異養(yǎng)和兼性菌。商業(yè)菌劑主要是將自然界中所篩選出的，具有特定的降解功能的菌劑制成干粉或者制劑加以運(yùn)用。在選擇商業(yè)菌劑時(shí)要注意：該菌劑在較低或較高溫度下生長(zhǎng)的能力；抵抗高濃度污染物的能力；抗重金屬的能力；在較寬范圍的環(huán)境或介質(zhì)中生存的能力以及產(chǎn)生生物表面活性劑，是否能更有利于與污染物接觸等因素。

表1商業(yè)生物強(qiáng)化菌劑及其應(yīng)用領(lǐng)域

2生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用

生物強(qiáng)化技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水治理；脫氮除磷；改善系統(tǒng)污泥特性，從而降低污泥產(chǎn)量；強(qiáng)化廢水中油脂的液化和降解；江湖湖泊的水體修復(fù)以及地下水生物的修復(fù)等等領(lǐng)域見表2。

表2生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用

3生物強(qiáng)化技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1提高去除效果

Selvaratnam等人篩選一株降解效率較高的菌Pseudomonas putidaATCC 11172，Selvaratnam等人把獲取的這一菌株直接投放到生物反應(yīng)器中，經(jīng)后期觀察發(fā)現(xiàn)，這種菌對(duì)于苯酚的降解率始終保持在95%以上的降解率，降解效果十分理想。反觀，在沒有投放這一菌株的反應(yīng)器內(nèi)，去苯酚的去除率卻呈現(xiàn)出不斷降低的現(xiàn)狀，甚至從最初的100%的降解率降低到后來的40%左右[3]。Chin等人，通過在生長(zhǎng)生物床中加入可以降解的BTX（苯、甲苯、二甲苯）混合優(yōu)勢(shì)菌，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，當(dāng)HRT為1.9h時(shí)，生物增強(qiáng)系統(tǒng)中的BTX降解了10mg/L，而沒有添加這種混合優(yōu)勢(shì)菌的非強(qiáng)化系統(tǒng)中，BTX的降解只有3.2mg/L[4]，顯然，在生長(zhǎng)生物床中加入了混合優(yōu)勢(shì)菌后，其降解效率明顯提升。

3.2改善污泥性能

生物強(qiáng)化技術(shù)通過改善污泥的性能，能夠有效消除在污水處理過程中污泥膨脹難題，提升了污水中污泥的沉降性能，從根本上減少了污泥的產(chǎn)生量，達(dá)到了良好的處理效果，通常，生物強(qiáng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥溶劑降低17%～30%[5]。Chamber在延時(shí)曝氣、曝氣塘和氧化溝三種不同的系統(tǒng)中應(yīng)用生物強(qiáng)化技術(shù)，通過研究后發(fā)現(xiàn)，氧化溝中應(yīng)用生物強(qiáng)化技術(shù)，污泥膨脹在四周時(shí)間里消除，而在接種生物增強(qiáng)劑的試驗(yàn)中，只用了三周就成功實(shí)現(xiàn)了污泥膨脹的消除效果，提前了一周時(shí)間，效果明顯。

3.3增強(qiáng)耐負(fù)荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性

Belia和Smith，把10%的降解磷純菌加入到傳統(tǒng)的活性污泥中，通過研究后發(fā)現(xiàn)，脫磷率超過了90%，整個(gè)降解系統(tǒng)成為高效脫磷系統(tǒng)只用了14d，如果單純的用活性污泥馴化的方式來進(jìn)行脫磷處理，則足足用時(shí)58d，可見，使用生物強(qiáng)化技術(shù)極大地提高了降解速率，增強(qiáng)的系統(tǒng)運(yùn)行效率。Edgehill等人用降解五氯酚的純菌來增強(qiáng)活性污泥系統(tǒng)，在加入10%的純菌時(shí)，五氯酚的馴化期便被大為縮短，如果單純使用活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行馴化，則需要2d時(shí)間，而加入5%左右的純菌時(shí)，在18h內(nèi)便實(shí)現(xiàn)了預(yù)期處理效果，五氯酚的出水達(dá)到了15mg/L。生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理中表現(xiàn)出良好的抗負(fù)荷沖擊能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4生物強(qiáng)化技術(shù)失敗及原因分析

3.4.1生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理中常會(huì)出現(xiàn)沒有達(dá)到預(yù)期處理的效果，究其失敗的原因，主要表現(xiàn)在帶處理的廢水成分復(fù)雜，僅僅依靠生物增強(qiáng)技術(shù)難以有效去除污染物；此外，廢水中可供微生物生長(zhǎng)的底質(zhì)濃度太低，不利于微生物的生長(zhǎng)，也是影響生物強(qiáng)化技術(shù)取得預(yù)期效果的重要因素之一；另外，還有因?yàn)橄到y(tǒng)中的原生動(dòng)物將優(yōu)勢(shì)菌捕食，減少了污水處理中的加強(qiáng)菌含量，也容易導(dǎo)致處理效果不理想；投入的生物菌沒有污水中的固有菌的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，也必然會(huì)影響到對(duì)污水的處理效果。

3.4.2另外，廢水中往往存在大量的抑制性基質(zhì)，這些大量存在的抑制菌導(dǎo)致了投入菌的生長(zhǎng)和代謝進(jìn)程，必然會(huì)影響到污水的處理效果；優(yōu)勢(shì)菌優(yōu)先利用對(duì)于其更有利利用的底質(zhì)，降低了目標(biāo)降解物的降解功效；此外，還受到水污染環(huán)境的溫度、氣壓等因素影響。

4結(jié)語

隨著人們對(duì)于生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理中應(yīng)用效果的認(rèn)可，生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用會(huì)有良好的應(yīng)用發(fā)展前景。下一步，就如何降低生物強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用成本，提高菌種的應(yīng)該效率，做好基因工程的凈化功能研究，保障整個(gè)基因工程的安全性等，將會(huì)成為研究關(guān)注的重點(diǎn)。

[1]李久安,周后珍,劉慶華.廢水生物強(qiáng)化處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,17(2):273-279.

[2]郭楊,王世和.基因工程菌在重金屬及難降解廢水處理中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程,2007,14(4):57-61.

[3]S Selvaratnam,BA Schoedel,BL McFarland.Application of the polymerase chain reaction(PCR)and reverse transcriptase/PCR for determining the fate of phenol-degrading Pseudomonas putida ATCC 11172 in a bioaugmented sequencingbatch reactor[J].ApplMicrobiol Biotechnol,1997,47:236-240.

[4]Chin K K,Ong SL,Poh L H,etal.Waste water treatmentwith bacterialaugmentation.Water Sci Technol,1996,33(8):17-22.

[5]全向春,劉佐才,范廣裕,等.生物強(qiáng)化技術(shù)及其在廢水治理中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)研究,1999,12(3):22-27.

欒曉麗（1982—），女，漢族，山東煙臺(tái)人，碩士，工程師，主要從事水處理研究、生態(tài)濕地建設(shè)工程。