用特定微生物“吃掉”工業(yè)廢水污泥

經(jīng)過二十多年的研發(fā)積累，團(tuán)隊已建立了難降解污染物高效降解菌種質(zhì)資源庫，保存了各類高效降解菌株1000余株，降解底物涉及化工行業(yè)的多種特征污染物，如芳香烴類污染物、有機氮類污染物、雜環(huán)類污染物、鹵代芳香烴類污染物、抗生素類及國家目前重點關(guān)注的新污染物等。

近日，江蘇豐山集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱豐山集團(tuán)）的廢水、污泥處理池，正在24小時不間斷“化污”。

近年來，豐山集團(tuán)因公司農(nóng)藥原料藥合成規(guī)模的不斷擴大和新農(nóng)藥產(chǎn)品的開發(fā)，廢水污染物類型發(fā)生了一定的變化。考慮到未來發(fā)展，公司對原廢水處理站進(jìn)行了擴容改造。

“采用蔡老師團(tuán)隊研發(fā)的高鹽、高氮、高毒性工業(yè)廢水處理技術(shù)后，現(xiàn)在廢水中總氮、總磷的降解率能達(dá)到90%以上，污泥也能減毒減量，從以前的每天十二三噸降低到現(xiàn)在的每天一兩噸。”豐山集團(tuán)副總裁單永祥說。他口中所說的蔡老師，指的是南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師蔡天明。

用高效降解菌“吃掉”工業(yè)廢水的污染物，讓超聲破壁技術(shù)和降解菌“聯(lián)姻”將污泥中的菌膠團(tuán)打散、降解，讓污水污泥處理、處置更加有的放矢，是蔡天明團(tuán)隊近年來為豐山集團(tuán)量身定制的環(huán)保治理方案。

前不久，以這些技術(shù)為核心的“高鹽、高氮、高毒性工業(yè)廢水及含重金屬廢水處理技術(shù)研究與工程示范”項目通過江蘇省生態(tài)環(huán)境廳驗收。“我們希望能針對化工行業(yè)排污的重點、難點問題，形成成套技術(shù)，幫助企業(yè)精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污。”蔡天明說。

摸清廢水“家底”有的放矢

走進(jìn)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實驗室，3個零下80攝氏度的冰箱中，儲藏著密密麻麻的冷藏盒。蔡天明團(tuán)隊培育的高效降解菌就保存在冷藏盒的一根根甘油管里。

“降解菌指的是能降解污染物的微生物。在處理農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料企業(yè)排放的廢水時，最‘棘手的就是企業(yè)生產(chǎn)過程使用的有機原料和中間體。它們中有很多是有毒、難降解的污染物，普通微生物往往對其束手無策。這就需要摸清廢水的‘家底，分析廢水中都有哪些污染物，再有針對性地投加降解菌‘吃掉它們。”蔡天明說的“家底”，指的是企業(yè)的產(chǎn)品種類、每個產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程、主要原輔料、廢水的產(chǎn)生情況、各工段的廢水排放特征等。只有了解生產(chǎn)環(huán)節(jié)排出的每一股廢水中的污染物，搞清污染物的來源、數(shù)量、種類，才有可能分質(zhì)分類精準(zhǔn)治污。

有了“靶子”，接下來就要尋找合適的“彈藥”。每一種微生物都有自己的基因密碼，團(tuán)隊會系統(tǒng)分析它們的降解特性、遺傳學(xué)特點以便對癥下藥，這個過程少則幾個月，多則幾年。

例如，三乙胺的降解菌，團(tuán)隊就足足找了一年。三乙胺是醫(yī)藥、農(nóng)藥等化工生產(chǎn)中常用的一種原料。但此前的多種技術(shù)路線，對三乙胺的降解效果有待提升。

“為了獲得三乙胺高效降解菌，我們選擇了在生產(chǎn)過程中使用三乙胺做原輔料的化工企業(yè)，詳盡了解企業(yè)污水處理工藝并進(jìn)行研判，采集相關(guān)生化池污泥作為種泥，以三乙胺作為唯一碳源和氮源，在剔除氮的無機鹽培養(yǎng)基中富集培養(yǎng)三乙胺降解菌。無機鹽能給吃三乙胺的微生物提供營養(yǎng)，讓微生物‘強健骨骼。”蔡天明說。

培養(yǎng)一段時間后，三乙胺的數(shù)量慢慢減少。“這說明培養(yǎng)基中已經(jīng)有了吃三乙胺的降解菌。”蔡天明表示，最終團(tuán)隊從富集培養(yǎng)液中分離出三株能高效降解三乙胺的野生菌株，從中選出遺傳性狀穩(wěn)定的一株作為“種子選手”消滅三乙胺。

建立瓦解污染物的“彈藥庫”

發(fā)掘降解菌的過程，除了科研團(tuán)隊夜以繼日的篩選分離，還有環(huán)境中豐富的微生物資源的助力。在篩選降解菌時，團(tuán)隊往往會從化工廠、化工園區(qū)周邊的污染土壤、園區(qū)排污渠及周邊污染河流的底泥中，采集可能含有目標(biāo)污染物降解菌的環(huán)境樣品。

“一個地方如果長期排污，自然環(huán)境中可能會出現(xiàn)已被馴化的微生物，即使它們的濃度不高，但通過富集培養(yǎng)，或許可以提高發(fā)現(xiàn)新降解菌的效率。”蔡天明說。

但并非所有的降解菌都會輕易顯露“尊容”。有些微生物難以通過常規(guī)自然篩選被發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊則會采用紫外照射、微波輻照、激光等物理誘變方法，或者5－氟尿嘧啶、烷化劑誘變等化學(xué)誘變手段，誘導(dǎo)微生物發(fā)生基因突變，結(jié)合分子生物學(xué)方法選育出針對難降解污染物的高效降解菌株。

利用這套技術(shù)，蔡天明團(tuán)隊在“高鹽、高氮、高毒性工業(yè)廢水及含重金屬廢水處理技術(shù)研究與工程示范”項目中，總共獲得了高效脫氮、有毒難降解有機污染物高效降解菌17株，其中包括高耐受氨氧化菌株2株。

“經(jīng)過二十多年的研發(fā)積累，我們已建立了難降解污染物高效降解菌種質(zhì)資源庫，保存了各類高效降解菌株1000余株，降解底物涉及化工行業(yè)的多種特征污染物，如芳香烴類污染物、有機氮類污染物、雜環(huán)類污染物、鹵代芳香烴類污染物、抗生素類及國家目前重點關(guān)注的新污染物等。隨著研發(fā)工作持續(xù)進(jìn)行，種質(zhì)資源庫還會不斷擴增。”蔡天明說。

醫(yī)藥、農(nóng)藥等化學(xué)品的生產(chǎn)過程，用到的原輔材料成分復(fù)雜，有時水中摻雜了多種污染物，如果只用一種降解菌，難以降解所有污染物，而如果針對每一種污染物逐一降解，又需要許多污水池，對于企業(yè)來說將提高處理成本。

如何高效經(jīng)濟地治污？蔡天明介紹：“如果一道工序后排放的廢水量不大，但有多種類似的污染物，我們會將它們混合后，按照污染物的構(gòu)成和數(shù)量，調(diào)配不同比例的多種降解菌，將它們投加到廢水生化池中，讓它們在其中定殖，以形成穩(wěn)定的微生物種群結(jié)構(gòu)，最終使污染物‘團(tuán)滅。”

此外，蔡天明團(tuán)隊還在廢水生物強化處理工藝中采用綠色熒光蛋白基因標(biāo)記和高通量測序等技術(shù)，對目標(biāo)微生物的定殖和生長情況進(jìn)行動態(tài)跟蹤研究，以及時了解微生物種群特征及高效降解菌株的狀況。

打出“組合拳”為剩余污泥減量脫毒

污水生化處理產(chǎn)生的剩余污泥排放，是對環(huán)境造成的另一道重負(fù)，“污泥超聲波破壁”“臭氧氧化”疊加“生物減量調(diào)質(zhì)”，是蔡天明團(tuán)隊研究出的一套“組合拳”。

“污泥難處理的關(guān)鍵點在于脫水、減量。一定頻率的超聲波，可以將污泥菌膠團(tuán)打散，也能將部分細(xì)胞破壁。低濃度的臭氧，還能將污泥的菌體細(xì)胞破壁，使細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的水分、吸附的有毒有害污染物及菌體內(nèi)蛋白、多糖類物質(zhì)釋放進(jìn)入水中。”蔡天明說，將污染物打散后，微生物調(diào)質(zhì)菌群開始接力上線“團(tuán)滅”污染物，其中“主力隊員”便是隱藏嗜酸桿菌。

“隱藏嗜酸桿菌在合適的生長條件下，可以降解污泥中的胞外多糖、菌體蛋白，同時可以利用其體內(nèi)存在的廣譜氧化酶系統(tǒng)，降解有毒有害難降解污染物，從而實現(xiàn)污泥的無害化。”蔡天明介紹。

“如果說污泥中的污染物是草原，那么吃掉污染物的降解菌就是兔子，兔子吃完草一段時間后，也會留下一些‘尸體，而隱藏嗜酸桿菌就像狼，它們能吃掉這些‘尸體，從而實現(xiàn)剩余污泥的減量。”蔡天明說，與傳統(tǒng)的污泥處理方式相比，項目的污泥脫水效果穩(wěn)定，脫水污泥含水率在20%以下，污泥減量80%。脫水污泥呈細(xì)顆粒狀、便于運輸，每千克污泥熱值達(dá)到2000千卡，可直接進(jìn)行焚燒處理。整個污泥處理過程不會產(chǎn)生二次污染。

“在廢水、污泥的處理過程中，我們力求尋找一種理想的工藝路線，既能提高降解效果，又能為企業(yè)降低成本，實現(xiàn)環(huán)保與經(jīng)濟效益間的平衡。”蔡天明說。