難降解廢水的生物強(qiáng)化處理技術(shù)

摘要:詳細(xì)介紹了生物強(qiáng)化技術(shù)的作用機(jī)理以及國(guó)內(nèi)外利用該技術(shù)處理難降解廢水的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。生物強(qiáng)化技術(shù)具有針對(duì)性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在難降解廢水治理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:難降解廢水;生物強(qiáng)化技術(shù);生物處理

傳統(tǒng)生物處理技術(shù)在難降解廢水中有一定的應(yīng)用，但都存在很大的局限性，生物強(qiáng)化技術(shù)具有針對(duì)性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、效率高等特點(diǎn)，在該領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。

1生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)就是為了提高廢水處理系統(tǒng)的處理能力而向該系統(tǒng)中投加從自然界中篩選的優(yōu)勢(shì)菌種或通過(guò)基因組合技術(shù)產(chǎn)生的高效菌種，以去除某一種或某一類(lèi)有害物質(zhì)的方法。它通過(guò)向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物來(lái)增加生物量，以強(qiáng)化對(duì)某一特定環(huán)境或特殊污染物的去除作用。投人的菌種與基質(zhì)之間的作用主要有直接作用和共代謝作用。

①直接作用。即通過(guò)馴化、篩選、誘變、基因重組等技術(shù)得到一株以目標(biāo)降解物質(zhì)為主要碳源和能源的微生物，并將該菌種投入處理系統(tǒng)以去除目的物。目前投加的高效菌株主要是通過(guò)質(zhì)粒育種和基因工程構(gòu)建。

a.質(zhì)粒育種。即將兩種或多種微生物通過(guò)細(xì)胞結(jié)合或融合技術(shù)，使供體菌的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到受體菌體內(nèi)，使受體菌保留自身功能質(zhì)粒，同時(shí)獲得供體菌的功能質(zhì)粒，即培育出具有兩種功能質(zhì)粒的新品種，這已在環(huán)境工程中獲得初步研究成果:Chakrabarty等將嗜油假單胞菌體內(nèi)有降解辛烷、乙烷、癸烷功能的OCT質(zhì)粒和抗汞質(zhì)粒MER同時(shí)轉(zhuǎn)移到對(duì)汞(20mg/L)敏感的惡臭假單胞菌體內(nèi)，使其轉(zhuǎn)變成能抗50一70mg/L的汞且能高效分解辛烷的解烷抗汞質(zhì)粒菌。把降解芳烴、菇烴、多環(huán)芳烴的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到能降解脂烴的假單胞菌體內(nèi)，結(jié)果得到了可同時(shí)降解4種烴類(lèi)的超級(jí)菌，它能把原油中約2/3的烴消耗掉。自然菌種要花一年多才能將海上浮油分解完全，而超級(jí)細(xì)菌只要幾小時(shí)就分解完全。將分別含有降解偶氮染料質(zhì)粒的編號(hào)為K24和K,6的兩株假單胞菌通過(guò)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移技術(shù)可培育出兼有分解兩種偶氮染料功能的脫色工程菌。Q5T工程菌是將嗜溫的 Pseudomonas putda pawl 和嗜冷的Q5菌株融合，使前者體內(nèi)降解甲苯、二甲苯的TOL質(zhì)粒轉(zhuǎn)移人Q5菌株體內(nèi)構(gòu)建而成，該菌在0℃仍能正常利用濃度為1000mg/L的甲苯作碳源，這對(duì)寒冷地區(qū)的廢水生物處理很有意義。

b.利用基因工程構(gòu)建。基因工程是指在基因水平上的遺傳工程，又叫基因剪接，是用人工方法把所需要的某一供體生物的DNA提取出來(lái)，在離體的條件下用限制性?xún)?nèi)切酶將離體DNA切割成帶有目的基因的DNA片段，每一片段平均長(zhǎng)度有幾千個(gè)核昔酸，用DNA連接酶把它和質(zhì)粒(載體)的DNA分子在體外連接成重組DNA分子，然后將重組體導(dǎo)人某一受體細(xì)胞中，以便外來(lái)的遺傳物質(zhì)在其中進(jìn)行復(fù)制擴(kuò)增和表達(dá)，而后進(jìn)行重組體克隆篩選和鑒定，最后對(duì)外源基因表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)行分離提純，從而獲得新品種。

現(xiàn)在，利用基因工程獲得了分解多種有毒物質(zhì)的新型菌種。例如:A.Khan等從P.putdaOV83分離出3一苯兒茶酚雙加氧酶基因，將它與pCP13質(zhì)粒連接后轉(zhuǎn)人E.coli中表達(dá)。另外，將降解氯化芳香化合物的基因和降解甲基芳香化合物的基因分別切割下來(lái)組合在一起構(gòu)建成工程菌，使它同時(shí)具有降解上述兩種物質(zhì)的功能。McClure用4L曝氣池裝置考察體內(nèi)含有降解3一氯苯甲酸酪質(zhì)粒pD10的基因工程菌的存活時(shí)間和代謝活性，工程菌濃度為4x106個(gè)/L，存活時(shí)間達(dá)56d以上。此外，還獲得了含有快速降解幾丁質(zhì)、果膠、纖維二糖、淀粉和竣甲基纖維素等質(zhì)粒的大腸桿菌。

②共代謝作用。即微生物在有它可利用的惟一碳源存在時(shí)，對(duì)它原來(lái)不能利用的物質(zhì)也能分解代謝的現(xiàn)象。對(duì)于一些有毒有害物質(zhì)，微生物不能以其為碳源和能源生長(zhǎng)，但在其他基質(zhì)存在下能夠改變這種有害物的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其降解，如在甲烷、芳香烴、氨、異戊二烯和丙烯為主要基質(zhì)而生長(zhǎng)的一些菌可以產(chǎn)生一種氧合酶，這種酶可以共代謝三氯乙烯(TCE)。

共代謝作用可以提高微生物對(duì)難降解物質(zhì)的降解效率。Grav。等發(fā)現(xiàn)，漂白廠的廢水對(duì)產(chǎn)甲烷菌有抑制作用，但當(dāng)用甲醇或乙醇作一級(jí)基質(zhì)時(shí)可以提高對(duì)廢水中難生化有機(jī)鹵化物的去除率。共代謝作用主要有3種類(lèi)型:

a.生物在正常生長(zhǎng)代謝過(guò)程中對(duì)二級(jí)基質(zhì)的共同氧化。這種代謝是指當(dāng)一級(jí)基質(zhì)存在時(shí)，一級(jí)基質(zhì)的代謝能夠提供足夠的碳源和能源供微生物生長(zhǎng)并誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的降解酶來(lái)降解二級(jí)基質(zhì)。何苗等報(bào)道，雜環(huán)化合物及多環(huán)芳烴的生物降解需要一個(gè)完整的厭氧微生物食物鏈系統(tǒng)，葡萄糖的存在可為相關(guān)的微生物提供碳源和能源，另外葡萄糖經(jīng)相關(guān)微生物的代謝還可為受試有機(jī)物的開(kāi)環(huán)提供必需的還原力和各種輔酶。付莉燕等〔5〕考察了厭氧條件下廢水中活性染料(活性翠藍(lán))的生物降解，發(fā)現(xiàn)以活性翠藍(lán)為單一碳源時(shí)，厭氧菌不能降解活性翠藍(lán)，但在進(jìn)水中補(bǔ)充葡萄糖后，厭氧菌對(duì)葡萄糖和活性翠藍(lán)產(chǎn)生了共代謝作用，活性翠藍(lán)被降解。施漢昌等的研究也表明，補(bǔ)充碳源，可以提高啤酒廢水污泥對(duì)氯酚的降解作用。

b.微生物間的協(xié)同作用。這種代謝是指有些污染物的降解并不導(dǎo)致微生物的生長(zhǎng)和能量的產(chǎn)生，它們只是在微生物利用一級(jí)基質(zhì)時(shí)由微生物所產(chǎn)氧化物進(jìn)而被另一種微生物利用并徹底降解。有研究證明，在用苯甲酸單獨(dú)培養(yǎng)普通的脫硫弧菌屬和銅綠假單胞菌屬時(shí)，二者均不能利用苯甲酸，但當(dāng)在含有苯甲酸和S02的基質(zhì)中共同培養(yǎng)時(shí)，苯甲酸即可
徹底被生物降解，同時(shí)so-2被還原為H2S;生物膜或顆粒污泥的形成能有效地發(fā)揮微生物間的協(xié)同作
用，提高生物降解率。

c一級(jí)基質(zhì)不存在時(shí)休眠細(xì)胞對(duì)二級(jí)基質(zhì)的利用。翟福平〔8〕研究了氯苯類(lèi)有機(jī)物的生物降解，分別用氯苯、鄰二氯苯、間二氯苯、對(duì)二氯苯、1,2,4-三氯苯溶液馴化污泥并使其中微生物處于內(nèi)源呼吸階段，然后用這些污泥對(duì)這5種有機(jī)物在不同濃度下的降解進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)用氯苯、鄰二氯苯、間二氯苯溶液馴化的污泥，能夠有效地相互降解，它們誘
導(dǎo)的酶系統(tǒng)具有一個(gè)共同特征，即要求被作用的二級(jí)基質(zhì)苯環(huán)上至少具有一個(gè)“連續(xù)三空結(jié)構(gòu)”;由于對(duì)二氯苯、1,2,4一三氯苯缺乏“連續(xù)三空結(jié)構(gòu)”，故不能被由上述3種有機(jī)物馴化的污泥降解，而用這2種有機(jī)物馴化的污泥誘導(dǎo)的酶系統(tǒng)，作用的二級(jí)基質(zhì)范圍更寬，只要求二級(jí)基質(zhì)苯環(huán)上至少具有一個(gè)“連續(xù)二空結(jié)構(gòu)”即可，所以用這2種有機(jī)物馴化的污泥能夠降解所有受試的5種有機(jī)物。由此可見(jiàn)，共代謝作用在氯代苯的生物降解中能發(fā)揮重要作用，因此可考慮利用此技術(shù)來(lái)馴化和富集高效降解菌株。

2生物強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

①焦化廢水處理

焦化廢水中污染物組成復(fù)雜，含有十幾種無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，有機(jī)物包括酚類(lèi)、芳香族化合物以及含氮、硫、氧的雜環(huán)化合物，屬較難生物降解的高濃度有機(jī)工業(yè)廢水，國(guó)內(nèi)外研究者現(xiàn)在主要是通過(guò)投加高效菌種和化學(xué)試劑來(lái)提高現(xiàn)有處理設(shè)施的處理效率。固定化高效降解微生物的生物強(qiáng)化技術(shù)在焦化廢水處理中也有成功的應(yīng)用。吳立波等〔9〕利用唆琳為惟一碳源，馴化得到處理焦化廢水的高效菌種，并使其一部分附著在陶粒載體上處理焦化廢水，取得了很高的去除率。

②制藥廢水處理

羅國(guó)維等利用投菌接觸氧化法處理潔霉素廢水，將經(jīng)過(guò)分離純化得到的高效微生物接種、活化、離心洗滌，制成菌懸液并接種于適量COD濃度的人工配水中，同時(shí)以不投加微生物菌體的相應(yīng)培養(yǎng)基作為對(duì)照。結(jié)果表明，混合菌的降解能力最強(qiáng)，降解率為52.6%，雖然未表現(xiàn)出明顯的疊加效果，但在降解速度、降解率、存活時(shí)間、抗沖擊性以及抑制雜菌人侵等綜合特性方面，卻表現(xiàn)出任何單一菌株無(wú)法比擬的優(yōu)越特征。

③印染廢水處理

印染廢水中含有大量難降解的有機(jī)染料，傳統(tǒng)的好氧生物膜法去除效果不理想。賈省芬等[川分別利用高效脫色菌、聚乙烯醇(PVC)降解菌以及活性污泥接種厭氧一好氧系統(tǒng)，結(jié)果表明，利用高效脫色菌和PVA降解菌接種厭氧一好氧處理系統(tǒng)處理印染廢水時(shí)生物膜形成快，去除效率高且穩(wěn)定，厭氧反應(yīng)器對(duì)色度的去除率比活性污泥接種高12.5%o

④垃圾滲濾液

丁雪梅通過(guò)EM(effective microorganisms)菌劑培養(yǎng)生物膜和活性污泥來(lái)處理滲濾液，結(jié)果表明，EM菌劑可明顯提高對(duì)COD,BOD的去除率，能夠加快處理設(shè)施啟動(dòng)速度，重新掛膜速度較快，系統(tǒng)的穩(wěn)也有所增強(qiáng)。

3結(jié)語(yǔ)

微生物技術(shù)與廢水處理技術(shù)的融合開(kāi)辟了一條新途徑—生物強(qiáng)化技術(shù)，它具有針對(duì)性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、效率高等諸多特點(diǎn)，在難降解廢水治理中應(yīng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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