難降解廢水處理技術(shù)

目前利用傳統(tǒng)的化學(xué)方法和物理方法去除污染物已經(jīng)難以滿(mǎn)足處理后廢水的達(dá)標(biāo)排放要求，人們?cè)絹?lái)越多地開(kāi)始利用生物法來(lái)處理難降解有機(jī)物，其中微生物的共代謝作用最為引人關(guān)注〔2〕。微生物的共代謝作用不以從降解物質(zhì)中獲取能量和營(yíng)養(yǎng)供微生物生長(zhǎng)為目標(biāo)，并且能夠降解多種難降解物質(zhì)，目前對(duì)這類(lèi)降解方式的研究越來(lái)越多〔3〕。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究微生物共代謝作用方面所取得的一系列成果進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)而揭示了微生物共代謝的微觀機(jī)制，為優(yōu)化共代謝的反應(yīng)條件提供參考。

1 微生物的代謝機(jī)制及共代謝的定義
 
微生物主要通過(guò)以下兩種方式來(lái)降解物質(zhì)，一種是在降解過(guò)程中，直接將有機(jī)物作為生長(zhǎng)基質(zhì)，將部分有機(jī)物作為碳源，另一部分有機(jī)物則用于合成新的細(xì)胞物質(zhì)； 在好氧環(huán)境中以分子態(tài)氧作為電子受體，在厭氧環(huán)境中，則以硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳或其他有機(jī)物作為電子受體，這種降解方式即為好氧降解和厭氧降解。在此種降解方式下，主要是通過(guò)向污染物中添加高濃度純品菌種并進(jìn)行間歇式培養(yǎng)來(lái)對(duì)污染物質(zhì)的降解性能進(jìn)行研究。

另一種即微生物的共代謝。共代謝是通過(guò)提供外加碳源和能源物質(zhì)，將原本不能或不易被降解的物質(zhì)代謝降解的現(xiàn)象。1959 年E. R. Leadbetter 等在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，甲烷產(chǎn)生菌（P. Methanica） 不能把乙烷直接作為生長(zhǎng)基質(zhì)，但可以將乙烷氧化成乙醇、乙醛，他們將這一現(xiàn)象稱(chēng)為共氧化現(xiàn)象，并將其定義為在生長(zhǎng)基質(zhì)存在的條件下，微生物對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)的氧化〔4, 5〕。H. L. Jensen 對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行擴(kuò)展定義，正式提出了共代謝的概念，認(rèn)為存在生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)，微生物的活性會(huì)增強(qiáng)，從而對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解性能也會(huì)提高，此時(shí)微生物無(wú)論是通過(guò)氧化作用還是還原作用對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解都是共代謝的作用。共代謝包括存在生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)，繁殖細(xì)胞對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解作用，以及生長(zhǎng)基質(zhì)被完全消耗時(shí)，處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)的細(xì)胞對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)的轉(zhuǎn)化〔6〕。

2 研究共代謝的意義
 
共代謝的核心問(wèn)題主要有微生物的馴化、誘導(dǎo)產(chǎn)生關(guān)鍵酶、生長(zhǎng)基質(zhì)與非生長(zhǎng)基質(zhì)之間的競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非生長(zhǎng)基質(zhì)及降解中間產(chǎn)物對(duì)微生物的毒害作用等。其中微生物的選擇、關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)以及其作用機(jī)理、共代謝動(dòng)力學(xué)研究等已引起研究者的廣泛關(guān)注〔7, 8〕，因此基于國(guó)內(nèi)外的研究情況，對(duì)影響共代謝的因素及動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)行了總結(jié)和探討。

3 共代謝的影響因素
 
3.1 微生物的選擇和馴化
 
難降解物質(zhì)可生化降解性差，即使自然界中有種類(lèi)繁多的微生物，但能通過(guò)共代謝作用對(duì)其進(jìn)行降解的微生物在常規(guī)環(huán)境條件下的存在數(shù)量少且活性低，因此尋找并篩選出具有高效降解性能的微生物十分重要〔9, 10〕。

菌種馴化主要是利用微生物可定向馴化的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，在自然條件下，當(dāng)某塊土壤受到有機(jī)物污染后，在污染物的誘導(dǎo)下，土壤中的微生物會(huì)產(chǎn)生分解目標(biāo)污染物的酶，進(jìn)而將污染物降解。根據(jù)這一性質(zhì)，符合條件的細(xì)菌會(huì)被篩選出來(lái)，然后通過(guò)在特定條件下的富集和馴化，最終得到1 種或幾種符合條件的菌種。利用這一特性，B. Boldrin 等〔11, 12, 13, 14, 15〕在被多環(huán)芳烴污染的土壤中，通過(guò)人工馴化的方式分離出相關(guān)的降解菌。由于被馴化出來(lái)的菌種可能不止一種，此時(shí)選擇單一菌種還是混合菌種，以及如何選擇混合菌種會(huì)產(chǎn)生不同的處理效果。孫永利〔16〕在對(duì)馴化得到的4 種能夠降解五氯苯酚的微生物進(jìn)行混合研究中發(fā)現(xiàn)，將微生物混合后處理五氯苯酚，微生物之間會(huì)產(chǎn)生一種協(xié)同作用，比僅存在單一微生物可以取得更好的處理效果。韋朝海等〔17〕通過(guò)篩選和馴化得到了4 種可以高效降解硝基苯的微生物，在對(duì)降解過(guò)程中所產(chǎn)生的生物協(xié)同作用和基質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)存在枯草芽孢桿菌和人蒼白桿菌時(shí)，它們之間會(huì)出現(xiàn)協(xié)同降解現(xiàn)象，相對(duì)于單一存在枯草芽孢桿菌，加入人蒼白桿菌后，完全降解232.0 mg/L 硝基苯所需要的時(shí)間從145 h 減少為85 h；但研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，若枯草芽孢桿菌和門(mén)多薩假單孢菌同時(shí)存在于降解體系，它們之間會(huì)出現(xiàn)一定程度的抑制作用，相比于單一菌種，會(huì)降低降解的效果。

對(duì)于某些微生物存在的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、細(xì)胞產(chǎn)率低、降解物質(zhì)速率慢等問(wèn)題，通過(guò)馴化出包含該微生物的好氧顆粒污泥可以得到很好的解決。好氧顆粒污泥是指微生物在一定的外界環(huán)境影響下，相互之間通過(guò)聚合而形成的相對(duì)于普通污泥具有更高活性的粒狀聚合體。由于顆粒污泥的沉降性能好，經(jīng)過(guò)沉降作用容易停留在反應(yīng)器內(nèi)，可以將其作為一種特殊形式的生物膜。微生物的數(shù)量和活性也由于污泥顆粒化的作用得到了更好的積累和發(fā)揮，另外顆粒污泥中有豐富的微生物群，構(gòu)成了高效的代謝網(wǎng)，在很好地保護(hù)微生物的同時(shí)，也為生物反應(yīng)器的高效運(yùn)行提供了重要基礎(chǔ)條件，這個(gè)作用是任何微生物個(gè)體都不能單獨(dú)產(chǎn)生的〔18, 19, 20〕。方芳等〔21〕成功地在 SBR 反應(yīng)器中對(duì)好氧污泥實(shí)現(xiàn)了顆粒化處理，并使用所制得的好氧顆粒污泥共代謝降解含甲基叔丁基醚的廢水，取得了良好的降解效果。Hanmin Zhang 等〔22〕的研究表明，通過(guò)97 d 馴化得到的好養(yǎng)顆粒污泥對(duì)石化廢水具有良好的降解性能，結(jié)合共代謝作用，發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥相對(duì)其他形態(tài)的微生物在處理石化廢水上具有更好的效果。

3.2 生長(zhǎng)基質(zhì)的選擇
 
酶誘導(dǎo)理論中指出，關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)合成是生長(zhǎng)基質(zhì)與操作子以及抑制子之間的相互作用，并通過(guò)開(kāi)啟mRNA 來(lái)實(shí)現(xiàn)的〔23, 24〕。張錫輝等〔25〕推導(dǎo)建立了綜合性數(shù)學(xué)模型，該模型以關(guān)鍵酶為中心，利用非專(zhuān)一性關(guān)鍵酶的產(chǎn)生以及在反應(yīng)中的作用表示共代謝的整個(gè)過(guò)程，其過(guò)程用反應(yīng)式表達(dá)如下：

關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)合成：→E

生長(zhǎng)基質(zhì)的利用：E+S→E+PS

非生長(zhǎng)基質(zhì)的共代謝：E+C→E+PC

關(guān)鍵酶的毒性抑制：E+PC→E’

關(guān)鍵酶的修復(fù)：E’→E

關(guān)鍵酶的自然老化降解：E→

其中，E 代表關(guān)鍵酶，S 代表生長(zhǎng)基質(zhì)，C 代表非生長(zhǎng)基質(zhì)，PS 代表生長(zhǎng)基質(zhì)與關(guān)鍵酶反應(yīng)的產(chǎn)物，PC 代表非生長(zhǎng)基質(zhì)與關(guān)鍵酶反應(yīng)的產(chǎn)物，E’代表受毒性抑制而失活的關(guān)鍵酶。

微生物在生長(zhǎng)基質(zhì)的誘導(dǎo)下所產(chǎn)生的關(guān)鍵酶，在整個(gè)共代謝反應(yīng)過(guò)程中會(huì)起到十分重要的作用，因此選擇合適的生長(zhǎng)基質(zhì)直接決定關(guān)鍵酶的產(chǎn)生，最終決定整個(gè)反應(yīng)是否能進(jìn)行，即目標(biāo)污染物能否得到降解或能否發(fā)生結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變。

選擇生長(zhǎng)基質(zhì)的方法主要有兩種，一是選擇易降解的物質(zhì)作為生長(zhǎng)基質(zhì)。這主要是由于目標(biāo)污染物（非生長(zhǎng)基質(zhì)）大多數(shù)是難降解物質(zhì)，當(dāng)只存在目標(biāo)污染物時(shí)，整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足，微生物的生長(zhǎng)受到抑制的情況。通過(guò)添加一些易降解的物質(zhì)，為微生物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)來(lái)提高反應(yīng)體系中微生物的活性，進(jìn)而提高共代謝的處理效果。但不同易降解物質(zhì)對(duì)共代謝的促進(jìn)作用也不盡相同。李惠娣等〔26〕在研究四氯乙烯的厭氧生物降解過(guò)程中，分別用葡萄糖、乳酸鹽和醋酸鹽作為共代謝基質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加共代謝基質(zhì)后，四氯乙烯的降解速率均會(huì)加快，其中添加乳酸鹽后體系的降解速率增加最多，乳酸鹽被認(rèn)為是該反應(yīng)中最合適的共代謝基質(zhì)。

二是根據(jù)非生長(zhǎng)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)選擇。當(dāng)某種物質(zhì)與目標(biāo)污染物的分子骨架結(jié)構(gòu)類(lèi)似時(shí)，將這種物質(zhì)作為生長(zhǎng)基質(zhì)，可能會(huì)誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生非專(zhuān)一性關(guān)鍵酶。因此在某些情況下可選擇非生長(zhǎng)基質(zhì)的類(lèi)似物或非生長(zhǎng)基質(zhì)的中間代謝產(chǎn)物作為生長(zhǎng)基質(zhì)來(lái)達(dá)到誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生關(guān)鍵酶，對(duì)目標(biāo)污染物進(jìn)行降解。任大軍等〔27〕研究發(fā)現(xiàn)，由于苯酚、喹啉與吲哚在結(jié)構(gòu)上部分相似，都有—OH 或—NH2 基團(tuán)，在降解吲哚時(shí)以苯酚和喹啉作為生長(zhǎng)基質(zhì)，可以增加白腐菌的漆酶產(chǎn)量，進(jìn)而提高吲哚的降解率。

3.3 生長(zhǎng)基質(zhì)與非生長(zhǎng)基質(zhì)的投加比
 
微生物在生長(zhǎng)基質(zhì)誘導(dǎo)下產(chǎn)生的關(guān)鍵酶是整個(gè)共代謝反應(yīng)所必需的，微生物只有在消耗生長(zhǎng)基質(zhì)的同時(shí)才能對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)進(jìn)行降解，因此，生長(zhǎng)基質(zhì)和非生長(zhǎng)基質(zhì)之間必然存在一定的競(jìng)爭(zhēng)作用。因此，除了要選擇合適的生長(zhǎng)基質(zhì)，控制好生長(zhǎng)基質(zhì)和非生長(zhǎng)基質(zhì)的投加比同樣重要。

R. E. Speece 〔28〕通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生長(zhǎng)基質(zhì)和非生長(zhǎng)基質(zhì)之間有抑制作用時(shí)，如許多由雙氧酶和單氧酶催化的反應(yīng)就很可能存在競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。此時(shí)可以用具有競(jìng)爭(zhēng)作用的酶動(dòng)力學(xué)來(lái)描述共代謝作用的動(dòng)力學(xué)〔29〕。當(dāng)共代謝基質(zhì)作為抑制物時(shí)，可以這樣表示生長(zhǎng)基質(zhì)的利用情況：

式中： ds/dt ———單位容積反應(yīng)器的基質(zhì)利用速率， mg/（L·d）；

S———基質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；

X———細(xì)胞質(zhì)量濃度，mg/L；

I———抑制劑質(zhì)量濃度，mg/L；

Ki———抑制系數(shù)，mg/L；

KS———半飽和系數(shù)，mg/L；

Kmax———比基質(zhì)利用速率，g/（g·d）。

從模型中可以看出，隨著生長(zhǎng)基質(zhì)濃度和非生長(zhǎng)基質(zhì)濃度發(fā)生變化，生長(zhǎng)基質(zhì)的實(shí)際利用速率與最大反應(yīng)速率也相應(yīng)發(fā)生變化。因此，共代謝化合物的利用速率必須通過(guò)維持適當(dāng)?shù)纳�長(zhǎng)基質(zhì)濃度來(lái)達(dá)到最優(yōu)化〔30, 31, 32, 33〕。I. M. Rivas 等〔34〕在用苯作為降解噻吩的生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體系中存在較高濃度的苯時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生較高濃度的關(guān)鍵酶，從而使噻吩的降解速率提高。M. H. Kim 等〔35〕報(bào)道了一株不動(dòng)桿菌在以苯為碳源的情況下降解3-氯苯酚和4-氯苯酚，發(fā)現(xiàn)底物中苯和3-氯苯酚、4-氯苯酚的比例是決定污染物是否完全降解的關(guān)鍵性因素。

3.4 額外物質(zhì)的添加及反應(yīng)條件的控制
 
共代謝反應(yīng)過(guò)程中，除了需要加入足夠的生長(zhǎng)基質(zhì)來(lái)提供碳源，適當(dāng)?shù)牡�、磷、鐵、維生素、微量元素也是保證微生物正常生長(zhǎng)所必需的。另外添加能量物質(zhì)也有利于共代謝反應(yīng)的進(jìn)行。能量物質(zhì)是指僅提供還原物質(zhì)和能量，而本身不支持微生物細(xì)胞生長(zhǎng)的電子供體。在反應(yīng)過(guò)程中，生長(zhǎng)基質(zhì)被降解所產(chǎn)生的能量是提供微生物生長(zhǎng)的主要能量來(lái)源，因此，通過(guò)添加適當(dāng)?shù)耐饧幽芰课镔|(zhì)可以進(jìn)一步提高共代謝反應(yīng)的速率。M. J. McFarland 等〔36〕通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，甲酸是甲烷細(xì)菌的能量基質(zhì)，共代謝過(guò)程中通過(guò)輔酶Ⅱ?yàn)檎麄�(gè)反應(yīng)提供能量，在反應(yīng)過(guò)程中額外添加一定量的甲酸作為能量物質(zhì)，可以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。C. S. Criddle〔37〕則通過(guò)理論研究證實(shí)了上述觀點(diǎn)，他在研究共代謝動(dòng)力學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孜镏胁淮嬖谀芰课镔|(zhì)時(shí)，非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解比速為：

當(dāng)?shù)孜镏写嬖谀芰课镔|(zhì)時(shí)，非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解比速為：

式中：qc———非生長(zhǎng)基質(zhì)的比消耗速率，s-1；

kc———不存在生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)非生長(zhǎng)基質(zhì)最大比消耗速率常數(shù)，s-1；

KSC———非生長(zhǎng)基質(zhì)的半飽和系數(shù)，mg/L；

Sc———非生長(zhǎng)基質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L；

Tce———能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)化容量。

對(duì)比式（1）、式（2）能夠看出，當(dāng)存在能量物質(zhì)時(shí)，非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解速率得到提高。

反應(yīng)條件主要有溫度、溶解氧、pH。溫度對(duì)微生物有著廣泛的影響，雖然某些微生物可以在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境中生存，但絕大部分微生物生長(zhǎng)的溫度范圍是20~30 ℃。微生物在其最佳生長(zhǎng)溫度中才會(huì)表現(xiàn)出旺盛的生理活動(dòng)，其活性也相應(yīng)增強(qiáng)，處理物質(zhì)的效果也越好。在最佳生長(zhǎng)溫度之外，微生物的活性受到抑制，影響其所參與的生物反應(yīng)過(guò)程。隋紅等〔38〕在研究不同溫度下三氯乙烯、甲苯的共代謝降解規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度由20 ℃增加到30 ℃時(shí)，三氯乙烯的降解滯后期由22 h 減為7.5 h。溶解氧則決定了共代謝過(guò)程中關(guān)鍵酶的性質(zhì)，在不同的溶解氧環(huán)境下，共代謝所產(chǎn)生的關(guān)鍵酶的類(lèi)型也會(huì)不一樣，缺氧條件下的關(guān)鍵酶一般為缺氧代謝酶，好氧條件下的關(guān)鍵酶則主要為單氧化酶和雙氧化酶。pH 是影響微生物和酶的活性的一個(gè)重要因素，過(guò)高或過(guò)低的pH 都會(huì)對(duì)微生物表面的電荷產(chǎn)生影響，微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收過(guò)程會(huì)受到抑制，使酶的活性降低，影響酶在細(xì)胞內(nèi)參與的生化反應(yīng)過(guò)程，極端pH 的環(huán)境甚至直接破壞微生物細(xì)胞，使微生物死亡。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4 討論和展望
 
共代謝作為一種獨(dú)特的生物代謝方式，在處理難降解有機(jī)物的過(guò)程中有著獨(dú)特的作用。隨著對(duì)共代謝研究的日益深入，對(duì)共代謝的研究也從單純的實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入到工程應(yīng)用中，并被證實(shí)是處理難降解有機(jī)污染物有效且實(shí)用的方法。上海金山聯(lián)合環(huán)境工程公司與吉林大學(xué)地探學(xué)院合作完成的上海優(yōu)西比特種化工有限公司的污水處理工程是一個(gè)具有代表性的工程實(shí)例〔39〕，它的成功應(yīng)用進(jìn)一步證實(shí)共代謝是一種實(shí)用且有效的處理難降解有機(jī)污染物的方法。

在某些特定的反應(yīng)過(guò)程中，可能會(huì)存在一些特殊的影響因素，例如在對(duì)受多環(huán)芳烴污染的土壤中的多環(huán)芳烴進(jìn)行降解研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室研究得到的結(jié)果，實(shí)際降解過(guò)程中的降解率會(huì)低很多，很多人認(rèn)為主要是由于多環(huán)芳烴生物可利用性低，導(dǎo)致其從固相向液相轉(zhuǎn)移速率慢，從而影響最終的降解率。針對(duì)這一情況，通過(guò)添加適量的表面活性劑可以提高多環(huán)芳烴的生物可利用性，從而提高最終的處理效率〔40〕。

微生物的共代謝是一個(gè)多方面綜合的過(guò)程，各種因素的改變都會(huì)影響到共代謝的效果，單一考慮其中的某個(gè)因素條件都是片面的，要考慮各種因素并加以有效控制才能達(dá)到好的處理效果。在實(shí)際的處理過(guò)程中，由于廢水的組分復(fù)雜，往往會(huì)出現(xiàn)多種污染物質(zhì)共存的情況，過(guò)分地強(qiáng)調(diào)某一控制因素對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響未必有利，必須根據(jù)具體的水質(zhì)情況以及反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，通過(guò)反復(fù)的調(diào)試控制好各種影響因素才能使共代謝的處理效果達(dá)到最好。