淺談生物強化技術(shù)及其在水污染治理中的應用

欒曉麗　曲媛媛

（煙臺市環(huán)保工程咨詢設計院山東煙臺264000）

淺談生物強化技術(shù)及其在水污染治理中的應用

欒曉麗曲媛媛

（煙臺市環(huán)保工程咨詢設計院山東煙臺264000）

生物強化技術(shù)近年來在污水處理領域取得了顯著進展，本文首先探討了該技術(shù)在國內(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行了探討，對實際應用效果進行了評價，并對下一步技術(shù)改進提出了展望。

生物強化技術(shù)；污水處理；應用

生物強化技術(shù)最早誕生于上個世紀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)被廣泛推廣應用。究其原理來說，生物強化技術(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，當微生物濃度達到一定程度時，微生物的分解作用便會達到充分發(fā)揮，從而實現(xiàn)對一些難以降解的微生物做到了良好的降解效果，對于難以降解的微生物來說，生物強化技術(shù)則極大的提高了降解速率，提高了對水污染中的難以降解的有機物的去除效能，能夠更好地發(fā)揮原有微生物處理體系的功能效果。生物強化技術(shù)雖然不是直接的治理技術(shù)，只是作為一項預處理技術(shù)，但其在高濃度有機廢水以及有毒有害難降解的污水治理中的應用效果得到了檢驗，具有操作簡單、應用靈活、針對性強和見效快等優(yōu)勢，受到了廣泛關(guān)注和應用。

1生物強化技術(shù)機理及強化菌劑來源

1.1作用機理

生物強化技術(shù)機理按照其類別來分，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，達到對目標物降解的效果；直接作用，是指微生物對目標處理物的直接分解，從而達到降解底物的預期效果?；谒睫D(zhuǎn)移作用，是指通過生物強化技術(shù)的引入，把其中具有特定代謝基因的微生物引入進來，基于基因水平達到構(gòu)建自然基因的交換和代謝途徑，實現(xiàn)降解有機污染物效果。

1.2強化菌劑來源

生物強化技術(shù)利用了生物強化菌劑的功能作用，實現(xiàn)降解有機污染的目的。目前強化菌劑的來源主要有三個方面，（1）自然界直接篩選；（2）構(gòu)建基因工程菌；（3）直接購買商業(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、干燥從而實現(xiàn)有效保存，并根據(jù)實際使用情況進行對菌株組合加入目標處理物系統(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)境中進行適應菌株的分離，并從分離出的特殊菌株進行選擇，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到增強酶活性、胞外酶分泌、效應因子分子作用，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

把微生物的細胞中一些參與富集和降解過程中的一些主導性基因引入到哪些適應性更強、繁殖能力較好的受體菌株中，以實現(xiàn)對難降解物的處理效率，實現(xiàn)對難降解適應性，提高有機污染物的降解效率[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行污水預處理中，大多是選擇質(zhì)粒介導的基因轉(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，實現(xiàn)在降解污染物中產(chǎn)生出對能夠從結(jié)構(gòu)上表達的降解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，實現(xiàn)在沒有誘導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用。在選擇商業(yè)菌劑時要注意：該菌劑在較低或較高溫度下生長的能力；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)生物強化菌劑及其應用領域

2生物強化技術(shù)在水污染治理中的應用

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

表2生物強化技術(shù)在水污染治理中的應用

3生物強化技術(shù)在水污染治理中的應用效果評價

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器中，經(jīng)后期觀察發(fā)現(xiàn)，這種菌對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，通過在生長生物床中加入可以降解的BTX（苯、甲苯、二甲苯）混合優(yōu)勢菌，取得了良好的實驗效果，當HRT為1.9h時，生物增強系統(tǒng)中的BTX降解了10mg/L，而沒有添加這種混合優(yōu)勢菌的非強化系統(tǒng)中，BTX的降解只有3.2mg/L[4]，顯然，在生長生物床中加入了混合優(yōu)勢菌后，其降解效率明顯提升。

3.2改善污泥性能

生物強化技術(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，達到了良好的處理效果，通常，生物強化技術(shù)可以實現(xiàn)污泥溶劑降低17%～30%[5]。Chamber在延時曝氣、曝氣塘和氧化溝三種不同的系統(tǒng)中應用生物強化技術(shù)，通過研究后發(fā)現(xiàn)，氧化溝中應用生物強化技術(shù)，污泥膨脹在四周時間里消除，而在接種生物增強劑的試驗中，只用了三周就成功實現(xiàn)了污泥膨脹的消除效果，提前了一周時間，效果明顯。

3.3增強耐負荷沖擊能力和系統(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行脫磷處理，則足足用時58d，可見，使用生物強化技術(shù)極大地提高了降解速率，增強的系統(tǒng)運行效率。Edgehill等人用降解五氯酚的純菌來增強活性污泥系統(tǒng)，在加入10%的純菌時，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)進行馴化，則需要2d時間，而加入5%左右的純菌時，在18h內(nèi)便實現(xiàn)了預期處理效果，五氯酚的出水達到了15mg/L。生物強化技術(shù)在污水處理中表現(xiàn)出良好的抗負荷沖擊能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4生物強化技術(shù)失敗及原因分析

3.4.1生物強化技術(shù)在污水處理中常會出現(xiàn)沒有達到預期處理的效果，究其失敗的原因，主要表現(xiàn)在帶處理的廢水成分復雜，僅僅依靠生物增強技術(shù)難以有效去除污染物；此外，廢水中可供微生物生長的底質(zhì)濃度太低，不利于微生物的生長，也是影響生物強化技術(shù)取得預期效果的重要因素之一；另外，還有因為系統(tǒng)中的原生動物將優(yōu)勢菌捕食，減少了污水處理中的加強菌含量，也容易導致處理效果不理想；投入的生物菌沒有污水中的固有菌的競爭力強，也必然會影響到對污水的處理效果。

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致了投入菌的生長和代謝進程，必然會影響到污水的處理效果；優(yōu)勢菌優(yōu)先利用對于其更有利利用的底質(zhì)，降低了目標降解物的降解功效；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

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

[1]李久安,周后珍,劉慶華.廢水生物強化處理技術(shù)研究進展[J].應用與環(huán)境學報,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.生物強化技術(shù)及其在廢水治理中的應用[J].環(huán)境科學研究,1999,12(3):22-27.

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