难降解废水的生物强化处理技术

摘要:详细介绍了生物强化技术的作用机理以及国内外利用该技术处理难降解废水的研究与应用现状。生物强化技术具有针对性强、应用灵活、效率高等优点，在难降解废水治理领域有着广泛的应用前景。

关键词:难降解废水;生物强化技术;生物处理

传统生物处理技术在难降解废水中有一定的应用，但都存在很大的局限性，生物强化技术具有针对性强、应用灵活、效率高等特点，在该领域成为研究热点。

1生物强化技术

生物强化技术就是为了提高废水处理系统的处理能力而向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质的方法。它通过向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物来增加生物量，以强化对某一特定环境或特殊污染物的去除作用。投人的菌种与基质之间的作用主要有直接作用和共代谢作用。

①直接作用。即通过驯化、筛选、诱变、基因重组等技术得到一株以目标降解物质为主要碳源和能源的微生物，并将该菌种投入处理系统以去除目的物。目前投加的高效菌株主要是通过质粒育种和基因工程构建。

a.质粒育种。即将两种或多种微生物通过细胞结合或融合技术，使供体菌的质粒转移到受体菌体内，使受体菌保留自身功能质粒，同时获得供体菌的功能质粒，即培育出具有两种功能质粒的新品种，这已在环境工程中获得初步研究成果:Chakrabarty等将嗜油假单胞菌体内有降解辛烷、乙烷、癸烷功能的OCT质粒和抗汞质粒MER同时转移到对汞(20mg/L)敏感的恶臭假单胞菌体内，使其转变成能抗50一70mg/L的汞且能高效分解辛烷的解烷抗汞质粒菌。把降解芳烃、菇烃、多环芳烃的质粒转移到能降解脂烃的假单胞菌体内，结果得到了可同时降解4种烃类的超级菌，它能把原油中约2/3的烃消耗掉。自然菌种要花一年多才能将海上浮油分解完全，而超级细菌只要几小时就分解完全。将分别含有降解偶氮染料质粒的编号为K24和K,6的两株假单胞菌通过质粒转移技术可培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程菌。Q5T工程菌是将嗜温的 Pseudomonas putda pawl 和嗜冷的Q5菌株融合，使前者体内降解甲苯、二甲苯的TOL质粒转移人Q5菌株体内构建而成，该菌在0℃仍能正常利用浓度为1000mg/L的甲苯作碳源，这对寒冷地区的废水生物处理很有意义。

b.利用基因工程构建。基因工程是指在基因水平上的遗传工程，又叫基因剪接，是用人工方法把所需要的某一供体生物的DNA提取出来，在离体的条件下用限制性内切酶将离体DNA切割成带有目的基因的DNA片段，每一片段平均长度有几千个核昔酸，用DNA连接酶把它和质粒(载体)的DNA分子在体外连接成重组DNA分子，然后将重组体导人某一受体细胞中，以便外来的遗传物质在其中进行复制扩增和表达，而后进行重组体克隆筛选和鉴定，最后对外源基因表达产物进行分离提纯，从而获得新品种。

现在，利用基因工程获得了分解多种有毒物质的新型菌种。例如:A.Khan等从P.putdaOV83分离出3一苯儿茶酚双加氧酶基因，将它与pCP13质粒连接后转人E.coli中表达。另外，将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别切割下来组合在一起构建成工程菌，使它同时具有降解上述两种物质的功能。McClure用4L曝气池装置考察体内含有降解3一氯苯甲酸酪质粒pD10的基因工程菌的存活时间和代谢活性，工程菌浓度为4x106个/L，存活时间达56d以上。此外，还获得了含有快速降解几丁质、果胶、纤维二糖、淀粉和竣甲基纤维素等质粒的大肠杆菌。

②共代谢作用。即微生物在有它可利用的惟一碳源存在时，对它原来不能利用的物质也能分解代谢的现象。对于一些有毒有害物质，微生物不能以其为碳源和能源生长，但在其他基质存在下能够改变这种有害物的化学结构使其降解，如在甲烷、芳香烃、氨、异戊二烯和丙烯为主要基质而生长的一些菌可以产生一种氧合酶，这种酶可以共代谢三氯乙烯(TCE)。

共代谢作用可以提高微生物对难降解物质的降解效率。Grav。等发现，漂白厂的废水对产甲烷菌有抑制作用，但当用甲醇或乙醇作一级基质时可以提高对废水中难生化有机卤化物的去除率。共代谢作用主要有3种类型:

a.生物在正常生长代谢过程中对二级基质的共同氧化。这种代谢是指当一级基质存在时，一级基质的代谢能够提供足够的碳源和能源供微生物生长并诱导产生相应的降解酶来降解二级基质。何苗等报道，杂环化合物及多环芳烃的生物降解需要一个完整的厌氧微生物食物链系统，葡萄糖的存在可为相关的微生物提供碳源和能源，另外葡萄糖经相关微生物的代谢还可为受试有机物的开环提供必需的还原力和各种辅酶。付莉燕等〔5〕考察了厌氧条件下废水中活性染料(活性翠蓝)的生物降解，发现以活性翠蓝为单一碳源时，厌氧菌不能降解活性翠蓝，但在进水中补充葡萄糖后，厌氧菌对葡萄糖和活性翠蓝产生了共代谢作用，活性翠蓝被降解。施汉昌等的研究也表明，补充碳源，可以提高啤酒废水污泥对氯酚的降解作用。

b.微生物间的协同作用。这种代谢是指有些污染物的降解并不导致微生物的生长和能量的产生，它们只是在微生物利用一级基质时由微生物所产氧化物进而被另一种微生物利用并彻底降解。有研究证明，在用苯甲酸单独培养普通的脱硫弧菌属和铜绿假单胞菌属时，二者均不能利用苯甲酸，但当在含有苯甲酸和S02的基质中共同培养时，苯甲酸即可
彻底被生物降解，同时so-2被还原为H2S;生物膜或颗粒污泥的形成能有效地发挥微生物间的协同作
用，提高生物降解率。

c一级基质不存在时休眠细胞对二级基质的利用。翟福平〔8〕研究了氯苯类有机物的生物降解，分别用氯苯、邻二氯苯、间二氯苯、对二氯苯、1,2,4-三氯苯溶液驯化污泥并使其中微生物处于内源呼吸阶段，然后用这些污泥对这5种有机物在不同浓度下的降解进行了研究，发现用氯苯、邻二氯苯、间二氯苯溶液驯化的污泥，能够有效地相互降解，它们诱
导的酶系统具有一个共同特征，即要求被作用的二级基质苯环上至少具有一个“连续三空结构”;由于对二氯苯、1,2,4一三氯苯缺乏“连续三空结构”，故不能被由上述3种有机物驯化的污泥降解，而用这2种有机物驯化的污泥诱导的酶系统，作用的二级基质范围更宽，只要求二级基质苯环上至少具有一个“连续二空结构”即可，所以用这2种有机物驯化的污泥能够降解所有受试的5种有机物。由此可见，共代谢作用在氯代苯的生物降解中能发挥重要作用，因此可考虑利用此技术来驯化和富集高效降解菌株。

2生物强化技术的应用

①焦化废水处理

焦化废水中污染物组成复杂，含有十几种无机物和有机物，有机物包括酚类、芳香族化合物以及含氮、硫、氧的杂环化合物，属较难生物降解的高浓度有机工业废水，国内外研究者现在主要是通过投加高效菌种和化学试剂来提高现有处理设施的处理效率。固定化高效降解微生物的生物强化技术在焦化废水处理中也有成功的应用。吴立波等〔9〕利用唆琳为惟一碳源，驯化得到处理焦化废水的高效菌种，并使其一部分附着在陶粒载体上处理焦化废水，取得了很高的去除率。

②制药废水处理

罗国维等利用投菌接触氧化法处理洁霉素废水，将经过分离纯化得到的高效微生物接种、活化、离心洗涤，制成菌悬液并接种于适量COD浓度的人工配水中，同时以不投加微生物菌体的相应培养基作为对照。结果表明，混合菌的降解能力最强，降解率为52.6%，虽然未表现出明显的叠加效果，但在降解速度、降解率、存活时间、抗冲击性以及抑制杂菌人侵等综合特性方面，却表现出任何单一菌株无法比拟的优越特征。

③印染废水处理

印染废水中含有大量难降解的有机染料，传统的好氧生物膜法去除效果不理想。贾省芬等[川分别利用高效脱色菌、聚乙烯醇(PVC)降解菌以及活性污泥接种厌氧一好氧系统，结果表明，利用高效脱色菌和PVA降解菌接种厌氧一好氧处理系统处理印染废水时生物膜形成快，去除效率高且稳定，厌氧反应器对色度的去除率比活性污泥接种高12.5%o

④垃圾渗滤液

丁雪梅通过EM(effective microorganisms)菌剂培养生物膜和活性污泥来处理渗滤液，结果表明，EM菌剂可明显提高对COD,BOD的去除率，能够加快处理设施启动速度，重新挂膜速度较快，系统的稳也有所增强。

3结语

微生物技术与废水处理技术的融合开辟了一条新途径—生物强化技术，它具有针对性强、应用灵活、效率高等诸多特点，在难降解废水治理中应具有广阔的应用前景。

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