【幹貨】生物強化技術詳解!
隨(suí)著現代合成工業的發展,大量異(yì)生化合物(Xenobiotics)進入了工業廢(fèi)水和城市汙水中,由於其本身具(jù)有結構複雜性和生物陌生性,因此很難在短時間內被(bèi)常規生物處理係統中的微生物分解氧化。為了解決(jué)難降解有機廢(fèi)水的處理問題,國外(wài)學者提出了生(shēng)物強化技術(Bioaugmentation)的(de)概念。生(shēng)物強化技術是指在生物處(chù)理係統中,通過投加(jiā)具有(yǒu)特定功能的微(wēi)生物、營養物或基質類似物,達到提高(gāo)廢水處理效果的手段和方(fāng)法。2作用(yòng)機製2.1高效菌種的直接作用這種作用(yòng)機製首先需(xū)要(yào)通過馴化、篩選、誘變和基因重組等生物技術手段得到1株以目標降(jiàng)解物(wù)質為主要碳源(yuán)和能源的(de)高效(xiào)微生物(wù)菌種,再經培養繁殖後,投放到具有目標降解物質的廢水處理係統(tǒng)中。因此,當原(yuán)處理係統中不含高效菌種時,如果投入一定量的高效菌種,則可有針對性地去除廢水中的(de)目標降解物;當原處理係統中隻存在少量高(gāo)效菌種時,那麽投加(jiā)高效菌種(zhǒng)後,可大大縮短微生物馴(xùn)化所需要的時間。在水力停留時間不(bú)變的情況(kuàng)下,能達到較好的去除效果。2.2微(wēi)生(shēng)物的(de)共代謝作用所謂微生物的(de)共代謝作用是指隻有在初級能源物質(zhì)存在時,才能進行的(de)有機化物的生物降解過程。共代謝過程不僅包括微生物在正常生長代(dài)謝過程中對非生長基(jī)質的共同氧化,而且也包括(kuò)了休止細胞(restingcells)對(duì)不可利用基質的氧(yǎng)化代謝。微生物的共代謝作用可分(fèn)為:①以易降解的有機物為碳(tàn)源和能源,提高(gāo)共代謝菌的生(shēng)理活性;②以目標汙染物的降解產物、前(qián)體作為酶的誘導物,提高酶的合成;③不同微生物之間的協同作用。共代謝雖然能(néng)提高難(nán)降解有機物的去除效果,但機理十分(fèn)複雜,迄今有很多問題尚處(chù)於研究階段。一(yī)些學者曾針對共代謝現象提出了各種(zhǒng)假設。Foster認為微生(shēng)物不能在(zài)某種(zhǒng)基質上生長的原因並不是由於微生物(wù)無法分解代謝該物質,而是由於微生物本(běn)身缺乏吸收、同化其氧化產物的能力。Hughes提(tí)出鹵(lǔ)代芳烴化合物的共(gòng)代謝可能是由於微生物無法從苯環上脫去鹵素取代(dài)基,並把芳香環基質導向(xiàng)碳吸(xī)收同化的節點。Tranter和Cain把具(jù)有氧化代謝鹵代芳烴化合物功能的細菌不能在該基質上生長的原因歸結(jié)於有毒產物的積累。但目前提出的各種假設都不能圓滿地解釋實際工程中所發生的各種共代謝現象。許(xǔ)多(duō)難降(jiàng)解有機物的去除是通過共(gòng)代謝途徑進(jìn)行的。例如在氧(yǎng)化(huà)塘處理(lǐ)焦化廢水的係統中(zhōng),投加生活汙水可(kě)大大提(tí)高COD的去除率,其主要原因就是(shì)生活汙水中含有多種營養元素,加強了生物的共代謝作用。瞿福平等在對氯代芳香烴化(huà)合物的研究中發現,氯苯(běn)類(lèi)同係物共存時,對氯苯的生物降解性有(yǒu)一定程度(dù)的影響。鄰(lín)二氯苯,間二氯(lǜ)苯的共存有利於整個體係的降解,但氯苯的耗氧速率有所降低。Adriaens等研(yán)究發現,一株Acinetbactersp.生長在含有4-氯苯甲(jiǎ)酸鹽(4CB)的基質上時,可以將原來不能利用的3,4-二氯苯甲(jiǎ)酸鹽(3,4-DCB)轉化成3-氯-4-羥(qiǎng)基苯甲酸(suān)鹽,毫無疑(yí)問共代謝在其中發揮了重要的作用。3實施途徑3.1投加高效降解微生物該技術得以實施的前提是(shì)獲得能作用於目標降解物的高(gāo)效菌株,從理(lǐ)論上講,對於天然合成的有機物,一般都能夠找(zhǎo)到相(xiàng)應的降解菌株。一些難降解有機物的高效降解菌如表1所示。這(zhè)些降解菌在純培養體係中大多數都(dōu)能表現出(chū)高活性,但在多(duō)菌株共存的生物處理係統中,投加純培養高效降解菌株(菌劑)後,能否起到(dào)強化生物處理作用,在實際生產中(zhōng),尚難以預料。要使高效菌持續發揮作用必(bì)須(xū)滿足下列條件:(1)投加後菌體具有的高活性不被破壞;(2)菌體可(kě)快速降解目(mù)標汙染物;(3)在係統中(如曝氣池)不僅(jǐn)要具有競爭性生存的能力,而且生物量還應具有一定的(de)水平。3.2投加營養物和基質類似物由於大部分難降解有機物的降(jiàng)解是通(tōng)過共代謝途徑(jìng)進行的,在常規活性汙泥(ní)係統中可降解目標汙染物的微生物活性和數量都比較低(dī)。通過投加某(mǒu)些碳源和能源營養物質,或(huò)提供目標汙染物降解過程中所需要的因(yīn)子,將有助於降解(jiě)菌的生長,改善處理(lǐ)係統的運行工況。投加基質類似物是(shì)由代謝酶的誘導作用提出的,即利(lì)用(yòng)目(mù)標汙染物(wù)的降解產(chǎn)物、前(qián)體作為(wéi)酶的(de)誘導物,提高酶的活性。在廢水處(chù)理中,誘導物(基(jī)質(zhì)類(lèi)似物)應滿足:①毒性小;②價格低廉且有多種用途;③在無富集基(jī)質(目標汙(wū)染物)時,誘導物可維持富集培養物的生長特性與汙染物降解(jiě)動力學。3.3投加遺傳工程菌GEM按照傳統方法,要得到能降解目標汙(wū)染物的高效(xiào)菌種,至少需(xū)要1個月甚至幾個月的時間。基因工程的發展為人類快速獲得(dé)高效(xiào)菌種(zhǒng)提供了新方法。生物學發現微(wēi)生物對汙染物(wù)的降解性(xìng)與其所帶的質粒有(yǒu)關。在廢水處理中,可利用降解(jiě)性(xìng)質粒的相(xiàng)容性,把能夠降解不同難降解物質的質粒組合到1個菌(jun1)種中,組建1個多質粒的新菌種,這樣(yàng)就能使1種(zhǒng)微生物降解多種汙染物質或完成降解過程的多個環節(jiē),或使非降解性的菌種帶上質粒從而(ér)獲得降解性(xìng)。近年來,通過基因工程技(jì)術構建的具(jù)有特殊降解功能的(de)GEM已有突破性進展(zhǎn),所獲得的菌株在純培養(yǎng)中,可(kě)有效降解一些難降解物質,但在具有複(fù)雜生態(tài)係統的廢水處理構築(zhù)物中(zhōng),能否達到預期的目標汙染物的降解效果,尚需深入的(de)研究。4效果及評價4.1提高目標汙染物的去除(chú)效果生物增強作用比一般的廢水處理方法更能提高係統對BOD5、COD、TOC或某種特定(dìng)難降解物的去除效果。Chamber利用投加高效菌種強化法處理牛奶廢水,在延時曝氣(qì)、曝氣塘和氧化溝3種不同的處理係統,都(dōu)提高了BOD5、COD的去除率(lǜ)。Hung等用該方法處理馬鈴薯廢水時,TOC的去除率達到98%。Selvaratnam等通(tōng)過在活性汙(wū)泥法中投加苯酚降(jiàng)解菌PseudomonasputidaATCC11172提高了苯酚的去除率。在40d內處理係統對苯酚的(de)去除率可(kě)保持在95%~100%;而(ér)在沒有采(cǎi)用生物強化的對照組中(zhōng)苯酚的去除率開始很高,但很快降低到40%左右。Chin等在附著生長生(shēng)物床中,加入降解BTX(苯(běn)、甲苯、二甲苯)的混合(hé)優勢菌,HRT=1.9h,生物增強係統的去除效果為10mg/LBTX,而非生物增強係統的去(qù)除效果僅為3.2mg/LBTX。在序批式培養條件下,Schmidt等人先後(hòu)證實,葡萄糖對Pseud.putida-l菌株降解硝基(jī)酚(fēn)的強化作用,短鏈脂肪酸及葡萄糖對氯代芳(fāng)烴化合物的還原脫氯過程的刺激作用,以(yǐ)及葡萄糖降解過程中產(chǎn)生的還原當量NADH促進偶氮染料的還原裂解脫色作用。徐向陽等(děng)(1997,1998)報道,以易降解(jiě)工業有機廢水作為含PCP和染料有機廢水厭氧處理的共基質,均有助於厭氧(yǎng)顆粒汙泥形成,改善與穩定厭氧廢(fèi)水處理的效果。4.2改善汙泥性能,減少汙(wū)泥產量生(shēng)物增強作(zuò)用(yòng)不僅可以有效地消除汙泥膨脹,增強汙泥沉降(jiàng)性能,而且可(kě)減少汙泥產量,一般可使汙泥容積(jī)降低17%~30%。這(zhè)不僅可改善出水水質,而且可(kě)減少(shǎo)汙泥排放和汙泥(ní)處理(lǐ)的能耗。Chamber的研(yán)究結(jié)果表明,在延時曝氣係統中,使用接種生物增強劑,運行3周(zhōu)就可消除汙泥膨脹現(xiàn)象;在氧化溝係(xì)統中,運行4周就可消除膨脹現象。在大規模廢水處理中,Hung等發現,使用生物增(zēng)強劑後,汙泥床厚度由2.3~2.7m降到了0.7~1.0m,既降低了能耗,又(yòu)控製(zhì)了(le)臭氣的產生。4.3縮短係統的(de)啟動時間,增強耐衝擊負荷的能力和係統的穩定性投加一定(dìng)量的高效菌種,增大處理係統中有(yǒu)效菌種的比率,可縮短係統的啟動時間,達(dá)到較高(gāo)的快速處理效果,同(tóng)時(shí)還可增強係統的耐衝(chōng)擊負荷能力以及處理係統的(de)穩定(dìng)性。Edgehill等曾用降解五氯酚(PCP)的純種菌來增強活性汙泥處(chù)理係統,向係統中加入10%(相對於固有菌量)的純種菌後,PCP廢水處理的馴化期被大大縮短了。為(wéi)了研究酚的降解情(qíng)況,Watanabe等把3種菌接種到3個活性汙泥係統(tǒng)的(de)單元體(tǐ)係中,結果發現,在普通活性汙泥係(xì)統中,需要10d才能將(jiāng)酚完全降(jiàng)解,而在接種了E1、E2菌種的增強係統中,分別隻需(xū)要2、3d就可將酚完全降解。5生物強(qiáng)化係統的優化設計應用(yòng)生物增強技術時要綜合考(kǎo)慮水質、水量(liàng)、投菌量、營(yíng)養物質、消(xiāo)耗氧(yǎng)量、反應器類型、水力停留時間等諸多(duō)因素(sù)。菌量、營(yíng)養物和基質類似物的投加量是(shì)生物強化係統設計(jì)的重要參數。隨著投菌量的增加,一般強化效果會提高,但投菌量過大,廢水處理成本則會升(shēng)高。因此,投菌量要根據廢水中目標降解物(wù)的含量和要達到的(de)處理水平來決定(dìng),一般在係統啟動時,采用重投菌,投菌量比較大,係統穩定後,投菌量可為啟動時的1/10~1/8。高效(xiào)菌的投(tóu)加方式如表2所示。在實際工程應用中,可選擇適當的投加方式。6結束語生(shēng)物強(qiáng)化技術已成為在現代廢水(shuǐ)處理的(de)研究熱點。該方法(fǎ)具有許多優點,可提高難降解有機物的去除率、改善汙泥性(xìng)能、縮短係統(tǒng)的啟動時間、增強係統的運行穩定性和耐衝擊負荷能(néng)力等。利用原有水處理設施(shī),生(shēng)物增強技術能明顯地提高水處理範圍和水處理(lǐ)能(néng)力,操作簡便,易(yì)於管理(lǐ)。生物強(qiáng)化技術與傳統生物處理技術相結合,已(yǐ)成為廢水生物(wù)處理的必然趨勢。