【幹(gàn)貨】生物強化技術詳解!
隨著現代合成工業的發展,大量異生化合物(Xenobiotics)進入了工業廢水和城市汙水中,由於其本身具有結構複雜性和(hé)生物陌生性,因此很難在(zài)短時間內被(bèi)常規生物處理係統中的微生物分解氧(yǎng)化(huà)。為了解決難降解有機廢水的(de)處理問題,國外學者提出了生物強化技術(Bioaugmentation)的(de)概念。生物(wù)強化技術是指在生物處(chù)理係統中,通過投加具有特定(dìng)功能的微(wēi)生物、營養物或基質類似物(wù),達到提高廢水處理效果(guǒ)的手段和方法(fǎ)。2作(zuò)用機製2.1高效菌種的直接作用這種作用機製首先(xiān)需要通過馴化、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)解物質(zhì)為主要碳源和能源的高效微生物菌種,再經培養繁殖後,投放到具有目標降解物質的廢水處理(lǐ)係統中。因此,當原處理係統中不含高(gāo)效菌種時,如果投入一定量(liàng)的高效菌種,則可有(yǒu)針對性地去除廢水中的目標降解物;當原處理係統中隻存(cún)在少量高效菌種時,那麽(me)投加高效菌種(zhǒng)後(hòu),可大大縮短微生物(wù)馴化所需要的(de)時間。在水力停留時間不變的(de)情況下,能達到較好的去除(chú)效果。2.2微生物(wù)的共代謝作用所謂微生物的共代謝作用是指隻有在初級能源物質存在(zài)時,才能進行的有機(jī)化物的生物降解過程。共代謝過程不僅包括(kuò)微生物在正常生(shēng)長(zhǎng)代謝過程中對非生長基質的共同氧化,而且也包括了休止細胞(bāo)(restingcells)對不可利(lì)用基質(zhì)的氧化代(dài)謝。微生物的共(gòng)代謝作用可分(fèn)為(wéi):①以易降解的有機物為碳源和能源,提高共代謝菌的(de)生理活性;②以目標汙染物的(de)降解產物、前體作為酶的誘導物(wù),提高酶的合(hé)成;③不同微生(shēng)物之間的協同作用。共代謝雖然能提高難降解有機物的去除(chú)效(xiào)果,但機理十分複雜,迄今(jīn)有很多問題尚處於(yú)研究階段。一些學者曾針對共代謝現象提出了各種假(jiǎ)設。Foster認為(wéi)微生物(wù)不能在某種基質上生長的原因並(bìng)不是(shì)由於微生物無法分解代謝該(gāi)物質,而是由於微生物本身缺乏吸(xī)收、同化其(qí)氧化產物(wù)的能力。Hughes提出鹵(lǔ)代芳烴化合物的共代謝可能是由(yóu)於微生物無法從苯環上脫去鹵素(sù)取代基,並(bìng)把芳香環基質導向碳吸(xī)收同化的節點(diǎn)。Tranter和Cain把具有氧化代謝鹵代芳烴(tīng)化合物功能的細菌(jun1)不能在該(gāi)基質上生長的(de)原因歸結於有毒產物的積累。但目前提出的各種假(jiǎ)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。許多難降解有機物的去(qù)除是通過共代謝途徑進行的。例如在氧化塘處理焦化廢水的係統中,投(tóu)加生(shēng)活(huó)汙水(shuǐ)可(kě)大(dà)大提高(gāo)COD的去除率,其主要原因就是生活(huó)汙水中含有多種營養元素,加強了生物(wù)的共代(dài)謝作用。瞿福平等在對氯代芳香烴化(huà)合物的研究中(zhōng)發現,氯苯類同係物共存時,對氯苯的生物(wù)降解性有一定程度的影響。鄰二氯苯(běn),間二氯苯的(de)共存有利於整個體係的降解,但氯苯(běn)的(de)耗氧速率(lǜ)有所降低。Adriaens等研究發現,一株Acinetbactersp.生長在含有4-氯苯甲酸鹽(4CB)的基質上時,可以將原來不能利用(yòng)的3,4-二氯苯甲酸鹽(3,4-DCB)轉化成3-氯-4-羥基苯甲酸(suān)鹽,毫無疑問共代謝在其中(zhōng)發揮了重要的(de)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獲得能作用於目標降解物的高效菌株(zhū),從理論上(shàng)講,對於(yú)天然合成的有機(jī)物,一般都能夠找到相應的降解菌株。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能表現出高活性,但在多菌株共存(cún)的生物處理係統中,投加純培養高效降解(jiě)菌株(菌劑)後,能否起(qǐ)到強化生物處理作用,在實際生產中(zhōng),尚難以預料(liào)。要(yào)使高效菌持(chí)續(xù)發(fā)揮作(zuò)用必須(xū)滿足下列條件:(1)投加後菌體具有的高活性不被破壞;(2)菌體可快速(sù)降解目標(biāo)汙染物;(3)在(zài)係統中(如曝氣池)不僅要具有競爭性生存的能力,而且生物(wù)量還應具有一(yī)定的水平。3.2投加營養物和基質類似(sì)物由於大部分難(nán)降解有(yǒu)機物的(de)降解是通過共(gòng)代謝途徑進行的,在常規活性汙泥係統中可降(jiàng)解目標汙(wū)染物的微(wēi)生物活性和數量都比(bǐ)較低。通過投加(jiā)某些(xiē)碳源和能源(yuán)營養物質,或提供目標汙染物降解過程中所需要的因子,將有助於降解菌的生長,改善處理(lǐ)係統的運行工況。投加基質類似(sì)物是由代謝酶的(de)誘導作用提出的,即利用目標汙(wū)染物的降解產物、前體作為酶的誘導物(wù),提(tí)高酶的活性。在廢水處理中,誘導物(基質類似物)應(yīng)滿足:①毒性小;②價格低廉且有多種用途;③在無富集基質(目標汙染物)時,誘導物可維持富集培養物的生(shēng)長特(tè)性與汙染(rǎn)物降解動力學。3.3投加遺傳工程(chéng)菌(jun1)GEM按(àn)照傳統方法,要得到能降解目標汙染(rǎn)物的高效菌種,至少需要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高效菌種提供了新方法。生物(wù)學(xué)發現微生物對汙染(rǎn)物的降解性與(yǔ)其所帶的質粒有關。在廢水處理中(zhōng),可利用降解性質粒的相容性,把能夠降解不同難降解物質的質粒組合到1個菌種中,組建1個多質粒的新菌種,這樣就(jiù)能使1種微(wēi)生物降解多種汙染(rǎn)物質或(huò)完成降(jiàng)解過程的多個環節,或使非降解(jiě)性的菌種帶上質粒從而獲得降解性。近年來,通過基因工程技術構建的具有特殊降(jiàng)解功能的GEM已有突破性進展(zhǎn),所獲得的菌株在純培養中,可有效降解一些難降解物質,但在具有複雜生態(tài)係統的廢水(shuǐ)處理構築物(wù)中,能否達到預期的目標汙染物的降解效果(guǒ),尚需深入的研究。4效果及評價4.1提高目標汙染(rǎn)物的去除效果生物增強作用比(bǐ)一般的廢水處理方法更能提(tí)高係統對BOD5、COD、TOC或某種(zhǒng)特定難降解(jiě)物的去除(chú)效果。Chamber利用(yòng)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,都提高了BOD5、COD的去除率。Hung等用該方法處理馬鈴薯廢水時,TOC的去除率(lǜ)達到(dào)98%。Selvaratnam等通過(guò)在(zài)活性汙泥法中投(tóu)加苯酚降解菌PseudomonasputidaATCC11172提高了苯酚的去除率。在40d內處理係(xì)統對苯酚的去除率可保持在95%~100%;而在沒有采用(yòng)生物強(qiáng)化的對照組中苯酚的去除(chú)率開始很(hěn)高,但(dàn)很快降低(dī)到40%左右。Chin等(děng)在附(fù)著生長(zhǎng)生物床中(zhōng),加入(rù)降解BTX(苯(běn)、甲苯、二甲苯)的混合優勢菌,HRT=1.9h,生(shēng)物增強係統的去除(chú)效果(guǒ)為10mg/LBTX,而非生物增強係統的去除效果僅為(wéi)3.2mg/LBTX。在(zài)序批式培養條件下,Schmidt等人先後證實,葡萄糖對Pseud.putida-l菌株降解(jiě)硝基酚的強(qiáng)化作用,短鏈脂肪酸及(jí)葡萄糖對氯代芳烴(tīng)化合物的還原脫氯過(guò)程(chéng)的刺激作用(yòng),以及葡萄糖降解過程中產生的還原當量NADH促進偶氮(dàn)染料的還原裂解(jiě)脫色作用。徐向陽等(děng)(1997,1998)報道,以易降解工業有機廢水作為含PCP和染(rǎn)料有機(jī)廢(fèi)水(shuǐ)厭氧處理的共基質,均有助於厭氧顆粒汙泥形成,改善與穩定厭(yàn)氧廢水處理的效果(guǒ)。4.2改善汙泥性能,減少汙泥產(chǎn)量生物增強作(zuò)用(yòng)不僅可以有效地消(xiāo)除汙泥膨(péng)脹,增強汙泥沉降性能,而且可減少汙泥產量,一(yī)般可使汙泥容積降(jiàng)低17%~30%。這不僅(jǐn)可改善出水水質,而且可減少汙泥排放和汙泥處理的能耗。Chamber的研究結果表明,在延時曝氣(qì)係統中,使用接種生物增強劑,運行3周就可消除汙泥膨脹現象(xiàng);在氧化溝係統中,運行4周(zhōu)就可消除(chú)膨脹現象。在大規(guī)模廢水處(chù)理中,Hung等(děng)發現,使用生物增強劑後,汙泥(ní)床厚度由2.3~2.7m降到了0.7~1.0m,既降(jiàng)低了能耗,又控製了臭氣(qì)的產生。4.3縮短係統的啟(qǐ)動時間,增強耐衝(chōng)擊(jī)負荷的(de)能力和係統的穩定性投加一定量的(de)高效菌種,增大處(chù)理係統中(zhōng)有效菌(jun1)種的比率,可縮短係統的啟動時(shí)間,達到較高的快速處理效果(guǒ),同時還可(kě)增(zēng)強(qiáng)係統的耐衝擊負荷能力以及處理係統的穩定性。Edgehill等曾用降解五氯酚(fēn)(PCP)的純種菌來增強活性汙泥處理係統,向係統中(zhōng)加入10%(相對於固有(yǒu)菌量)的純種菌後,PCP廢水處理的馴化期被大大縮短了。為了(le)研究酚(fēn)的降解(jiě)情況,Watanabe等(děng)把3種菌接種到3個活性汙泥係統(tǒng)的單元體係中,結果發現,在(zài)普通活性汙(wū)泥係(xì)統中,需要10d才能將酚(fēn)完全降解,而在接種了E1、E2菌種的增強係統中,分別隻需要2、3d就可將酚完全降解。5生物(wù)強化係統的優化設計應用生物增強技術時要綜合考慮水質、水量、投菌量、營養物質、消耗氧(yǎng)量、反應器類(lèi)型、水力停留時間等諸多因素。菌量、營養物和基質類似(sì)物的投加量是生物強(qiáng)化係統設計的重要參數。隨著投菌(jun1)量的增加,一般強化(huà)效果會提高,但(dàn)投菌量過大,廢(fèi)水處理成本則會升高。因此,投菌量要根據(jù)廢水中目標降解物的含量和要達(dá)到的處理(lǐ)水平來決定,一(yī)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(kě)為啟動時的1/10~1/8。高效菌的投加方(fāng)式如表2所示。在實際工程(chéng)應用中,可(kě)選擇適當的投加方(fāng)式。6結束語生物強化技術已成為在現代廢水處理的研究熱點。該方法具有許多優點,可提高難降(jiàng)解有機物的去除率、改(gǎi)善(shàn)汙泥性能、縮短係(xì)統的啟動時(shí)間、增(zēng)強係統的(de)運行穩定性和耐衝擊(jī)負荷能力等。利用原有水處理設施,生物增(zēng)強技術能明顯地提高水(shuǐ)處理範圍和水處理能力,操作簡便(biàn),易於管(guǎn)理。生物強化技術與傳統生物處理技(jì)術相結合,已成為(wéi)廢水(shuǐ)生物(wù)處理(lǐ)的必然趨勢。