【幹貨(huò)】生物強化技術詳解(jiě)!
隨著現代合成工業的發展,大量異(yì)生化合物(Xenobiotics)進入了工業廢水和城市汙水中,由於其本(běn)身具有結構複雜性和生物(wù)陌(mò)生性,因此很難在短時間內(nèi)被(bèi)常規生物(wù)處理係統(tǒng)中的微生物(wù)分解氧化。為了解決難降解有機廢水的處理問題,國外學者提出了生物強化技術(Bioaugmentation)的概念。生物強化技術是指在生物處理係統中,通過投加具有特定功能的微生物、營養物或基質類似物,達到提高廢水(shuǐ)處理(lǐ)效果的手段和方法。2作用機製2.1高效菌種(zhǒng)的直(zhí)接作用這種(zhǒng)作用機製首先需要通(tōng)過馴化、篩選、誘變和基因重組等生物技術(shù)手(shǒu)段(duàn)得到1株以目標降解物質為主要碳源和能源(yuán)的高效微生物菌種,再經培養繁(fán)殖後(hòu),投放到具有目標降解物質(zhì)的廢水處理係統中。因此,當原處理係統中不含(hán)高效菌種時(shí),如果投入一定量(liàng)的(de)高效菌種,則可(kě)有針對性地去除廢水中的目標降解(jiě)物;當原處理係統中隻存在少量高效菌種時,那麽投加高效菌種後,可大大縮短微生物馴化所需要的時間。在(zài)水力停留時間不變的情況下,能達到(dào)較好的去除效果。2.2微(wēi)生物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,才能進行的有機化物的(de)生物降解過程。共(gòng)代謝過程不僅包括微生物在正常生長代謝過程中對非生(shēng)長基質的共同氧化,而且也(yě)包括了(le)休止細胞(restingcells)對不可利用基質的氧化代謝。微生物的共代謝作用可分為:①以易降解的有機物為碳源和能源,提高(gāo)共代(dài)謝菌的生理活性;②以目標汙染物的降解產物、前體(tǐ)作為酶的(de)誘導物,提高酶的合成;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(de)去除效果,但機(jī)理十分複雜,迄今有很多問題尚處於研究(jiū)階段。一些學者曾針對共代謝現(xiàn)象提出了各種假(jiǎ)設(shè)。Foster認為微生物不能在(zài)某種基質上生長的原因並不是由於微生物無法分解代謝該物(wù)質,而是由(yóu)於微生物本身缺(quē)乏吸收、同化其氧化產物的能力。Hughes提出鹵代芳烴化合物(wù)的共代謝可能是由於(yú)微生物無法從苯(běn)環上脫去鹵素取代基(jī),並把芳香環基(jī)質導向碳吸收同化的節點。Tranter和Cain把具(jù)有(yǒu)氧化代謝鹵代芳烴化合物功能的(de)細菌不能在該基質上生長的原因歸(guī)結於(yú)有毒產物的積累。但目前提出的各種假設都不能圓滿地解(jiě)釋實際(jì)工程中所發生的各種共代謝現(xiàn)象。許多難降解有機物的去除是通過共代謝途徑進行的。例(lì)如在氧化塘處理焦化廢水的係統中(zhōng),投加生(shēng)活汙水可大大提高COD的(de)去除(chú)率,其主要原因就是生活汙水中含有多(duō)種營養元素,加強了生物的共代謝作用。瞿福平等在對氯(lǜ)代芳香烴化合物的研(yán)究中發現,氯苯類同係物(wù)共存時,對氯苯的(de)生(shēng)物降解性有一定程度的(de)影響。鄰二氯(lǜ)苯,間二氯苯的(de)共存有利(lì)於整個體係的(de)降解,但氯苯的耗氧速率有所降低。Adriaens等研究發現,一株Acinetbactersp.生長在(zài)含有4-氯苯甲酸鹽(4CB)的基質上時,可以將(jiāng)原來不能利用的3,4-二氯苯甲酸鹽(3,4-DCB)轉化成(chéng)3-氯-4-羥基苯甲(jiǎ)酸鹽,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(jiě)微生物(wù)該技術得以實施(shī)的前提是獲得能作用於(yú)目標降解物的高效菌株,從理論(lùn)上講,對於天然合成的有機物,一般都能夠找到相應的降解(jiě)菌株。一些難降解有機(jī)物的高效降解菌如表1所示。這些降解菌在純培養體係中大多數都能表現出高活性,但在(zài)多菌株共存的(de)生(shēng)物處理係統中,投加(jiā)純培養高效降解菌株(菌劑)後,能否起到強化生物(wù)處理作用,在實際生產中,尚難以預料。要使高效菌(jun1)持續發揮作用必(bì)須滿足(zú)下(xià)列條件:(1)投(tóu)加後菌體具有的高活性不被破壞;(2)菌體可快速降解目標汙染物;(3)在係統中(如(rú)曝氣池)不僅要具有競爭性生存的能力,而且生物量還應具有一定的水平(píng)。3.2投加營養物和基質類(lèi)似物由於大部分(fèn)難降解有機物的降解是通過共代謝途徑進行的(de),在常規活性汙泥係統中可降解目標汙染物的微生物活性和數量都(dōu)比較低。通過投加某些碳源和能源營養物質(zhì),或提(tí)供目標汙染物降解過程中所需(xū)要的因子,將有助(zhù)於降解菌的生長,改善處理係統的運行工況。投加基質(zhì)類似物是由代謝酶的誘導作用提出的,即利用目標汙染物的降解產物、前體作為酶的誘導物,提高酶的活性。在廢水處理中,誘導物(基質類似(sì)物)應滿足:①毒性小;②價格(gé)低廉且有多種用途;③在無富集基質(目標(biāo)汙染物)時(shí),誘導物(wù)可維持富集培養物的生長特(tè)性與(yǔ)汙染物降解(jiě)動(dòng)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染(rǎn)物的高效菌種,至(zhì)少需要1個月甚至幾個月的時(shí)間。基因工(gōng)程的發展(zhǎn)為人類快速獲得(dé)高效菌種提供了新方法。生物學發現微生物對(duì)汙染物的降解性與其所帶的(de)質粒有關。在廢水處理中,可利用降解性質粒的相容性,把能夠(gòu)降解不同難降解物質的質粒組合到1個菌種中(zhōng),組建1個多質(zhì)粒的新(xīn)菌(jun1)種,這樣就能使1種微生物(wù)降解多(duō)種汙染物質或完(wán)成降解過程的多個環節,或使(shǐ)非降解性的菌種帶上(shàng)質粒從而獲得降解性。近(jìn)年來(lái),通過基因工程技術構(gòu)建的具有特殊降解功能的GEM已(yǐ)有(yǒu)突(tū)破性(xìng)進(jìn)展,所獲得的菌株在純培養中(zhōng),可有效(xiào)降解一些難降解物質,但在具有複(fù)雜生態(tài)係(xì)統的廢水處理構築物中,能否達到預期的(de)目標汙(wū)染物的降解效果,尚需深入的研究。4效果及評價4.1提高目標汙(wū)染物的(de)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或某種特定難降解物的去(qù)除效果。Chamber利用投加高效菌種強化法處理牛奶廢水,在延時(shí)曝氣、曝氣塘(táng)和氧化溝3種不(bú)同的處理係統,都提高了BOD5、COD的去(qù)除率。Hung等用該方法處(chù)理馬鈴薯廢水時,TOC的去除率達(dá)到98%。Selvaratnam等通過在活性汙泥法中投加苯酚降解菌PseudomonasputidaATCC11172提高了苯酚的去除率。在40d內處理係統對苯酚的去除率可保(bǎo)持在95%~100%;而在沒有采用生物強化的對照組中苯酚的去除率開始很高,但(dàn)很快降低到(dào)40%左右。Chin等在(zài)附著生長生物床(chuáng)中,加入降解BTX(苯、甲苯、二甲苯(běn))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(ér)非生物增強係統的去除效果僅為3.2mg/LBTX。在序批式培養條件下(xià),Schmidt等人先後證實,葡萄糖對Pseud.putida-l菌株降解硝(xiāo)基酚的強化作用,短鏈脂肪(fáng)酸及葡萄糖(táng)對氯(lǜ)代芳烴(tīng)化合物的還原脫氯過程(chéng)的刺激作用,以及葡(pú)萄糖降(jiàng)解過程中產生的還原當量NADH促進偶氮染料的還(hái)原裂解脫色作用。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)料有機廢水厭氧處理的共(gòng)基質,均有助於厭氧顆(kē)粒(lì)汙泥(ní)形(xíng)成(chéng),改善與穩定厭氧廢水處理的效果。4.2改善汙泥性能,減少汙(wū)泥產量生物增強作用不僅可以有效地(dì)消除汙泥膨脹,增(zēng)強汙泥沉降性能,而且可減少(shǎo)汙泥產量,一般可使汙泥(ní)容(róng)積降低17%~30%。這不僅(jǐn)可改善(shàn)出水水質,而且可減(jiǎn)少汙(wū)泥排放和汙泥處理的能耗。Chamber的研究結果表明,在延時(shí)曝氣係統中,使用接種生物(wù)增強劑,運行3周就可消除汙(wū)泥膨脹現象;在氧化(huà)溝係統中,運行4周就可(kě)消除膨脹現象。在大規模廢水處理中,Hung等發現,使用生物增強劑後,汙泥(ní)床厚度由(yóu)2.3~2.7m降到了0.7~1.0m,既降低了能耗,又控製了臭氣的產生。4.3縮短係統的啟動時間,增強耐衝擊負荷的能力(lì)和(hé)係統的穩定性投加(jiā)一定量的高效菌種,增大(dà)處理係統中有效菌種(zhǒng)的比(bǐ)率,可縮短係統的啟(qǐ)動(dòng)時間,達到較高的快速處理效果,同時還可增(zēng)強係統的耐衝(chōng)擊負荷能力以及處理係統(tǒng)的穩定性。Edgehill等曾(céng)用降解五氯酚(PCP)的純種菌來增強活性汙泥處理係統,向係統(tǒng)中加入10%(相對於(yú)固有菌量)的純種菌後,PCP廢水處理的馴化(huà)期被大大縮(suō)短了。為了研究酚的降解情況,Watanabe等把3種菌接種到3個活性汙泥係統的(de)單元體係中(zhōng),結果發現,在普通活性汙泥(ní)係統中,需要10d才能將(jiāng)酚完全(quán)降解,而在接種了(le)E1、E2菌種的增強係統(tǒng)中,分別隻需要2、3d就可將酚完全降解。5生物強化係統的優化(huà)設計應用生物增強技術時要綜合考慮水質、水(shuǐ)量、投(tóu)菌量(liàng)、營養物質、消耗(hào)氧量、反應器(qì)類型、水力停留時間等諸(zhū)多(duō)因素(sù)。菌量(liàng)、營養(yǎng)物和基質類似物的投加量是生物強化係統(tǒng)設計的重要參數。隨著(zhe)投菌量的增加,一般強化效(xiào)果會提高,但投菌量過大(dà),廢水處理成(chéng)本則會升高。因此,投菌量要根(gēn)據廢(fèi)水中目標降解物的含量和要達到的(de)處(chù)理水平來決定,一般在係統啟(qǐ)動時,采用(yòng)重投菌(jun1),投菌(jun1)量比(bǐ)較大,係(xì)統穩定後,投菌(jun1)量可為啟動時的1/10~1/8。高效菌的投加方式如表2所示。在實際工程應用中,可選擇適(shì)當的投加方式。6結(jié)束語生物強化技術已成為在現代廢水處理的研究熱(rè)點。該方(fāng)法具有許多優點,可提高難降(jiàng)解有機物的去除率、改善汙泥性能、縮短係統的啟動時間、增強係(xì)統的運行穩定性和耐衝擊負荷能力等。利用原有水處理設施,生物增強技術能(néng)明顯地提(tí)高水處理範圍(wéi)和水處理能力,操(cāo)作簡便,易於管理。生物強化技術與傳(chuán)統生(shēng)物處理(lǐ)技(jì)術相結合,已成為廢水生(shēng)物(wù)處理的必然趨勢。