難降解廢水的生物強化處理技術
摘要:詳細介紹了生物強化技術的作用機理以及國內外利用該技術處理難降解廢水的研究與應用現狀。生物強化技術具有針對性強、應用靈活、效率高等優點，在難降解廢水治理領域有著廣泛的應用前景。
關鍵詞:難降解廢水;生物強化技術;生物處理
傳統生物處理技術在難降解廢水中有一定的應用，但都存在很大的局限性，生物強化技術具有針對性強、應用靈活、效率高等特點，在該領域成為研究熱點。
1生物強化技術
生物強化技術就是為了提高廢水處理系統的處理能力而向該系統中投加從自然界中篩選的優勢菌種或通過基因組合技術產生的高效菌種，以去除某一種或某一類有害物質的方法。它通過向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物來增加生物量，以強化對某一特定環境或特殊污染物的去除作用。投人的菌種與基質之間的作用主要有直接作用和共代謝作用。
①直接作用。即通過馴化、篩選、誘變、基因重組等技術得到一株以目標降解物質為主要碳源和能源的微生物，并將該菌種投入處理系統以去除目的物。目前投加的高效菌株主要是通過質粒育種和基因工程構建。
a.質粒育種。即將兩種或多種微生物通過細胞結合或融合技術，使供體菌的質粒轉移到受體菌體內，使受體菌保留自身功能質粒，同時獲得供體菌的功能質粒，即培育出具有兩種功能質粒的新品種，這已在環境工程中獲得初步研究成果:Chakrabarty等將嗜油假單胞菌體內有降解辛烷、乙烷、癸烷功能的OCT質粒和抗汞質粒MER同時轉移到對汞(20mg/L)敏感的惡臭假單胞菌體內，使其轉變成能抗50一70mg/L的汞且能高效分解辛烷的解烷抗汞質粒菌。把降解芳烴、菇烴、多環芳烴的質粒轉移到能降解脂烴的假單胞菌體內，結果得到了可同時降解4種烴類的超級菌，它能把原油中約2/3的烴消耗掉。自然菌種要花一年多才能將海上浮油分解完全，而超級細菌只要幾小時就分解完全。將分別含有降解偶氮染料質粒的編號為K24和K,6的兩株假單胞菌通過質粒轉移技術可培育出兼有分解兩種偶氮染料功能的脫色工程菌。Q5T工程菌是將嗜溫的 Pseudomonas putda pawl 和嗜冷的Q5菌株融合，使前者體內降解甲苯、二甲苯的TOL質粒轉移人Q5菌株體內構建而成，該菌在0℃仍能正常利用濃度為1000mg/L的甲苯作碳源，這對寒冷地區的廢水生物處理很有意義。
b.利用基因工程構建。基因工程是指在基因水平上的遺傳工程，又叫基因剪接，是用人工方法把所需要的某一供體生物的DNA提取出來，在離體的條件下用限制性內切酶將離體DNA切割成帶有目的基因的DNA片段，每一片段平均長度有幾千個核昔酸，用DNA連接酶把它和質粒(載體)的DNA分子在體外連接成重組DNA分子，然后將重組體導人某一受體細胞中，以便外來的遺傳物質在其中進行復制擴增和表達，而后進行重組體克隆篩選和鑒定，最后對外源基因表達產物進行分離提純，從而獲得新品種。
現在，利用基因工程獲得了分解多種有毒物質的新型菌種。例如:A.Khan等從P.putdaOV83分離出3一苯兒茶酚雙加氧酶基因，將它與pCP13質粒連接后轉人E.coli中表達。另外，將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別切割下來組合在一起構建成工程菌，使它同時具有降解上述兩種物質的功能。McClure用4L曝氣池裝置考察體內含有降解3一氯苯甲酸酪質粒pD10的基因工程菌的存活時間和代謝活性，工程菌濃度為4x106個/L，存活時間達56d以上。此外，還獲得了含有快速降解幾丁質、果膠、纖維二糖、淀粉和竣甲基纖維素等質粒的大腸桿菌。
②共代謝作用。即微生物在有它可利用的惟一碳源存在時，對它原來不能利用的物質也能分解代謝的現象。對于一些有毒有害物質，微生物不能以其為碳源和能源生長，但在其他基質存在下能夠改變這種有害物的化學結構使其降解，如在甲烷、芳香烴、氨、異戊二烯和丙烯為主要基質而生長的一些菌可以產生一種氧合酶，這種酶可以共代謝三氯乙烯(TCE)。
共代謝作用可以提高微生物對難降解物質的降解效率。Grav。等發現，漂白廠的廢水對產甲烷菌有抑制作用，但當用甲醇或乙醇作一級基質時可以提高對廢水中難生化有機鹵化物的去除率。共代謝作用主要有3種類型:
a.生物在正常生長代謝過程中對二級基質的共同氧化。這種代謝是指當一級基質存在時，一級基質的代謝能夠提供足夠的碳源和能源供微生物生長并誘導產生相應的降解酶來降解二級基質。何苗等報道，雜環化合物及多環芳烴的生物降解需要一個完整的厭氧微生物食物鏈系統，葡萄糖的存在可為相關的微生物提供碳源和能源，另外葡萄糖經相關微生物的代謝還可為受試有機物的開環提供必需的還原力和各種輔酶。付莉燕等〔5〕考察了厭氧條件下廢水中活性染料(活性翠藍)的生物降解，發現以活性翠藍為單一碳源時，厭氧菌不能降解活性翠藍，但在進水中補充葡萄糖后，厭氧菌對葡萄糖和活性翠藍產生了共代謝作用，活性翠藍被降解。施漢昌等的研究也表明，補充碳源，可以提高啤酒廢水污泥對氯酚的降解作用。
b.微生物間的協同作用。這種代謝是指有些污染物的降解并不導致微生物的生長和能量的產生，它們只是在微生物利用一級基質時由微生物所產氧化物進而被另一種微生物利用并徹底降解。有研究證明，在用苯甲酸單獨培養普通的脫硫弧菌屬和銅綠假單胞菌屬時，二者均不能利用苯甲酸，但當在含有苯甲酸和S02的基質中共同培養時，苯甲酸即可
徹底被生物降解，同時so-2被還原為H2S;生物膜或顆粒污泥的形成能有效地發揮微生物間的協同作
用，提高生物降解率。
c一級基質不存在時休眠細胞對二級基質的利用。翟福平〔8〕研究了氯苯類有機物的生物降解，分別用氯苯、鄰二氯苯、間二氯苯、對二氯苯、1,2,4-三氯苯溶液馴化污泥并使其中微生物處于內源呼吸階段，然后用這些污泥對這5種有機物在不同濃度下的降解進行了研究，發現用氯苯、鄰二氯苯、間二氯苯溶液馴化的污泥，能夠有效地相互降解，它們誘
導的酶系統具有一個共同特征，即要求被作用的二級基質苯環上至少具有一個“連續三空結構”;由于對二氯苯、1,2,4一三氯苯缺乏“連續三空結構”，故不能被由上述3種有機物馴化的污泥降解，而用這2種有機物馴化的污泥誘導的酶系統，作用的二級基質范圍更寬，只要求二級基質苯環上至少具有一個“連續二空結構”即可，所以用這2種有機物馴化的污泥能夠降解所有受試的5種有機物。由此可見，共代謝作用在氯代苯的生物降解中能發揮重要作用，因此可考慮利用此技術來馴化和富集高效降解菌株。
2生物強化技術的應用
①焦化廢水處理
焦化廢水中污染物組成復雜，含有十幾種無機物和有機物，有機物包括酚類、芳香族化合物以及含氮、硫、氧的雜環化合物，屬較難生物降解的高濃度有機工業廢水，國內外研究者現在主要是通過投加高效菌種和化學試劑來提高現有處理設施的處理效率。固定化高效降解微生物的生物強化技術在焦化廢水處理中也有成功的應用。吳立波等〔9〕利用唆琳為惟一碳源，馴化得到處理焦化廢水的高效菌種，并使其一部分附著在陶粒載體上處理焦化廢水，取得了很高的去除率。
②制藥廢水處理
羅國維等利用投菌接觸氧化法處理潔霉素廢水，將經過分離純化得到的高效微生物接種、活化、離心洗滌，制成菌懸液并接種于適量COD濃度的人工配水中，同時以不投加微生物菌體的相應培養基作為對照。結果表明，混合菌的降解能力最強，降解率為52.6%，雖然未表現出明顯的疊加效果，但在降解速度、降解率、存活時間、抗沖擊性以及抑制雜菌人侵等綜合特性方面，卻表現出任何單一菌株無法比擬的優越特征。
③印染廢水處理
印染廢水中含有大量難降解的有機染料，傳統的好氧生物膜法去除效果不理想。賈省芬等[川分別利用高效脫色菌、聚乙烯醇(PVC)降解菌以及活性污泥接種厭氧一好氧系統，結果表明，利用高效脫色菌和PVA降解菌接種厭氧一好氧處理系統處理印染廢水時生物膜形成快，去除效率高且穩定，厭氧反應器對色度的去除率比活性污泥接種高12.5%o
④垃圾滲濾液
丁雪梅通過EM(effective microorganisms)菌劑培養生物膜和活性污泥來處理滲濾液，結果表明，EM菌劑可明顯提高對COD,BOD的去除率，能夠加快處理設施啟動速度，重新掛膜速度較快，系統的穩也有所增強。
3結語
微生物技術與廢水處理技術的融合開辟了一條新途徑—生物強化技術，它具有針對性強、應用靈活、效率高等諸多特點，在難降解廢水治理中應具有廣闊的應用前景。
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