生物強化技術(shù)在污水處理中的作用機理及應(yīng)用現(xiàn)狀

楊懿寧，楊殿海

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

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生物強化技術(shù)在污水處理中的作用機理及應(yīng)用現(xiàn)狀

楊懿寧，楊殿海

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

針對如今傳統(tǒng)生物處理方法處理難降解、有毒廢水能力不足問題，提出了用生物強化技術(shù)處理這一類廢水。介紹了生物強化技術(shù)的機理、高效菌的獲取手段及技術(shù)的優(yōu)勢，并進(jìn)一步闡述了生物強化技術(shù)未來的研究方向及面臨的挑戰(zhàn)。

生物強化技術(shù)；污水處理；作用機理；高效降解菌

生物處理法因其成本低、效率高、控制管理方便、無二次污染的優(yōu)勢，成為目前污水處理領(lǐng)域中最為常用的處理方法。生物處理法通過微生物的新陳代謝使有害的污染物質(zhì)轉(zhuǎn)換為無害、穩(wěn)定的小分子物質(zhì)。但是隨著工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了各類難生物降解甚至有毒的廢水，使得傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)缺少降解這類廢水所需的微生物或者所需營養(yǎng)物質(zhì)；系統(tǒng)中微生物的降解能力受到抑制；系統(tǒng)中的微生物沒有足夠的數(shù)量或者濃度成為優(yōu)勢種群，影響了其降解速率；在極端如低溫條件下處理效果差[1-2]。由此，生物強化技術(shù)應(yīng)運而生。生物強化技術(shù)(bioaugmentation)[2]是指通過向傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)中引入具有特定功能的微生物，提高有效微生物的濃度，增強對難降解有機物的降解能力，提高其降解速率，并改善原有生物處理體系對難降解有機物的去除效能。生物強化技術(shù)起源于19世紀(jì)，20世紀(jì)80年代以來開始廣泛地用于解決環(huán)境問題。生物強化技術(shù)所引入的特定微生物需具備以下要求[3]：①對目標(biāo)污染物有一定的降解能力；②具有活性；③能夠競爭生存，在處理系統(tǒng)中維持足夠的數(shù)量以及濃度；④有一定的抗沖擊能力。

1 生物強化技術(shù)作用機制

生物強化技術(shù)去除各類目標(biāo)污染物，主要通過高效降解菌的直接作用和微生物的共代謝作用兩種模式得以實現(xiàn)[4]。

1.1 高效降解菌直接作用這是現(xiàn)今生物強化最為普遍的作用機制。高效降解菌通過篩選、培養(yǎng)、馴化后，得到以目標(biāo)污染物為能源和碳源的的菌株，直接降解污染物。理想菌株的篩選最為關(guān)鍵，這種利用高效降解菌直接作用的強化技術(shù)通常具有處理效率高、抗沖擊負(fù)荷能力強的特點，在工業(yè)廢水處理中得到廣泛應(yīng)用，如表1所示。盡管純種菌對于特定污染物的去除表現(xiàn)出很好的效果，但在實際處理過程中，更傾向于用混合菌進(jìn)行生物強化。Quan等認(rèn)為，盡管一些單一菌株如Achromnassp.,Pseudomonassp.,Aeromonassp.等在降解2,4-DCP的試驗中，表現(xiàn)出很強的降解能力，但用復(fù)合菌株比單一菌株效果更佳。因其含有不同種的微生物，表現(xiàn)出更廣泛的基質(zhì)利用，可降解更多種的污染物質(zhì)，在去除2,4-DCP的同時，對4-MCP,2,4,6-TCP的降解率比用單一菌株高1～2倍[5]。徐煒等在冷軋廢水處理工藝活性污泥系統(tǒng)中投加BP型復(fù)合微生物菌劑，內(nèi)含28種微生物及纖維酶、淀粉酶及水解酶。對氨氮的去除率達(dá)到95%以上，對COD的去除率達(dá)到91%以上，分別比對照組提高16%和5%[6]。高效菌的投加量為V菌液/V焦化廢水=0.3，系統(tǒng)對酚的去除率達(dá)到99.4%。此外，高效降解菌的處理能力在低溫條件下仍能有很好的體現(xiàn)。山丹等采用低溫苯胺降解菌處理苯胺廢水，苯胺的去除率可達(dá)到100%，且對其他的污染物也有去除效果并產(chǎn)生絮凝效果[7]。

1.2 微生物的共代謝作用有些有毒有害污染物不能被微生物直接降解，但在某些底物存在時，微生物能改變這些有毒有害物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而被代謝去除[8]。共代謝一般有以下幾種類型[9]：生物在正常生長代謝中對二級基質(zhì)的共同氧化、微生物間的協(xié)同作用和一級基質(zhì)不存在時對二級基質(zhì)的利用。宋為鋒等用外加基質(zhì)去除浮選廢水中的苯胺黑藥，發(fā)現(xiàn)外加基質(zhì)的選擇和比例影響對目標(biāo)物質(zhì)的去除。基質(zhì)和污染物比例為1∶1時，可以達(dá)到最佳的去除效果。基質(zhì)過多，苯胺黑藥對關(guān)鍵酶的競爭處于劣勢；當(dāng)共代謝比例較低，基質(zhì)過少，不能滿足大量微生物生長的要求[15]。

2 高效降解菌的獲取

2.1 利用基因工程構(gòu)造高效微生物自然界中能夠自然進(jìn)化出降解某些特定污染物質(zhì)的微生物，但事實上，這個過程是非常緩慢的。基因工程構(gòu)造高效降解菌有以下幾個途徑：基粒轉(zhuǎn)移、原生質(zhì)融合、基因重組和改變細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵酶或酶系統(tǒng)。從而可以提高微生物的降解速率；拓寬底物的專一性；維持低濃度下的代謝活動；改善有機污染物降解過程中的生物催化穩(wěn)定性[16]。陳俊等用原生質(zhì)融合的生物工程技術(shù)，通過兩次跨界融合，成功構(gòu)建出工程特效菌Fhhh。Fhhh在處理苯二甲酸廢水的活性污泥系統(tǒng)中表現(xiàn)出高絮凝性、高降解、高適應(yīng)性和安全性，不存在基因污染的問題[17]。但基因工程構(gòu)造的高效微生物在運用上也存在一定問題[18]:①進(jìn)行系統(tǒng)的遺傳工程育種尚缺乏可靠的生物降解菌資料庫，這對其廣泛的運用造成了限制；②對于污染物降解基因在各種有效降解菌體內(nèi)的定位尚需做大量的研究工作，這阻礙了高效降解菌的開發(fā)和構(gòu)造；③基因工程菌釋放到環(huán)境中，對環(huán)境的影響和造成的生態(tài)風(fēng)險還待進(jìn)一步評估，如釋放到土壤中時對土壤生物的多樣性和活性的影響[19]。

表1 高效降解菌降解各類廢水

2.2 水平基因轉(zhuǎn)移(Horizontal gene transfer，HGT)又稱基因側(cè)向轉(zhuǎn)移，指生物將遺傳物質(zhì)傳遞給其他細(xì)胞而非其子代的過程，是微生物新基因和新功能轉(zhuǎn)移到受體的來源[20]。這些攜帶遺傳物質(zhì)的可移動組分包括基粒、可交換組分和可利用類抗菌素整合酶的組分等。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，相較于直接構(gòu)造高效菌株，它不會因在反應(yīng)系統(tǒng)中非優(yōu)勢種群的地位而被系統(tǒng)淘汰及自身退化。只需將有效片段轉(zhuǎn)移至優(yōu)勢菌株上，即可保證其數(shù)量及活性。這種特性對環(huán)境中微生物有著重要的意義[21]：①抗性、降解功能基因的轉(zhuǎn)移能使周圍更多的微生物獲得更多不同的表型；②促進(jìn)新的代謝途徑和微生物對于一些重金屬和污染物耐性的形成和獲得；③加快微生物的進(jìn)化，影響生態(tài)多樣性和種群結(jié)構(gòu)特征；④對系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹進(jìn)行修正。污染區(qū)域是水平基因轉(zhuǎn)移發(fā)生的頻繁區(qū)域，利用這個生物基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象有助于受污染區(qū)污染物質(zhì)的自然降解[22]。柏耀輝等從焦化廢水中分離篩選出10株高效喹啉降解細(xì)菌，將其中7株假單胞菌的320 bpqorL基因片段序列與16S rRNA 基因序列一起構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。結(jié)果表明，發(fā)育樹有較大的差別，可能是由于細(xì)菌再進(jìn)化過程中產(chǎn)生了基因突變或水平基因轉(zhuǎn)移[23]。Mohan等考察實驗室規(guī)模和中試規(guī)模的序批式生物膜反應(yīng)器處理苯甲醇廢水中的生物強化技術(shù)和水平基因轉(zhuǎn)移作用。研究認(rèn)為，實現(xiàn)水平基因轉(zhuǎn)移的先決條件是接種的菌株需要在反應(yīng)器中存活和保留足夠長的時間，以使得降解基因可以轉(zhuǎn)移到土著微生物上[24]。

表2 高效降解菌獲取方式比較

2.3 利用常規(guī)的微生物手段分離菌株通過選擇性培養(yǎng)基分離具有特定降解能力的微生物，再通過富集培養(yǎng)，多次分離純化而得到特定微生物，是現(xiàn)在最為普遍的實現(xiàn)生物強化技術(shù)的方式。但是卻缺少微生物原位擴增潛力和活性的了解，和可能由于存在致病性而對生態(tài)產(chǎn)生不良的影響。所以使用常規(guī)微生物的手段進(jìn)行分離篩選必須滿足以下要求：①對目標(biāo)物具有特定的降解能力；②對環(huán)境的安全性；③對污水適應(yīng)性和耐受力，并能富集到足夠的數(shù)量及濃度。

2.4 幾種獲取高效降解微生物方式的比較如表2所示，獲取高效菌群的方式各有優(yōu)缺點，其中用常規(guī)微生物手段分離的方式應(yīng)用最為廣泛。在污染系統(tǒng)中，3種方式并非相互獨立，比如，水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象就可以自然發(fā)生，或者人為觸發(fā)。為求達(dá)到特定處理目的，3種方式的集成也是將來生物強化技術(shù)應(yīng)用的趨勢。

3 生物強化技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 應(yīng)用范圍廣生物強化技術(shù)在降解污水中難降解的或者有毒的有機物質(zhì)方面體現(xiàn)出其巨大優(yōu)勢[7,35-36]。而在如今污水的脫氮除磷深度處理需求中，也有很大的應(yīng)用前景[25]。并且在降解其他有毒有害的無機物[40-41]如含氰廢水、含汞廢水等方面也體現(xiàn)出很大的潛力。另外，還有研究報道了用生物強化技術(shù)處地下水，同樣取得了令人滿意的效果[42]。

3.2 縮短處理系統(tǒng)啟動時間Hisashi等的研究發(fā)現(xiàn)，在啟動階段用生物強化技術(shù)加入硝化細(xì)菌可以實現(xiàn)快速啟動并增加硝化的活性，使接種的微生物可以在生物膜中存活和擴散，且新出現(xiàn)的硝化細(xì)菌和初始的硝化行為是一致的[25]。Fangbo Yu等用ONBA降解菌株P(guān).putidaONBA-17實現(xiàn)了污染物的完全降解，并切實地縮短了系統(tǒng)的啟動時間[30]。

3.3 提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力和穩(wěn)定性Zhongqin Cheng等在序批式膜生物反應(yīng)器中，采用細(xì)胞固定化技術(shù)處理DNB綜合廢水，不僅僅提高了污染物質(zhì)的去除效果，而且體現(xiàn)出很高的對DNB沖擊負(fù)荷的耐受力[43]。

3.4 提高系統(tǒng)在惡劣條件下的適應(yīng)能力[44-47]生物處理系統(tǒng)運行過程中，很大部分微生物由于在低溫條件下的活性會降低，從而影響了生物處理設(shè)施的處理效果。冷適應(yīng)微生物由于長期生活在寒冷的環(huán)境中，在自然選擇下具有抵御寒冷溫度條件的能力，使得生物處理在低溫環(huán)境下變得可能[47]。趙立軍等通過活化菌液、生物菌劑和生物污泥聯(lián)用的方法，實現(xiàn)了在氣溫低于10 ℃下的快速啟動，并達(dá)到了良好的出水效果，有效地克服了低溫、低負(fù)荷、貧營養(yǎng)和水量波動等不利影響[46]。同樣，在污水缺少微生物所必須的營養(yǎng)物質(zhì)時，其微生物活性也會降低。Meizhen等研究了用尼古丁降解細(xì)菌在序批式生物反應(yīng)器中處理煙草廢水，研究發(fā)現(xiàn)在未經(jīng)生物強化的系統(tǒng)中，DNA蛋白質(zhì)交聯(lián)度和蛋白羰基顯著上升，而在經(jīng)生物強化處理的反應(yīng)器中未發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，說明其可以通過降低毒性物質(zhì)含量來維持在系統(tǒng)中的高活性[27]。

3.5 環(huán)境相容性好，減少化學(xué)試劑的使用使用從污廢水中篩選所得的生物菌株本身具有很好的環(huán)境相容性。使用水平基因轉(zhuǎn)移技術(shù)，其轉(zhuǎn)移的目標(biāo)菌株本身即為處理系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種。而通過基因工程所構(gòu)建的菌株則必須注意其環(huán)境相容性，以免造成生態(tài)危害。

4 未來的研究方向和面臨的挑戰(zhàn)

(1)缺少針對各類難降解污染物的生物降解菌的廣泛的研究，特別是各類降解細(xì)菌的協(xié)同降解能力的研究，缺少各類生物降解菌代謝污染物質(zhì)的代謝途徑及關(guān)鍵酶的研究。這阻礙了用基因工程和水平基因轉(zhuǎn)移的手段構(gòu)建高效生物降解菌。并且迫切需要在研究的基礎(chǔ)上，建立健全的高效生物菌的資料庫，以便于其研究、開發(fā)和使用。

(2)需要對生物強化技術(shù)，特別是用基因工程技術(shù)所帶來的生物安全問題施于更多關(guān)注。現(xiàn)代基因改造技術(shù)對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康所帶來的可能的潛在影響，所引發(fā)的爭議遠(yuǎn)比其所解決的污染問題要敏感的多。如何在關(guān)注污染物降解的同時，關(guān)注微生物的安全性，避免引入致病菌或是影響環(huán)境生物多樣性的強勢菌株。同時在處理系統(tǒng)中，減少高效微生物的流失也至關(guān)重要。

(3)對生物強化技術(shù)在實際的工程范圍內(nèi)的實現(xiàn)，現(xiàn)常用連續(xù)或間歇性投加、細(xì)胞固定化、生物自固定化的方式來實現(xiàn)高效菌群的停留。溫度、濕度、pH、污染物濃度、營養(yǎng)物質(zhì)的含量、毒性、水利條件等都會影響其處理效果。如何使現(xiàn)代基因技術(shù)或是篩選所得的生物降解菌成為優(yōu)勢菌群，并在處理系統(tǒng)中保持其活性。一方面可以用生物刺激方法和生物強化方法相結(jié)合的手段[37-38，42]，另一方面通過細(xì)胞固定化技術(shù)抵御水環(huán)境的沖刷。其關(guān)鍵在于生物降解菌的附著與繁殖的速率必須大于其在反應(yīng)器內(nèi)部衰亡及流洗的速率。

5 結(jié)語

基于現(xiàn)代微生物技術(shù)的生物強化技術(shù)在針對目標(biāo)污染物的降解中，體現(xiàn)出高效、穩(wěn)定、啟動快、低溫低負(fù)荷有效等多方面的優(yōu)勢。盡管面臨著諸多關(guān)于生物安全性方面的爭議，但在如今面臨污水日益復(fù)雜化、難降解、高毒性的態(tài)勢下，生物強化技術(shù)的應(yīng)用前景是毋庸置疑的。這使得對生物強化技術(shù)的機理的研究和高效菌株的獲取迫在眉睫。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對將生物強化技術(shù)應(yīng)用于污、廢水的研究方面做了不少工作，在其研究的深度和廣度上都有很大的拓展，但研究多限于實驗室規(guī)模，這需要對各類高效降解菌的降解機理、代謝途徑、關(guān)鍵酶以及應(yīng)用于實際工程時對于環(huán)境因素和水力因素的適應(yīng)性有更全面深入的研究。現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，諸如競爭性定量PCR技術(shù)[28]、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)[27，30]、熒光原位雜交(FISH)[25-26]等都對推動生物強化技術(shù)在處理污水的進(jìn)程中起到了巨大的助力，是研究生物強化機理，評價其效果的重要手段。通過污水常規(guī)分析手段和現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合，深入探究污染物質(zhì)去除和微生物生態(tài)特征、種群的關(guān)系。也可融合生物刺激、細(xì)胞固定化技術(shù)等手段，完善生物強化技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。

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Review on Mechanism and Application Status of Bioaugmentation Technique in Wastewater Treatment

YANG Yi-ning, YANG Dian-hai

(College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092)

Due to the poor degradation of the conventional biological treatment to toxic refractory wastewater, the bioaugmentation technique is raised. This article introduces the mechanism, the obtain of dominant bacteria and the superiority of the technique. The future research direction and potential challenge of bioaugmentation is also discussed.

Bioaugmentation technique; Sewage treatment; Action mechanism; Efficient degradation bacteria

國家“水體污染控制與治理”科技重大專項(2011ZX07303-02-002)。

楊懿寧(1989-)，女，上海人，碩士研究生，研究方向：水處理技術(shù)與理論。

2014-12-03

S 181.3

A

0517-6611(2015)01-230-04