生物技術在水質檢測化驗與污水處理中的應用探討

鄭孝衛

（河北緣和環境檢測技術服務有限公司，河北 廊坊 065300）

1 生物技術在水質檢測化驗中的應用

1.1 PCR聚合酶鏈反應技術

PCR法全稱為聚合酶鏈反應技術，通過放大、擴增特定DNA片段的方法來檢測水質樣本組分，在多種酶與DNA聚合酶參與下，分別把雙鏈DNA變性解旋為單鏈、復性為雙鏈，實現特定基因體外復制目的。在水質檢測化驗項目中，PCR技術有著特異性強、高靈敏度、樣本純度要求低、易于操作的優勢，但所使用DNA聚合酶在高溫條件下會逐漸喪失活性，需要在重復檢測期間添加全新的DNA聚合酶，極大增加了水質檢測化驗成本[1]。

在應用PCR技術時，應注重反應準備、參數調控兩項問題。第一，對于反應準備問題，在水質樣本檢測前，工作人員務必做好引物設計、DNA或RNA模板制備、緩沖液選用和酸堿度調節等前期準備工作；第二，對于參數調控問題，在PCR檢測過程中，對引物延伸溫度、退火溫度、循環次數等參數進行實時調節，避免因參數失控而影響到檢測結果，導致單鏈產物無法順利退火形成雙鏈。

1.2 FISH熒光原位雜交技術

FISH技術全稱為熒光原位雜交技術，檢測人員利用熒光顯微鏡、激光掃描儀、特異核酸探針等儀器設備，采集水體樣本的熒光信號，根據信號分析結果，判斷樣本中細胞或細胞器的分布情況與形態。在水質檢測化驗項目中，FISH技術有著靈敏度高、快速獲取檢測結果、熒光信號強的優勢，但在對低氨氮含量水樣進行檢測的實際效果并不理想，推薦使用其他生物檢測技術。

在應用FISH技術時，重點關注熟悉操作步驟、假陽性/陰性檢測兩項問題。第一，對于操作步驟，檢測人員要提前對熒光顯微鏡等儀器設備進行調試檢查，根據靶子序列目標區域來選擇探針種類；第二，關于假陽性與假陰性問題，假陽性成因包括錯誤選用探針種類、水樣受到天然發熒光生物或是化學殘留物干擾、錯誤使用培養基等；假陰性成因包括細胞rRNA含量未達到最低檢測要求、細胞壁結構阻礙探針滲透等。對此，需要根據問題成因采取相應解決措施，如對水樣進行預處理來增強探針滲透力。

1.3 基因芯片技術

基因芯片技術是水質檢測化驗項目中一項常用的菌種鑒定方法，也被稱為DNA芯片。通過雜交測序手段，使用已知序列核酸探針，把探針分子固定在支持物上，并與標記的水質樣品分子進行雜交，對所獲取雜交信號進行處理，根據處理結果來判斷分子數量與序列信息，掌握水質樣本的細菌病原體種類。根據實際應用情況來看，基因芯片技術有著自動化程度高、同時檢測多種細菌病原體的優勢，但配套設備較為復雜。此外，在菌種鑒定場景外，基因芯片技術還可用于非生物因子檢測、重金屬檢測、有毒污染物檢測等多個場景，適用性較強[2]。

1.4 生物傳感器技術

生物傳感器是把微生物、核酸等較為敏感的生物材料作為識別元件，搭配使用壓晶體、氧電極、信號放大等裝置工具，在水樣檢測化驗期間通過引起特定化學變化或是物理變化，再把識別元件表達信號轉換至電信號，對電信號進行加工處理，以光學、壓電等形式加以展示，實現對水樣中菌體、重金屬與亞硝酸等污染物濃度的測定。相比于化學法與物理法，生物傳感器技術有著檢測精度高、成本低廉、易于操作、試劑可重復使用、重現性好、專一性強的優勢。一般情況下，檢測人員在使用生物傳感器來檢驗水樣時，可以在1～10 min內獲取檢驗結果，把相對誤差保持在1%以內[3]。

在應用生物傳感器技術時，注重傳感器選型與穩定性控制兩項問題。第一，關于傳感器選型問題，要根據綜合分析水質檢測項目、被測位置、設備體積要求等因素來選擇生物傳感器的種類與型號款式；第二，關于穩定性控制問題，因生物傳感器使用期間，受到自身結構與外部環境影響，傳感器精度有所降低，需要定期對傳感器性能指標進行校準，非必要情況下禁止頻繁更換傳感器使用環境，以此來維持高水準的檢測精度。

1.5 藻類實驗法

藻類植物對所處水體環境較為敏感，在水質惡化、水環境污染情況下，會對藻類植物的生長狀態造成明顯影響，污染嚴重時可能出現藻類植物數量明顯減少甚至大面積死亡的現象。憑借藻類植物的生長天性，可以在水質檢測化驗項目中應用到藻類實驗法。通過觀察藻類植物生長情況與統計藻類數量，并采集水溫、藻類品種等基本信息，直接判斷水質質量與水環境污染程度，并根據生物量指數來初步測定水體中無機氮化合物等污染物的大體含量[4]。相比于其他生物檢測技術，藻類實驗法有著明顯的局限性，包括無法準確判斷水環境質量、依賴檢測人員主觀判斷、藻類植物數量受水溫等外界環境影響，但藻類實驗法可以在極短時間內初步判斷水環境質量與若干種類污染物含量，為后續水質檢測化驗工作的開展指明方向，可將其作為一種輔助檢測技術。

2 生物技術在污水處理中的應用

2.1 活性污泥技術

活性污泥法屬于一項好氧生物處理技術，負責去除待處理污水中分布的可生化有機物、懸浮固體、氮素、磷素等污染物，配置曝氣池、回流裝置、供氧裝置等設施。在污水處理過程中，工作人員把待處理污水排入曝氣池內，持續注入外部空氣，在有氧條件下攪拌污水和活性污泥，分解污水中含有的有機污染物，攪拌一段時間后形成絮凝體并繁殖微生物群，有機污染物經過氧化分解后形成二氧化碳與水。隨后，在污水曝氣攪拌結束后，把所形成混合液排到沉淀池內，靜置一段時間來分離下層污泥與上層水體，自池體底部排出污泥，部分污泥回流到曝氣池內來補充微生物，將剩余污泥進行處理，并把上層水體向外排出，完成污水處理操作[5]。

在污水處理項目中，活性污泥法有著效果顯著、流程簡單、易于操作的優點，但也存在處理周期過長、對運行條件較為敏感與設施占地面積大的局限性。對此，可以從把控運行條件、應用新型技術兩方面著手。第一，在把控運行條件方面，在污水處理期間持續觀察曝氣池和二沉池設施的內部情況，對比實時監測量與參數額定值，在參數出現明顯偏差時，對水溫、活性污泥量、溶解氧等參數進行調整，如調節水溫和排除/回流剩余污泥；第二，在應用新型技術方面，可以選用A/O工藝，先后對污水進行脫氮、除磷處理。脫氮處理是把污水排入缺氧池和好氧池內進行反硝化與氧化反應，在反應期間獲取氮氣、亞硝酸鹽等成分，預處理后把混合液排入缺氧池進行脫氮反應。除磷處理是把待處理污水排入厭氧和好氧池內，分別在低氧與富氧條件下降解有機物與形成富磷污泥，去除污水中含有的磷元素。

2.2 生物膜法

生物膜法是在惰性濾料層表面附著微生物群，隨著時間的推移，微生物持續繁殖分化并分泌多糖基質，形成一層完全包裹微生物群落的聚集膜狀物，形成生物膜，本質上屬于一類具備選擇性的通透屏障，在穩定供氧前提條件下，控制待處理污水保持勻速狀態流經生物膜，由生物膜攔截、吸附污水中含有的有機污染物，經過溶解氧分解后形成二氧化碳等無機物，按照相反方向排放到空氣當中，由此實現降低污水有機物含量的處理目的。在污水處理項目中，生物膜法有著供氧條件充分、污水處理量大、處理效果不受氣溫等條件影響、污泥產量少的顯著優勢。

此外，生物膜法由BAF、淹沒生物濾池等多項技術組成，適用范圍、系統結構與污水處理效果有所不同，需要根據污水處理目的及要求來選擇具體的處理技術。以BAF技術為例，全稱為曝氣生物濾池法，系統由水解反應器、脫硫沉淀池、格柵、曝氣濾池等設施組成，有著占地面積小、成本低廉的優勢。在污水處理過程中，經由粗細格柵來截留污水中的大體積固體污染物，簡單過濾后的污水排入脫硫沉淀池內來濾除砂礫與懸浮物，再排入水解池內降解有機污染物。最后把污水先后排入C/N曝氣池、N曝氣池中加以反沖吸水處理，處理后經過消毒殺菌即可，并把污水處理期間生成的少量污泥加工成泥餅。

2.3 微生物絮凝技術

微生物絮凝法是在待處理污水中投入適量的高分子物質，把細菌、酵母菌等作為微生物絮凝劑，以纖維素、糖蛋白等作為絮凝劑主要成分，憑借微生物表面帶電荷與優異親水性的特性，在微生物絮凝劑與污水充分接觸時，與污水中分布的顆粒物進行絮凝反應，并在一段時間后撈出污水中的絮凝物，實現污水處理目的。此項技術有著重金屬處理效果顯著、絮凝劑安全無毒、不會造成水體二次污染的優勢，但多數微生物絮凝劑的使用成本較為高昂，還面臨保存困難的問題，如果沒有在微生物絮凝劑制作完畢后一段時間內投入使用，可能出現絮凝劑失效的情況[6]。

在污水處理項目中，重點關注絮凝劑用量、反應條件控制兩項問題。第一，對于絮凝劑用量，分析水質組分、污水處理要求因素，將其作為絮凝劑品種選用和用量設置的參照；第二，對于反應條件，根據污水實際處理情況來計算最佳的絮凝池流速，如果流速過低會影響微小顆粒碰撞效果和延緩絮體凝聚速度，在流速過高時容易剪斷吸附橋架和打碎已成形絮體。一般情況下，要在絮凝劑投放前期保持較高的攪拌速度和絮凝池流速，在絮體凝聚成形后放緩流速、減小速度梯度。

2.4 微生物吸附技術

微生物吸附法是在待處理污水中投放活性炭、生物沸石等材料為載體，在載體上繁殖生長微生物，微生物持續降解污水中含有的污染物，由細胞壁組分和氨基、硫酸脂基等化學基團產生相互作用，持續把水體中的污染物吸附到細胞表面，在活性炭等多孔性固體表面吸附污水中的懸浮物等幾種污染物，以及在細胞膜內透過金屬離子，將其吸附在液泡等區域。隨后，在多孔性固體材料投入一段時間后取出，即可完成污水處理任務，也可重復上述操作增加微生物吸附次數，以此來改善污水處理效果。

在應用微生物吸附技術時，需要根據污水組分和處理要求來選擇吸附劑種類和設定吸附時間。第一，對于吸附劑選用問題，在以去除污水中所含細菌、氨氮、高錳酸鉀鹽等污染物作為處理目標時，優先選用生物活性炭。而在以去除污水中含磷物質作為處理目標處理富營養化水體時，則選用孔隙度更高、比表面積更大的生物沸石作為吸附劑；第二，對于吸附時間設定問題，一般情況下的吸附時間控制在2～4 h以內，如果以去除重金屬離子作為處理目的，需要適當延長微生物吸附時間。

2.5 生物修復技術

早期處理工藝選擇把污水排入處理廠內進行處理，處理后的污水排放到周邊河流水域當中或是用作中水，污水處理成本高昂，加大了市政污水管網運行負擔。對此，需要應用生物修復技術，直接修復、凈化受污嚴重的水環境，以此來降低污水處理成本，實現污水大面積處理目標。例如，可選用水生植物修復技術，在城市水環境、河流水域中種植適當品種的水生植物，在植物生長期間，持續攝入水體中的營養物質，以此來抑制水體富營養化程度，并在植物根系部位吸附水體中漂浮的固體顆粒物。

2.6 生物除磷技術

針對水體富營養化問題，需要應用生物除磷法。在污水中投放適量的聚磷菌，在厭氧條件下，聚磷菌與污水充分混合后持續釋放聚合磷酸鹽，并在好氧條件下吸收污水中含有的磷元素，將其轉化為聚合磷酸鹽后形成生物污泥，把磷元素由水體轉移到生物污泥內，再經過沉淀處理后分離泥水，極大降低了所排水體的磷含量，實現污水除磷處理目的。相比于常規的活性污泥法，生物除磷法可以更為高效地去除污水中所含磷元素，還可以同步去除重金屬離子、懸浮物、氨氮等其他種類污染物。

在生物除磷法應用期間，污水處理效果受到運行條件的明顯影響，包括溫度、厭氧池DO、泥齡等，工作人員必須根據已掌握信息來制定科學的生物除磷處理方案，準確計算各項運行參數的最佳值，在處理期間持續監測、調整參數值。例如，針對運行溫度，一般情況下把溫度控制在10 ℃及以上，如果溫度過低，會延緩聚磷菌生長速度。而針對泥齡，優先使用小泥齡污泥，采取加大剩余污泥排放量、使用低齡期污泥的方式，可以明顯提高污水處理過程中的實際除磷量。

3 結語

綜上所述，為切實滿足日益提高的水質檢測化驗要求，更為高效、便捷地處理污水，推進水生態環境的持續改善，檢測單位與從業人員務必加大對生物技術的重視程度，根據項目要求，選擇適當的生物檢測技術和生物處理技術，掌握技術操作要點，為水質檢測化驗結果、污水處理效果提供技術保障。