王永勝 張鴻濤 王景 張志杰
（清華大學環境科學與工程系） （西安建筑科技大學環境與市政工程學院）

1 生物強化技術的提出

　　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污水中，由于其本身具有結構復雜性和生物陌生性，因此很難在短時間內被常規生物處理系統中的微生物分解氧化。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系統中，通過投加具有特定功能的微生物、營養物或基質類似物，達到提高廢水處理效果的手段和方法。

2 作用機制

2.1高效菌種的直接作用
　　這種作用機制首先需要通過馴化、篩選、誘變和基因重組等生物技術手段得到1株以目標降解物質為主要碳源和能源的高效微生物菌種，再經培養繁殖后，投放到具有目標降解物質的廢水處理系統中。因此，當原處理系統中不含高效菌種時，如果投入一定量的高效菌種，則可有針對性地去除廢水中的目標降解物；當原處理系統中只存在少量高效菌種時，那么投加高效菌種后，可大大縮短微生物馴化所需要的時間。在水力停留時間不變的情況下，能達到較好的去除效果。
2.2 微生物的共代謝作用
　　所謂微生物的共代謝作用是指只有在初級能源物質存在時，才能進行的有機化物的生物降解過程。共代謝過程不僅包括微生物在正常生長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(resting cells)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，提高共代謝菌的生理活性；②以目標污染物的降解產物、前體作為酶的誘導物，提高酶的合成；③不同微生物之間的協同作用。
　　共代謝雖然能提高難降解有機物的去除效果，但機理十分復雜，迄今有很多問題尚處于研究階段。一些學者曾針對共代謝現象提出了各種假設。Foster認為微生物不能在某種基質上生長的原因并不是由于微生物無法分解代謝該物質，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化產物的能力。Hughes提出鹵代芳烴化合物的共代謝可能是由于微生物無法從苯環上脫去鹵素取代基，并把芳香環基質導向碳吸收同化的節點。Tranter和Cain把具有氧化代謝鹵代芳烴化合物功能的細菌不能在該基質上生長的原因歸結于有毒產物的積累。但目前提出的各種假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系統中，投加生活污水可大大提高COD的去除率，其主要原因就是生活污水中含有多種營養元素，加強了生物的共代謝作用。瞿福平等在對氯代芳香烴化合物的研究中發現，氯苯類同系物共存時，對氯苯的生物降解性有一定程度的影響。鄰二氯苯，間二氯苯的共存有利于整個體系的降解，但氯苯的耗氧速率有所降低。Adriaens等研究發現，一株Acinetbacter sp.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的3,4-二氯苯甲酸鹽(3,4-DCB)轉化成3-氯-4-羥基苯甲酸鹽，毫無疑問共代謝在其中發揮了重要的作用。

3 實施途徑

3.1投加高效降解微生物
　　該技術得以實施的前提是獲得能作用于目標降解物的高效菌株，從理論上講，對于天然合成的有機物，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。

表1 一些難降解有機物降解菌 難降解有機物 菌　株 難降解有機物 菌　株 2,4,6-三硝基甲苯 Pseudomonas 萘 Pseudomonas putida (NAH7) 2,4-二硝基甲苯 2,6-二氯甲苯 Pseud. Cepacia HCV(有質粒) 1,3-二硝基甲苯 Pseudomonas putida F₁ 二氯苯 Pseud. Sp./Alcaligenes sp. Pseudomonas sp. JS150 2,4,6-三氯苯酚 Alcaligenes sp. Pseud. Picketii Rhodococcus sp. QT-1 五氯酚 Mycobacterium chlorophenolicum 2-硝基苯酚 Pseudomonas putida PCP₁ 4-硝基苯酚 Flavobacteria sp. Sphingomonas chlorophenolica RA₂ Pseud. sp.(共代謝) Flavobacterium sp. (有質粒) 2,4-二硝基苯酚 Rhodococcus erythropolis Arthrobacter sp. 4-氯-二硝基苯酚 Alcaligenes Pseud. sp. 1,4-二氯聯苯 Klebsiella pneumoniae (質粒P^sv21) Denitrificans (NTB-1) 多氯聯苯 Flavobacterium sp. 3-氯/4-氯苯胺 Pseud. Oucidovorans CAZB Pseud. Cepacia (Acc110) 3,4-二氯苯胺 Pseud. Putida 三氯乙烯 Pseudomonas cepalia C G₄ 2-氯甲烷 Pseud. DM₁/DM₂ Ntrosomonas europala Hyphomicrobium DM₂ Xanthobacter Py₂ Methylotrophic bacterium 四氯化碳 Acetobacterium woodii E coli Kl₂

　　這些降解菌在純培養體系中大多數都能表現出高活性，但在多菌株共存的生物處理系統中，投加純培養高效降解菌株（菌劑）后，能否起到強化生物處理作用，在實際生產中，尚難以預料。要使高效菌持續發揮作用必須滿足下列條件：
　　（1）投加后菌體具有的高活性不被破壞；
　　（2）菌體可快速降解目標污染物；
　　（3）在系統中（如曝氣池）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。
3.2投加營養物和基質類似物
　　由于大部分難降解有機物的降解是通過共代謝途徑進行的，在常規活性污泥系統中可降解目標污染物的微生物活性和數量都比較低。通過投加某些碳源和能源營養物質，或提供目標污染物降解過程中所需要的因子，將有助于降解菌的生長，改善處理系統的運行工況。投加基質類似物是由代謝酶的誘導作用提出的，即利用目標污染物的降解產物、前體作為酶的誘導物，提高酶的活性。在廢水處理中，誘導物（基質類似物）應滿足：①毒性小；②價格低廉且有多種用途；③在無富集基質（目標污染物）時，誘導物可維持富集培養物的生長特性與污染物降解動力學。
3.3投加遺傳工程菌GEM
　　按照傳統方法，要得到能降解目標污染物的高效菌種，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。生物學發現微生物對污染物的降解性與其所帶的質粒有關。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，這樣就能使1種微生物降解多種污染物質或完成降解過程的多個環節，或使非降解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解功能的GEM已有突破性進展，所獲得的菌株在純培養中，可有效降解一些難降解物質，但在具有復雜生態系統的廢水處理構筑物中，能否達到預期的目標污染物的降解效果，尚需深入的研究。

4 效果及評價

4.1提高目標污染物的去除效果
　　生物增強作用比一般的廢水處理方法更能提高系統對BOD5、COD、TOC或某種特定難降解物的去除效果。
　　Chamber利用投加高效菌種強化法處理牛奶廢水，在延時曝氣、曝氣塘和氧化溝3種不同的處理系統，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的去除率達到98%。
　　Selvaratnam等通過在活性污泥法中投加苯酚降解菌Pseudomonas putida ATCC11172提高了苯酚的去除率。在40d內處理系統對苯酚的去除率可保持在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，但很快降低到40%左右。Chin等在附著生長生物床中，加入降解BTX（苯、甲苯、二甲苯）的混合優勢菌，HRT=1.9h，生物增強系統的去除效果為10mg/L BTX，而非生物增強系統的去除效果僅為3.2mg/L BTX。
　　在序批式培養條件下，Schmidt等人先后證實，葡萄糖對Pseud. putida-l菌株降解硝基酚的強化作用，短鏈脂肪酸及葡萄糖對氯代芳烴化合物的還原脫氯過程的刺激作用，以及葡萄糖降解過程中產生的還原當量NADH促進偶氮染料的還原裂解脫色作用。徐向陽等(1997,1998)報道，以易降解工業有機廢水作為含PCP和染料有機廢水厭氧處理的共基質，均有助于厭氧顆粒污泥形成，改善與穩定厭氧廢水處理的效果。
4.2改善污泥性能，減少污泥產量
　　生物增強作用不僅可以有效地消除污泥膨脹，增強污泥沉降性能，而且可減少污泥產量，一般可使污泥容積降低17%～30%。這不僅可改善出水水質，而且可減少污泥排放和污泥處理的能耗。Chamber的研究結果表明，在延時曝氣系統中，使用接種生物增強劑，運行3周就可消除污泥膨脹現象；在氧化溝系統中，運行4周就可消除膨脹現象。在大規模廢水處理中，Hung等發現，使用生物增強劑后，污泥床厚度由2.3～2.7m降到了0.7～1.0m，既降低了能耗，又控制了臭氣的產生。
4.3縮短系統的啟動時間，增強耐沖擊負荷的能力和系統的穩定性
　　投加一定量的高效菌種，增大處理系統中有效菌種的比率，可縮短系統的啟動時間，達到較高的快速處理效果，同時還可增強系統的耐沖擊負荷能力以及處理系統的穩定性。Edgehill等曾用降解五氯酚(PCP)的純種菌來增強活性污泥處理系統，向系統中加入10%（相對于固有菌量）的純種菌后，PCP廢水處理的馴化期被大大縮短了。為了研究酚的降解情況，Watanabe等把3種菌接種到3個活性污泥系統的單元體系中，結果發現，在普通活性污泥系統中，需要10d才能將酚完全降解，而在接種了E1、E2菌種的增強系統中，分別只需要2、3d就可將酚完全降解。

5 生物強化系統的優化設計

　　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、消耗氧量、反應器類型、水力停留時間等諸多因素。
　　菌量、營養物和基質類似物的投加量是生物強化系統設計的重要參數。隨著投菌量的增加，一般強化效果會提高，但投菌量過大，廢水處理成本則會升高。因此，投菌量要根據廢水中目標降解物的含量和要達到的處理水平來決定，一般在系統啟動時，采用重投菌，投菌量比較大，系統穩定后，投菌量可為啟動時的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，可選擇適當的投加方式。

表2 高效菌種的各種投加方式 投加方式 技術要點 特點 間歇式投加 將高效菌種直接投入活性污泥系統中進行生物強化 操作簡便易行，但處理系統中菌種數量與活性濃度容易發生變化 連續投加 采用一個或多個SBR反應器富集足夠數量的馴化培養物，連續投加至主體工藝中
能解決高效菌種連續投加問題，工程應用方便，但需選擇合適的富集培養物和操作方式 固定化細胞投加 采用載體結合法、交聯法、包埋法等固定化方法，將高效菌種固定在載體上投加 該技術具有菌種穩定性高、催化效率高、抗毒性能力強等優點，但使載體價格高。 生物自固定化投加 將載體投加到生物處理反應器中，利用微生物的自固定化作用，使高效菌種固定在載體上生長 能夠提高反應器中的生物量，提高處理系統的處理能力和運行穩定性，較好地克服活性污泥法的不足，工程上比較可行、適用

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，可提高難降解有機物的去除率、改善污泥性能、縮短系統的啟動時間、增強系統的運行穩定性和耐沖擊負荷能力等。利用原有水處理設施，生物增強技術能明顯地提高水處理范圍和水處理能力，操作簡便，易于管理。生物強化技術與傳統生物處理技術相結合，已成為廢水生物處理的必然趨勢。

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