生物强化技术及其在废水治理中的应用

摘要：生物处理是目前常用的废水处理手段，这种处理方法通过微生物的新陈代谢作用，将废物分解、吸收，从而达到治理污染的目的。在城市污水和工业污水的处理中得到了广泛的应用。

关键词：生物强化技术 废水治理 应用

前言

随着经济的发展，废水的成分日益复杂，尤其当废水中含有有毒、难降解的有机污染物时，由于对该类有机物具有专项降解能力的微生物在环境中的种类、数量较少，同时它在竞争中处于劣势，因此，传统的生物处理技术面临极大挑战。如果在传统的生物处理体系中投加具有特定功能的微生物或某些基质，增强它对特定污染物的降解能力，从而改善整个污水处理体系的处理效果，我们称这种技术为生物强化技术。

一、生物制剂的优点

生物强化制剂具有很多优点：

1、它能缩短微生物培养驯化的时间，迅速提高生物处理系统中微生物的浓度，从而提高工作效率；

2、生物制剂所含天然微生物，不含致病菌和病源体，这些微生物在酶的催化作用下，以污水中的有机营养物质为食物，当污水得到净化后，这些微生物会随着污染物的降低而逐渐减少，直至消亡，不会造成二次污染；

3、使用安全，操作简单方便，基本不需要添加设备或者工程，节省能源，节省资金投入。

二、生物强化技术的作用机理

生物强化技术， 就是为了提高废水处理系统的处理能力， 而向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种， 以去除某一种或某一类有害物质的方法。它是通过向自然菌群中投加具有特殊作用的微生物来增强生物量， 以强化生物量对某一特定环境或特殊污染物的反应。投入的菌种与底质之间的作用主要有：

1、直接作用

就是通过驯化、筛选、诱变、基因重组等技术得到一 株以目标降解物质为主要碳源和能源的微生物， 向处理系统中投入一定量的该菌种， 就会达到对目标去除物去除效果的增强作用。

2、共代谢作用

就是对于一些有毒有害物质， 微生物不能以其为碳源和能源生长， 但在其他基质存在下能够改变这种有害物的化学结构使其降解。如在甲烷、芳香烃、氨、异戊二烯和丙烯为主要基质生长的一些菌可以产生一种氧合酶， 这种酶可以共代谢三氯乙烯（ T CE） ， 但共代谢机制成功地用在生物增强系统中的例子并不多见。

三、生物强化技术的实现

生物强化技术在水污染治理中的有效实施需要三个步骤：首先是高效菌种的培育：其次是高效菌种在投加系统中的生长及活力表现：最终结果是对目标物的有效去除或原系统某一特定性能的改善。

1、从自然界筛选菌种

从自然界筛选菌种的过程多数是以目标物为惟一基质来驯化、分离后得到的菌种，而实际废水水质状况一般比较复杂，含有多种成分，因此将其投加到系统后可能受到其他组分的抑制作用，难以达到预期的治理目标。为此，Babcock等开发了一种离线富集反应器（off―line enriching-reactor）。这种反应器可为生物强化技术的实施提供大量菌剂，并模拟实际废水的组成和环境条件，使投加到系统中的菌种很快适应新环境，从而有效去除目标物。研究认为，通过投加与目标物类似的营养物质可以达到富集培养的目的。通过研究还发现，用纯菌Pseudomonas sp降解1-硝基苯酚，葡萄糖的存在会提高1-硝基苯与最大比基质的去除速率，但此法并不适用于所有的微生物。例如，利用3～4种假单胞属的优势菌种进行2，4-二氯苯氧乙酸与葡萄糖的共基质实验，2，4-D的降解速率不受葡萄糖是否存在的影响。对于那些对目标物的降解需要诱导酶的微生物，可通过投加基质类似物、中间代谢物等作为酶的诱导物，这些物质一般能够产生广谱的亲和性酶，且能够保持高效菌种的降解性并促进其生长。

2、构建基因工程茵

基因工程技术的发展为人类快速获取一些高效菌种提供了新方法。利用降解性质粒的相容性，把能够降解不同有害物质的质粒组合到一个菌种中，组建一个多质粒的新菌种，便能使一种微生物降解多种污染物或完成多个环节的降解过程，并使不带降解性的菌获得降解性。另外，可采用质粒分子育种，即选择压力条件下，在恒化器内混合培养，使微生物发生质粒相互作用和传递，缩短了自然进化所需时间，以达到快速培养新菌种的目的。

3、水平基因转移

高效基因工程菌属于外源菌种，在与土著菌种的生存竞争中常处于劣势，不能维持一定的生存数量和比率，因此一直是困扰这项研究顺利进行的首要问题。由此大量研究集中在利用基因的自然水平转移来实现系统的生物强化上。其主要思路是将位于自由基因元素上的降解基因引入待处理污染物系统，通过自由基因向土著菌种的扩散和转移，实现已有菌种对污染物的原位基因修复。与传统的生物强化方法相比，水平基因转移方法由于降解基因处于一种自由的状态，因此具有如下潜在优点：

（1）含有降解基因的菌种加入到原始系统后，降解基因通过自由的水平转移进入原有系统的固有菌中，由于新菌对环境有更好的适应性，且转移过程是自然发生的，因此降解基因在菌种内也会更好地生存；

（2）在持续高效降解目标污染物的同时，不需要特意维持含有降解基因的菌种在系统中的存活率。

四、生物强化技术的应用

1、焦化废水处理

焦化废水中污染物组成复杂，含有十几种无机物和有机物，有机物包括酚类、芳香族化合物以及含氮、硫、氧的杂环化合物，属较难生物降解的高浓度有机工业废水，国内外研究者现在主要是通过投加高效菌种和化学试剂来提高现有处理设施的处理效率。固定化高效降解微生物的生物强化技术在焦化废水处理中也有成功的应用。通过利用喹啉为惟一碳源，驯化得到处理焦化废水的高效菌种，并使其一部分附着在陶粒载体上处理焦化废水，取得了很高的去除率。

2、印染废水处理

印染废水中含有大量难降解的有机染料，传统的好氧生物膜法去除效果不理想。利用高效脱色菌、聚乙烯醇（PVC）降解菌以及活性污泥接种厌氧一好氧系统，结果表明，利用高效脱色菌和PVA降解菌接种厌氧一好氧处理系统处理印染废水时生物膜形成快，去除效率高且稳定，厌氧反应器对色度的去除率比活性污泥接种高12.5%。

3、垃圾渗滤液

通过EM（efective microorganisms）菌剂培养生物膜和活性污泥来处理渗滤液，结果表明，EM菌剂可明显提高对COD、BOD的去除率，能够加快处理设施启动速度，重新挂膜速度较快，系统的稳定性也有所增强。

结束语

总之，生物制剂对于处理城市生活污水和天然水体的污染有其独特的优势，但是，天然水体中污染物浓度相对较低，如何让细菌适应新的环境，而且在降解污染物的过程中，没有有毒的中间产物生成，这些是其是否得到广泛应用的关键。

参考文献

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