生物强化技术在难降解有机物处理中的应用

生物强化技术在难降解有机物处理中的应用
摘要：总结生物强化技术的方法及优缺点，阐述生物强化技术的广阔应用范围与前景，并提出现在以及今后发展的热点方向。

关键词：生物强化；难降解有机污染物；微生物；生物修复
1、概述
目前实施生物强化技术可通过如下三条途径：投加有效降解微生物；优化现有处理系统的营氧供给、添加基质（底物）类似物来刺激微生物生长或提高其活力；投加遗传工程菌（GEM）。

1.1投加有效降解微生物
实施该技术的前提是获得可降解待定有毒难降解有机污染物的菌株，降解菌大多数在纯培养体系中表现高活性，对于多菌株共存的生物处理系统中，投加难降解菌株能否起到强化有机物降解的作用，尚需评估。

Edgehill等人认为有效的菌剂应满足：①投加后，菌体活性高；②菌体可快速降解目标污染物；③在系统中（如曝气池）不仅能竞争性生存，且可维持相当的数量。

为了解决投加纯营氧物所出现的问题，Stenstrom研究小组开发一种非线性富营氧反应器（ER）工艺。

所谓ER实际上是一个或多个SBR，以富集足够数量可连续供给主体反应器的驯化培养物，同时以有毒物本身及其降解过程的某些代谢中间体作为维持驯化作用的选择压力。

ER培养的驯化培养物投加至主体工艺，强化有毒有机物的生物降解作用。

1.2投加营氧物质或基质类似物
由于大多数难降解有机污染物的降解是通过共代谢途径进行的，在常规活性污泥系统中可降解目标污染物的微生物数量与活性比较低，添加某些营氧物质包括碳源与能源性物质，或提供目标污染物降解过程中所需的因素，将有助于降解菌的生长，改善处理系统的运行性能。

投加基质类似物是针对代谢酶的可诱导性而提出的，利用目标污染物的降解产物、前体作为酶的诱导物，提高酶活性。

作为诱导物（基质类物质）应考虑：毒性相对较低、价格低廉且有多种用途，并在无富集基质（目标污染物）时，诱导物可维持富集培养物的生长特性与污染物降解动力学。

在分批培养的条件下，已有很多研究证实投加营氧物可刺激有毒难降解有机物的生物降解。

1.3投加遗传工程菌GEM
近10多年来，通过基因工程技术构建具有特殊降解功能的GEM已有一些进展。

这些GEM菌株在纯培养时，可有效降解一些异生合成物。

但投加于复杂生态系统的废水处理构筑物中，它们是否可强化污染物降解，这一问题已有一些报道。

英国Wales大学理论与应用生物系的Fry等人将带有质粒的PD10(3CB+)的P.UWC1，投加到实验室规模AS系统中，发现该菌株可存活8个星期，对系统中其它原核微生物和原生动物无不良影响，但不能强化3-氯苯甲酸（3-CB）的降解速率，然而由于降解性质粒具有转移接合的特性，该工程菌所携带的PD10可转移至活性污泥土菌性菌株中，分离所获得的菌株中，AS2菌株降解3-CB的活性远高于菌株UWC1。

这项研究揭示了在GEM构建时必需考虑受体菌的生态适应性。

2、固定化生物技术是实现生物强化技术的桥梁
固定化生物技术是将实验室筛选的优势菌种通过化学或物理手段固定于某种载体上，使其密度密集，并保持活性反复利用的方法，是国际上从20世纪60年代后期开始迅速发展的一项技术。

固定化生物技术是实现污水处理生物强化技术的桥梁。

20世纪70年代后期开始应用于废水处理，主要有结合固定化、交联固定化、包埋固定化、自固定化等几种方法。

2.1包埋固定化技术
包埋固定化技术是指通过某些多聚体化合物包埋微生物，从而达到固定微生物的目的。

它具有两大特点：一是可快速简捷地获得固定微生物；二是可以选择性地固定不同菌属的微生物。

Anselmo等人研究了用琼脂、海藻硅酸钠、卡拉胶和聚乙烯酰胺等载体包埋固定化微生物降解苯酚。

随后，他们又以聚氨酯泡沫为载体固定镰刀菌菌丝体，在完全混合器中降解苯酚。

结果表明，与游离菌相比之下，固定化细胞降解苯酚的速度大大提高，且固定化细胞生物产量低。

2.2 其它固定化技术
除包埋固定化技术固定优势菌种处理焦化废水外，国内外有许多学者对其它固定化技术进行了研究。

吴立波等人以喹啉为唯一碳源驯化高效菌种，将其一部分附着在陶粒材料上，比较了自固定化前后菌种活性的变化。

然后再用活性污泥处理焦化废水时，以3种投加高效菌种的方式强化处理焦化废水：①只投加悬浮高效菌种；②投加悬浮菌种和空白陶粒；③投加附着高效菌种的陶粒。

实验结果表明：菌种自固定化后，活性略有下降，但在泥龄短时活性较好。

固定化技术的特点是细胞密度高，反应迅速，微生物流失少，产物分离容易，反应过程控制较容易，污泥产量少，可去除氮和高浓度有机物或某些难降解物质。

资料显示，与厌氧水解酸化、A/ O、A2/ O 技术相比，固定化技术对焦化废水中
的处理效果较好。

3、生物强化技术的应用
3.1 在土壤中的应用
①投菌堆肥法：Alves等研究了在堆肥式处理装置中投加菌种和营养的方法。

席北斗等利用高效复合微生物菌群对生活垃圾和污泥混合堆肥，较系统地研究了高效复合微生物菌群在堆肥中的应用。

②投菌生物泥浆法：利用生物泥浆法处理多环芳烃污染的土壤，降解率比其它方法高。

巩宗强等发现，在生物泥浆反应器中投加镰刀菌和毛著霉等真菌对典型多环芳烃（芘）的降解率可达90%和81.5%。

③投菌土耕法：传统的土耕法处理石油污染的土壤，可在几个月的时间内使石油浓度从70000mg/kg土壤降低到100~200mg/kg，是节省成本的方法，但仍存在着不足，即挥发性有机物会造成空气污染，难降解物质的缓慢积累会增加土壤的毒性。

但结合生物强化技术，投入适量的具有固定、共代谢作用的烃降解菌，同时投加H2O2和营养，则可大大提高土壤法的效率，从而增强此法的优势，筛选和使用高效烃基降解菌可以强化污染场地生物自净作用，去除率达98.8%。

3.2生物强化技术在水污染修复中的应用
①投菌活性污泥法：筛选、驯化出具有特异优势菌种制成菌悬液投入到曝气池，使曝气池混合液内特定细菌处于最佳活性状态，提高处理效果。

②生物脱氮除磷技术：缺氧-厌氧-好氧（A2/O工艺）技术是目前较为流行的且具有代表性的生物脱氮除磷技术。

研究发现在活性污泥中有一种能够反硝化、除菌细菌（DPB），可有效的脱氮除磷。

Hung等用曝气塘生物强化技术处理马铃薯废水，使TOC去除率达到98%。

③膜生物反应器：将驯化、培养的优势菌种制成生物膜，用于反应器处理废水，有很好的治污效果。

Saravanane等用生物膜（如生物流化床、升流式厌氧污泥床）使生物强化附着在载体（砂砾、颗粒污泥）上，减少了菌体的流失，稳定了系统。

④固定化微生物技术：利用固定化技术可有目的筛选一些优势菌种，将其固定在载体上以提高反应器内原微生物浓度，有利于反应后的固液分离，缩短了处理时间，产污泥少。

4、生物强化系统的设计与运行
生物强化系统的成功应用要综合考虑污染场地、投菌量、投菌方式、活性检测、反应器类型、生物安全性检测、效果评价和可行性验证等诸多因素。

为了制
订确实可行的生物强化系统，应对污染场地的理化、生化条件以及污染物在环境中的分布、降解速度等进行调查，并经可行性分析，预测污染物的去除率、修复时间、经费，预测投加菌及其代谢产物的生物安全性，从而确定投菌系统可以使用。

投入的微生物在生物强化系统中的状况对污染处理效果的影响极大，仅仅用降解和动力学参数评价生物强化作用，很难掌握投入菌的数量变化、活性高低、投菌日程以及混合菌种中生物强化菌本身对响应的贡献。

5、生物强化技术展望
生物强化技术在污染治理中应用研究十分广泛，已在生物修复中显示优越性，主要体现在：提高对目标污染物的去除效果；改善污泥性能，减少污泥产生；加快系统启动，增强负荷冲击能力和系统稳定性；与其他生物修复相技术结合，提高了运转效率。

上述生物强化技术的大多数研究局限于生物降解的目标评价，要使这项技术符合可持续发展和ISO14000 的有关规定，还必须对以下几个方面进行深度研究：
①研究一种快速高效的投加菌及其代谢产物的生物安全性检测技术。

②进一步研究共代谢机制，治理难降解污染物。

③建立投菌量、活性检测、菌株或复合菌群等参数的模型，使生物强化技术从中试进入应用。

④进一步开展高效降解超级菌、工程菌的研究。

生物强化技术自20 世纪70 年代中期产生以来，经几十年的研究与应用，已在生物修复中显现出了强大的生命力，该方法可有效提高有毒有害污染物的去除效果，将生物强化技术融入到传统的生物修复，并结合现代分子生物技术提供的新方法、手段进行监测、评价，已成为生物修复发展的一种趋势。