生物强化技术在污水处理中的应用研究现状及发展展望 8页

第31卷第5／6期东北电力大学学报Vo1．31．No．5／62011年l2月JournalOfNortheastDianliUniversityDee．，2011文章编号：1005—2992(2011)05／06—0001—08生物强化技术在污水处理中的应用研究现状及发展展望郭静波，崔凤国，杨世东，吕淑清，王伟卓，乔楠，李俊文(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)摘要：生物处理法和物理、化学法相比，具有成本低、效率高、操作简便，无二次污染的优点，因此，在城市污水和工业废水的处理中得到了广泛的应用。随着现代合成工业的发展，大量异生化合物(Xenobiotics)进入工业废水和城市污水中，使得传统的废水生物处理技术面临极大挑战。因此，采用投加微生物菌剂的方法，提高废水生物处理系统的处理效果和运行稳定性的生物强化技术得到了国内外学者的普遍重视。将对生物强化技术在污水处理中的作用机制、效果、应用研究现状进行综述，并在此基础上对生物强化技术的发展方向进行展望，以期为生物菌剂的开发与生物强化技术的推广应用提供指导。关键词：生物强化技术；微生物菌剂；污水处理；应用研究现状；发展展望中图分类号：X703．1文献标识码：A污水处理设施的主要目标是将污水中含有的有机物质转化成为无机态的N：和CO：，同时减少排放到环境中的悬浮固体量⋯。生物处理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。生物处理法和物理、化学法相比，具有成本低、效率高、操作简便无二次污染的优点，因此，在城市污水和工业废水的处理中得到了广泛的应用。但是，随着现代合成工业的发展，大量异生化合物(Xenobiotics)进人工业废水和城市污水中，这些化合物对生化系统中的微生物有一定的毒性或抑制性，限制了微生物的活性，尤其在冬季低水温情况下，活性污泥的吸附性能、沉降性都将会受到影响，微生物群系也将发生变化I4；另一方面，由于异生化合物本身的结构复杂性和生物陌生性，污染环境中能降解转化污染物的土著微生物种类和数量较少，甚至没有能降解某些特殊污染物的土著微生物，从而导致出水水质差，系统运行不稳定等一系列问题。因此，异生化合物的生物降解是限制废水生物处理技术发展的一个关键瓶颈。在这种背景下，生物强化技术应运而生。生物强化技术(bioaugmentation)是指在生物处理系统中，通过投加具有特定功能的微生物、营养物或基质类似物，增强处理系统对特定污染物的降解能力、提高降解速率、达到有效处理含难降解有机物废水的目的l5』。通过向土著菌群中投加具有特殊降解作用的微生物可以有效地改善难降解有机物的生物处理效果和污水处理设施在极端环境条件如低温下的运行稳定性。因此，采用投加微生物菌剂的方法，提高系统的处理效果和运行稳定性的生物强化技术得到了国内外学者的普遍重视。本文将对生物强化技术在污水处理中的作用机制、效果、应用研究现状进行综述，并在此基础上对生物强化技术的发展方向进行展望，以期为生物菌剂的开发与生物强化技术收稿日期：2011—08—18基金项目：吉林省科技发展计划项目(201101108)；东北电力大学博士科研启动基金项目(BSJXM一201014)作者简介：郭静波(1983一)，女，湖南省常德市人，东北电力大学建筑工程学院讲师，博士，主要研究方向：废水微生物处理技术的应用\n2东北电力大学学报第31卷的推广应用提供指导。1生物增强的作用机制1．1高效降解菌直接作用生物强化技术应用最为普遍的方式是直接投加对目标污染物具有特效降解能力的微生物。这种作用机制首先需要通过驯化、筛选、诱变和基因重组等生物技术手段得到一株或多株以目标降解物质为主要碳源和能源的高效微生物菌种，再经培养繁殖后，投放到具有目标降解物质的废水处理系统中。投加的微生物可以附着在载体上，形成高效生物膜；也可以以游离的状态存在。从理论上讲，给予足够长的时间，适宜的生存环境，任何一种污染物都可以进化出其相应的降解菌。一些难降解有机物的高效降解菌如表1所示。尽管许多纯菌对特定的目标污染物有很好的降解效果，但在实际的污水处理中，人们更倾向于采用混合菌群进行生物强化。相对于纯菌，混合菌群的降解能力一般都较高，对底物的利用范围也较广∞J。如Chen等人_2在采用Pseudomonasluteola和EscherichiacoliDH5ct进行偶氮染料废水的脱色时发现，尽管EscherichiacoliDHSct没有脱色能力，但是它在代谢过程中分泌的某些代谢产物却可以刺激Pseudomonasluteola更好地分解偶氮染料，而也正是Pseudomonasluteola对偶氮染料的降解缓解了偶氮染料对EscherichiacoliDI-I5的毒性作用，因此，可以将两种菌的这种互利共生关系看作是它们为获得良好的脱色性能和维持生存的一种进化的动力。1．2微生物的共代谢作用表1难降解有机物降解菌示例微生物的共代谢作用是指只有在初级能源物质存在时，才能进行的有机化物的生物降解过程。许多难降解有机物的去除是通过易降解有机物作为碳源和能源的共代谢途径进行的。在应用生物强化技术进行废水的处理时，除了考虑微生物菌种本身的特性以外，投加适宜的共代谢底物对生物强化制剂效果的发挥十分重要。瞿福平等在对氯代芳香烃化合物的研究中发现，氯苯类同系物共存时，对氯苯的生物降解性有一定程度的影响，邻二氯苯，间二氯苯的共存有利于整个体系的降解，但氯苯的耗氧速率有所降低。张晓健等2的研究结果也表明易降解有机物的存在有利于受试物的降解。Adriaens等研究发现，一株Acinetbactersp．生长在含有4一氯苯甲酸盐(4CB)的基质上时，可以将原来不能利用的3，4一二氯苯甲酸盐(3，4一DCB)转化成3一氯一4一羟基苯甲酸盐，毫无疑问共代谢在其中发挥了重要的作用02生物强化的效果2。1提高目标污染物的去除效果生物强化作用比一般的废水处理方法更能提高系统对BOD、COD、TOC或某种特定难降解物的去除效果。Wang等人对比了同等条件下，投加了高效混合菌群的SBR系统和传统的SBR系统对造纸\n第5／6期郭静波等：生物强化技术在污水处理中的应用研究现状及发展展望3废水的处理效果。结果显示，经过高效混合菌群强化的SBR系统对COD的平均去除率为91．72％，而未经生物强化的系统仅为78．97％。’2．2改善污泥性能。减少污泥产量生物强化作用不仅可以有效地消除污泥膨胀，增强污泥沉降性能，而且可减少污泥产量，一般可使污泥容积降低l7～30％。这不仅可改善出水水质，而且可减少污泥排放和污泥处理的能耗。Cham—bers研究了生物强化技术在延时曝气、曝气塘和氧化沟3种不同系统消除污泥膨胀中的应用，在延时曝气系统中，接种生物强化剂3周后就成功地消除了污泥膨胀。秦振清等2在处理焦化废水时，向原曝气池中投加酚氰高效降解菌，污泥沉降比由45％降至20％，污泥总量减少50％。Wang等人的研究结果表明，投加了生物强化菌剂的SBR系统中的活性污泥结构更加密实，沉降性能好，且其污泥絮体的含水率较低，系统的干污泥产量约为未经生物强化时的1／3。2．3缩短系统的启动时间，增强耐冲击负荷的能力和系统的稳定性投加一定量的高效菌种，增大处理系统中有效菌种的比率，可缩短系统的启动时间，达到较高的快速处理效果，同时还可增强系统的耐冲击负荷能力以及处理系统的稳定性。Wang等人25在采用高效混合菌群处理造纸废水时发现，经过生物强化的系统可以耐受12．9kgCOD／(m。·d)的有机负荷，而未经生物强化的SBR系统所能承受的有机负荷仅为9．9kgCOD／(nl·d)。Belia等引采用投加高效除磷菌Ancinetobacterlwoffii的方法成功地将传统活性污泥系统升级为高效生物除磷反应器(EBPR)，该反应器在启动后14d即达到了90％的除磷率，而传统活性污泥需要6—7周方可达到同等水平的除磷效果。Boon等¨的研究结果表明：活性污泥系统经历3一氯苯胺冲击负荷后，接种了3一氯苯胺降解菌株ComamonastestosteroniI2sfo的生物强化系统在第4d即开始恢复其正常的硝化作用，而未经强化的活性污泥系统在遭受冲击负荷后第2d就发生了NH：一N的积累，微生物的硝化活性在12d后才开始恢复，生物强化菌株的加入缓解了有毒有害物质如3一氯苯胺对其他微生物种群如硝化菌群的毒害作用，从而使得系统在经历了有毒有害物质的冲击后能够以较快的速度恢复到原有的污染物降解水平。3生物强化技术在污水处理中的应用研究现状3．1生物强化技术处理工业废水生物强化技术在各类工业废水的处理中得到了广泛的尝试，部分研究成果已成功应用于工业实践，但大多数仍停留在研究和实验室规模阶段。生物强化处理工业废水的实例，见表2。表2生物强化技术处理工艺废水实例3．2生物强化技术处理城市污水城市污水相对于工业废水，其处理的难度较小，其中多为易生物降解的有机质。但随着人们生活水\n4东北电力大学学报第31卷平的提高、化妆品、洗涤剂的广泛应用以及城市各工业、企业商业的发展，使得大量油脂、表面活性剂、氮磷营养物质及部分难降解有机物质进入城市污水管网中，另一方面，城市污水的排放总量远远大于工业废水的排放总量，从而给城市污水处理厂带来了巨大的问题和挑战。生物强化技术对提高城市污水处理厂处理效果耐冲击负荷能力及解决系统运行过程中出现的异常问题有其他方法无法比拟的优越性。生物强化技术的应用可显著提升了生物处理系统对油脂、阴离子表面活性剂、1一萘胺、氯酚等存在于城市污水中的难降解或生物抑制性物质的降解效果。同时，生物强化技术对提高城市污水处理处理系统耐冲击负荷能力及解决系统运行过程中出现的异常问题有其他方法无法比拟的优越性。除此以外，生物强化技术也可以用于城市污水厂的扩建和改造，即在尽可能少安装硬件和软件设施、节省工程费用和节约劳动力的前提下，采用生物强化技术强化原有工艺，以满足水质和水量的要求。如Belia等引研究了通过生物强化技术将传统的活性污泥系统改造为强化生物除磷反应器(EhancedBiologicalPhosphorusRemoval，EBPR)的可行性。；结果表明，生物强化技术能在14d内将传统活性污泥系统的污泥转变为EBPR污泥。所产生的污泥对进水中磷的波动，低的溶解氧(DissolvedOxygen，DO)浓度及污泥的更换均有很好的抵抗能力，且污泥对COD和氮的去除及其沉降性能均不会随纯菌的加入而受到影响。、3．3低温条件下生物强化技术的应用温度是一个重要的生态因子。温度对微生物个体的生长、繁殖等生理生化活动以及微生物的分布和数量都有一定的决定作用。当水温低于l0℃时，活性污泥的活力大大降低；当环境温度低于10℃时；绝大部分的中温微生物已不能代谢外源物质。因此低温条件下很难保证污水生化处理的效果，尤其是含大量难降解有机物的工业废水。分离筛选在低温下仍具有高效降解能力的菌株，对污水生化处理系统进行生物强化，有助予低温条件下更好地处理工业废水和城市污水。Jarvinen．等[8]将从地下水中分离到的耐冷高效氯酚降解菌投加到好氧流化床反应器中，考察了低温条件下系统对氯酚的降解效果。实验结果表明：在5～7cI=，氯酚负荷为740mg／(L·d)时，氯酚去除率达99．9％，并且估算该低温系统的年运行费用比中温条件下进行生物降解的费用降低了2．5倍左右，表明耐冷菌发挥了重要的作用。张敏等从洗涤剂生产车间曝气池活性污泥中分离出1株降解AEO型非离子表面活性剂c，：E的高效嗜冷菌株。该菌株在5qC的低温下，48h内对20mg／LAEO的降解率可达70％以上；弱碱性、低浓度底物的初始环境有利于菌株的生长及底物的降解；低温条件(5～10℃)降解率较高；对氮源无特殊要求；细菌利用添加的低浓度葡萄糖(0．1％)与CE，进行共代谢，可强化降解效果。孟雪征等从下水道中分离出对生活污水中有机污染物有降解能力的耐冷菌，并且采用耐冷复合菌群处理低温生活污水。研究结果表明：由于菌群中各菌种协同作用的结果，使耐冷复合菌群比单一菌具有更高的COD去除率，并且其抗冲击负荷的能力也强化。3．4生物菌剂的开发与应用现状目前，国内许多环保公司代理美国、日本、韩国、欧洲等国的用于提高环保装置运行效果的生物强化商品制剂。表3列举了国内外已开发出的主要商业生物菌剂及其应用领域。然而，国内的研究主要集中在高效降解菌的筛选与降解特性的研究上，在生物菌剂的成品化开发及应用方面的研究还比较滞后。由国外进口生物菌剂的价格昂贵，且其生物强化效果也无法得到保证。Simon等将两种商品生物强化菌剂BP8和BP10投加到石油烃修复的湿地系统后，其对石油烃的降解效果与土著微生物相比，并未显示明显的优势，且生物强化系统内的微生物量也未得到提高。Loperena等H对比了一种商品生物菌剂及采自乳品废水处理池的活性污泥对高浓度乳品废水的处理效果，结果表明，投加活性污泥的系统其群落结构多样性及底物代谢速率均高于投加生物菌剂的系统，而生物强化菌剂的优势地位逐渐被土著微生物所取代0Loperena等认为在连续流生化处理系统中，需要周期性投加生物菌剂来达到较高的处\n第5／6期郭静波等：生物强化技术在污水处理中的应用研究现状及发展展望5理效果。因此，由于污染环境及污染物的特殊性，商品化的菌剂并不一定能达到良好的处理效果，或者只能依赖反复的投加。只有在充分把握菌剂的降解能力、污染物质的波动情况以及现场操作条件的基础上，才有可能发挥菌剂的效能。另一方面，在有针对性地采用高效降解菌株进行目标污染物的降解时，往往也不能达到预期的污染物去除效果。Park等人在采用高效氰化物降解菌株对全规模的的焦化废水生化处理工艺进行生物强化时发现，由于微生物絮体的沉降性不佳及废水中缺乏有机碳源，氰化物的去除效果并不理想。Chong等人向实验室规模的活性污泥系统投加耐碱菌株后，系统在进水pH>9的条件下并未表现出应用的处理效果，其原因在于投加的菌株随出水大量的流失。Saravanane等人采用生物强化的上流式厌氧流动床处理头孢氨苄制药废水时，则需要设立一个离线的富集反应器来生产生物强化菌株，以向反应器中间歇性的投加菌体来满足污水处理的需要。Bouchez等采用硝化菌株Microvirgulaaerodeni—trificans对SBR系统进行了两次生物强化均未获得预期的脱氮效果，通过FISH观察发现，投加的硝化菌株在投加后第2d便从反应器中消失了。进一步研究发现，大量繁殖的原生动物吞噬了投加的硝化菌株。因此，Bouchez指出在实施生物强化之前，应该对不同种群的生态关系进行研究。表3商品生物菌剂及其适用领域公司产品应用领域爱尔兰生化试剂有限公司Biolyte系列有机废水、肉类及乳品加工废水、纸浆、工业废水处理美国俄亥俄州环境科学总公司IIMO城市污水处理美国艾尔克蒙公司AlkenClear—Flo动物粪便中的纤维、蛋白、脂肪和剩余的碳水化合物处理美国普罗生物技术有限公司ProbioticSolution和HumaGro系列工业废水处理、河道及湖泊景观水生态治理、土壤修复及农业、园艺ZebecSystems公司z—B10系列农业污水、水产业污水、工业废水、市政污水、石化废水处理休斯顿生物环境技术有限公司细菌合成产品除臭、清洁阴沟、处理油脂和石油污染日本琉球大学EM农牧、养殖、工业、环保、医疗、日常生活废水处理香港以诺集团Enochem系列环保、生态农业、畜牧水产养殖业废水处理上海英普环保技术有限公司BiNutrix—ww工业废水处理综上所述，投加菌剂的生物强化技术在加快污水生化处理系统启动速度、提高生化处理系统处理效果和抗冲击负荷能力、改善对某种特定污染物的降解能力方面表现出巨大的潜力。但是由于污水水质和水量的不稳定性、生化处理系统的操作复杂性以及强化菌投加到生化系统后自身的不确定性，菌剂的污染物降解效果并不一定能得到很好的发挥，因此限制了生物强化技术的大规模应用。另一方面，从已有的研究成果来看，生物强化技术的应用基本上还停留在实验室阶段，高效菌株或菌群的生存和降解能力的发挥在很大程度上取决于它们将被引入污染场地的环境条件。因此，在很多情况下，从A处分离得到的高效降解菌可能并不定适用于B场所相应污染物的处理。生物强化技术在水污染治理中的应用并不总能达到令人满意的效果。因此，生物强化技术的长足发展依赖于一下问题的解决：(1)废水成分复杂，仅依靠投加生物菌剂的生物强化技术难以达到预期的目标；(2)废水中可供微生物用作生长基质的底物浓度太低，不足以维持其生长；(3)投入的外源菌没有系统中固有菌的竞争能力强，不能摄取到足够的营养物质；(4)系统中捕食性原生动物捕食高效降解菌；(5)高效降解菌优先利用其他易于利用的底物，对目标污染物发生降解效应较缓慢；(6)废水中存在抑制性基质，抑制优势菌生长和代谢；(7)投入菌的量不足，使其在菌群中不占优势，或由于控制不当使菌体流失。(8)受不利环境因素的影响，如废水中的pH值、温度、DO的影响等。\n6东北电力大学学报第31卷4生物强化技术发展展望4．1环境微生物资源共享平台的发展微生物资源是国家重要的战略资源，与生物安全、人类健康、环境保护和可再生能源等密切相关。我国是一个生物资源多样性较为丰富的国家，但微生物资源收集、保藏与共享工作一直落后于许多发达国家。通过加强企业及科研院所的合作，建立并完善以实物、数据和网络三位一体的环境微生物资源共享公益性平台，对从废水生物处理系统分离得到的菌种进行系统的、标准化的整理和整合，对于微生物菌剂的开发及生物强化技术在污水处理中的推广应用具有现实而深广的意义。4．2基础研究与成果转化应用问题从基础研究到应用研究，从菌株到产品应用都需要一个比较长的过程，尤其是原创性成果的转化。而以微生物菌剂为代表生物强化技术要打开市场，在污水处理领域大规模应用，不仅需要产品本身的创新与成熟，而且离不开市场经营机制，需要政府、科研院所和企业等多方面的努力与市场对接。4．3未来的研究思路对生物菌剂的开发及生物强化技术的深入研究提出以下建议：(1)运用微生物非培养技术手段，获取非培养功能微生物的功能基因，构建废水生处系统基因组文库，开发环境友好型和生态安全型的高效生物菌剂，拓展生物强化技术的应用领域，为微生物菌剂的市场化和商品化更有效的技术支撑。(2)从蛋白质组学、酶学角度研究功能微生物高效降解污染物的代谢机制，开展废水生化处理系统实时定量分子生物学诊断技术，及时根据环境条件的变化调整工艺运行参数。(3)进一步研究微生物群落结构与功能的关系，从分子水平对生化处理系统微生物群落进行调控，优化工艺条件，开发新型污水生物处理技术及设备，将循环经济理念引入废水处理领域，真正实现经济和环保的双赢。参考文献[1]BoonN，TopEM，VerstraeteW，eta1．Bioaugmentationasatooltoprotectthestructureandfunctionofallactivated—sludgemicrobialcom—munityagainsta3一chloroanilineshockload[J]．AppliedandEnvironmentalMicrobiology，2002，69(3)：1511—1520．[2]张自杰，戴爱临．国内城市污水低温生物处理试验(上)[J]．环境工程，1983(3)：19—22．[3]张自杰，戴爱临．国内城市污水低温生物处理试验(下)[J]．环境工程，1984(3)：11—16．[4]吴成强，杨金翠，杨敏．运行温度对活性污泥特性的影响[J]．中国给水排水，2003，19(9)：5—7．[5]MaF，GuoJB，ZhaoLJ，eta1．Applicationofbioaugmentationtoimprovetheactivatedsludgesystemintothecontactoxidationsystemtrea—tingpetrochemicalwastewater[J]．BioresourceTechnology，2009，100(2)：597—602．[6]GuoJB，WangJH，CuiD，eta1．Applicationofbioaugmentationintherapidstart—upandstableoperationofbiologicalprocessesformunic—ipalwastewatertreatmentatlowtemperatures[J]．BioresourceTechnology，2010，101(17)：6622—6629．[7]GuoJB，MaF，ChangCC，eta1．Start—upofatwo—stagebioaugmentedanoxic—oxic(A／O)biofilmprocesstreatingpetrochemicalwastewaterunderdifferentDOconcentrations[J]．BioresourceTechnology，2009，100(14)：3483—3488．[8]QuYY，ZhouJT，WangJ，eta1．Populationdynamicsinbioaugmentedmembranebioreactorfortreatmentofbromoamineacidwastewater[J]．BioresourceTechnology，2009，100(1)：244—248．[9]MohanSV，FalkentoflC，NancharaiahYV，eta1．BioaugmentationofmicrobialcommunitiesinlaboratoryandpilotscalesequencingbatchbiofilmreactorsusingtheTOLplasmid[J]．BioresourceTechnology，2009，lOO(5)：1746—1753．[10]SiripattanakulS，WirojanagudW，McEvoyJM，eta1．AtrazineremovalinagriculturalinfiltratebybioaugmentedpolyvinylalcoholimmobilizedandfreeAgrobacteriumradiobacterJ14a：asandcolumnstudy[J]．Chemosphere，2009，74(2)：308—313．[11]ChenSC，ChenSL，FangHY．StudyonEDTA—degradingbacteriumBurkholdefiaeepaciaYL一6forbioaugmentation[J]．BioresourceTechnology，2005，96(16)：1782—1787．\n第5／6期郭静波等：生物强化技术在污水处，理中的应用研究现状及发展展望7[12]FarmllA，QuiltyB．Theenhancementof2一chlorophenoldegradationbyamixedmicrobialcommunitywhenaugmentedwithPseudomonasputidaCP1[J]．WaterResearch，2002，36(10)：2443—2450．[13]GentryTJ，NewbyDT，JosephsonKL，eta1．Soilmicrobialpopulatiandynamicsfollowingbioangmentationwitha3一chlorobenzoate—de—gradingbacterialculture：Bioaugmentationefectsonsoilmicroorganisms[J]．Biodegradation，2001，12(5)：349—357．[14]KasaiY，KodamaY，TakahataY，eta1．Degradativecapacitiesandbioaugmentationpotentialofananaerobicbenzene—degradingbacteriumstrai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paredwiththephysicalandchemicalmethods．Alongwithdevelopmentofthemoderncompoundindustry，avarietyofxenobioticsenterthemunicipalwastewaterandtheindustrialwastewater，whichposesgreatchallengetotheconventionalbiologicalwastewatertreatment．Therefore，applicationofbioaugmentationwiththedeliveryofmicrobialagenttoenhancetheeficiencyandthestabilityofthebiologicalwastewatertreat—mentprocessesreceivedcomprehensiveconcernsamongresearchersacrosstheworld．Thepresentpaperre—viewedthemechanisms，eficiencyandthestatusquoofbioaugmentaioninthewastewatertreatmentfield．Theprospectsofbi0augmentationwerealsopresented．Itwasanticipatedthatthispaperwouldprovideusefulguid—anceforthedevelopmentofmicrobialagentandtheapplicationofbioaugmentatation．Keywords：Bioaugmentation；Microbialagent；Wastewatertreatment；Review；Prospects