[生物强化技术在难降解有机物处理中的应用]难生物降解有机物

1999

年11月

Nov.,1999

生物强化技术在难降解有机物处理中的应用3

韩力平　王建龙　施汉昌　钱　易

(清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家联合重点实验室,北京　100084,E2mail:hanliping@263.net)

摘要　介绍生物强化技术的原理、特点、发展及这一技术在难降解有机物处理方面的应用;讨论这一技术在改善传统生物处理构筑物处理难降解有机物的效能、去除土壤及地下水和地表水中难降解有机物的可行性;指出了目前存在的问题和今后的发展方向Λ

关键词　生物强化技术,微生物投加,难降解有机物,生物修复.

BioaugmentationforRemovalofRecalcitrantOrganics

HanLiping　WangJianlong　ShiHanchang　QianYi

3

(EnvironmentSimulationandPollutionControlStateKeyJointLaboratory,DepartmentofEnvironmental

ScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,ChinaE2mail:hanliping@263.net)

Abstract　Usingbioaugmentationtoremoverecalcitrantorganicsinconventionalbioentprocess,suchasASR,insoilandingroundwaterwasprovedtobeanayinentalprob2lemscausedbyxenobiotics.Somespecificexampleswerephedifficultiesinvolvedintheapplicationofbioaugmentationwererimprovementweregaven.

Keywords　bioaugmentation,on,bioremediation.

,(otics)进入环境,,很难Λ难降解有机物是这类化合物的主要组成部分,它们的处理对原有的处理设施和技术提出了挑战Λ生物强化技术

(bioaugmentation)可以充分发挥微生物的潜力,改善

来的处理体系,经过驯化、富集、筛选、培养达到一定数量后投加,也可以是原来不存在的外源微生物Λ在生物强化技术的实际应用中这2种方法都有采用,这取决于原有处理体系中的微生物组成及所处的环境[2]Λ

2　生物强化技术的应用

211　改善传统活性污泥法等废水生物处理构筑

难降解有机物生物处理效果[1]Λ本文结合近年来生物强化技术的发展,对生物强化技术在难降解有机物处理方面的应用,及其可行性进行了探讨Λ

1　生物强化技术的提出及其特点

物处理难降解有机物的能力

难降解有机物的存在不仅自身很难通过活性污泥法等生物处理构筑物中的微生物作用得到去除,而且有时还会影响其它化合物的去除效果,总体表现为较低的COD去除率Λ如果原来的生物处理构筑物中不含有降解某种难降解有机物的微生物种群,加入一定量的经过筛选的具有特定降解功能的微生物就可以针对性地有效去除这种物质;如果原来生物处理构筑物中

一种处理体系中的微生物群落组成决定着对某类化合物的去除效果Λ难降解有机物难以生物降解是因为:①处理体系中不存在能够降解这类化合物的微生物或只存在很少数量,由于受到其它生物的竞争、捕

食,很难大量繁殖,发挥作用;②环境条件,诸如温度、存在少量的可降解这种有机物的微生物种群,则需要

盐度、溶解氧等不利于特定微生物发挥其降解功较长的一段时间经过微生物的诱导、pH、驯化才能使系统能Λ环境因素的影响相对于生物因素来说较易控制,因此是否存在一定数量的降解某类化合物的微生物就成了问题的关键Λ生物强化技术就是基于这一点而发展起来的Λ

生物强化技术是指在生物处理体系中投加具有特定功能的微生物来改善原有处理体系的处理效果,如难降解有机物的去除等Λ投加的微生物可以来源于原

3　国家自然科学基金资助项目(ProjectSupportedbythe

难降解有机物生物治理

收稿日期:1998212202

NationalNaturalScienceFoundationofChina):29637010作者简介:韩力平(1973～),男,博士生,主要研究方向为

对这种有机物达到一定的处理效果,而采用生物强化的方法就可以大大缩短微生物驯化所需要的时间,不

6期　　　　　　　　　　　　　　　　　环　　境　　科　　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　101　

需要延长原系统的水力停留时间而达到较好的去除效果[3]ΛSelvaratnam等人[4]通过在活性污泥法中投加苯酚降解菌PsendomonasputidaATCC11172提高了苯酚的去除率,系统在40d内一直可保持95%～100%的苯酚去除率;而没有进行生物强化的对照组中苯酚的去除率开始很高,但很快降到40%左右ΛAhring等人[5]把32氯苯降解菌Desulfomoniletiedjei投加到厌氧颗粒污泥反应器中,32氯苯可以很快地转化为苯而被原来反应器中的细菌去除,而不投加菌的对照组中32氯苯几乎不降解Λ在HRT为0.5d的状态下,反应器在几个月内对32氯苯都有很好的去除效果,实验表明,投加的菌株已经固定化在颗粒污泥中,并且可以保持很高的活性Λ

在生物强化技术的应用中,微生物的投加量是影

响生物强化效果的一个关键因素ΛBabcockJr等人[6]对此作了深入的研究,他们发现,微生物投加量分别为反应器中MLVSS质量百分比的1,2,5,10,20和50时,12萘胺去除率提高的百分数分别为0,33,100,100,

100和300Λ在10mg L的12萘胺降解实验中,增加投

力很难在短时间内有效地去除这类化合物,并且随着它们在土壤中存留时间的延长,将越来越难以被降解Λ通过生物强化技术在土壤中引入能够有效降解目标化合物的微生物(纯菌株或混合菌株),相对于其它物理、化学处理方法是一种简便、有效且价格合理的处理方法,己被广泛采用[8]Λ

土壤是一个复杂的生态系统,受到各种环境条件和生物因素的影响Λ在进行受到难降解有机物污染的土壤生物修复工作时,首先要对当地土壤的理化特性,土壤中存在的微生物群落组成、分布,以及各种环境条件进行调查,研究,针对所需处理的难降解有机物的结构、物化特性选择适合的生物强化微生物进行初步的试验,不断完善、改进,并最终确定生物修复的合理方案Λ生物修复工作所要考虑的各种因素列于表1中.

表1　土壤生物修复的影响因素

来　源　　　　　　　影　响　因　素

土质结构特点有机质及矿物质营养物挥发性溶解性吸附性在土

Λ,多,微生物投加之后是否能够降解低浓度的底物是必须考虑的问题Λ其次,投加后的微生物面临的是一个复杂的生态环境,既有微生物种群之间的竞争,也有被原生动物捕食的可能Λ因此,若想达到良好的生物强化效果,投加的微生物必须在处理构筑物中保持一定的代谢活力,维持一定的数量,另外,废水处理构筑物中往往同时含有多种化合物,有的可能对投加的微生物有毒害作用,有的可能会被投加的微生物优先利用而影响目标化合物的降解ΛZaidi等人给出了这样一个例子,对2硝基苯酚(PNP)降解菌投加到含PNP的工业废水中,当废水中同时含有葡萄糖和PNP时,葡萄糖和

PNP量比例不同会影响该菌种对PNP的利用顺序,从

[7]

代谢活性生长速率流动性捕食及竞争关系环境条件温度及其波动风力降雨 雪量

　　土壤是一个相对贫瘠的环境,生物强化微生物引入到土壤中能否充分发挥它的降解功能受到许多因素的制约,其中原生动物的捕食造成的微生物数量的减少是一个很重要的因素[9]Λ此外生物强化微生物能否与难降解有机物充分接触而使其降解也直接关系到生物修复工作的成效[10]ΛBosma等人[11]认为土壤的传质限制,如污染物的扩散限制,土壤对污染物的吸附等是生物修复能否成功的决定性因素Λ最近Deitsch等人[12]通过实验证明在受污染土壤中加入一定量适当的表面活性剂可以增加微生物与污染物之间的接触,从而改善了生物修复的效果Λ

目前己有不少受到难降解有机物污染的土壤生物修复工作成功的报道ΛShin等人[13]通过投加Clostridi2umbifermentans对受2,4,62三硝基甲苯(TNT)污染的土壤进行了生物修复,达到了很好的效果ΛShapir等人[14]]报道,在受到除草剂莠去津(Atrazine)污染的土壤中投加Pseudomonassp.ADP进行生物强化可使莠去津达到90%～100%的完全矿化率,而依靠土壤本身的微生物降解作用,虽然能够降解一部分莠去津,但其矿化率只有l%ΛIestan等人[15]采用三株不同真菌,I.

lacteus,B.adusta和T.versicolor进行生物强化处理受

而影响PNP的降解时间和降解效率Λ因此在进行生物强化之前,需要进行一系列的实验,妥善解决可能会出现的问题,才能保证生物强化技术的有效实施Λ

212　去除土壤中难降解有机物

土壤的生物修复(bioremediation)是生物强化技术最早应用的一个领域,特别是近年来,由于石油泄露和污染物不合理处置造成了大面积的土壤受到难降解有机物的污染,仅仅依靠土壤自身微生物群落的自净能

到五氯酚(PCP)污染的土壤,PCP的去除率可以分别

102环　　境　　科　　学20卷

达到86%,82%和90%Λ

采用生物强化技术进行生物修复是去除土壤中难降解有机物的一种切实可行的方法,但笔者认为目前还需要加强以下几个方面的研究工作,使得生物修复技术更加完善有效Λ①生物修复过程的监测,各种影响因素的作用机制;②生物强化微生物投加后的生理、形态变化及种群的动态变化;③改善生物修复效果的添加剂的研制及其作用机理;④已取得成果的综合、总结,构建完整的数据库Λ

213　地表水和地下水中难降解有机物的处理

用固定化细胞技术使投加的微生物可以保持较长时间的活性,并且可以反复利用Λ利用基因重组技术可以得到降解能力更强的菌株,也可以使一些降解菌株在极端的环境条件下(如低温、高盐度、强酸 碱性等)发挥效力Λ这些问题的讨论可以参考有关文献[18]Λ

参

考

文

献

1　HubanCMetal.Bioaugmentationputmicrobesto

～84work.ChemicalEngineering,1997,104(3)74

2　.BiodegradationofphthalicacidesterWangJianlongetal

.insoilbyindigenousandintroducedmicroorganisms

由于地表水和地下水污染的特点决定了生物强化技术在这一领域的应用还需要考虑以下几个方面:①受污染地表和地下水处理量较大,污染物浓度相对较低,生物强化微生物需要适应这一环境条件并且保持活性,维持一定数量,有时需要采取一些有效手段增加与污染物的接触,即增加污染物的生物可利用性

(Bioavilability);②水体的流动性及污染物的分布特性

～1754Chemosphere,1997,35(8):1747

3　HorowitrJB,VilkerVL.Biodegradationprocessdevel2

opmentusingabacterialcytochromeinvivo.Biotech2.Bioeng.,1994,44(2):248～255nol

4　SelvaratnamCetal.Appl.Microbiol.Biotechnol.,

1997,47(2):236～240

5　AhringBetal.Appl.ol.,1992,58

):3682

retal..R,1992,64(6):782～

791

R,MehtaNK.Biotechnol.Lett.,1996,18(5):

565～570

8　KordaAetal.Appl.Microbiol.Biotechnol.,1997,48

(4):677～686

9　WrightDAetal.Appl.Environ.Microbiol.,1995,61

(10):3537～3543

10　HeadLM.Bioremediation:towardsacredibletechnology

决定着微生物的投加量、频度及投加方式;③健康方面的考虑,地表水和地下水与人及动植物的生存密切相关,生物强化的微生物不能是治病菌,Duba等人[16]将()降

解菌MethyOB3与1800L地下27m的井中,大约50%的投加菌吸附到沉积物上,形成一个原位固定床生物反应器,受TCE污染的地下水以3.8L min的速率连续抽提通过这一生物滤层,保持30h,然后改为2.0L min的速率维持39dΛ现场实验证明抽提出的地下水中TCE的浓度由01425降至0101mg L相当于98%的降解率,随着时间的延长处理效率逐渐降低Λ

最近一些研究者发现,在生物强化的同时添加一些无毒害作用的营养物质(如乳酸、甲酸、乙酸等)可以大大提高生物强化的效果[17]Λ另外改进投加微生物的方法,使之在水体中分布均匀,提高水体中的溶解氧含量也会有助于取得更好的生物强化效果Λ

受到难降解有机物污染的地表水和地下水水域面积不断增加,已引起人们的关注Λ开发价廉适用的生物强化制剂和选择合理的投加、运行方案是解决这一问题的一种有效手段Λ

3　结论和展望

～608Microbiology,1998,144(3):599

11　BosmaTNPetal.Environ.Sci.Technol.,1997,31(1):

248～452

12　DeitschJJ,SmithJA.Environ.Sci.Technol.,1995,29

(4):1069～1080

13　GriggBCetal.Pestic.Sci.,1997.50(2):211～22014　ShapirN,MandelbaumRT.J.Agric.FoodChem.,

1997,45(11):4481～4486

15　LestanD,LamarRT.Appl.Environ.Microbiol.,1996,

62(6):2045～2052

16　DubaAGetal.TCERemediationusinginsituresting2

.Technol.,1996,statebioaugmentation.Environ.Sci30(6):1982～1989

17　.Environ.Sci.Technol.,1996,30Munakata2marrJetal

(6):2045～2052

18　ChristensenBBetal.Establishmentof

genetictraitsina

.Environ.Microbi2microbialbiofilmcommunity.Appl.,1998,64(6):2247～2255ol

随着近年来一些新技术,特别是生物技术的发展,生物强化技术的内涵和应用范围逐渐扩大,可行性和有效性逐渐增强,被越来越多的人所接受和采纳,如采