生物强化技术及其在水污染治理中的应用

ENVIRONMENTALSCIENCEANDMANAGEMENTVol.38No.4Apr．2013

文章编号：1674－6139（2013）04－0082－05

生物强化技术及其在水污染治理中的应用

121

熊贵琍，陈瑾，叶文衍

（1．惠州大亚湾经济技术开发区环保咨询中心，广东惠州516081；2．华南师范大学化学与环境学院，广东广州510006）

摘要：文章主要介绍了生物强化技术在国内外的研究进展，包括了直接作用、共代谢作用以及基因水平转移

作用等三个作用机理;从自然环境筛选、构建基因工程菌、直接购买商业菌剂等三个菌株来源及其生物强化技术在治理高浓度有机废水、脱氮除磷、改善系统污泥特性、降低污泥产量等水污染治理中的应用现状，并对实际应用效果进行评价，对其中的主要控制参数和应用失败的原因也进行了探索，并提出了生物强化技术的展望。生物强化系统在应用上表现出了很好的应用前景，是生化处理今后的研究重点与方向之一。关键词：生物强化技术;水污染治理;应用中图分类号：X703．1

文献标识码：B

BioaugmentationTechnologyandItsApplicationinWaterPollutionTreatment

XiongGuili1，ChenJin2，YeWenyan1

（1．HuizhouDayawanDistrictEnvironmentalProtectionAdvisoryCenter，Huizhou516081，China；2．CollegeofChemistryandEnvironment，SouthChinaNormalUniversity，Guangzhou510006，China）

Abstract：Thispaperintroducestheresearchprogressofbioaugmentationtechnologyathomeandabroadfromthreefunctio-ningmechanismsofdirectaction，co－metabolismandhorizontaltransfer．Thebacterialstrainwasobtainedfromthreechannelsofnaturalscreening，geneengineeringstrainandcommercialagents．Theapplicationconditionsofthesebacteriawasstudiedintrea-tinghighconcentrationorganicwastewater，nitrogenandphosphorusremoval，sludgecharacteristicsimprovement，sludgevolumereduction．Theresultswereevaluatedtoexplorethemaincontrolparametersandreasonsforapplicationfailure．Sometechnologi-calprospectsofbioaugmentationtechnologywereputforward．Itisconcludedthatthistechnologyisoneofthemajordevelopmentdirectionsforfutureresearch．

Keywords：bioaugmentationtechnology；waterpollutioncontrol；application

生物强化技术，即生物增强技术、投菌法，它产在80年代以后得以广泛生于上世纪70年代中期，的研究和应用

［1］

1生物强化技术的作用机理

生物强化技术的作用机理主要包括了：直接作

［3－4］

。生物强化技术，是指向传统的生

以去物处理系统投加具有特定降解功能的高效菌，除某一种或某一类有毒有害物质的方法。生物强化技术最核心的内容为培菌及投菌环节，该技术是一种预处理技术而不是治理技术。如图1

［2］

用、共代谢作用以及基于水平转移作用。（1）

直接作用：即微生物直接利用分解底物。（2）共代谢作用：某些有毒有害污染物不能被微生物直接降解，但在有其他底物下，微生物能改变这些有毒有害物质的结构，从而达到降解目标物的目的。（3）基因水平转移作用：通过生物强化技术引入具有特定特征代谢基因的微生物后，在基因水平上加速其与自然基因的交换和代谢途径的构建，提高降解有机污染物的能力。

所示有关

从生物强化技术科技文献在两个数据库中的统计，走势上看，生物强化技术正逐渐受到学者的关注和研究。

收稿日期：2013－01－26

作者简介：熊贵琍（1980－），女，大学本科，中级工程师，研究方向：环

境监督管理。

2生物强化菌剂的来源

生物强化菌剂是生物强化技术应用的前提。生

·82·

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物强化菌剂既可以从特定环境中分离筛选，经驯化培养获得；也可以是经过基因工程构建的菌株，通过热风干燥、冷却干燥或添加抑制剂得到保存，按照使

将数种菌株组合后加入处理系统，生物增用的目的，

强制品分为液体和粉剂两种

［5］

。

图1有关生物强化技术科技文献的统计

2．1从自然环境筛选

从自然环境或者污染场地直接分离筛选是获得

菌多是通过质粒介导的基因转移或者原生质体融合来获得

［2］

。（1）质粒介导的基因转移：质粒是染

特定功能微生物的一个重要途径，也是目前最常用其优点是菌种的比较成熟的获得高效菌种的方法，操作简单来源广泛易得，筛选高效菌种的步骤。

［2］

色体外一类能自主复制的较小DNA分子。在某些条件下，质粒能赋予宿主细胞在有相应药物或化学毒物的环境中生存的能力

［6］

。见图2为从自然界中

。根据质粒的这些特

性，将具有某种特定功能的质粒导入受体细胞使其获得相应降解能力的基因工程技术，即为质粒介导的基因转移。在基因工程上质粒常被用做目的基因即指通的载体。（2）原生质体融合：原生质体融合，过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，从而获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。此项技术打破了微生物的种界界限，可实现远缘菌株的基因重组。可使遗传物质传获得更多基因重组的机会。基因工程递更为完整、

菌并非自然界原本存在的物种，人们对其释放到环境后的安全性尚未评估

［7］

，在废水处理中的应用目

前只是停留在实验室水平。

图2

从自然界中筛选高效菌种步骤

2．2构建基因工程菌

基因工程菌的构建即用生物工程技术将微生

物细胞中参与富集和降解过程的主导性基因导入繁殖力强、适应性能佳的受体菌株内的过程，从而大大提高了菌体对金属及难降解污染物的适应性和处理效率

［6］

。如图3所示基因工程菌的构建过

程。就废水处理系统而言，目前应用的基因工程

·83·

图3

基因工程菌的构建过程

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2．3直接购买商业菌剂

生物强化商业菌剂是从自然界中筛选出来的、

降解污染物。（2）抵抗高浓度污染物的能力。谢，

菌株投加到系统后的抗污染冲击负荷能力将影响其处理效果。（3）抗重金属的能力。有的重金属会对污染物产生毒害作用，使微生物失活。（4）在较宽泛的环境和介质中生存的能力。有些菌剂在实验室小试中的效果较好，可在扩大实验中的应用效果不一定理想，在从实验室到中试，再到应用过程中，要考虑菌株实际的生存能力。（5）产生生物表面活性更利于与污染物接触。如果微生物在其代谢过剂，

程中能分泌出如糖脂、多糖脂、脂肽或中性类脂衍生物等代谢产物，将能增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性，促进对污染物的降解。

应用领域

有机废水、肉类及乳品加工废水、纸浆、工业废水处理

城市污水处理

动物粪便中的纤维、蛋白、脂肪和剩余的碳水化合物处理农业污水、水产业污水、工业废水、市政污水、石化废水处理

农牧、养殖、工业、环保、医疗、日常生活废水处理环保、生态农业、畜牧水产养殖业废水处理

工业废水处理

有特定降解功能的细菌制成菌液制剂或干粉制剂

［7］

。商业菌剂的组成包括了自养、异养和兼性

菌，是多种菌株的混合复配。商业菌剂具有很多优点：（1）使用安全方便，可以实时地处理污染；（2）加速了系统的启动，缩短了微生物培养驯化的时间，提高了系统中有效微生物的浓度

［8］

。如表1［9］所示研

究者开发出来的商业生物强化菌剂及其应用领域，但在使用这些菌剂时应考虑：（1）在较低或较高温度下生长的能力。微生物在环境中有适宜的生长温度，在该温度范围内微生物才能较好地完成新陈代

表1

公司

爱尔兰生化试剂有限公司美国俄亥俄州环境科学总公司

美国艾尔克蒙公司ZebecSystems公司日本琉球大学香港以诺集团

上海英普环保技术有限公司

产品Biolyte系列

IMOAkenClear－FloZ－BID系列

EMEnochem系列BiNutrik－ww

商业生物强化菌剂及其应用领域

3

3．1

生物强化技术在水污染治理中的应用

生物强化技术在水污染治理中的应用现状生物强化技术可起到高效去除目标污染物，改

的去除率由初始100%降低到40%

［10］

。Chin报道

了生物接触氧化+生物强化技术工艺组合处理苯、甲苯、二甲苯混合液（BTX）试验，研究发现，在反应器中投入降解BTX的混合优势菌，进行挂膜，等系控制水力停留时间为11.6h，可去除统稳定后，

80%浓度为10mg/L的苯，96.8%浓度为8.1mg/L12.7%浓度为6.1mg/L的二甲苯，的甲苯，投菌后BTX降解速率比原系统提高212.5%［11］。3．2．2

改善污泥性能，增强污泥活性，减少污泥产量生物强化技术能有效消除污泥膨胀，改善污泥沉降性能，显著减少污泥总量，一般可使污泥容

［4］

积降低17%～30%。王艳芬等向序批式活性污

加速系统启动，提高系统抗负荷冲击能善污泥性能，

力和稳定性，并与其他生物修复技术相结合，提高了运转效率等作用

［2］

，目前已经被广泛应用于：（1）治

理高浓度有机废水；（2）有毒、有害难降解污染物的降低污治理；（3）脱氮除磷；（4）改善系统污泥特性，泥产量；（5）强化废水中油脂的液化和降解；（6）江河湖泊等的水体修复；（7）地下水生物修复等方面。3．23．2．1

评价效果

提高对目标污染物的去除效果

生物强化技术比一般的废水生物治理方法对目标污染物的去除更有针对性，效果更佳。S．Selvarat-nam等将筛选到的苯酚高效降解菌PseudomonasputidaATCC11172投加到序批式活性污泥反应器中，该菌在44天内对苯酚的降解率始终维持在95%～100%，而没有接种该高效菌的反应器，苯酚·84·

泥反应器中投加降解苯酚的混合湿菌体做为试验组进行生物强化实验，并设置未加入湿菌体的反应器作为对比组进行比较。在整个运行过程中，试验组MLVSS平均值比对照组高17.7%；试验组MLSS下降速率和幅度均大于对照组，沉降性能差的活性污泥被快速洗出，整体活性污泥沉降性能良好；试验组SV30平均值比对照组低24.6%，且

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整体呈下降趋势，对照组则明显上升；试验组SVI下降速率大于对照组，生物强化后活性污泥絮凝镜检发现，污泥絮凝体变得边缘清沉降性能改善，

晰、规则，逐渐形成圆形或椭圆形、粒径均匀的颗粒状污泥3．2．3

［12］

不同的研究者对投菌量的研究结性等难以测定，

果不全一致。秦华明等在未驯化的活性污泥体系发现只加入未驯中投加X4菌进行生物强化实验，

化活性污泥的体系对油脂的降解作用比较缓慢，24h后，油脂的降解率仅有9%，而随着投菌量的加大，油脂的降解速率明显提高。当投菌量分别为42%、63%、84%时，油脂的降解率大于80%以上所16h、12h小时［17］。Patureau需的时间分别为24h、

10.3%、15%（体积分数）接种好氧脱氮等按3.2%、

菌M．Aerodenitrificans至序批式活性污泥反应器10.3%接种量时系统的脱氮除磷效果最佳，中，而15%接种量时系统的脱氮除磷效果最差［18］。3．3．2

投菌方式

［4，8］

。

提高了系统的抗负荷冲击能力和稳定性

朱永光等在活性污泥系统中加入苯酚降解菌株Candidasp后使该系统获得了苯酚降解能力，且在实验的20d内一直保持这种较高的降解性能；活性污泥系统经过驯化也获得了一定的苯酚降解性能，但是经过20d的驯化后其降解性能只能达到40%左右，较生物强化系统的低60%

［13］

。王艳芬等对比

了接种Pseudomonassp．ZWl2、Acineobacterssp．UW7、Plesiomonassp．AW28和Brevibacteriumssp．SW34混合高效苯酚分解湿菌体的强化系统与非强化系统受到苯酚冲击时的降解速率。当进水苯酚质量浓度增加到1000mg/L时，试验组保持在2h内快速降解苯酚的能力，而对照组降解率下降至42.7%；而当进水苯酚质量浓度提高至2080mg/l，时，试验组6h内仍能达到苯酚完全降解，而对照组的苯酚降解率已下降至0.4%3．2．4

加快系统的启动速度

［12］

菌株的投加方式主要包括了直接投加特效降解采用固定化技术两种方式菌或共代谢基质，

。

直接投加方式操作简单方便，但所投加的特殊微生物易于流失或被其他微生物吞噬，造成强化效果不理想；固定化技术能将优势菌种固定封闭在特定的使菌体脱落少，活性高，有效地避免了菌体载体上，

的流失，提高了系统中优势菌种的浓度，增强了其在反应器中的竞争性、抗毒性以及停留时间。3．3．3

应用工艺

不同的应用工艺对强化技术的效果不尽相同。最初学者们把生物强化技术较多用于悬浮污泥法，如间歇式活性污泥法、曝气池、氧化沟等；现在则更多地应用于生物膜法，如厌氧污泥床、生物流化床等

［8］

。

丁雪梅通过EM菌剂培养生物膜和活性污泥处并同未投加该菌剂的系统进行了比理垃圾渗滤液，

较，结果发现：EM菌剂能够缩短系统启动时间，活性污泥组比对照组启动时间缩短了14～16天，生物EM处同时生物膜脱落后，膜系统缩短了6～8天，理组重新挂膜速度较快

［14］

。营养物质

。赵立军等采取活化菌3．3．4

液、生物菌剂和生物污泥联合投加的方法，在低温条件下仅用了12d时间即成功启动了污水厂生化池，有效缩短了生化系统的启动时间，并节约了投料成本和电耗支出3．3

［15］

微生物的生长需要一定比例的营养物质，除了碳源外，还需要氮、磷及其他微量元素。生物强化处理系统中需要调节废水中微生物营养物质的比例来增强微生物的活性。3．4

应用失败及原因探究

生物强化技术在水处理应用中有明显的效果，但由于废水处理系统性质多样，成分复杂，水质水量、投菌量、投菌方式、氧耗、营养物质、工艺、水力停留时间等的变化都会给系统带来不可预测的影响

［4，19］

。

主要控制参数

生物强化技术的成功应用要充分考虑投菌量、

投菌方式、水质、营养物质、反应器类型、生物安全性、可行性验证等多种因素。3．3．1

投菌量

投菌量要根据系统中污染物的含量以及系统的运行阶段而定。一般随投菌量的增加，增强效果会提高

［16］

。综合学者们的研究，生物强化技术在水污

染治理中应用失败及原因包括：（1）废水成分复杂，用生物强化技术本身很难达到预期的目标和效果；

·85·

。但是，由于高效菌种的活性及稳定

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（2）系统的底质不足以维持优势菌的生长所需；（3）共存生物通过捕食、竞争营养源等方式抑制了优势菌的生长繁殖；（4）投菌量以及投菌方式的不当导致了菌体的流失；（5）pH值、环境温度等不利环境因素的影响。

［7］StenstromM．K．，etal［M］．Environ．Prog，1987，8（2）：107．

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［9］．精细与专李旭东，杨芸．废水生物处理新技术［J］2002，17（1）：19－21．用化学品，

4结语

综上所述，生物强化技术在水污染治理中的应

［10］SSelvaratnam，BASchoedel，BLMcFarland．Applica-tionofthepolymerasechainreaction（PCR）andreversetran-scriptase/PCRfordeterminingthefateofphenol－degradingPseudomonasputidaATCC11172inabioaugmentedsequencingJ］．ApplMicrobiolBiotechnol，1997，47：236－240．batchreactor［

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［13］朱永光，冯栩，廖银章，等．活性污泥系统处理苯酚．应用与环境生物学报，2006，12废水的生物强化效果［J］（4）：559－561．

［14］J］．丁雪梅．利用EM处理垃圾渗滤液的效果研究［2002，4（2）：24－27．城市管理与科技，

［15］赵立军，马放，赵庆建，等．生物强化技术在污水厂

用十分广泛，已表现出了很好的应用前景。但目前生物强化技术的大多数研究仅局限于实验室对降解物的目标评价，为了实现其规模化应用，使此项技术今后的研究重点和方向还更具可持续发展的意义，

应集中在以下几方面：（1）培养新的特效物种并进降低应用成本；（2）从实验室一步提高其应用效率、

进入模拟系统和工程应用中，进一步加强基因工程净化功能及安全性研究；（3）运用各种菌的遗传性、

相关技术加以优化组合，尤其是高效、低能耗、易普及的特种微生物与特殊工艺的最佳结合；（4）进一步探讨影响生物强化技术在水治理系统中的主要控制参数和生态学机制，建立相关数学模型，为指导实践操作提供依据。

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