废水生物强化处理技术研究进展

应用与环境生物学报2011，17(2):273~279ChinJApplEnvironBiol=ISSN1006-687X2011-04-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2011.00273废水生物处理是通过微生物的新陈代谢作用，将污染物分解、吸收或者吸附来实现水质的净化.生物处理法与物理、化学法相比，成本低，效率高，且在处理过程中所产生的二次污染极小，在城市和工业污水处理中得到了广泛的应用，是目前的主流废水处理方法.为满足处理不同来源及不同性质废水的需要，科研及工程技术人员已研制开发出厌氧—好氧活性污泥工艺（A/O、AA/O）、氧化沟法、序批式活性污泥工艺（SBR）、改良型SBR法、两段法（AB法）、生物接触氧化法、曝气生物滤池（BAF）、上流式厌氧污泥床（UASB）以及膨胀颗粒污泥床（GESB）等多种类型的生物处理工艺及反应器.但是，近年来由于社会经济的迅速发展，废水量日益增多，成分日益复杂，同时各国政府与民众对出水水质要求也日益提高，一些工艺的处理能力已难以满足实际需求；尤其当废水中含暂时性有毒难处理的物质时，由于能去除该类物质的微生物在处理系统中的种类、数量较废水生物强化处理技术研究进展*李久安1,2周后珍1刘庆华1谭周亮1**李旭东1（1中国科学院成都生物研究所成都610041）（2中国科学院研究生院北京100049）ProgressinBioaugmentionTechnologyResearchforBiologicalTreatmentofWastewaters*LIJiuan1,2,ZHOUHouzhen1,LIUQinghua1,TANZhouliang1**&LIXudong1(1ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)(2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)AbstractBioaug�en�a�ionha��ahuge�o�en�iala��li�a�ionin�iologi�al��ea��en�o���a���e�a�e���.The�e�en����udie����ho�Bioaug�en�a�ionha��ahuge�o�en�iala��li�a�ionin�iologi�al��ea��en�o���a���e�a�e���.The�e�en����udie����ho�thatbioaugmentationcouldenhancetheremovalefficiencyoftargetpollutants,acceleratethestart-upofsystem,improvethecapacityofthesystemresistanttohydraulicandorganicshockloading,andupgradethestabilityofmicrobialcommunitystructureandfunctionofsystem.Thispapersummarizesthestudiesonthebioaugmentationtechnologyforbiological��ea��en�o��di����e�en��a���e�a�e���.A�ou��he����eeningo�����e�ial��un��ion�i��oo�gani�����,�o�ho���he��adi�ionalandgeneticengineeringmethodsaresimultaneouslyused;abouttheapplicationofspecialfunctionstrainsandtheprocessingtechnologyofbioaugmentation,mainlyactionofthedosingspecialstrainsorthehorizontalgenetransfer(HGT)aredirectlyutilizedtoimplementbioaugmentation;besides,withthedevelopmentofmolecularbiology,therelatedmoleculartechniquessuchasdenaturinggradientgelelectrophoresis(DGGE),ribosomalintergenicspaceranalysis(RISA)andfluorescenceinsituhybridization(FISH)arewidelyusedintheresearchofmicrobialecology.Thispaperarguestheusingofmolecularbiologyandotheradvancedtechniquestoexplorethemicrobialecologymechanismthroughtheprocessofwastewater�ioaug�en�a�ion��ea��en�enginee�inga��li�a�ionand�oguidedevelo��en�o��high�e���o��an�e�i��oo�gani���agen���a��ani��o��an��e��ea��hdi�e��ionin�he��u�u�e.Fig2,Ta�1,Re��56Keywordsbiologicaltreatmentofwastewater;bioaugmentation,horizontalgenetransfer;geneticallyengineeredmicroorganisms;communitiesstructureCLCX703.1摘要生物强化技术具有高效去除目标污染物、加速系统启动、提高系统抗水力及有机负荷能力以及优化系统菌群结构和增强功能稳定性等功能，在废水生物处理实际应用中潜力巨大.总结了国内外废水生物强化处理技术研究进展，在功能微生物选育方面，通过传统选育手段与基因工程手段并举来实现；在功能菌应用与生物强化处理工艺方面，主要通过所投加的功能菌直接作用或是利用基因水平转移（HGT）来实现生物强化；在分子检测技术方面，随着分子生物学的发展，一些技术如变性梯度凝胶电泳（DGGE）、核糖体间隔基因分析方法（RISA）及荧光原位杂交（FISH）等在与微生物生态学研究中得到了广泛应用.分析认为，应用分子生物学等先进技术手段，探讨废水生物强化处理工程应用过程中的微生物生态学机制，并以此为指导研发高性能菌剂，将是本领域的研究重点与方向之一.图2表1参56关键词废水生物处理；生物强化技术；水平基因转移；基因工程菌；群落结构CLCX703.1收稿日期：2010-06-27接受日期：2010-07-12∗中国科学院知识创新工程重要方向项目（No.KSCX2-YW-G-055）、国家“十一五”科技支撑计划项目（No.2006BAC02A09）和四川省科技厅项目（No.07SG005-001）资助SupportedbytheKnowledgeInnovationProgramoftheChineseAcademyofSciences(No.KSCX2-YW-G-055),theNational“11thFive-yearPlan”Science&TechnologyProjectofChina(No.2006BAC02A09),and�heS�ien�i��i�andTe�hnologi�alP�og�a�o��Si�huan,China(No.07SG005-001)**通�作者通�作者Co��e���ondingau�ho�(E-�ail:�anzhl@�i�.a�.�n)27417卷应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol少，同时它们在种间竞争中常处于劣势，传统的处理工艺更是难以达到理想的出水水质，并且也会给原有系统的平衡和稳定带来很大的风险.在这样的背景下就产生了生物强化技术.生物强化技术（Bioaug�en�a�ion）是指为提高系统去除污染物的能力，向废水处理系统或者污染地投加特定功能微生物的一种工艺[1].有学者认为它产生于20世纪70年代中期[2]，到90年代国外已有较多的文献报道.与之相比国内的研究起步较晚，直到90年代后期才有中文文献对国外的研究进行总结[3].近十几年来，该技术在环境治理及废水生物处理系统中以其较快较明显的处理效果受到研究者越来越多的关注，这种关注程度从CNKI和ISIWe�o��Kno�ledge两个数据库中相关文献数量变化可以看出（图1）.本文只对其在废水处理系统中的研究情况进行总结，总体来说该技术可起到高效去除目标污染物[4~5]，加速系统启动[6~7]，提高系统抗水力及有机荷的能力[8~9]，增强系统菌群结构和功能的稳定性[10~12]等作用.目前，生物强化技术在医药[13]、焦炭[14]、造纸[15]、石化[16]、印染[17]、橄榄油[18]等行业的废水生物处理中均有研究，并且有些研究已进入全规模试验阶段[19~20].其在废水处理系统中的主要流程如图2.本文试从特定功能微生物选育及其发挥作用的方式，以及生物强化工艺与相应的分子检测技术等几个环节介绍国内外的研究进展.1特定功能微生物选育特定功能微生物的获得是生物强化技术应用的前提.目前，我们可以从自然界筛选菌种，也可通过人为手段构建用于废水处理的特定功能微生物.部分特定功能微生物如表1..1.1从自然界中筛选从自然环境或者污染地直接筛选是获得特定功能微生物的一个重要途径，其优点是菌种来源广，方法简单.为使所筛选的微生物投加到生物处理系统后有稳定的性能和能维持有效的生物量，以及较快较高降解目标污染物的能力，在制定筛选策略时应至少考虑以下3个方面：1）当实际废水中目标物浓度很低或有其他有机物影响时，该菌是否还能发挥作用；2）废水中的其他组分是否对该菌株有抑制或毒害作用；3）该菌能否与废水处理系统内原有的微生物（以下简称土著微生物）兼容或者竞争生存.一般为减小由于菌种来源环境与应用环境之间差异的影响，在制定筛选策略时应模拟实际废水组分及操作条件或从相似环境中进行筛选.如Song等从制革废水处理厂的活性污泥中以萘二磺酸为唯一碳源分离到Arthrobacter���.2AC和Comamonas���.4BC两株菌，将二者分别用于皮革废水处理系统生物强化实验后，发现这两种菌均能与本土微生物竞争，并且在有其他碳源存在时也能很好地降解萘二磺酸[15].1.2功能菌构建功能菌构建是指通过人为手段有目的地改变微生物的特性，以获得所需要的菌种.目前在废水处理中应用的基因工程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.1.2.1质粒介导的基因转移质粒是染色体外一类能自主复制的核酸分子，有些本身具有降解特性，有些可通过基因重组使其获得降解某种物质的功能.重要的是，质粒可在细胞间自发或人为的发生转移，且有些质粒之间还存在相容性.质粒介导的基因转移就是利用质粒的这些特性，将具有某种功能的质粒导入受体菌使其获得此功能的一种基因工程技术.目前，不仅可以将单一质粒导入受体菌中，也可将多种降解质粒导入同一受体菌种，使其获得降解多种物质的能力，如F�iello等通过质粒转导将不同功能的质粒转移到同一株细菌中构建出了能同时降解芳烃、萜烃、多环芳烃和脂肪烃等石油组分的菌株[34]；也可通过这种方式来增强降解基因的表达，如LiuZ等把含有甲基对硫磷水解酶编码基因mpd和假单胞菌P.putidaDLL21的同源调节基因的DNA片断图1有关生物强化技术科技文献的统计Fig.1S�a�i���i���o���heli�e�a�u�eon�ioaug�en�a�ion图2废水生物强化处理技术主要流程Fig.2�ainprocessesofbioaugmentiontechnolo