微生物应用于污水污泥处理的研究进展

微生物应用于污水污泥处理的研究进展

水环境问题是世界的中心问题之一，废水处理是改善水环境的主要任务。随着人们对生态环境的关注，用微生物修复方法处理废水越来越受到重视。微生物修复方法对废水和废水处理的影响是非常重要的。长期以来，它一直受到方法学的限制。wagner等人将分子技术引入研究领域，在几乎可以直接研究微生物群落的结构、多样性和系统发育，并确定微生物群落的类型或完整微生物群落。近年来，生物技术和水环境的结合变得越来越流行。在对文献进行基础研究的基础上，本文总结了微生物在处理废水中的应用研究。1生物多样性分析种群是微生物修复污水污泥研究的首要内容之一.利用16SrRNA基因分析技术对污水反应器的微生物种群调查中,发现有36个主要群落,表明污水微生物具有多样性,微生物群落结构和功能研究中引入分子生物学、环境工程检测技术,将更有助于污水生物处理系统中微生物群体的开发和利用.1.1聚磷菌及包克氏原螯虾的筛选污水污泥中磷含量的多少是衡量其污染程度的主要指标,除磷细菌则可实现生物除磷,从而净化污水污泥.Wanger等用rRNA目的探针测试后认为,主要的聚磷菌(Polyphosphate-accumulatingorganism,简称PAO)为β亚纲中的红环菌群(Rhodocyclus),其次为α亚纲中的浮霉菌群(Planctomycete)及屈挠杆菌属(Flexibacter)、噬纤维菌-黄杆菌-拟杆菌群(Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides,简称CFB)等等.1.2基于fish的原位鉴定脱氮菌借助异养微生物,污水污泥通过氨化作用产生氨,之后由硝化细菌、亚硝化细菌氧化成亚硝酸、硝酸形成硝酸盐,从而起到了“解毒作用”.硝化细菌在污水处理、农业等领域具有极其重要的作用,成为近年来世界研究的热点,其中变形杆菌的β亚纲几乎已经成为微生物生态学的模式系统.Kindaichi等对自养硝化生物膜进行了荧光原位杂交FISH(fluorescenceinsituhybridization)分析表明,膜上有50%属于硝化细菌,其余50%为异养细菌,分别为变形杆菌α亚纲23%,γ亚纲13%,绿色非硫细菌9%,CFB群2%,未定类群3%.该结果表明,硝化细菌通过可溶性产物的产生支持了异养菌,异养菌也从代谢多样性等方面确保了生物膜的生态稳定性.反硝化细菌(Denitrifyingbacteria)的大多数成员,如产碱杆菌属(Alcaligenes)、假单胞菌属(Pseudomonas)、甲基杆菌属(Methylobacterium)、副球菌属(Paracoccus)和生丝微菌属(Hyphomicrobium)等,都从污水厂中作为脱氮微生物群分离出来过.这些细菌属在污水厂中是否具有原位脱氮的活性却尚不明了.利用FISH和显微自显影结合可以原位鉴定脱氮菌.该种技术同full-cyclerRNA方法结合,揭示了新的、还不能培养的固氮弧菌属(Azoarcu)相关细菌,它是污水厂反硝化作用中的重要脱氮菌.1.3抗菌体表面金属酶检测丝状细菌(Filamentousbacteria)作为污泥絮体的骨架,表面附着菌胶团细菌,形成结构紧密、沉降性能良好的污泥絮体,具较高的净化效率;另一方面,絮体尺寸增大到某一临界值后,丝状菌伸展出来,显著影响絮状活性污泥的沉降性(污泥膨胀)或引起生物量变化和泡沫形成(污泥发泡),从而严重影响活性污泥的处理效率.利用rRNA目标寡聚核苷酸探针能迅速地鉴定大多数丝状菌,揭示活性污泥中有些丝状菌呈现多态性现象.Kanagawa等从活性污泥中分离出15种丝状菌,利用FISH技术进行系统分类发现,大多数未被描述的丝状菌属于绿色非硫细菌(Chloroflexi),这可能是污水生物处理系统中丰度最高的丝状菌.1.4微生物及微生物白腐真菌(Whiterotfungi)为生物界中一类奇特的丝状真菌,腐生在树木或木材上,能够降解木质素而导致木质腐烂,一定程度上排除了地球生物圈中碳素循环的障碍.白腐真菌能够通过产生胞外氧化酶——木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等,直接参与各种难降解有机污染物和毒性物质的降解.这种独特的降解能力和降解机制,多年来一直受到世界各国科学界以及工业界的高度重视.田玉萍等利用白腐真菌技术与生物膜反应器相结合,对去除难降解偶氮染料废水的色度和COD有较好的降解效果.另外,污水污泥所处的环境各异,极端环境下的微生物及其功能研究备受青睐.目前已知的主要有以下几类:①嗜热菌(Thermophiles):可在50℃~110℃高温环境下生存的微生物;②嗜冷菌(Psychrophiles):在0℃~15℃低温环境下生存的微生物,最高生长温度不超过20℃;③嗜碱菌(Alkaliphiles):在pH值大于9,通常pH为10~12的环境中生存,而在中性条件下生长缓慢或不生长的微生物;④嗜盐菌(Halophiles):在至少2mol/L(3%~20%)盐的存在下生存的微生物;⑤嗜酸菌(Acidophiles):在pH值不高于2的环境下生存的微生物;⑥嗜压菌(Piezophiles):能在大于一个大气压的压力下存活的微生物.极端环境微生物产生的极端酶和抗生素等活性物质对污水污泥处理有着广阔的应用前景.2机械研究2.1环境微生物的分离微生物对各种污染物的降解在污水处理系统中起着非常重要的作用,微生物对有机污染物的降解归根结底是通过其分泌的酶来完成的,直接采用酶进行有机污染物的降解比微生物修复更具优势.从自然界筛选驯化获得的土著菌,其降解污染物的酶活性往往有限,酶作用的专一性使得微生物对有机污染的降解局限于一种或结构相似的几种化合物.依照目前的科学水平,仅能分离出极少部分的环境微生物;同时,污染物在自然环境中的生物降解,多数不是由单一微生物所能完成的,需要微生物生态系统的协同合作.因此,研究微生物基因表达的差异与特征,有助于进一步完善对生物修复机理的研究.活性污泥法是一种应用广泛且极具发展潜力的污水处理技术.活性污泥中栖息着具有生命活力的各种微生物群体,当污水与其接触混合时,微生物细胞壁外黏液层吸附污水中的有机污染物,并在生物酶的作用下进行代谢、转化,自身也得到生长、繁殖,最后实现污水的无害化目标.于鸽方等研究表明,活性污泥处理技术脱氮除磷效果明显,而间曝法又比传统的AB工艺脱氮除磷的效果更为明显.近年来,国内许多学者对采用微生物方法降低城市污泥中重金属含量作了大量的试验研究,该方法主要利用自然界中一些微生物的直接作用或者由其代谢产物的间接作用,通过氧化、还原、络合、吸附或者溶解作用,将固相中的一些不溶性成分(如重金属、硫及其他金属)分离出来.然而,如何直接从污水污泥中分离并培养大量合适的细菌,使淋滤过程高效、稳定运行等需要进一步探索.2.2污水除磷工艺的分类早在20世纪60年代,Shapiro和Levin等人就观察到了污水中微生物的除磷作用.毒理学试验和Fuhs与Chen所投加解耦联试剂-DNP(2,4-二硝基苯酚)抑制氧化磷酸化试验等表明,在污水的微生物除磷过程中,微生物的磷代谢起着十分重要的作用.利用45Ca和31P进行示踪试验的结果也表明,在污水微生物除磷过程中,几乎不产生磷酸钙沉淀.污水除磷的本质是通过除磷菌过量摄取废水中的磷,以聚磷酸盐的形式积累于胞内,然后,作为剩余污泥排出.微生物除磷工艺分为连续式和间歇式(序批式)二类,所采用的方法大多为活性污泥法.2.3微生物脱氮的机理在氮的去除过程中,硝化和反硝化是微生物的主要去除机制,通过氨氮的挥发作用去除氮素是一个次要机理.微生物脱氮是指污水中的含氮有机物,在微生物处理过程中被异养型微生物氧化分解,转为氨氮,然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3-并进一步还原转化为N2,从而达到脱氮的目的.其过程如图1所示.3生化机理及生物活性化合物的降解同位素示踪技术可以为研究微生物在污水污泥处理中的作用机制提供手段.碳、汞、铅、硫、氮等稳定同位素可推测水体中污染物的来源、迁移、变化.在微生物参与氮循环各个过程中氮同位素有不同程度的分馏,以微生物反硝化作用的过程为例,由于同位素动力学效应,15N相对富集在未反应的NO3-中.目前主要通过实验室研究确定反硝化过程中同位素分馏程度,同时结合野外同位素分馏特征表述环境中的微生物反硝化程度.国外学者对于污水处理、农业氮肥损失、地下水污染及沉积物界面等发生的硝化与反硝化研究较多.Barford等研究表明,在含有30mmolNO3-的反硝化培养基中生长的脱氮微球菌(Paracoccusdenitrificans),在厌氧稳态的反应系统里的δ15N-NO3-,δ15N-N2O和δ15N-N2的最大值分别达到15.8‰,3.39‰和-9.8‰.一般反硝化过程使反应残余物中富集15N,分馏系数在(-40‰,-13‰)范围内.在反硝化过程中硝酸中δ15N和δ18O的比值约为1∶2,其生化机理还有待进一步研究.R.Kolhatkar等尝试运用混合物精确稳定碳同位素分析方法考察MTBE(甲基叔丁基醚)的厌氧生物降解过程,并探讨MTBE自然稀释的原因.结果表明,厌氧生物降解是此污染点MTBE自然稀释的主要原因.此研究的同位素富集因数大于此前报道的厌氧生物降解过程的富集因数.R.U.Meckenstock等和K.M.Rogers通过分析稳定碳同位素分馏评估芳香烃的微生物降解程度,结果显示,在苯的微生物厌氧降解中包含不同种类的细菌,碳同位素分馏能有效地量化污水污泥中的生物降解.由于不同氧化酶会引起不同的生物降解和呈现不同程度的同位素分馏,有氧环境下的芳香烃同位素分馏不定因素可能更多.无论如何,同位素分馏的观察结果能作为污水污泥中生物降解过程和自然衰减过程的示踪剂,L.Mazeas等对微生物降解过程中的同位素分馏进行了研究,结果表明,饱和烃与菲的混合物中,稳定碳同位素组成在石油的微生物降解试验中是稳定的.他们由此得出结论:好氧菌生物降解过程中,烃类不会发生稳定碳同位素分馏.因此,在直链烷烃与多环芳烃的分子中,稳定碳同位素组成可用于环境中污染物质的来源识别.K.L.Brungard等考察了反1,2-二氯乙烯在被Methyl-omonasMethanica(Ⅰ型)和MethylosinusTri-chosporiumOB3b(Ⅱ型)两种甲烷菌联合降解时碳同位素比值的变化.在对每种细菌的密闭孵化试验中,出现了残余反1,2-二氯乙烯的13C富集,说明存在同位素分馏现象;另外,Ⅰ型细菌的生物降解过程对1,2-二氯乙烯碳同位素的分馏达-0.0035,Ⅱ型为0.0067.J.A.Hall等考察了好氧微生物降解苯酚与甲苯酸盐时稳定碳同位素分馏的情况.他们在苯酚与甲苯酸盐基质上培养假单细胞族细菌NCIMB10015,在苯酚基质中培养红球菌属(RhodococcusspI)细菌.结果显示,降解过程中,不同的细菌对基质的同位素分馏情况不同,13C/12C分别下降0.0037、0.0056;稳定同位素质量平衡方法检测降解过程受细菌的种群及其数量影响.4关于措施的研究4.1其他生物修复治理方法投加微生物修复可分为原位生物修复和异位生物修复.原位生物修复是指污染水体不经输送,在其原位进行处理.其主要处理方法有:1)投加菌种强化生物修复.该技术直接向遭受污染的水体接入外源的污染物降解菌,同时提供这些细菌生长所需的营养.在水体中加入微生物其实是对自然界恢复能力和自净能力的一种强化,当水体中缺乏有效降解吸收污染物的物质时,加入的菌种恰好能加强水体污染物的去除效果.2)添加营养物激活剂或无毒表面活性剂强化水体修复.水体中的营养物缺乏时会严重限制水体环境中微生物污染物的降解,而向水体投加营养盐可以提高微生物的代谢能力,使微生物更好地发挥作用.异位生物修复则需将被污染物质通过某种途径从污染现场运走,便于对修复过程进行控制.因此,异位生物修复有调控和优化处理的特点,但这种运输可能会增加费用,导致修复成本提高.目前异位生物修复治理多用在黑臭河水的净化处理上,即将黑臭河水用泵输入置于河边的生物反应器中进行净化处理,然后再将处理后的水送回河道.4.2生活污水生物处理方面,生物膜法与传统活性污泥法工艺方法工艺的比较,在生活污水深度处理技术过程中,其废水中的污染物主要表现为生物膜修复是依靠附着在固体表面滤料介质上生长繁殖的微生物来净化有机物的好氧处理方法.微生物能附着在固体介质表面上,对水质变化适应性强,并且处理效率高(因为附在上面的微生物种类较多),降解产物污泥量少.唐玉斌等对中小河流污水修复的研究表明,生物膜法可显著去除氨氮(去除率达80%)和CODcr.魏海娟等用移动床生物膜反应器处理生活污水,实验结果证明,随着C/N的增加,系统NH4+-N的去除率在93%以上.张寒冰等研究认为,采用生物膜法处理养殖废水,挂膜周期短,去除水体中有机物、有害氮化合物的效率高.与传统的活性污泥法相比,生物膜法具有操作方便、剩余污泥少、抗冲击负荷和适用于小型污水处理等特点,但也存在不足,如需要较多的填料和支撑结构,容易产生厌氧等.4.3生物滤池的生物处理技术微生物在城市污泥处理中的利用主要是污泥前置减量微生物处理.其方法是通过增加微生物在反应池中的浓度,利用原生动物和后生动物的捕食作用减少污泥量;在复杂的污水处理系统中有种群丰富的微生物,通过发展高级生物形成较长的食物链,使能量从低级生物(细菌)传递到高级生物(原生动物和后生动物),通过生物间的不完全转化,微生物数量、能量得以减少,使得产生的污泥量减少.韩润平等试验结果表明,城市污水中的生物滤池能同时对未经沉淀的出水以及其中含有的全部生物污泥进行高效和稳定的处理,在较高的COD、BOD5、SS去除率的情况下,整个系统物无剩余污泥产生.4.4微生物减少法的改革技术4.4.1物反应器和osa系统的结合使用OSA工艺是将二沉池的污泥经过一个污泥厌氧池后,全部回流进入污水处理前端的好氧池,这样不仅增加了好氧池中的微生物浓度,提高出水质量,同时极大地减少了剩余污泥的产生量.在OSA工艺中,一般是将膜生物反应器(MBR)和OSA工艺结合使用.通过对膜进行曝气,增加膜附近的扰动度和物质的传递,利用膜的阻截代替传统重力沉降,使微生物群滞留和分离,并且有效控制污泥的稳定性.因此,水力停留时间(HRT)和固体停留时间(SRT)完全分离,延长了污泥龄,得到低剩余污泥产量和高可溶性污染物去除效率,污泥产量可以减少28%~68%.Buisson等发现,OSA还可以硝化-反硝化脱氮,若在沉淀池中加入絮凝剂还能同时除磷.污泥衰解可以认为是在OSA系统中,保持厌氧区较低的低氧化还原电位(ORP)有助于污泥的自腐解,不但能够使污泥衰解达到减量化,而且也可以使COD的去除率和污泥的沉淀性能大大改善.4.4.2好氧生物和兼氧微生物的交替作用Cannibal工艺是USFilter公司推出的一种污泥减量工艺,这项工艺技术利用侧向交换生物反应器,使在好氧反应器和厌氧反应器的液体混合.在侧沟,受到低DO的限制,液体中兼氧菌占主导,它们降解和代谢好氧菌的残留物和副产物.当液体返回到好氧区,好氧菌分解兼氧菌,好氧和兼氧微生