难降解废水处理技术

目前利用传统的化学方法和物理方法去除污染物已经难以满足处理后废水的达标排放要求，人们越来越多地开始利用生物法来处理难降解有机物，其中微生物的共代谢作用最为引人关注〔2〕。微生物的共代谢作用不以从降解物质中获取能量和营养供微生物生长为目标，并且能够降解多种难降解物质，目前对这类降解方式的研究越来越多〔3〕。笔者对国内外学者在研究微生物共代谢作用方面所取得的一系列成果进行了总结，进而揭示了微生物共代谢的微观机制，为优化共代谢的反应条件提供参考。

1 微生物的代谢机制及共代谢的定义
 
微生物主要通过以下两种方式来降解物质，一种是在降解过程中，直接将有机物作为生长基质，将部分有机物作为碳源，另一部分有机物则用于合成新的细胞物质； 在好氧环境中以分子态氧作为电子受体，在厌氧环境中，则以硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳或其他有机物作为电子受体，这种降解方式即为好氧降解和厌氧降解。在此种降解方式下，主要是通过向污染物中添加高浓度纯品菌种并进行间歇式培养来对污染物质的降解性能进行研究。

另一种即微生物的共代谢。共代谢是通过提供外加碳源和能源物质，将原本不能或不易被降解的物质代谢降解的现象。1959 年E. R. Leadbetter 等在研究时发现，甲烷产生菌（P. Methanica） 不能把乙烷直接作为生长基质，但可以将乙烷氧化成乙醇、乙醛，他们将这一现象称为共氧化现象，并将其定义为在生长基质存在的条件下，微生物对非生长基质的氧化〔4, 5〕。H. L. Jensen 对这种现象进行扩展定义，正式提出了共代谢的概念，认为存在生长基质时，微生物的活性会增强，从而对非生长基质的降解性能也会提高，此时微生物无论是通过氧化作用还是还原作用对非生长基质的降解都是共代谢的作用。共代谢包括存在生长基质时，繁殖细胞对非生长基质的降解作用，以及生长基质被完全消耗时，处于内源呼吸状态的细胞对非生长基质的转化〔6〕。

2 研究共代谢的意义
 
共代谢的核心问题主要有微生物的驯化、诱导产生关键酶、生长基质与非生长基质之间的竞争性抑制、非生长基质及降解中间产物对微生物的毒害作用等。其中微生物的选择、关键酶的诱导以及其作用机理、共代谢动力学研究等已引起研究者的广泛关注〔7, 8〕，因此基于国内外的研究情况，对影响共代谢的因素及动力学研究进行了总结和探讨。

3 共代谢的影响因素
 
3.1 微生物的选择和驯化
 
难降解物质可生化降解性差，即使自然界中有种类繁多的微生物，但能通过共代谢作用对其进行降解的微生物在常规环境条件下的存在数量少且活性低，因此寻找并筛选出具有高效降解性能的微生物十分重要〔9, 10〕。

菌种驯化主要是利用微生物可定向驯化的特性来实现，在自然条件下，当某块土壤受到有机物污染后，在污染物的诱导下，土壤中的微生物会产生分解目标污染物的酶，进而将污染物降解。根据这一性质，符合条件的细菌会被筛选出来，然后通过在特定条件下的富集和驯化，最终得到1 种或几种符合条件的菌种。利用这一特性，B. Boldrin 等〔11, 12, 13, 14, 15〕在被多环芳烃污染的土壤中，通过人工驯化的方式分离出相关的降解菌。由于被驯化出来的菌种可能不止一种，此时选择单一菌种还是混合菌种，以及如何选择混合菌种会产生不同的处理效果。孙永利〔16〕在对驯化得到的4 种能够降解五氯苯酚的微生物进行混合研究中发现，将微生物混合后处理五氯苯酚，微生物之间会产生一种协同作用，比仅存在单一微生物可以取得更好的处理效果。韦朝海等〔17〕通过筛选和驯化得到了4 种可以高效降解硝基苯的微生物，在对降解过程中所产生的生物协同作用和基质效应进行研究时发现，同时存在枯草芽孢杆菌和人苍白杆菌时，它们之间会出现协同降解现象，相对于单一存在枯草芽孢杆菌，加入人苍白杆菌后，完全降解232.0 mg/L 硝基苯所需要的时间从145 h 减少为85 h；但研究同时发现，若枯草芽孢杆菌和门多萨假单孢菌同时存在于降解体系，它们之间会出现一定程度的抑制作用，相比于单一菌种，会降低降解的效果。

对于某些微生物存在的生长周期长、细胞产率低、降解物质速率慢等问题，通过驯化出包含该微生物的好氧颗粒污泥可以得到很好的解决。好氧颗粒污泥是指微生物在一定的外界环境影响下，相互之间通过聚合而形成的相对于普通污泥具有更高活性的粒状聚合体。由于颗粒污泥的沉降性能好，经过沉降作用容易停留在反应器内，可以将其作为一种特殊形式的生物膜。微生物的数量和活性也由于污泥颗粒化的作用得到了更好的积累和发挥，另外颗粒污泥中有丰富的微生物群，构成了高效的代谢网，在很好地保护微生物的同时，也为生物反应器的高效运行提供了重要基础条件，这个作用是任何微生物个体都不能单独产生的〔18, 19, 20〕。方芳等〔21〕成功地在 SBR 反应器中对好氧污泥实现了颗粒化处理，并使用所制得的好氧颗粒污泥共代谢降解含甲基叔丁基醚的废水，取得了良好的降解效果。Hanmin Zhang 等〔22〕的研究表明，通过97 d 驯化得到的好养颗粒污泥对石化废水具有良好的降解性能，结合共代谢作用，发现好氧颗粒污泥相对其他形态的微生物在处理石化废水上具有更好的效果。

3.2 生长基质的选择
 
酶诱导理论中指出，关键酶的诱导合成是生长基质与操作子以及抑制子之间的相互作用，并通过开启mRNA 来实现的〔23, 24〕。张锡辉等〔25〕推导建立了综合性数学模型，该模型以关键酶为中心，利用非专一性关键酶的产生以及在反应中的作用表示共代谢的整个过程，其过程用反应式表达如下：

关键酶的诱导合成：→E

生长基质的利用：E+S→E+PS

非生长基质的共代谢：E+C→E+PC

关键酶的毒性抑制：E+PC→E’

关键酶的修复：E’→E

关键酶的自然老化降解：E→

其中，E 代表关键酶，S 代表生长基质，C 代表非生长基质，PS 代表生长基质与关键酶反应的产物，PC 代表非生长基质与关键酶反应的产物，E’代表受毒性抑制而失活的关键酶。

微生物在生长基质的诱导下所产生的关键酶，在整个共代谢反应过程中会起到十分重要的作用，因此选择合适的生长基质直接决定关键酶的产生，最终决定整个反应是否能进行，即目标污染物能否得到降解或能否发生结构上的转变。

选择生长基质的方法主要有两种，一是选择易降解的物质作为生长基质。这主要是由于目标污染物（非生长基质）大多数是难降解物质，当只存在目标污染物时，整个反应系统容易出现营养物质不足，微生物的生长受到抑制的情况。通过添加一些易降解的物质，为微生物生长提供营养来提高反应体系中微生物的活性，进而提高共代谢的处理效果。但不同易降解物质对共代谢的促进作用也不尽相同。李惠娣等〔26〕在研究四氯乙烯的厌氧生物降解过程中，分别用葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐作为共代谢基质，结果发现添加共代谢基质后，四氯乙烯的降解速率均会加快，其中添加乳酸盐后体系的降解速率增加最多，乳酸盐被认为是该反应中最合适的共代谢基质。

二是根据非生长基质的结构特点来选择。当某种物质与目标污染物的分子骨架结构类似时，将这种物质作为生长基质，可能会诱导微生物产生非专一性关键酶。因此在某些情况下可选择非生长基质的类似物或非生长基质的中间代谢产物作为生长基质来达到诱导微生物产生关键酶，对目标污染物进行降解。任大军等〔27〕研究发现，由于苯酚、喹啉与吲哚在结构上部分相似，都有—OH 或—NH2 基团，在降解吲哚时以苯酚和喹啉作为生长基质，可以增加白腐菌的漆酶产量，进而提高吲哚的降解率。

3.3 生长基质与非生长基质的投加比
 
微生物在生长基质诱导下产生的关键酶是整个共代谢反应所必需的，微生物只有在消耗生长基质的同时才能对非生长基质进行降解，因此，生长基质和非生长基质之间必然存在一定的竞争作用。因此，除了要选择合适的生长基质，控制好生长基质和非生长基质的投加比同样重要。

R. E. Speece 〔28〕通过研究发现，当生长基质和非生长基质之间有抑制作用时，如许多由双氧酶和单氧酶催化的反应就很可能存在竞争性抑制作用。此时可以用具有竞争作用的酶动力学来描述共代谢作用的动力学〔29〕。当共代谢基质作为抑制物时，可以这样表示生长基质的利用情况：

式中： ds/dt ———单位容积反应器的基质利用速率， mg/（L·d）；

S———基质质量浓度，mg/L；

X———细胞质量浓度，mg/L；

I———抑制剂质量浓度，mg/L；

Ki———抑制系数，mg/L；

KS———半饱和系数，mg/L；

Kmax———比基质利用速率，g/（g·d）。

从模型中可以看出，随着生长基质浓度和非生长基质浓度发生变化，生长基质的实际利用速率与最大反应速率也相应发生变化。因此，共代谢化合物的利用速率必须通过维持适当的生长基质浓度来达到最优化〔30, 31, 32, 33〕。I. M. Rivas 等〔34〕在用苯作为降解噻吩的生长基质时发现，当体系中存在较高浓度的苯时，会诱导微生物产生较高浓度的关键酶，从而使噻吩的降解速率提高。M. H. Kim 等〔35〕报道了一株不动杆菌在以苯为碳源的情况下降解3-氯苯酚和4-氯苯酚，发现底物中苯和3-氯苯酚、4-氯苯酚的比例是决定污染物是否完全降解的关键性因素。

3.4 额外物质的添加及反应条件的控制
 
共代谢反应过程中，除了需要加入足够的生长基质来提供碳源，适当的氮、磷、铁、维生素、微量元素也是保证微生物正常生长所必需的。另外添加能量物质也有利于共代谢反应的进行。能量物质是指仅提供还原物质和能量，而本身不支持微生物细胞生长的电子供体。在反应过程中，生长基质被降解所产生的能量是提供微生物生长的主要能量来源，因此，通过添加适当的外加能量物质可以进一步提高共代谢反应的速率。M. J. McFarland 等〔36〕通过研究发现，甲酸是甲烷细菌的能量基质，共代谢过程中通过辅酶Ⅱ为整个反应提供能量，在反应过程中额外添加一定量的甲酸作为能量物质，可以促进反应的进行。C. S. Criddle〔37〕则通过理论研究证实了上述观点，他在研究共代谢动力学时发现，当底物中不存在能量物质时，非生长基质的降解比速为：

当底物中存在能量物质时，非生长基质的降解比速为：

式中：qc———非生长基质的比消耗速率，s-1；

kc———不存在生长基质时非生长基质最大比消耗速率常数，s-1；

KSC———非生长基质的半饱和系数，mg/L；

Sc———非生长基质的质量浓度，mg/L；

Tce———能量物质的转化容量。

对比式（1）、式（2）能够看出，当存在能量物质时，非生长基质的降解速率得到提高。

反应条件主要有温度、溶解氧、pH。温度对微生物有着广泛的影响，虽然某些微生物可以在高温环境和低温环境中生存，但绝大部分微生物生长的温度范围是20~30 ℃。微生物在其最佳生长温度中才会表现出旺盛的生理活动，其活性也相应增强，处理物质的效果也越好。在最佳生长温度之外，微生物的活性受到抑制，影响其所参与的生物反应过程。隋红等〔38〕在研究不同温度下三氯乙烯、甲苯的共代谢降解规律时发现，温度由20 ℃增加到30 ℃时，三氯乙烯的降解滞后期由22 h 减为7.5 h。溶解氧则决定了共代谢过程中关键酶的性质，在不同的溶解氧环境下，共代谢所产生的关键酶的类型也会不一样，缺氧条件下的关键酶一般为缺氧代谢酶，好氧条件下的关键酶则主要为单氧化酶和双氧化酶。pH 是影响微生物和酶的活性的一个重要因素，过高或过低的pH 都会对微生物表面的电荷产生影响，微生物对营养物质的吸收过程会受到抑制，使酶的活性降低，影响酶在细胞内参与的生化反应过程，极端pH 的环境甚至直接破坏微生物细胞，使微生物死亡。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

4 讨论和展望
 
共代谢作为一种独特的生物代谢方式，在处理难降解有机物的过程中有着独特的作用。随着对共代谢研究的日益深入，对共代谢的研究也从单纯的实验室研究进入到工程应用中，并被证实是处理难降解有机污染物有效且实用的方法。上海金山联合环境工程公司与吉林大学地探学院合作完成的上海优西比特种化工有限公司的污水处理工程是一个具有代表性的工程实例〔39〕，它的成功应用进一步证实共代谢是一种实用且有效的处理难降解有机污染物的方法。

在某些特定的反应过程中，可能会存在一些特殊的影响因素，例如在对受多环芳烃污染的土壤中的多环芳烃进行降解研究时发现，相对于实验室研究得到的结果，实际降解过程中的降解率会低很多，很多人认为主要是由于多环芳烃生物可利用性低，导致其从固相向液相转移速率慢，从而影响最终的降解率。针对这一情况，通过添加适量的表面活性剂可以提高多环芳烃的生物可利用性，从而提高最终的处理效率〔40〕。

微生物的共代谢是一个多方面综合的过程，各种因素的改变都会影响到共代谢的效果，单一考虑其中的某个因素条件都是片面的，要考虑各种因素并加以有效控制才能达到好的处理效果。在实际的处理过程中，由于废水的组分复杂，往往会出现多种污染物质共存的情况，过分地强调某一控制因素对反应过程的影响未必有利，必须根据具体的水质情况以及反应系统的实际情况，通过反复的调试控制好各种影响因素才能使共代谢的处理效果达到最好。