共代謝在難生物降解污水處理中的應(yīng)用
隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些合成有機(jī)物不斷產(chǎn)生，有的是可以生物降解的，有的則較難，給人類生存環(huán)境提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為此，不少學(xué)者展開(kāi)了大量的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)一些難降解的有機(jī)污染物（如苯環(huán)鹵代化合物）人們尚不能分離到它們作為唯一碳源和能源的高效生物降解微生物。一些研究表明，如三氯乙烯之類污染物只能通過(guò)共代謝來(lái)生物降解。McCarty發(fā)現(xiàn)了兩組細(xì)菌，一組可以在產(chǎn)甲烷的厭氧條件下生長(zhǎng)并降解三氯乙烯和四氯乙烯，另一組細(xì)菌能利用酚和二甲苯等共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)（簡(jiǎn)稱共代物），在有空氣存在的條件下降解三氯乙烯。對(duì)于這類有機(jī)物，利用微生物的共代謝作用進(jìn)行降解是一條有效的途徑，因而這方面的研究越來(lái)越受到重視。本文就共代謝的機(jī)理及其在工程中的應(yīng)用實(shí)例作一簡(jiǎn)介。
1、共代謝機(jī)理
共代謝（Co-metabolism），又可稱為共氧化（Co-oxidation）或聯(lián)合氧化。但多數(shù)使用共代謝這一詞。
自然界中許多微生物都可能有共代謝的能力，各種各樣的底物（有機(jī)污染物）都可能被利用，其降解反應(yīng)可能涉及除氧化作用之外的各種反應(yīng)。因此，微生物不能依靠某種有機(jī)污染物生長(zhǎng)，并不一定意味著這種污染物能夠抵御其他微生物的攻擊，因?yàn)楫?dāng)存在其他可降解有機(jī)污染物時(shí)，這種污染物就會(huì)通過(guò)共代謝作用而實(shí)現(xiàn)生物降解。
能進(jìn)行共代謝的微生物有無(wú)色桿菌、節(jié)桿菌、黑曲霉、固氮菌、芽孢桿菌、短桿菌、黃色桿菌、微桿菌、微球菌、紅色微球菌、黃色假單胞菌、黃色鏈霉菌等。
目前說(shuō)的共代謝有兩種：一是指微生物的“生長(zhǎng)基質(zhì)”和“非生長(zhǎng)基質(zhì)”共酶。“生長(zhǎng)基質(zhì)”是可以被微生物利用作為唯一碳源和能源的物質(zhì)。“生長(zhǎng)基質(zhì)”和“非生長(zhǎng)基質(zhì)”共酶，是指有些污染物（非生長(zhǎng)基質(zhì)）不能作為某（或某些）微生物的唯一碳源和能源，其降解并不導(dǎo)致微生物的生長(zhǎng)和能量的產(chǎn)生，它們只是在其他微生物利用生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)，被微生物產(chǎn)生的酶降解（輔助代謝）或轉(zhuǎn)化成為不完全的氧化產(chǎn)物，這種轉(zhuǎn)化為其他微生物的攻擊創(chuàng)造了條件，因此這種不完全的氧化產(chǎn)物進(jìn)而可以被別的微生物利用并徹底降解；二是有機(jī)污染物徹底降解為二氧化碳和水的過(guò)程是有多種酶或微生物參與。有機(jī)污染物都能作為這些微生物的“生長(zhǎng)基質(zhì)”，在降解過(guò)程中成為它們自身的碳源和能源。
Perry對(duì)烴類化合物共代謝的研究，得到的初步結(jié)論是：能通過(guò)共代謝而生物降解的化合物有較高分子量的正烷烴、環(huán)烷烴和取代烷烴；芳香族化合物和有取代基的芳香族化合物。生長(zhǎng)基質(zhì)有甲基丁烷、乙酸鹽、葡萄糖、苯甲酸鹽等。
氯代芳香族化合物與一般的芳香族化合物相比，其可生化性大降低，這是因?yàn)槁仍右鹆嘶衔锓肿咏Y(jié)構(gòu)特性的改變，所以氯代芳香族化合物的降解中最重要的一步是氯取代基的脫除。微生物脫氯可在有氧或無(wú)氧（缺氧）條件下進(jìn)行，相對(duì)說(shuō)在無(wú)氧（缺氧）條件下更有利。
近來(lái)有些學(xué)者還研究發(fā)現(xiàn)，某些微生物能共代謝氯化芳香族化合物，并證實(shí)氯代芳香族化合物的共代謝降解時(shí)，開(kāi)環(huán)和脫氯往往是同時(shí)進(jìn)行的。
Gibson等以共代謝為手段，分離和確定了假單胞菌氧化鹵代苯和對(duì)氯甲苯的產(chǎn)物，這有助于研究氧進(jìn)入芳香環(huán)的機(jī)制。
HanneJakko、Woods、Mary等利用厭氧反應(yīng)器中存在共代謝原理，通過(guò)添加初級(jí)基質(zhì)來(lái)處理含氯酚的廢水，使氯酚這種有毒的難降解物質(zhì)得到生物凈化。、
總之，對(duì)難生物降解有機(jī)物，可以通過(guò)添加易降解物質(zhì)，使難降解物質(zhì)的可生化降解性獲得改善和提高。其機(jī)理可能是易降解物質(zhì)通過(guò)誘導(dǎo)微生物的最大生物氧化率，而使微生物的活性增強(qiáng)。當(dāng)僅有難降解化合物存在時(shí)，微生物雖然能降解一定量的該類化合物，但整體活性受到抑制。而易降解化合物則使微生物的活性得以發(fā)揮，在其生物降解活性充分發(fā)揮的時(shí)候，難降解化合物的降解能力相應(yīng)增加。
根據(jù)目前收集到的資料，一些學(xué)者的研究、提出的共代謝物質(zhì)和能去除的污染物列于表1。
從表1可見(jiàn)，共代謝物質(zhì)（生長(zhǎng)基質(zhì)）較多采用的是葡萄糖和生活污水，這是一些廉價(jià)且易得到的共代謝物質(zhì)，在工程中有實(shí)用價(jià)值。
 |
2、實(shí)例
上海金山聯(lián)合環(huán)境工程公司與吉林大學(xué)地探學(xué)院合作完成了上海優(yōu)西比特種化工有限公司的污水處理工程。該項(xiàng)目于2000年3月16日達(dá)標(biāo)驗(yàn)收，至今已穩(wěn)定運(yùn)行了5年多，是一項(xiàng)采用共代謝機(jī)理完成難生物降解化工污水處理的工程實(shí)例。
2.1工程概況
2.1.1產(chǎn)品
專業(yè)生產(chǎn)氯化膽堿水劑和聚酯樹(shù)脂固體粉末涂料。
2.1.2廢水中的主要有機(jī)污染物
氯化膽堿工藝廢水中的有機(jī)物組分為：乙二醇（1700mg/L），2－氯乙醇（1070mg/L），環(huán)氧乙烷（3000～5000mg/L）。原廢水CODCr6000mg/L。
聚酯工藝廢水中的主要有機(jī)物組合分為：新戊二醇（2500mg/L），甲醛（560～1000mg/L），乙二醇（<500mg/L），甲醇（309mg/L），異丁醛（1180mg/L），丁醇（120mg/L）。原廢水CODCr30000mg/L。
氯化膽堿和聚酯工藝廢水混合后CODCr9042mg/L。
2.1.3排放標(biāo)準(zhǔn)
執(zhí)行《上海市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》DB31／199－97的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。主要指標(biāo)：CODCr≤100 mg/L；BOD5≤30 mg/L；氨氮≤15mg/L；色度≤50倍；pH6～9。
2.2有機(jī)污染物的可生化性評(píng)估
從上述廢水中的主要有機(jī)物組分可以看出，除2－氯乙醇和環(huán)氧乙烷兩種化合物外，其他有機(jī)物均屬可生化性物質(zhì)，但由于這兩種化合物屬難以生物降解的物質(zhì)，且占有機(jī)物污染物總量的40％～45％，而且在它們的濃度達(dá)到一定程度時(shí)還有毒性反應(yīng)，因此對(duì)治理效果的整體影響較大。為此，在工程實(shí)施前，先通過(guò)小試論證了污水處理工藝路線的可行性。
2.3小試主要結(jié)論
2.3.1三次小試
第一次為一段H／O（水解－好氧）工藝與SBR工藝對(duì)照試驗(yàn)；第二次為三段H／O工藝試驗(yàn)；第三次為SBR工藝試驗(yàn)。
2.3.2三次小試的基本結(jié)論
（1）生產(chǎn)廢水中存在某些對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用的有機(jī)污染物，故進(jìn)水必須稀釋到一定程度后才能進(jìn)入處理裝置，而且不能采用已處理過(guò)的廢水回用稀釋，以免有毒物質(zhì)的積累。
（2）一段H／O工藝小試結(jié)果證明，進(jìn)水濃度控制在CODCr≤2273 mg/L，在投加生活污水和葡萄糖共代謝物質(zhì)條件下，處理后出水達(dá)標(biāo)（CODCr≤100 mg/L）。
（3）進(jìn)水濃度CODCr提升至≤3000 mg/L，必須采用三段H／O工藝，在投加生活污水和葡萄糖共代謝物質(zhì)條件下，處理后出水也可達(dá)標(biāo)（CODCr≤100 mg/L）。
（4）進(jìn)水濃度CODCr≥3000 mg/L后出現(xiàn)明顯的抑制現(xiàn)象，出水不能達(dá)標(biāo)。
（5）采用SBR工藝，當(dāng)進(jìn)水濃度CODCr稀釋到1700 mg/L左右，出水CODCr≥200 mg/L，不能達(dá)標(biāo)。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果與比利時(shí)同步對(duì)照試驗(yàn)的報(bào)告結(jié)論相吻合。該報(bào)告提供的試驗(yàn)結(jié)果為：進(jìn)水CODCr2000 mg/L，出水CODCr>250 mg/L；進(jìn)水CODCr1139mg/L，出水CODCr200 mg/L。雙方試驗(yàn)證實(shí)，對(duì)這種含有有毒物質(zhì)的廢水不能采用SBR工藝。目前比利時(shí)國(guó)仍采用SBR工藝的原因是執(zhí)行的城市納管標(biāo)準(zhǔn)，控制CODCr在≤300 mg/L，這與上海執(zhí)行的CODCr≤100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)不同，因而比利時(shí)方面放棄堅(jiān)持采用SBR工藝的初衷。
（6）經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，為節(jié)省基本建設(shè)投資，最后根據(jù)建設(shè)方意見(jiàn)采用了一段H／O工藝。
2.4污水處理工藝流程圖
進(jìn)水→調(diào)節(jié)池（加堿調(diào)PH）→配水池（加生活污水，稀釋水）→H／O生化塔→接觸氧化池（加葡萄糖）→沉淀池→過(guò)濾器→至清水池
2.5生物共代謝的效果
對(duì)優(yōu)西比特種化工有限公司的污水治理，首要解決的問(wèn)題是控制有毒物質(zhì)的濃度，消除其對(duì)微生物的抑制影響。由于有毒物質(zhì)環(huán)氧乙烷的濃度，低值3000mg/L，高值達(dá)到5000 mg/L，濃度波動(dòng)范圍很大，因此在工程實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為留有余地，將配水后的CODCr值控制在≤2000 mg/L。用3.5倍的水來(lái)稀釋原水，其中1倍水為生活污水，2.5倍水為河水。工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為：配水后的進(jìn)水CODCr濃度為1440～1910 mg/L（均值1640 mg/L），如果按上述配水原則投加生活污水，H／O生化塔出水為112～299 mg/L（均值234 mg/L），若全用河水稀釋配水則H／O生化塔出水為172～399 mg/L（均值298 mg/L）；在用生活污水配水的條件下，在接觸氧化池進(jìn)水處投加工業(yè)葡萄糖（投加量100 mg/L左右），出水103～110 mg/L，然后經(jīng)沉淀和過(guò)濾，最終出水為84～93 mg/L ；如果在接觸氧化池中不投加葡萄糖，其出水CODCr明顯升高，均值達(dá)179 mg/L，最終過(guò)濾器出水均值為137 mg/L，不能達(dá)標(biāo)。從上述運(yùn)行數(shù)據(jù)可見(jiàn)，生活污水的共代謝效率可使COD去除率提升21.5％，而葡萄糖的共代謝效率可使COD去除率提升38.5％，具有明顯的效果。
3結(jié)論
從優(yōu)西比特種化工有限公司污水站5年多時(shí)間運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可見(jiàn)，共代謝機(jī)理不僅僅停留在實(shí)驗(yàn)研究，而且已進(jìn)入工程的應(yīng)用，是處理難降解有機(jī)污染物的有效且實(shí)用的方法。
共代謝物質(zhì)－工業(yè)葡萄糖和生活污水，由于它們分子量低，易于生物降解，且來(lái)源豐富，可作為共代謝機(jī)理研究和應(yīng)用的主要對(duì)象。
從共代謝機(jī)理應(yīng)用來(lái)說(shuō)，含難降解有機(jī)污染物的工業(yè)污水與城市生活污水合流處理是個(gè)方向，企業(yè)完成一級(jí)處理（達(dá)到納管標(biāo)準(zhǔn)），然后由城市污水處理廠集中處理，是廉價(jià)且有效處理工業(yè)難降解有機(jī)污水的合理技術(shù)路線。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
