共代謝在難生物降解污水處理中的應(yīng)用
隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，一些合成有機物不斷產(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)者展開了大量的研究。長期以來，對一些難降解的有機污染物（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共代謝來生物降解。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基質(zhì)（簡稱共代物），在有空氣存在的條件下降解三氯乙烯。對于這類有機物，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越受到重視。本文就共代謝的機理及其在工程中的應(yīng)用實例作一簡介。
1、共代謝機理
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污染物生長，并不一定意味著這種污染物能夠抵御其他微生物的攻擊，因為當(dāng)存在其他可降解有機污染物時，這種污染物就會通過共代謝作用而實現(xiàn)生物降解。
能進(jìn)行共代謝的微生物有無色桿菌、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。
目前說的共代謝有兩種：一是指微生物的“生長基質(zhì)”和“非生長基質(zhì)”共酶。“生長基質(zhì)”是可以被微生物利用作為唯一碳源和能源的物質(zhì)。“生長基質(zhì)”和“非生長基質(zhì)”共酶，是指有些污染物（非生長基質(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)致微生物的生長和能量的產(chǎn)生，它們只是在其他微生物利用生長基質(zhì)時，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；二是有機污染物徹底降解為二氧化碳和水的過程是有多種酶或微生物參與。有機污染物都能作為這些微生物的“生長基質(zhì)”，在降解過程中成為它們自身的碳源和能源。
Perry對烴類化合物共代謝的研究，得到的初步結(jié)論是：能通過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，這是因為氯原子引起了化合物分子結(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氧（缺氧）條件下進(jìn)行，相對說在無氧（缺氧）條件下更有利。
近來有些學(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，并證實氯代芳香族化合物的共代謝降解時，開環(huán)和脫氯往往是同時進(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氯甲苯的產(chǎn)物，這有助于研究氧進(jìn)入芳香環(huán)的機制。
HanneJakko、Woods、Mary等利用厭氧反應(yīng)器中存在共代謝原理，通過添加初級基質(zhì)來處理含氯酚的廢水，使氯酚這種有毒的難降解物質(zhì)得到生物凈化。、
總之，對難生物降解有機物，可以通過添加易降解物質(zhì)，使難降解物質(zhì)的可生化降解性獲得改善和提高。其機理可能是易降解物質(zhì)通過誘導(dǎo)微生物的最大生物氧化率，而使微生物的活性增強。當(dāng)僅有難降解化合物存在時，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，共代謝物質(zhì)（生長基質(zhì)）較多采用的是葡萄糖和生活污水，這是一些廉價且易得到的共代謝物質(zhì)，在工程中有實用價值。
 |
2、實例
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。該項目于2000年3月16日達(dá)標(biāo)驗收，至今已穩(wěn)定運行了5年多，是一項采用共代謝機理完成難生物降解化工污水處理的工程實例。
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脂固體粉末涂料。
2.1.2廢水中的主要有機污染物
氯化膽堿工藝廢水中的有機物組分為：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有機污染物的可生化性評估
從上述廢水中的主要有機物組分可以看出，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)到一定程度時還有毒性反應(yīng)，因此對治理效果的整體影響較大。為此，在工程實施前，先通過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工藝對照試驗；第二次為三段H／O工藝試驗；第三次為SBR工藝試驗。
2.3.2三次小試的基本結(jié)論
（1）生產(chǎn)廢水中存在某些對微生物產(chǎn)生抑制作用的有機污染物，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)。這個試驗結(jié)果與比利時同步對照試驗的報告結(jié)論相吻合。該報告提供的試驗結(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。雙方試驗證實，對這種含有有毒物質(zhì)的廢水不能采用SBR工藝。目前比利時國仍采用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，因而比利時方面放棄堅持采用SBR工藝的初衷。
（6）經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，為節(jié)省基本建設(shè)投資，最后根據(jù)建設(shè)方意見采用了一段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→過濾器→至清水池
2.5生物共代謝的效果
對優(yōu)西比特種化工有限公司的污水治理，首要解決的問題是控制有毒物質(zhì)的濃度，消除其對微生物的抑制影響。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，濃度波動范圍很大，因此在工程實際運行時，為留有余地，將配水后的CODCr值控制在≤2000 mg/L。用3.5倍的水來稀釋原水，其中1倍水為生活污水，2.5倍水為河水。工程實際運行數(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，最終過濾器出水均值為137 mg/L，不能達(dá)標(biāo)。從上述運行數(shù)據(jù)可見，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年多時間運行經(jīng)驗可見，共代謝機理不僅僅停留在實驗研究，而且已進(jìn)入工程的應(yīng)用，是處理難降解有機污染物的有效且實用的方法。
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，且來源豐富，可作為共代謝機理研究和應(yīng)用的主要對象。
從共代謝機理應(yīng)用來說，含難降解有機污染物的工業(yè)污水與城市生活污水合流處理是個方向，企業(yè)完成一級處理（達(dá)到納管標(biāo)準(zhǔn)），然后由城市污水處理廠集中處理，是廉價且有效處理工業(yè)難降解有機污水的合理技術(shù)路線。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
