生物技術在水質檢測化驗與污水處理中的應用探討

鄭孝衛(wèi)

（河北緣和環(huán)境檢測技術服務有限公司，河北 廊坊 065300）

1 生物技術在水質檢測化驗中的應用

1.1 PCR聚合酶鏈反應技術

PCR法全稱為聚合酶鏈反應技術，通過放大、擴增特定DNA片段的方法來檢測水質樣本組分，在多種酶與DNA聚合酶參與下，分別把雙鏈DNA變性解旋為單鏈、復性為雙鏈，實現(xiàn)特定基因體外復制目的。在水質檢測化驗項目中，PCR技術有著特異性強、高靈敏度、樣本純度要求低、易于操作的優(yōu)勢，但所使用DNA聚合酶在高溫條件下會逐漸喪失活性，需要在重復檢測期間添加全新的DNA聚合酶，極大增加了水質檢測化驗成本[1]。

在應用PCR技術時，應注重反應準備、參數(shù)調控兩項問題。第一，對于反應準備問題，在水質樣本檢測前，工作人員務必做好引物設計、DNA或RNA模板制備、緩沖液選用和酸堿度調節(jié)等前期準備工作；第二，對于參數(shù)調控問題，在PCR檢測過程中，對引物延伸溫度、退火溫度、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)進行實時調節(jié)，避免因參數(shù)失控而影響到檢測結果，導致單鏈產物無法順利退火形成雙鏈。

1.2 FISH熒光原位雜交技術

FISH技術全稱為熒光原位雜交技術，檢測人員利用熒光顯微鏡、激光掃描儀、特異核酸探針等儀器設備，采集水體樣本的熒光信號，根據(jù)信號分析結果，判斷樣本中細胞或細胞器的分布情況與形態(tài)。在水質檢測化驗項目中，F(xiàn)ISH技術有著靈敏度高、快速獲取檢測結果、熒光信號強的優(yōu)勢，但在對低氨氮含量水樣進行檢測的實際效果并不理想，推薦使用其他生物檢測技術。

在應用FISH技術時，重點關注熟悉操作步驟、假陽性/陰性檢測兩項問題。第一，對于操作步驟，檢測人員要提前對熒光顯微鏡等儀器設備進行調試檢查，根據(jù)靶子序列目標區(qū)域來選擇探針種類；第二，關于假陽性與假陰性問題，假陽性成因包括錯誤選用探針種類、水樣受到天然發(fā)熒光生物或是化學殘留物干擾、錯誤使用培養(yǎng)基等；假陰性成因包括細胞rRNA含量未達到最低檢測要求、細胞壁結構阻礙探針滲透等。對此，需要根據(jù)問題成因采取相應解決措施，如對水樣進行預處理來增強探針滲透力。

1.3 基因芯片技術

基因芯片技術是水質檢測化驗項目中一項常用的菌種鑒定方法，也被稱為DNA芯片。通過雜交測序手段，使用已知序列核酸探針，把探針分子固定在支持物上，并與標記的水質樣品分子進行雜交，對所獲取雜交信號進行處理，根據(jù)處理結果來判斷分子數(shù)量與序列信息，掌握水質樣本的細菌病原體種類。根據(jù)實際應用情況來看，基因芯片技術有著自動化程度高、同時檢測多種細菌病原體的優(yōu)勢，但配套設備較為復雜。此外，在菌種鑒定場景外，基因芯片技術還可用于非生物因子檢測、重金屬檢測、有毒污染物檢測等多個場景，適用性較強[2]。

1.4 生物傳感器技術

生物傳感器是把微生物、核酸等較為敏感的生物材料作為識別元件，搭配使用壓晶體、氧電極、信號放大等裝置工具，在水樣檢測化驗期間通過引起特定化學變化或是物理變化，再把識別元件表達信號轉換至電信號，對電信號進行加工處理，以光學、壓電等形式加以展示，實現(xiàn)對水樣中菌體、重金屬與亞硝酸等污染物濃度的測定。相比于化學法與物理法，生物傳感器技術有著檢測精度高、成本低廉、易于操作、試劑可重復使用、重現(xiàn)性好、專一性強的優(yōu)勢。一般情況下，檢測人員在使用生物傳感器來檢驗水樣時，可以在1～10 min內獲取檢驗結果，把相對誤差保持在1%以內[3]。

在應用生物傳感器技術時，注重傳感器選型與穩(wěn)定性控制兩項問題。第一，關于傳感器選型問題，要根據(jù)綜合分析水質檢測項目、被測位置、設備體積要求等因素來選擇生物傳感器的種類與型號款式；第二，關于穩(wěn)定性控制問題，因生物傳感器使用期間，受到自身結構與外部環(huán)境影響，傳感器精度有所降低，需要定期對傳感器性能指標進行校準，非必要情況下禁止頻繁更換傳感器使用環(huán)境，以此來維持高水準的檢測精度。

1.5 藻類實驗法

藻類植物對所處水體環(huán)境較為敏感，在水質惡化、水環(huán)境污染情況下，會對藻類植物的生長狀態(tài)造成明顯影響，污染嚴重時可能出現(xiàn)藻類植物數(shù)量明顯減少甚至大面積死亡的現(xiàn)象。憑借藻類植物的生長天性，可以在水質檢測化驗項目中應用到藻類實驗法。通過觀察藻類植物生長情況與統(tǒng)計藻類數(shù)量，并采集水溫、藻類品種等基本信息，直接判斷水質質量與水環(huán)境污染程度，并根據(jù)生物量指數(shù)來初步測定水體中無機氮化合物等污染物的大體含量[4]。相比于其他生物檢測技術，藻類實驗法有著明顯的局限性，包括無法準確判斷水環(huán)境質量、依賴檢測人員主觀判斷、藻類植物數(shù)量受水溫等外界環(huán)境影響，但藻類實驗法可以在極短時間內初步判斷水環(huán)境質量與若干種類污染物含量，為后續(xù)水質檢測化驗工作的開展指明方向，可將其作為一種輔助檢測技術。

2 生物技術在污水處理中的應用

2.1 活性污泥技術

活性污泥法屬于一項好氧生物處理技術，負責去除待處理污水中分布的可生化有機物、懸浮固體、氮素、磷素等污染物，配置曝氣池、回流裝置、供氧裝置等設施。在污水處理過程中，工作人員把待處理污水排入曝氣池內，持續(xù)注入外部空氣，在有氧條件下攪拌污水和活性污泥，分解污水中含有的有機污染物，攪拌一段時間后形成絮凝體并繁殖微生物群，有機污染物經過氧化分解后形成二氧化碳與水。隨后，在污水曝氣攪拌結束后，把所形成混合液排到沉淀池內，靜置一段時間來分離下層污泥與上層水體，自池體底部排出污泥，部分污泥回流到曝氣池內來補充微生物，將剩余污泥進行處理，并把上層水體向外排出，完成污水處理操作[5]。

在污水處理項目中，活性污泥法有著效果顯著、流程簡單、易于操作的優(yōu)點，但也存在處理周期過長、對運行條件較為敏感與設施占地面積大的局限性。對此，可以從把控運行條件、應用新型技術兩方面著手。第一，在把控運行條件方面，在污水處理期間持續(xù)觀察曝氣池和二沉池設施的內部情況，對比實時監(jiān)測量與參數(shù)額定值，在參數(shù)出現(xiàn)明顯偏差時，對水溫、活性污泥量、溶解氧等參數(shù)進行調整，如調節(jié)水溫和排除/回流剩余污泥；第二，在應用新型技術方面，可以選用A/O工藝，先后對污水進行脫氮、除磷處理。脫氮處理是把污水排入缺氧池和好氧池內進行反硝化與氧化反應，在反應期間獲取氮氣、亞硝酸鹽等成分，預處理后把混合液排入缺氧池進行脫氮反應。除磷處理是把待處理污水排入?yún)捬鹾秃醚醭貎?，分別在低氧與富氧條件下降解有機物與形成富磷污泥，去除污水中含有的磷元素。

2.2 生物膜法

生物膜法是在惰性濾料層表面附著微生物群，隨著時間的推移，微生物持續(xù)繁殖分化并分泌多糖基質，形成一層完全包裹微生物群落的聚集膜狀物，形成生物膜，本質上屬于一類具備選擇性的通透屏障，在穩(wěn)定供氧前提條件下，控制待處理污水保持勻速狀態(tài)流經生物膜，由生物膜攔截、吸附污水中含有的有機污染物，經過溶解氧分解后形成二氧化碳等無機物，按照相反方向排放到空氣當中，由此實現(xiàn)降低污水有機物含量的處理目的。在污水處理項目中，生物膜法有著供氧條件充分、污水處理量大、處理效果不受氣溫等條件影響、污泥產量少的顯著優(yōu)勢。

此外，生物膜法由BAF、淹沒生物濾池等多項技術組成，適用范圍、系統(tǒng)結構與污水處理效果有所不同，需要根據(jù)污水處理目的及要求來選擇具體的處理技術。以BAF技術為例，全稱為曝氣生物濾池法，系統(tǒng)由水解反應器、脫硫沉淀池、格柵、曝氣濾池等設施組成，有著占地面積小、成本低廉的優(yōu)勢。在污水處理過程中，經由粗細格柵來截留污水中的大體積固體污染物，簡單過濾后的污水排入脫硫沉淀池內來濾除砂礫與懸浮物，再排入水解池內降解有機污染物。最后把污水先后排入C/N曝氣池、N曝氣池中加以反沖吸水處理，處理后經過消毒殺菌即可，并把污水處理期間生成的少量污泥加工成泥餅。

2.3 微生物絮凝技術

微生物絮凝法是在待處理污水中投入適量的高分子物質，把細菌、酵母菌等作為微生物絮凝劑，以纖維素、糖蛋白等作為絮凝劑主要成分，憑借微生物表面帶電荷與優(yōu)異親水性的特性，在微生物絮凝劑與污水充分接觸時，與污水中分布的顆粒物進行絮凝反應，并在一段時間后撈出污水中的絮凝物，實現(xiàn)污水處理目的。此項技術有著重金屬處理效果顯著、絮凝劑安全無毒、不會造成水體二次污染的優(yōu)勢，但多數(shù)微生物絮凝劑的使用成本較為高昂，還面臨保存困難的問題，如果沒有在微生物絮凝劑制作完畢后一段時間內投入使用，可能出現(xiàn)絮凝劑失效的情況[6]。

在污水處理項目中，重點關注絮凝劑用量、反應條件控制兩項問題。第一，對于絮凝劑用量，分析水質組分、污水處理要求因素，將其作為絮凝劑品種選用和用量設置的參照；第二，對于反應條件，根據(jù)污水實際處理情況來計算最佳的絮凝池流速，如果流速過低會影響微小顆粒碰撞效果和延緩絮體凝聚速度，在流速過高時容易剪斷吸附橋架和打碎已成形絮體。一般情況下，要在絮凝劑投放前期保持較高的攪拌速度和絮凝池流速，在絮體凝聚成形后放緩流速、減小速度梯度。

2.4 微生物吸附技術

微生物吸附法是在待處理污水中投放活性炭、生物沸石等材料為載體，在載體上繁殖生長微生物，微生物持續(xù)降解污水中含有的污染物，由細胞壁組分和氨基、硫酸脂基等化學基團產生相互作用，持續(xù)把水體中的污染物吸附到細胞表面，在活性炭等多孔性固體表面吸附污水中的懸浮物等幾種污染物，以及在細胞膜內透過金屬離子，將其吸附在液泡等區(qū)域。隨后，在多孔性固體材料投入一段時間后取出，即可完成污水處理任務，也可重復上述操作增加微生物吸附次數(shù)，以此來改善污水處理效果。

在應用微生物吸附技術時，需要根據(jù)污水組分和處理要求來選擇吸附劑種類和設定吸附時間。第一，對于吸附劑選用問題，在以去除污水中所含細菌、氨氮、高錳酸鉀鹽等污染物作為處理目標時，優(yōu)先選用生物活性炭。而在以去除污水中含磷物質作為處理目標處理富營養(yǎng)化水體時，則選用孔隙度更高、比表面積更大的生物沸石作為吸附劑；第二，對于吸附時間設定問題，一般情況下的吸附時間控制在2～4 h以內，如果以去除重金屬離子作為處理目的，需要適當延長微生物吸附時間。

2.5 生物修復技術

早期處理工藝選擇把污水排入處理廠內進行處理，處理后的污水排放到周邊河流水域當中或是用作中水，污水處理成本高昂，加大了市政污水管網(wǎng)運行負擔。對此，需要應用生物修復技術，直接修復、凈化受污嚴重的水環(huán)境，以此來降低污水處理成本，實現(xiàn)污水大面積處理目標。例如，可選用水生植物修復技術，在城市水環(huán)境、河流水域中種植適當品種的水生植物，在植物生長期間，持續(xù)攝入水體中的營養(yǎng)物質，以此來抑制水體富營養(yǎng)化程度，并在植物根系部位吸附水體中漂浮的固體顆粒物。

2.6 生物除磷技術

針對水體富營養(yǎng)化問題，需要應用生物除磷法。在污水中投放適量的聚磷菌，在厭氧條件下，聚磷菌與污水充分混合后持續(xù)釋放聚合磷酸鹽，并在好氧條件下吸收污水中含有的磷元素，將其轉化為聚合磷酸鹽后形成生物污泥，把磷元素由水體轉移到生物污泥內，再經過沉淀處理后分離泥水，極大降低了所排水體的磷含量，實現(xiàn)污水除磷處理目的。相比于常規(guī)的活性污泥法，生物除磷法可以更為高效地去除污水中所含磷元素，還可以同步去除重金屬離子、懸浮物、氨氮等其他種類污染物。

在生物除磷法應用期間，污水處理效果受到運行條件的明顯影響，包括溫度、厭氧池DO、泥齡等，工作人員必須根據(jù)已掌握信息來制定科學的生物除磷處理方案，準確計算各項運行參數(shù)的最佳值，在處理期間持續(xù)監(jiān)測、調整參數(shù)值。例如，針對運行溫度，一般情況下把溫度控制在10 ℃及以上，如果溫度過低，會延緩聚磷菌生長速度。而針對泥齡，優(yōu)先使用小泥齡污泥，采取加大剩余污泥排放量、使用低齡期污泥的方式，可以明顯提高污水處理過程中的實際除磷量。

3 結語

綜上所述，為切實滿足日益提高的水質檢測化驗要求，更為高效、便捷地處理污水，推進水生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善，檢測單位與從業(yè)人員務必加大對生物技術的重視程度，根據(jù)項目要求，選擇適當?shù)纳餀z測技術和生物處理技術，掌握技術操作要點，為水質檢測化驗結果、污水處理效果提供技術保障。