利用微生物調(diào)控技術(shù)治理城市污水處理廠的污染物排放問題

楊思偉

上海市松江區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，工業(yè)污水和生活污水排放量大量增加，污水中含有大量氮磷等營(yíng)養(yǎng)性污染物，氮和磷等營(yíng)養(yǎng)性污染物具有難以降解的特點(diǎn)，氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排放于水體是造成城市水污染災(zāi)害的主要原因，大量營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)造成城市中湖水、河水的嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化。城市中堆積大量城市垃圾通常利用填埋和焚燒等傳統(tǒng)技術(shù)處理[1]，未實(shí)施無害化處理的大量生活垃圾形成二次污染源進(jìn)一步污染城市水體。微生物是存在于生物界難以被肉眼發(fā)現(xiàn)、體積較小的群體，微生物存在于人類生活中，具有數(shù)量大，繁殖迅速的特點(diǎn)廣泛影響人類生活。微生物繁殖與代謝可能形成有毒物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)，還可能形成維持生態(tài)平衡的無機(jī)物質(zhì)，研究微生物生態(tài)調(diào)控對(duì)于治理城市水污染具有重要作用。通過微生物調(diào)控機(jī)制可有效治理城市中存在的各種污染，微生物有成本低、使用范圍廣、不存在二次污染、治理周期短的特點(diǎn)，具有凈化空氣、土壤以及改善水污染等調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境的作用。利用微生物生態(tài)調(diào)控治理城市水污染災(zāi)害已成為目前災(zāi)害治理領(lǐng)域重要課題。

一、微生物生態(tài)調(diào)控治理水污染原理

目前隨著微生物技術(shù)不斷發(fā)展，細(xì)胞工程、基因工程和酶工程等現(xiàn)代生物高科技技術(shù)發(fā)展極快，令微生物調(diào)控技術(shù)治理城市污水具有更高的效率，微生物調(diào)控技術(shù)治理城市污水已成為環(huán)保行業(yè)中具有廣闊前景的重要部分。微生活所處生態(tài)環(huán)境不同造成微生物代謝能力、活性和種類存在較大差異，通過人工調(diào)控微生物可形成不同微生物結(jié)構(gòu)以及微生物種群。處理微生物的微生態(tài)系統(tǒng)中微生物與生存環(huán)境因子間關(guān)系也已取得較大進(jìn)展。對(duì)此，筆者通過本文建議將微生物調(diào)控技術(shù)應(yīng)用城市污水處理廠的污染物治理中。

二、分析微生物調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用必要性

將微生物調(diào)控技術(shù)應(yīng)用于城市污水處理廠的污染物治理中，是通過微生物具有的高速新陳代謝能力，將城市污水中污染物轉(zhuǎn)變至有益于水體的最終產(chǎn)物，令凈化后水重新循環(huán)，實(shí)現(xiàn)城市污水治理。

微生物具有多樣性，將具有多樣性特點(diǎn)的微生物引入城市水體中，使水體通過不同層次的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)維持生態(tài)平衡[2-5]。

采用微生物調(diào)控技術(shù)治理城市污水成本低、效率高、見效快，反應(yīng)過程中不具有任何副作用以及二次污染，眾多優(yōu)點(diǎn)引起各國(guó)政府和污染治理從業(yè)人員的高度重視，微生物調(diào)控技術(shù)可從根本上解決城市污水。

微生物調(diào)控技術(shù)治理城市污水處理廠的污染物排放問題，可使水體中污染物轉(zhuǎn)移，具有極高的安全性能，并且僅需要足夠時(shí)間以及充足微生物可徹底治理水污染。

三、分析微生物分類處理系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

治理城市污水的微生物分類處理系統(tǒng)可分為污水生物處理系統(tǒng)內(nèi)的光合微生物群落以及人工濕地系統(tǒng)微生物群落。

污水生物處理系統(tǒng)中含有大量光合微生物，光合微生物中含有大量光合細(xì)菌，光合細(xì)菌通過不放氧光合作用凈化水污染中污染物。光合細(xì)菌的細(xì)胞中含有大量的B 族維生素和蛋白質(zhì)，B 族維生素和蛋白質(zhì)具有的生物特性在城市污水治理中發(fā)揮極大作用。

人工濕地微生物群落在一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已廣泛應(yīng)用并取得較大成效，我國(guó)近年來漸漸重視人工濕地系統(tǒng)的微生物群落[6]。人工濕地系統(tǒng)的微生物群落通過微生物降解污水中有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。微生物分類處理系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 微生物分類處理系統(tǒng)

四、構(gòu)建微生物體系

城市污水中含有大量洗滌劑，而洗滌劑中包含大量氮、磷等物質(zhì)，普通污水處理方法僅可去除少部分氮磷污染物。而微生物對(duì)于氮磷污染物去除效果極好，可有效去除氮磷污染物的微生物主要有氣單胞菌屬、莫拉菌屬、不動(dòng)桿菌屬等微生物群落。

但是我國(guó)國(guó)土面積較大，南方與北方氣候存在極大差異，微生物在寒冷天氣下酶活性下降，繁殖速度較慢，無法起到治理城市污水作用。因此，需要構(gòu)建微生物體系，保證所用的微生物調(diào)控技術(shù)發(fā)揮多重作用，具體可分為存在生物降解能力的微生物、去除氮、磷的微生物以及可抵御低溫作用的低溫微生物菌群。具體如下：

1.基因工程菌和復(fù)合微生物活性菌是具有生物降解能力的微生物群落，基于基因工程技術(shù)與微生物基因組學(xué)研究而來，通過分子生物學(xué)技術(shù)利用微生物群落實(shí)現(xiàn)高效生物降解能力，其繁殖速度極快、活性強(qiáng)，降解能力強(qiáng)，且具有較好的絮凝性能，可降解特異污染物和廣譜降解污染物，是性能極為優(yōu)良的微生物菌群。

2.低溫條件下生物菌株生理因素，選擇適應(yīng)于低溫環(huán)境生長(zhǎng)的微生物菌群。例如，假單胞菌和氣單胞菌，兩種菌群在寒冷條件下仍具有極高活性，適用于溫度較低的寒冷地區(qū)城市污水治理。

3.復(fù)合微生物活性菌群主要包括放線菌群、光合菌群和乳酸菌群。復(fù)合微生物活性菌通過發(fā)酵工程，依據(jù)一定比例將固定菌群混合培養(yǎng)，令眾多微生物互相作用。

以此構(gòu)建一個(gè)具有多樣性、穩(wěn)定性、可繼續(xù)繁殖的微生物體系，如圖2 所示。

圖2 微生物體系在污染物排放中的應(yīng)用

圖2 中，在微生物體系中分析污染物種類和性質(zhì)，篩選與保留適合降解、轉(zhuǎn)化和去除污染物的菌群，對(duì)廢水、廢氣等有機(jī)物進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化和去除，有效地將有機(jī)物降解為無害物質(zhì)，達(dá)到減少污染物排放的目的，減少污染物的排放和對(duì)環(huán)境的損害，同時(shí)對(duì)有機(jī)物進(jìn)行發(fā)酵和代謝，產(chǎn)生生物質(zhì)能源，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用和能源的可持續(xù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)城市污水治理。

五、解決污染物排放問題

（一） 混菌處理法

混菌處理法是目前工業(yè)處理中廣泛應(yīng)用于發(fā)酵液中方法，混菌處理法中的二步發(fā)酵法將差異性狀的巨大芽孢桿菌與氧化葡萄糖酸桿菌混合培養(yǎng)，將兩種微生物成功轉(zhuǎn)化至古龍酸。將不同性狀微生物結(jié)合后，可有效提升微生物酶活性，微生物具有的共生作用可令不同微生物生長(zhǎng)代謝過程中形成有益代謝產(chǎn)物平衡酶系比例，通過混菌處理法獲取的微生物性能明顯優(yōu)于單一菌株微生物。

（二）細(xì)菌固定化治理法

將游離微生物利用特殊方法固定至設(shè)置區(qū)域?yàn)榧?xì)菌固定化治理法，交聯(lián)法、包埋法和載體結(jié)合法均屬于細(xì)菌固定化治理法。

（三） 細(xì)菌基因改造治理法

城市污水中含有大量有機(jī)物質(zhì)，由于有機(jī)物質(zhì)、有害物質(zhì)種類眾多，采用單一微生物無法獲取有效去除效果，多種微生物共同結(jié)合去除污水中有機(jī)物質(zhì)可取得較好成效。需要注意的是，差異種類的微生物具有的遺傳背景和生長(zhǎng)方式并不相同，將差異種類微生物共同應(yīng)用于污水治理中可能形成交叉污染情況，不僅未取得治療效果，而且造成極壞影響。

將可分解城市污水中的不同有機(jī)污染物基因轉(zhuǎn)換至其中一種菌株中，利用合成菌株增強(qiáng)污水中有害物質(zhì)去除能力，使其具有高效的分解能力與治理能力。

（四）其他方法

解決城市水污染物排放問題需要政府、企業(yè)和公眾共同努力，采取科學(xué)有效的措施，在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改良與優(yōu)化：

1.加強(qiáng)污染源控制：加強(qiáng)對(duì)城市污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染等污染源的管控，采取科學(xué)有效的防治措施，減少污染物的排放。

2.提高污水處理設(shè)施與配置程度：建設(shè)和完善城市污水處理廠和配套管網(wǎng)，提高污水處理能力和水質(zhì)凈化效率，減少污染物的排放。

3.推廣生態(tài)修復(fù)技術(shù)：采用生態(tài)修復(fù)技術(shù)，如濕地生態(tài)系統(tǒng)、人工濕地、植物滯留帶等，對(duì)城市污水進(jìn)行生態(tài)凈化，降低污染物的濃度和排放量。

4.引導(dǎo)公眾參與環(huán)保：加強(qiáng)環(huán)境教育和宣傳，引導(dǎo)公眾重視環(huán)保，營(yíng)造良好的環(huán)保氛圍，促進(jìn)公眾參與城市水污染物排放治理。

六、微生物生態(tài)調(diào)控對(duì)城市水污染治理

微生物生態(tài)調(diào)控可有減少污水臭味、凈化水質(zhì)和降低污泥作用。采用微生物生態(tài)調(diào)控治理城市水污染災(zāi)害具有無需施加化學(xué)藥劑、處理費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種污水處理中。

（一）微生物生態(tài)調(diào)控治理生活污水

眾多研究人員針對(duì)微生物生態(tài)調(diào)控治理生活污水進(jìn)行大量研究，對(duì)微生物生態(tài)調(diào)控利用SCD益生菌治理池塘水質(zhì)，將1100平方米池塘作為研究區(qū)域，構(gòu)建人工濕地于池塘中。研究結(jié)果表明，通過人工濕地的微生物菌群凈化后，生活污水中NH3-N、TN與 TP 的質(zhì)量濃度分別下降了84.1%，55.8%和76.5%，驗(yàn)證人工濕地治理生活污水有效性，采用微生物生態(tài)調(diào)控治理生活污水，微生物具有的高性能聚磷性能，達(dá)到良好的城市生活污水治理效果。

（二）微生物生態(tài)調(diào)控治理滲濾液和生活垃圾

滲濾液和生活垃圾是城市水污染主要源頭。利用微生物制造堆肥菌種劑，有效處理城市生活垃圾和滲濾液，不同菌種對(duì)滲濾液和生活垃圾堆肥具有不同促進(jìn)作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，投入微生物菌種的滲濾液和生活垃圾腐熟速度明顯高于未投加微生物菌種的滲濾液和生活垃圾，其中酵母菌和光合細(xì)菌兩種微生物對(duì)促進(jìn)滲濾液和生活垃圾腐熟速度效果極好。

（三）微生物生態(tài)調(diào)控治理養(yǎng)殖廢水

微生物曝氣量和投加量可影響城市污水中養(yǎng)殖廢水的TP、TN、NH3-N 等質(zhì)量濃度變化。研究結(jié)果驗(yàn)證微生物曝氣量和投加量直接影響城市污水中養(yǎng)殖廢水水質(zhì)凈化情況[14]。采用微生物凈化城市污水中養(yǎng)殖廢水最佳比例為微生物原液與廢水比例為1∶19000，最佳凈化城市污水養(yǎng)殖廢水的最佳曝氣量為0.6 L/min。將微生物與浮萍聯(lián)合處理養(yǎng)殖場(chǎng)廢水，投入微生物3 個(gè)月后，養(yǎng)殖場(chǎng)廢水中BOD、TP、TSS 以及NH3-N 質(zhì)量濃度具有大幅度下降。經(jīng)過微生物處理后，養(yǎng)殖廢水中異養(yǎng)細(xì)菌與弧菌數(shù)量均降低42.5%和8.1%；養(yǎng)殖廢水中光合細(xì)菌數(shù)量和放線菌數(shù)量增加98.5%以及99.3；養(yǎng)殖廢水中COD與NH3-N 含量降低了9%和20.8%；養(yǎng)殖廢水中的DO 提升12.5%；在養(yǎng)殖水體中加入微生物的蝦成活率提升24.6%，為養(yǎng)殖場(chǎng)帶來大量利潤(rùn)。

七、結(jié)論

環(huán)境保護(hù)問題是目前全球面臨的極為嚴(yán)峻的問題，應(yīng)用于城市污水治理問題中的微生物調(diào)控技術(shù)已成為目前解決污染物排放問題主要方向。微生物調(diào)控技術(shù)作為有效的治理水污染方法，具有占地小、成本低、操作簡(jiǎn)單、治理效果好、無設(shè)備損耗的優(yōu)勢(shì)，但是其受溫度、微生物接種量等眾多因素影響，不同環(huán)境條件和添加比例可獲取不同處理效果，對(duì)此，本文構(gòu)建了一個(gè)完整的微生物體系，區(qū)別各種解決污染物排放問題的治理方法，加強(qiáng)微生物調(diào)控技術(shù)研究，令微生物調(diào)控技術(shù)具有更廣泛應(yīng)用。