生物高度凈化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

1、生物高度凈化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用摘要：本文對生物高度凈化技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用進行研究，在尋找生物高度進化技術(shù)的有關(guān)文獻中發(fā)現(xiàn)，沒有用生物高度凈化技術(shù)的工程案例，主要討論了這項技術(shù)在工程應(yīng)用的局限性，以及痕量有機污染物的高度降解狀況。關(guān)鍵字：高度凈化，極限濃度，生物降解生物法一直被應(yīng)用于去除廢水中的有機物,以減少對排放水體的過度耗氧,但注意力主要集中在有機物濃度比較高的體系。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，許多化學(xué)物質(zhì)即使在很低的濃度下對人體和生態(tài)環(huán)境仍然產(chǎn)生很大的危害，需要在現(xiàn)有生物處理的基礎(chǔ)上進一步提高凈化效率。于是，生物高度凈化技術(shù)在這樣的背景下被提出來了。生物高度凈化技術(shù)的理論基礎(chǔ)重點在于生物降解極限濃度Sm

2、in，這個理論認為有機物生物降解過程中存在極限濃度，原因是人們12認為微生物在降解有機物的過程中，當基質(zhì)濃度低于某一值時，微生物不足以從有機物(基質(zhì)) 的轉(zhuǎn)化過程中獲得足夠的能量，維持正常的代謝活動，微生物的增加量和減少量相同，有機物的降解不再發(fā)生，此時的有機物（基質(zhì)）濃度稱為生物降解極限濃度。因此生物降解極限濃度也反映了生物凈化過程中有機污染物可以達到的最低濃度，也就是生物高度凈化技術(shù)理論所能達到的最好效果。以苯胺為例，周軍等人3經(jīng)過實驗測定了苯胺的各降解動力學(xué)參數(shù)，將參數(shù)帶入生物可降解極限濃度公式得Smin=0.025mg/L，并且用不同濃度的苯胺培養(yǎng)微生物發(fā)現(xiàn)，濃度在0.5mg/L，0.

3、1mg/L，0.05mg/L時，相同濃度的微生物接種5天后增長到約每毫克100000,200000,800000個，增長十分顯著，而當培養(yǎng)基中苯胺質(zhì)量濃度只有0.02mg/ L時, 細菌數(shù)目的變化情況與對照試驗幾乎一致, 表明細菌利用有機碳源產(chǎn)生的增長量為零。實驗也證明了作為細菌生長唯一碳源和能源的有機物不可能被生物完全降解, 而是存在一個極限濃度。相同的結(jié)論在此之前之前也有人4也用實驗證明過。李娟英5等人認為常量化學(xué)物質(zhì)的生物凈化和微量化學(xué)物質(zhì)的生物高度凈化其動力學(xué)特征有明顯的差異。常量化學(xué)物質(zhì)一般凈化是有微生物增殖的過程，微生物始終處于基質(zhì)濃度較高的環(huán)境條件下，其飽和常數(shù)Ks值較大（基質(zhì)親

4、和性低），凈化速率主要取決于微生物量。而微量化學(xué)物質(zhì)高度凈化過程中，微生物始終處在基質(zhì)濃度很低的環(huán)境條件下，其飽和常數(shù)Ks值?。ɑ|(zhì)親和性高），微生物從廢水中攝取的基質(zhì)產(chǎn)生的能量只能維持其代謝活動，而微生物不再增長，凈化速率主要取決于微生物對基質(zhì)的親和性。因此富集培養(yǎng)高親和性微生物是實現(xiàn)微量化學(xué)物質(zhì)生物高度凈化的關(guān)鍵。在往工程方向研究實例最多的就是多級生物反應(yīng)池：周軍6等人以苯胺為微生物生長的唯一碳源和能源，利用4級生化反應(yīng)器富集培養(yǎng)出了具有不同動力學(xué)特性的苯胺降解菌，分別測得其Ks 值為：0.159、0.354、0.044、0.027mg/L, qmax值為3.27、2.28、1.03、0.

5、66d-1，并對其動力學(xué)特性進行了分析，實驗發(fā)現(xiàn)多級串聯(lián)生化反應(yīng)器富集培養(yǎng)出了具有不同動力學(xué)特性的微生物。隨反應(yīng)級數(shù)的增加，各反應(yīng)器中微生物的Ks值減少，qmax/Ks值增大，因此有利于積累高基質(zhì)親和性的微生物。同時證明低基質(zhì)親和性微生物隨著基質(zhì)濃度的降低，降解速率迅速下降，而高親和性微生物隨著基質(zhì)濃度的降低，其降解速率下降則不明顯，具有攝取極低濃度基質(zhì)進行分解增殖的能力，容易將有機物降解徹底，實現(xiàn)微量有害有機物的生物高度凈化。在此之前，Kazuhiko Noto等人7也進行了類似的三級反應(yīng)池硝化高濃度的氨氮，實驗發(fā)現(xiàn)三個氧化池中亞硝酸鹽氧化速率逐漸升高，三級處理比單級硝化系統(tǒng)更容易徹底硝化。

6、但這些研究都基于實驗室研究，而實際工程基本沒有發(fā)現(xiàn)，主要原因可能在于多造生化反應(yīng)池意味著需要更多建造投資，維護費用同時穩(wěn)定系統(tǒng)時間較長不利于工程運營，而一般工程采用一級反應(yīng)池加以高級氧化技術(shù)成本更低，更容易操作，激活系統(tǒng)時間也更短。因而關(guān)于多級生化處理的工程應(yīng)用研究文獻基本找不到。除了上述的應(yīng)用，生物高度凈化技術(shù)理應(yīng)更適合微量的有機物降解，比如土壤中殘留的微量有機農(nóng)藥，確實也存在很多關(guān)于痕量農(nóng)藥的污染治理研究。但實際應(yīng)用情況也并非對所有的有機污染物有效果，大部分農(nóng)藥屬于持久性有機污染物（POPs），生物可降解性很小。Helle Johannesen8在丹麥沙地地表面和下層測定用14C標記過0.

7、07mg/kg乙烯硫脲ETU的降解。實驗發(fā)現(xiàn)即使?jié)舛群艿偷臈l件下，微生物仍然有降解效果，但在實驗中發(fā)現(xiàn)微生物降解率其實只有25%，對于大部分土壤表層和地下層甚至地下水都不容樂觀。但也有些有機污染物在土壤中降解效果可以達到很高程度，N.J.Klier9等人在研究表層和下層土壤的二氯乙烯DCE好氧生物降解中發(fā)現(xiàn)微生物降解能力與土壤種類，DCE的結(jié)構(gòu)和濃度有關(guān)，trans-DCE將生物降解速率遠遠高于其他一些同分異構(gòu)體，肥沃的土壤比較適合微生物降解。隨著農(nóng)藥污染日趨嚴重，人們對農(nóng)藥的降解也進行了數(shù)學(xué)上的仿真建模，希望能預(yù)測出農(nóng)藥在土壤的最終濃度。Inge S.Fomsgaard10在自己的論文預(yù)測了

8、40種不同結(jié)構(gòu)的丙酸，滅草松，乙烯硫脲在不同土壤中的最終濃度并且列舉了他們的降解動力學(xué)參數(shù)值。這些研究都是對痕量農(nóng)藥污染的生物高度凈化研究內(nèi)容?？偟膩碚f，生物高度凈化技術(shù)的出發(fā)點是很好的，但是高度凈化技術(shù)實際應(yīng)用效果并非出色，主要出于成本以及處理時間長等問題，一直不被在工程上推薦應(yīng)用；在痕量有機污染物的降解方面，生物高度技術(shù)難以實施的原因是影響因素過于復(fù)雜， 只能用于簡單的仿真階段，如果能解決這些問題，生物高度凈化技術(shù)能表現(xiàn)出比其他物理化學(xué)或者其他修復(fù)方法更好的前景。參考文獻：1 Kovarova,K., A.J.B.Zehnder,and T.Egli. Temperature -depen

9、dent growth kinetics of Escherichia coli ML 30 in glucose limited continuous cultureJ.J.Bacteriol,1996,178:4530-4539.2 Josep Ribesa,Karel Keesmanb,Henri Spanjers.Modelling anaerobic biomass growth kinetics with a substrate threshold concentrationJ.Water research,2004,38:4502-4510.3 周軍,趙慶祥,金雪標.苯胺生物降解

10、極限的研究J.環(huán)境污染與防治,2004,26(6):401-403.4 Schmit SK, Scow KM，Alexander M. Kinetics of nitrophenol mineralization by a Pseudomonas sp.: effects of second substrates.J Appl.Environ.Microbiol.1987, 53(11):2617-2623.5 李娟英,趙慶祥,孫賢波等.有機物生物降解動力學(xué)極限濃度的影響因素J.華東理工大學(xué)學(xué)報,2006,32(3):309-312.6 周軍、趙慶祥、孫賢波.多級生化反應(yīng)器處理有機物的動力學(xué)特

11、性J.上海環(huán)境科學(xué),2003,22(3):189-192.7 Noto K,Ogasawara T,Suwa Y,et al.Complete oxidation of high concentration of ammonia by retaining incompatible nitrification activities in three vessel system.J Water Research,1998,32(3):769-773.8 Helle Johannesen, Annette Beth Nielsenb,Arne Helweg.Degradation of 14Cethylenethiourea in surface and subsurface soilJ.The Science of the total environment,1996,191:271-276.9 N.J.Klier, R.J. West,and P.A Donberg.Aerobic biodegradation of dichloroethylenes in surface and subsurface soilsJ.Chemosphere,1