污水處理生物處理技術

中國污水處理工程網時間：2015-5-25 14:05:01

污水處理技術 | 匯聚全球環保力量，降低企業治污成本

生物技術以其低成本、無污染等符合環保理念的特點引起了當今污水處理界的關注。生物污水處理過程中產生的所有問題都與系統內微生物的種群結構相關，分子生物技術提供了一種從微觀上解析生物處理工藝中各部位的微生物種群結構和功能的技術手段，通過建立污水水質變化與微生物種群結構的聯系，一方面可以預測處理效果，另一方面可以篩選培養工程菌，進而提高處理效果。近年來研究人員根據每種技術的特點，在不斷完善分析方法的基礎上努力降低分析局限性，使分子生物學技術在水處理研究和應用領域均取得了巨大進步。

1 分子生物學技術

表 1列舉了常用于研究水處理微生物種群結構的主要分子生物技術、初期重要技術文獻及該種技術的特點。

表 1 微生物種群結構研究采用的主要分子生物技術

研究內容	代表技術	初期重要技術文獻	基本原理	備注
多樣性分析	DGGE/TGGE	1993 年 G.Muyzer 等初次應用 DGGE 技術分析復雜的微生物種群結構	對 16SrRNA 進行擴增袁通過 DGGE/TGGE 對擴增產物進行分析	應用最為廣泛的技術之一 , 重現性與靈敏度差
	SSCP	1996 年 D.H.Lee 等首次采用 PCR-SSCP 技術分析自然生態系統的微生物菌群結構	利用 DNA 單鏈構象的多態性袁根據非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳時遷移率的不同來分析 DNA 單鏈中的基因突變	在突變檢測上應用較多 , 微生物群落結構解析研究較少
	RISA	1996 年 V.G 俟 rtler 等采用 16S-23SrDNA 間隔片段區分和識別細菌	以細菌 16S 和 23SrDNA 間隔片段 (ITS) 為研究對象袁 ITS 的 PCR 擴增產物用電泳分離可以獲得特異性的長度多態性圖譜	ITS 長度的特異性理論上可以表現出較大的多樣性
	ARDRA	1992 年 M.Vaneechoutte 等初次建立了 ARDRA 分析方法	選擇性擴增 rDNA 片段袁再對 rDNA 進行限制性酶切片段長度多態性分析。	快速有效袁用 OTUs 多樣性估計最低限度細菌種的數目
	T-RFLP	1994 年 C.L.Moyer 等采用 RFLP 研究深海活火山口微生物多樣性 ;1997 年 W.T.Liu 等首先將 T-RFLP 技術用于微生物群落分析	綜合 PCR 技術堯 DNA 限制性酶切技術堯熒光標記技術和 DNA 序列自動分析技術袁對特定核酸片段長度多態性進行測定	主要應用于微生物群落組成和結構堯微生物系統發育及菌種鑒定研究
菌種鑒定	FISH	1989 年袁 E.F.DeLong 等用熒光標記的寡核苷酸探針來探測獨立的微生物細胞	將待測微生物核酸分子變性后袁利用熒光標記的探針袁與細胞內堿基互補配對袁在一定激發波長下用顯微手段測定微生物的分布與數量	應用最為廣泛的技術之一 , 雜交和洗滌步驟的條件優化十分困難
	16SrRNA 克隆文庫技術	1990 年 S.J.Giovannoni 等初次采用針對 16SrRNA 基因的克隆文庫技術對 SargassoSea 微生物進行分析	將微生物細胞 16SrRNA 特異擴增后 , 對核苷酸序列測定袁測定結果與已知序列比較袁鑒定微生物種屬	應用最為廣泛的技術之一 , 準確度高 . 需專業人員和設備 , 不適合高通量分析
	基因芯片技術	1991 年 S.P.Fodor 等初次提出生物芯片淵 Biochip 冤概念 ;1995 年 M.Schena 等用 DNA 微陣列技術并行檢測擬南芥多個基因的表達水平	綜合原位雜交技術堯微電子技術、高分子化學合成技術和計算機技術 , 對雜交信號的強度進行分析	設備復雜袁但可集成打包處理
定量分析	實時定量 PCR	1996 年 C.A.Heid 等初次研發了一種實時定量 PCR 方法 , 相比于定量 PCR 操作更加簡便精確	在 PCR 反應中加入熒光基團袁通過檢測熒光信號的變化來監測 PCR 擴增過程	核酸檢測和定量的精確方法
注： DGGE/TGGE 為變性 / 溫度梯度凝膠電泳； SSCP 為單鏈構象多態性； RISA 為核糖體基因間隙分析； ARDRA 為擴增性 rDNA 限制性酶切片段分析； T-RFLP 為末端限制酶切片段長度多態性分析； FISH 為熒光標記原位雜交。

2 分子生物學技術在污水處理中的應用

2.1 不同種類污水在同一處理工藝中的微生物種群比較
污水種類是決定活性污泥種群結構的重要因素。張斌等采用DGGE技術對處理浴池游泳館污水、學生公寓污水、醫院污水和人工配水4種污水的膜生物反應器（MBR）污泥種群結構進行了研究，比較了總細菌和氨氧化細菌，并對優勢菌進行了16S rDNA克隆測序。結果表明，4個MBR中既存在共有的微生物種屬，但優勢地位并不相同，又存在各自獨特的種屬，同源性分析顯示優勢種群以Proteobacteria綱和Bacillus屬為主，對氨氮降解起主要作用的細菌群落屬于相同的種屬，且都處于頂級地位；反應器中存在著多種氨氧化菌屬，其中以亞硝化單胞菌屬最為普遍，并且鑒定出2種反硝化菌屬，菌落中含有的亞硝化菌屬表明生物處理過程中含有多種硝化和脫氮途徑。N. Boon等使用16S rRNA作引物結合DGGE 技術和統計學方法分析生活污水、造紙廠廢水、食品廠廢水以及紡織廠工業廢水的活性污泥中微生物菌群結構，研究結果表明，DGGE和16S rRNA技術不僅可用于比較微生物群落間的差異，同時也可作為一種工具以改善污水處理過程中的監測和控制，改進處理不同種類廢水的活性污泥工藝。

2.2 不同生物處理工藝中的微生物種群研究

2.2.1 活性污泥工藝
活性污泥工藝是污水處理中最常見的工藝，應用廣泛。Xinchun Liu等使用DGGE技術對兩個分別采用缺氧/厭氧/好氧（A2/O）工藝和A/O工藝的水處理廠進行研究，結果表明兩個生物處理系統具有相似的細菌種群結構，原水中的優勢菌落并不是活性污泥的優勢菌落，處理效果好的系統與效果較差系統中的細菌種群結構類似。王曉慧等采用基于16S rRNA基因的T-RFLP技術分析處理相同原水的A、B兩套污水處理系統中的微生物群落結構，其中A為A2/O工藝，B為倒置A2/O工藝（缺氧/厭氧/好氧）。結果表明，出水穩定的兩套污水處理系統中細菌的群落結構均發生了顯著變化，該結論與A. Briones等對工程環境下微生物種群結構的過程穩定性研究所得結論相對應，即生態系統中存在多種功能相近的菌種，在環境條件發生變化的情況下弱勢菌種會轉變為優勢菌種并形成新的平衡，維持生態系統穩定。

2.2.2 生物膜工藝
生物膜法是利用微生物附著生長在填料或載體表面，形成膜狀的活性污泥。肖勇等為了研究處理垃圾滲濾液的序批式生物膜反應器（SBBR）中的細菌多樣性，采用DGGE技術進行分析，對凝膠染色并進行條帶統計分析、切膠測序、同源性分析同時建立了系統樹。結果表明，該SBBR中有多種硝化細菌與反硝化細菌、好氧反硝化細菌和厭氧氨氧化細菌共存，反應器中可能同時存在全程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厭氧氨氧化3種脫氮方式。

2.2.3 膜生物工藝
膜生物反應器是現代膜分離技術結合傳統生物處理技術產生的一種高效水處理工藝。牟潔等使用PCR-DGGE技術考察了天津某再生水處理廠MBR的培養馴化直至正常運行全過程細菌群落結構的演替情況，結果表明在整個污泥馴化過程中，微生物群落遭受了沖擊，最終趨于穩定，并形成了新的特有的微生物群落生態系統，證明其中的優勢菌種在去除有機物過程中起到關鍵作用。A. C. Cole等對好氧膜生物反應器（MABR）與活性污泥工藝進行了比較研究，結果表明MABR比常規活性污泥系統有更豐富的微生物種群，且對于去除廢水中的含氮、含碳有機物有巨大潛能。

2.2.4 其他類型生物處理工藝
Shuo Feng等將amoA基因的T-RFLP分析與克隆和序列分析相結合，研究中試規模的顆粒活性炭-砂子雙重過濾器中氨氧化古細菌和氨氧化細菌混合菌群的空間異質性。結果表明顆粒活性炭樣品上的氨氧化細菌菌群隨樣品在過濾器中深度的變動而變化。而且，亞硝化單胞菌及其類微生物是顆粒活性炭樣品中的優勢氨氧化細菌菌種。 Xiaolei Liu等對處理中國傳統醫藥工業廢水的厭氧折流反應器（PABR）中4個不同隔斷的微生物種群結構進行研究，研究分3個階段：DGGE結果顯示正常負荷條件下，在有機負荷（OLR）增高階段，4個隔斷中同一取樣時間的微生物樣本種群結構并不相同，同一隔斷中不同取樣時間的微生物樣本種群結構也不相同；在OLR穩定階段，隔斷中的微生物種群結構趨于相似；在OLR超負荷運轉階段，隔斷中的微生物種群結構變化應對水質變化的機能被破壞，出水水質迅速惡化，微生物種群結構與穩定段相比變化顯著。

王峰等對比研究了城市污水化學生物絮凝強化一級處理工藝與傳統完全混合式處理工藝反應池的活性污泥樣品微生物種群結構，證明化學生物絮凝處理工藝的微生物作用機理與成分相近的完全混合式處理工藝中微生物的作用機理可能存在相當大的差別。

2.3 菌株的鑒定及在生物強化技術中的應用
分子生物技術可從微觀角度更細致地了解污染物的降解機制。FISH技術是活性污泥菌株鑒定中應用最為廣泛的技術之一，該技術結合顯微鏡的可視性，通過激發雜交探針的熒光來檢測信號，從而對未知的核酸序列進行檢測，結果可直接在熒光顯微鏡下觀察。S. Hallin等采用FISH和DGGE技術分析活性污泥處理系統中氨氧化細菌（AOB）的群落組成，并用Quantitative-FISH定量分析，研究發現FISH 法可確定AOB中與種群數量相關的Nitrosomonas europaea和Nitrosomonas oligotropha兩種優勢菌群，而DGGE法只能檢測到后者。16S rDNA克隆測序技術是另一種廣泛使用的菌株鑒定技術，Shunni Zhu等成功從活性污泥中分離出一種喹啉降解菌株，通過16S rDNA測序繪制系統樹，解析出其具體菌屬，并通過實驗進一步驗證其降解喹啉的性能。

利用分子生物技術篩選有價值的功能微生物并加以培養利用可有效提高污水處理效果。邢林林等采用RISA技術解析了一個處理溴氨酸廢水的生物反應器在投加高效菌前后的污泥系統群落變化，分析表明高效菌可以在系統中穩定存在，且不對原菌群結構造成較大影響。Fang Ma等采用生物強化方法升級一個煉油廢水生物處理系統，通過PCR-TGGE技術對系統內的微生物菌群結構進行分析。結果表明，系統內優勢菌的種群數和種類在各個階段不盡相同，生物強化后長鏈烷烴濃度急劇下降，去除率達70%以上，幾乎所有的苯和苯系物、酯類以及醛酮類都被降解。生物強化后難降解有機物減少到32種，相比于未生物強化（68種）減少了50%。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。

3 結語
與傳統生物學技術相比，分子生物學技術為研究水處理領域的微生物種群結構開辟了一條全新的思路，通過檢測污水生物處理系統中的微生物種群核酸序列多態性、鑒定個體的基因型，可以了解系統中微生物群體的多樣性、實際生存狀態和功能特點，可在分子水平上闡述廢水生物處理的機制，對于更好地優化污水處理系統具有理論意義與應用價值。