污水處理生物強化技術

污水處理作為一項關鍵的環境工程，在保護環境、維護生態平衡及保障人類健康方面具有重要作用。隨城市化進程加快和人口增長，污水排放量急劇增加，僅2022年中國污水排放量就達到約625.8億m3，污水處理技術的研究和應用成為環境科學領域的熱點。物理、化學和生物等傳統污水處理技術雖然在污染物去除方面取得了一定成效，但面對日益復雜的污染物成分和不斷提高的排放標準，其局限性逐漸顯現。物理方法通常難以處理溶解性污染物，化學方法可能產生二次污染，生物方法則受限于微生物的代謝能力和環境適應性。在此背景下，通過增強原有生物處理法的代謝能力，從而有效提升污水處理效率的生物強化技術應運而生，展現出在當前污水處理需求下的廣闊應用前景。

1、生物強化技術的原理與機制

1.1 概述

生物強化技術是指通過引入特定活性菌株或微生物菌群以提高去除受污染基質（土壤或其他生物群落）中污染物能力的技術。該技術的提出可追溯到20世紀50年代，最初主要應用于工業發酵和農業生產領域，憑借操作簡單、針對性強、成本低、高效等優點逐漸成為污水處理領域的研究重點，并在各類污水處理實踐中得到廣泛應用。

傳統生物污水處理技術利用微生物對特定物質的高效代謝能力，代謝降解污水中污染物。由于污水中微生物種類及其降解能力有限，該技術難以應對多種類或高濃度污染物。而生物強化技術將從環境或實驗室分離培養的特定一種或多種微生物引入自然活性污泥中，增強了微生物群落的代謝功能，可以達到降解污水中復雜污染物的目的。如圖1所示，生物強化技術不僅提高了微生物群落對廣泛污染物的降解能力，還增強了其對惡劣環境的抗逆性。

在生物強化技術中使用的微生物需滿足：1）能對特定污染物進行降解，并具有一定抗逆性；2）在活性污泥中具有一定生存競爭能力，且能適應本土菌群；3）添加的菌種不能為人類病原體或與病原體相關。這些條件確保了生物強化技術在實際應用中的有效性、安全性和可持續性，減少了對環境和人類健康的潛在風險。

1.2 作用機理

生物強化技術在污水處理中的應用主要基于3種作用機制：高效菌種的直接作用、共代謝作用和群體感應作用，這些機制共同作用有效提升了生物強化技術對污染物的處理效果。

1.2.1 直接作用

直接作用是指利用特定菌種產生的關鍵酶將污染物轉化為較低毒或無害的代謝物質。A.TERADA等經分離和篩選獲得一株具有降解能力的芽孢桿菌EBE-2，該菌株通過的降解腈酶有效地將代謝降解成甲酸。李志琳等從柴油沉積物中篩選分離出一株屬菌株J-3，該菌株具有高效的柴油降解能力，其在生長條件下對柴油的降解率可達62.0%；通過基因比對發現，該菌株含有的烷烴羥化酶基因alkB和長鏈烷烴羥化酶基因almA可以產生對應酶降解代謝柴油。徐偉超等在A2/O系統中使用喹啉降解菌Ochrobactrumsp.KDQ3強化處理焦化廢水，提高了對COD的去除率。特定菌種的直接作用不僅能減少污染物的毒性，而且有助于實現對污染物的降解，為環境保護和污染治理提供了有效的生物技術手段。

1.2.2 共代謝作用

共代謝作用是指當環境中存在易被微生物利用的一級基質（主要碳源）時，微生物能對原本無法利用的二級基質（難降解污染物）進行分解代謝的過程。該過程能有效降解傳統方法難以處理的污染物。共代謝主要分為3種作用類型：二級基質共同氧化、微生物協同作用和休眠細胞降解。共代謝作用具有以下特點：1）二級基質的代謝產物通常不能支持微生物生長，甚至可能產生毒害作用；2）需要一級基質提供必要的碳源和能量；3）一級基質和二級基質之間存在競爭抑制；4）降解二級基質的關鍵酶是由微生物代謝一級基質誘導產生的。陳浩然等在活性污泥系統中投加乙酸鈉作為共代謝基質，有效緩解了對微生物的毒害作用，促進了其他微生物的增殖，提高了系統對高濃度的代謝及降解能力。高通量測序表明，共代謝基質并不能恢復因受污染物沖擊而被破壞的微生物多樣性，但其能調動微生物群落降解傳統方法難以處理的污染物。通過合理選擇共代謝基質和優化環境條件，可以提高微生物對目標污染物的降解效率，同時需要考慮微生物群落結構和功能的長期穩定性。

1.2.3 群體感應作用

群體感應是微生物群體內的一種通訊機制。微生物通過自發分泌被稱為自動誘導物的信號分子相互交流，引導其他微生物參與到代謝降解過程，形成協同作用，從而提高整個微生物群落的活性和穩定性。群體感應作用的能力取決于特定范圍及環境中所含微生物的數量和密度，表現為細胞密度依賴基因表達。在污水處理系統的活性污泥中，隨微生物群落數量增加，分泌的信號分子積累至一定濃度會觸發群體感應，促使微生物群落協同工作，這不僅提升了整個系統對污染物的降解能力，而且增強了污泥的抗逆性。GuangfengYANG等在向經沖擊的厭氧氨氧化系統中投放信號分子產生菌后，系統的修復速度顯著加快，且氨氧化能力顯著增強。群體感應作用為微生物群落提供了一種有效的交流和協同機制，微生物能更有效地應對環境挑戰，提高污水處理系統的穩定性和效率。

2、生物強化技術在污水處理中的應用

目前在污水處理工藝中，常見的生物技術強化方式主要包括添加預適應純菌株、預適應菌群以及攜帶相關生物降解基因的工程菌等，生物強化技術的應用方式及流程分別見圖2和圖3。這些生物技術強化方式各有優勢，具體選擇應綜合考慮污水處理需求、污染物類型以及預期處理目標等。

2.1 預適應純菌株的應用

在生物強化技術應用初期，篩選獲得的預適應純菌株因對目標污染物具有操作直接、處理效果好等特點成為研究和實踐的焦點。將具備特定污染物降解能力的功能性微生物菌株引入污水處理系統，可優化微生物群落結構，提升微生物群落多樣性，并誘導形成優勢降解菌群，實現對污水中難降解污染物的高效轉化與去除。蔡天明等將篩選的一株中間蒼白桿菌JGD-6bi制成菌劑，該菌株能高效降解高濃度二甲基砜，有效處理化工污水中的有機污染物。楊倩通過富集培養篩選出一株能降解對磺酸（PTS）的細菌QY7-2，其對農業廢水中PTS的去除率高達91.43%。YaohuiBAI等將錳氧化細菌QJX1用于降解地下水污染物，該菌株不僅提高了本土菌群異生代謝基因和錳氧化基因的相對豐度，而且促進了用于間接去除污染物的鐵錳氧化物的形成，其可進一步氧化和吸附其他污染物；該研究證實，外源功能菌的引入并非必須直接參與代謝目標污染物，也可通過間接方式強化系統對污染物的代謝能力。

預適應純菌株應用策略的優勢在于其針對性強，能高效降解特定污染物。然而，該策略也需考慮預適應純菌株在污水處理系統中的適應性、穩定性以及與其他微生物的相互作用。W.IKEDAOHTSUBO等應用反硝化細菌旋氏假單胞菌TR2對養豬廢水處理系統的反硝化池進行生物強化，中試結果表明，投加的TR2菌株僅能存活2~5d；這一結果揭露了在菌株投加后持續監測與系統調整的必要性，同時也表明需通過優化菌種篩選、培養條件和投加策略來提升生物強化技術的穩定性與適用性。

基于預適應純菌株的生物強化技術在污水處理領域展現出巨大潛力，為實現其長期穩定運行，仍需深入研究微生物菌株的選擇、培養、投放及其與系統內原有微生物群落的相互作用，進一步提升該技術在污水處理中的效率和應用潛力。

2.2 預適應菌群的應用

當污水中存在多種難降解污染物時，單一菌種已難以滿足處理需求，預適應菌群憑借其協同降解能力，成為一種有效的生物強化方式。通過將多種針對不同污染物的高效處理菌以一定比例共同培養形成復合菌群，利用菌種間的多條代謝途徑協同作用，實現對多種污染物的降解。構建的復合菌群不僅能有效降解污水中污染物，其微生物間復雜的相互作用還維持了系統的動態平衡，顯著增強了系統對環境波動的適應性與穩定性。此外，菌群內部的共生關系也有助于消除降解產物或副產物產生的反饋抑制，對提升復雜污染物的降解效率具有重要意義。當前菌群構建方式主要有兩種，分別是通過環境篩選構建和通過宏基因組構建。環境篩選構建方式主要利用環境變量（如溫度、pH、污染物種類）篩選需要的菌種，該方式因技術成熟且操作簡單，在污水處理中獲得廣泛應用。但該構建方式只考慮了微生物對污染物的降解效能，往往忽略了菌群內部復雜的微生物相互作用，容易導致復雜問題的發生。宏基因組構建則是利用高通量測序和代謝組學等技術獲取菌群中各個微生物的基因組信息，預測其功能和代謝途徑，模擬構建菌群中個體之間的代謝關系，從而獲得方案。這種構建方式可以模塊化地構建所需菌群，若將其擴展到更多樣的生物系統中，則需深入理解微生物的代謝途徑和相互作用方式。

蔡文娟針對污水處理廠主要污染物（油脂、氮、磷），篩選了3株高效菌株——銅綠假單胞菌YZ-1、施氏假單胞菌FX-4和產酸克雷伯氏菌CP7，經優化配比混合培養后投加至污水處理系統，油脂、總磷和總氮等污染物的去除率較對照組平均提高了20%。HaileiWANG等通過向序批式反應器中接種良好混合菌群處理造紙廢水，不僅縮短了污泥混合菌群馴化時間，還提高了反應器的處理效率，同時增強了反應器對高容積負荷的承受能力。晉銀佳等篩選對酚類具有抗性的菌群用于處理蘭炭廢水，菌群不僅能有效降低蘭炭廢水毒性，而且對COD和有機氮的去除率分別達到62.19%和56.90%。

預適應菌群在污水處理領域具有很大應用潛力。通過合理選擇和配比菌種，可以精確有效地降解不同污染物，實現代謝途徑的模塊化組裝和優化。

2.3 基因工程技術的應用

隨生物技術和分子生物學的發展，將目的基因整合至微生物中構建基因工程菌，并應用于生物強化已成為可能。當處理系統缺乏降解目標污染物或有毒代謝物的微生物時，可通過對微生物添加或修改編碼分解代謝酶功能的基因，或通過改變啟動子和終止子等元件增加目的基因拷貝數的方式來提高目的基因的表達水平，以改善微生物的降解性能。RuofeiJIN等通過向大腸桿菌中導入偶氮還原酶基因，獲得了具有高效降解高偶氮染料能力的基因工程大腸桿菌JM109，其在印染廢水處理中展現出良好脫色效果，該應用方式可直接獲得高效菌種，優化了生物強化技術的前期菌種篩選過程。鄭楊春等構建了同時表達汞轉運系統和-金屬硫蛋白融合基因的大腸桿菌JM109，該菌株可在低汞環境中富集汞離子，將其添加到生物反應器中，除汞率達90%以上。ZhuangKE等對氯分解代謝質粒pDCA-1進行工程改造，擴大了該質粒的分解底物范圍，提高了其在多種菌株中的適應性，展現了遺傳生物強化的潛力。

也可通過水平基因轉移方式對污水系統進行生物強化。首先，向外源或本土微生物中轉入含有可降解目標污染物的重組質粒或基因移動元件形成基因工程菌，然后，將基因工程菌轉回污水處理系統，通過基因移動元件進行水平基因轉移，將目的基因轉入本土菌群中，獲得對金屬/抗生素的抗性、分解代謝潛力、廣泛底物利用能力、高抗逆性等性狀，實現對環境中污染物的降解和凈化。與直接利用基因工程菌降解污染物不同，水平基因轉移策略更側重于將功能基因轉移到更具環境適應性的合適宿主中，而不是依賴于外源微生物。SiyanZHAO等在對有機鹵化物污染場地進行生物強化修復時發現，有機鹵化物呼吸細菌的脫鹵性狀可以通過一種獨特的質粒pSULSP水平轉移至微生物群落中，證實該機制可在厭氧環境中實現對有機鹵化物降解基因的生物增強。N.MCCLURE等在實驗室規模活性污泥污水處理單元引入了攜帶非自我傳播質粒pD10的惡臭假單胞菌UWC1，盡管該菌株存活穩定（8周），但系統降解3-氯苯甲酸的能力并未提升；同時，污泥中另一種含有質粒pD10的微生物Pseudo?monasputidaPaW340經培養后具有更高的3-氯苯甲酸分解率，表明活性污泥中存在可有效接收質粒pD10并表達功能基因的本土受體菌。綜上，基因工程在生物強化技術中具有巨大應用潛力，通過精確編輯基因，可創造具備特定降解功能的微生物，不僅能直接提升處理效率和效果，還能通過水平轉移增強本土菌群的適應性，使目的基因在菌群中更廣泛地傳播。

然而，構建和使用基因工程菌時引起的倫理問題和不穩定性問題一直是研究和監管的重點。由于基因工程菌投放到環境中的安全性難以評估，該方法的應用多停留在實驗室階段。為控制潛在風險，可采取在向工程菌引入目的基因的同時，將可誘導工程菌的基因整合到微生物中，如噬菌體裂解基因和細胞膜去穩定基因，當目標污染物被消除或滿足預設環境條件時，這些基因可被誘導激活，導致工程菌程序性死亡，防止它們在環境中不可控擴散。在基因工程微生物投入大規模應用前，安全評價是必要的，且持續監測和改進對確保基因工程菌的安全應用至關重要。

2.4 本土微生物的應用

在生物強化污水處理過程中，傳統添加外源菌種的方法需要一定適應和培養時間，而系統中本土微生物由于對原環境適應性強，一般能在環境中穩定存在并發揮主導降解作用或促進本土菌群代謝。因此，利用本土微生物進行強化即自生生物強化，成為一種新興策略。該方法通過獲取原環境中的本土微生物，經馴化或基因工程改造后，再將其投放回原污水處理系統，從本質上改變了本土微生物的菌群結構，提升了降解微生物的多樣性或相關降解基因的豐度。

K.WATANABE等從本土活性污泥中分離出叢毛單胞菌rN7，在導入羥化酶及其轉錄調控因子基因后，將菌種重新引入活性污泥系統，該菌種的降解能力顯著提高。JibingLI等的研究表明添加內源微生物不動桿菌LJ-5雖未參與對目標污染物菲的降解，但卻改變了原生菌群中菲降解細菌的生物多樣性，提升了系統對菲的降解能力。C.J.V.D.GAST等從重金屬污水中篩選出由密執安棍狀桿菌、中嗜甲基細菌、紅球菌和惡臭假單胞菌組成的本土菌群，將該菌群接種回活性污泥后，菌落結構發生自主優化，對目標污染物的處理能力大幅提高，其COD總負荷比對照組降低了80%，處理能力提高了30%~40%。利用本土微生物強化不僅能直接或間接提升系統對污染物的降解能力，還避免了添加外源微生物可能面臨的適應性和生存問題，顯著優化了菌種在環境中的定殖過程。

2.5 新興技術的應用

固定化微生物技術和膜生物反應器（MBR）等新興技術的發展為生物強化廢水處理提供了新的發展方向。固定化微生物技術是一種通過物理或化學方法將微生物固定在如海藻酸鹽、羧甲基纖維素鈉等特定載體上，以增強微生物對污染物的降解能力和系統穩定性的方法。與傳統懸浮生長系統相比，固定化微生物技術在減少微生物流失和提高反應器穩定性方面表現更優，但可能面臨載體選擇和成本效益的挑戰。MBR技術是一種將生物處理工藝與膜分離技術相結合的廢水處理技術，通過將半透膜（通常為微濾或超濾膜）直接集成到生物反應器中，實現生物降解和固液分離同步進行。該技術能有效去除廢水中的有機物、懸浮固體、氮、磷以及部分溶解性污染物。盡管MBR技術在廢水處理中展現出顯著優勢，但其高能耗問題，尤其是在膜清洗和更換過程中產生的能耗，仍是一個亟待解決的挑戰。當前研究正致力于開發更高效的膜材料和清洗技術，以降低整體運行成本。

LiuzhouCHEN等將混合菌群固定在聚氨酯泡沫載體上，用于處理合成乳制品廢水，處理能力提高至90%。JingJI等將嗜水氣單胞菌LZ-MG14引入MBR，該菌株不僅提升了系統對孔雀石綠和六價鉻的降解能力，還成為優勢菌種，與本土微生物群落形成穩定共生關系。A.MAZUMDER等利用包埋技術將解烴菌嗜吡啶紅球菌F5固定在海藻酸鹽微球中，用于強化降解石油污染廢水中的烴類化合物，烴類化合物降解率從（79±0.03）%提升至（86±0.028）%；當向微球中摻入活性炭后，降解率進一步提升至（95±0.02）%。XuanYU等將固定在海藻酸鈉-高嶺土中的蕓苔假單胞菌LZ-4應用于活化污泥反應器，該生物強化策略降低了鉻對微生物群落的影響，提高了反硝化菌種的豐度。

上述研究案例共同證實，將固定化微生物技術、MBR與生物強化策略集成應用在廢水處理領域展現出突出優勢。集成技術不僅能提高對污染物的去除效率，還能降低能源消耗，為環境保護和資源回收提供了切實可行的技術途徑，有望在未來環境管理和污染控制中發揮重要作用。

3、生物強化技術的優點

生物強化技術在污水處理領域具有顯著優勢。該技術不僅能提高活性污泥對污染物的降解能力，降低生物處理過程中產生的污泥量，增強微生物活性和對異常狀態的抗逆性，擴寬對多種物質的利用能力，而且還能提高菌落結構穩定性，降低處理成本，減輕對環境的影響。因此，一種有效的生物強化技術不僅需成功處理特定污染物，還需快速降低污水毒性，防止生態系統崩潰。XianheCAO等將分離出的異養硝化好氧反硝化菌株AlcaligenesaquatilisAS1應用于高強度豬舍廢水處理系統，該菌株顯著提高了系統的脫氮效率，并提升了活性污泥對沖擊負荷的抵抗力，展示了生物強化技術在快速降低污水污染物濃度和防止生態系統崩潰方面的重要潛力。

4、面臨的挑戰與解決策略

生物強化技術在污水處理中的應用也面臨諸多挑戰。在實際應用過程中，可能出現環境因素（如pH、溫度或營養物質條件）抑制其效果；接種微生物時還需應對原生生物對外源微生物的捕食、外源微生物與本土微生物競爭營養物質、次生代謝物對外源微生物造成毒害等影響，生物強化效果具有不可預測性。P.THOBEJANE等通過高通量測序得出活性污泥微生物群落受地點、工藝和季節因素的影響。鑒于環境條件、微生物群落結構和生態動力學系統的復雜性，未來研究需深入理解微生物群落結構、生態動力學與環境條件的相互作用及其對污水處理效果的影響，以開發更高效、環境友好的生物強化策略。

在生物強化技術應用于水處理領域時，經濟可行性和成本效益分析也是不可忽視的關鍵因素，尤其是在長期運行的生物強化系統中，在維持其高效性和穩定性的同時，控制和優化運營成本顯得尤為重要，使用外源菌種進行生物強化時的接種量或額外營養物質補充都增加了該生物強化策略的總體成本。JianyangSONG等在處理等難降解污染物時，在系統中添加了降解菌株AD4，在保證處理效率的基礎上，通過優化反應器曝氣量等運行條件，實現了低成本且高效的生物處理操作。為降低系統的運行成本，當前研究正致力于探索技術優化的可能性，以提高系統的經濟性和可持續性。

5、總結與展望

生物強化技術因在降解難降解污染物、改善污泥性能和提高系統耐沖擊能力方面具有顯著優勢，逐漸成為污水處理領域的關注焦點。近年來，分子生物學和生物工程的快速發展為生物強化技術在污水處理中的應用提供了新機遇。基于熒光檢測、組學技術、單細胞測序、空間轉錄組學和高通量測序等應用，生物強化技術有望在以下幾個方面取得突破性應用：

1）深入分析和了解活性污泥在降解污染物過程中的生態動態變化和代謝途徑，為建立明確的生物強化技術應用目標提供科學依據；

2）在制定生物強化方案時，需綜合考慮菌株選擇、投入方式及在生物反應器中的活性維持策略，這有助于優化生物強化技術的性能，確保其在污水處理系統中的有效性和穩定性；

3）通過構建污水處理系統模型，模擬實際應用中可能遇到的情況，構建微生物之間的相互作用網絡，理解不同微生物的協同工作機制，以提高對污水處理效率，并為生物強化方法提供系統評估依據；

4）通過對基因工程菌株進行生物安全性認證，確保其環境應用的安全性和可控性，將更多生物強化技術方案從實驗室規模應用到實際污水處理系統中，針對特定處理情況制定技術方案，解決實際問題。這些方面的突破性應用，將有助于充分發揮生物強化技術在水污染治理方面的潛力，實現有效的水質凈化和環境保護，為污水處理領域帶來革命性進步。