向菲 王弘宇 姜宇

(1.武漢市城市排水發(fā)展有限公司，湖北武漢 430062; 2.武漢大學(xué)市政工程系，湖北武漢 430072)

高鹽度廢水是指含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少1%的廢水，這種廢水含有多種污染物質(zhì)，包括有機(jī)物、重金屬和放射性物質(zhì)等［1］。高含鹽廢水若不經(jīng)處理而直接排放，勢(shì)必會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的危害。高含鹽廢水廣泛來(lái)源于海水直接利用過(guò)程中排放的廢水及一些行業(yè)如海產(chǎn)品、印染、造紙、制藥、化工等工業(yè)生產(chǎn)廢水。我國(guó)石油儲(chǔ)備比較豐富，石油開(kāi)采作為我國(guó)工業(yè)主要組成部分之一，排放的廢水一般含有高濃度可溶性無(wú)機(jī)鹽及難降解或有毒的有機(jī)物。不僅如此，作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要支柱的化工、制藥等行業(yè)，也產(chǎn)生大量類似成分的工業(yè)廢水。這類廢水的環(huán)境影響是不容忽視的。目前，對(duì)高鹽廢水的處理方法包括物理法、物理化學(xué)法及生物法。生物處理方法因其經(jīng)濟(jì)、高效且不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)具有廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)機(jī)鹽類可維持生物細(xì)胞膜平衡、調(diào)節(jié)滲透壓、促進(jìn)微生物的酶反應(yīng)。但是，較高的鹽度會(huì)破壞生物的代謝功能，降低生物的降解動(dòng)力，從而抑制微生物的生長(zhǎng)代謝。因此，研究人員將目光投向能適應(yīng)高鹽環(huán)境并具有有機(jī)物降解功能的細(xì)菌——嗜鹽菌。因此，本文在對(duì)嗜鹽菌的分類、作用機(jī)理及利用其特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)高含鹽量有機(jī)廢水進(jìn)行生物處理的應(yīng)用研究最新進(jìn)展進(jìn)行了展望。

1 嗜鹽菌的分類

嗜鹽菌(Halophile)指只能在高鹽環(huán)境下生長(zhǎng)的細(xì)菌，根據(jù)其耐鹽程度的不同可分為四類：非嗜鹽菌(目前生物法常用細(xì)菌)、弱嗜鹽菌(一般海洋微生物)、中度嗜鹽菌及極端嗜鹽菌(即古細(xì)菌)［2］。非嗜鹽菌生活在鹽度小于1%的環(huán)境，主要生長(zhǎng)在淡水中。弱嗜鹽菌在鹽度為2%～5%生長(zhǎng)最好，嚴(yán)格地說(shuō)，這種菌種是耐鹽菌，即具有一定的耐鹽性能，可與嗜鹽菌共存，同時(shí)在鹽度較低環(huán)境下也可生長(zhǎng)。中度嗜鹽菌在3%～15%鹽度下生長(zhǎng)最好，基本上是真細(xì)菌類。極端嗜鹽菌生長(zhǎng)于15%～30%的環(huán)境，主要屬于古細(xì)菌［3］。

2 嗜鹽菌的嗜鹽機(jī)理

1)細(xì)胞水平。極端嗜鹽菌生存需要大量的Na+離子以避免溶菌現(xiàn)象［4］，同時(shí)協(xié)助pH調(diào)節(jié)及維持電位平衡。然而，極端嗜鹽菌細(xì)胞內(nèi)并未含有大量鈉離子，而是通過(guò)積累鉀離子保持滲透壓的平衡，能夠促使細(xì)胞進(jìn)行排鈉吸鉀的重要結(jié)構(gòu)被稱為紫膜。它是細(xì)胞膜上呈六面格子的紫色斑塊，主要由一類視黃醛蛋白組成。紫膜可通過(guò)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)質(zhì)子形成梯度將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞自身進(jìn)行生命活動(dòng)的能量［5］。同時(shí)，有研究表明Cl-離子也起著十分重要的作用。Roebler等認(rèn)為Cl-可能對(duì)酶和蛋白質(zhì)起穩(wěn)定作用，在高鹽低氧壓情況下以光合磷酸化方式將H+運(yùn)回細(xì)胞內(nèi)合成ATP，以維持細(xì)胞在高鹽環(huán)境中的代謝活動(dòng)［6］。

對(duì)于中度嗜鹽菌，它們通過(guò)在細(xì)胞內(nèi)積累一些被稱為相容性溶質(zhì)的高度水溶性的小分子物質(zhì)，來(lái)抵抗細(xì)胞外的高滲透壓，保持細(xì)胞內(nèi)的低水活度，維持細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能。相容性溶質(zhì)包括糖，糖醇，氨基酸及氨基酸的衍生物等［7］。

2)分子生物學(xué)水平。極端嗜鹽菌細(xì)胞中含有嗜鹽極酶，通過(guò)肽鏈中酸性氨基酸殘基形成負(fù)電區(qū)域使酶蛋白在高鹽環(huán)境中的穩(wěn)定。另一方面，嗜鹽菌通過(guò)在蛋白質(zhì)基因上的特殊物質(zhì)在酶蛋白表面上形成鹽橋，消除鹽離子的屏蔽效應(yīng)［8］。

3 嗜鹽菌的分離篩選

嗜鹽菌廣泛生長(zhǎng)于鹽湖、鹽堿湖、鹽沼、死海和鹽場(chǎng)等環(huán)境中。1937年，Zobell等［9］首次進(jìn)行了廢水中鹽分對(duì)不同來(lái)源微生物存活率的影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明在鹽度較大的環(huán)境中，一般微生物存活的可能性很低。國(guó)內(nèi)很多研究者也開(kāi)始對(duì)嗜鹽菌進(jìn)行分離和鑒定方面的研究。何健等［10］以逐步提高鹽濃度的方法從某化工廠苯乙酸車間酸化廢水的稀釋水中得到增殖后的耐鹽能力較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)菌。熊焰等［11］報(bào)道了一株分離于實(shí)驗(yàn)室鹽藻培養(yǎng)物中的中度嗜鹽菌NY-011，對(duì)其進(jìn)行形態(tài)觀察、代謝指紋分析及16SrDNA擴(kuò)增和測(cè)序等工作，通過(guò)對(duì)其同源性進(jìn)行分析，從GenBank中獲得Halomonas，Chromohalobacter和Zymobacter屬中其他種的16SrDNA基因序列，同NY-011的16SrDNA一起構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，確定該菌株屬于鹽單胞菌屬。

4 嗜鹽菌應(yīng)用于高鹽度廢水處理

關(guān)于耐鹽微生物應(yīng)用的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Hamoda等［12］使用活性污泥完全混合反應(yīng)器分別對(duì)幾組鹽度不同的廢水在不同泥齡(3 d～20 d)和不同有機(jī)負(fù)荷(0.15 kg～2.0 kg CODCr/VSS·d)條件下進(jìn)行平行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)馴化的活性污泥系統(tǒng)較馴化的活性污泥系統(tǒng)受到鹽度的沖擊更大，馴化后的活性污泥對(duì)TOC的去除率均達(dá)到96%以上。Kargi和Uygur對(duì)含有鹽桿菌的活性污泥系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水中鹽度為5%時(shí)，CODCr去除率仍可達(dá)80%左右［13］。王基成等人將某石化企業(yè)乙烯污水處理廠產(chǎn)生的含有高濃度氯化鈣和難生物降解有機(jī)氯化物的高鈣鹽廢水作為水樣，采用逐步加壓的方法對(duì)活性污泥進(jìn)行耐鹽馴化，記錄馴化過(guò)程中污泥微生態(tài)的變化及馴化污泥對(duì)廢水處理效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鹽度逐漸增加，絲狀菌、鐘蟲(chóng)等種屬數(shù)量明顯變少。隨著鹽度的增加會(huì)改變活性污泥中的優(yōu)勢(shì)菌群。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)馴化后的耐鹽活性污泥工藝對(duì)廢水中COD的去除率明顯高于該污水處理廠現(xiàn)有處理工藝對(duì)COD的去除率［14］。宋晶等［15］從大連旅順鹽場(chǎng)底泥中篩選出適合高鹽度的嗜鹽菌，在序批式間歇反應(yīng)器(SBR)中對(duì)其進(jìn)行3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽度的馴化，污泥混合液懸浮固體(MLSS)平均質(zhì)量濃度達(dá)600 mg/L。利用培養(yǎng)的污泥進(jìn)行高鹽模擬廢水處理試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)鹽度為3.5%，COD為240 mg/L～340 mg/L的高鹽廢水，在每周期12 h、曝氣量0.6 L/min、污泥MLSS為600 mg/L、污泥齡為18 d條件下，COD去除率達(dá)95%以上，NH4+-N去除率達(dá)61%，TP去除率達(dá)55%。該系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。孫磊采用兩級(jí)ABR-SBR工藝對(duì)高濃度高鹽廢水進(jìn)行處理，可使廢水中的COD去除率達(dá)到97%左右［16］。

5 結(jié)論和展望

綜上所述，雖然高鹽環(huán)境對(duì)大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)和正常代謝產(chǎn)生不利影響，但國(guó)內(nèi)外大量研究表明一些特殊的微生物可在高鹽環(huán)境下降解有機(jī)污染物。自然界存在嗜鹽微生物以及可以通過(guò)馴化培養(yǎng)出具有降解特定物質(zhì)功能的嗜鹽菌為生物法處理高鹽廢水提供了可行性。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)處理實(shí)際高鹽廢水還處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，離實(shí)際工程應(yīng)用還有較大距離。我國(guó)擁有豐富的鹽水資源，可以充分利用此資源進(jìn)行嗜鹽菌的篩選和機(jī)理研究工作，以期為嗜鹽菌處理實(shí)際高鹽廢水提供理論基礎(chǔ)。

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