謝學(xué)輝，劉 娜，朱文祥，范鳳霞，袁學(xué)武，柳建設(shè)

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，印染行業(yè)的排水量也大幅度增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)當(dāng)前印染廢水年排放量約為20 億噸，一般占綜合排水量的60%～80%，位于全國(guó)工業(yè)廢水排放量的第5 位[1]。因此為工業(yè)廢水的處理增加了很大的難度。

印染廢水，即纖維織物在預(yù)處理、染色、印花和整理4 個(gè)印染過(guò)程中產(chǎn)生的廢水，主要來(lái)自染整工段，包括退漿、煮煉、漂白、絲光、染色、印花和整理等。染整行業(yè)所用的染料大多是合成染料，加上一些新型助劑、PVA 漿料等的加入，使得印染廢水具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①色度大，有機(jī)物含量高，除含染料和助劑等污染物外，還含有大量的漿料，廢水黏性大。②COD 變化大，高時(shí)可達(dá)2000～3000 mg/L，BOD5也高達(dá)200～300 mg/L。③堿性大，如硫化染料和還原染料廢水pH 值可達(dá)10 以上。⑤可生化性較差，這是因?yàn)槿玖掀贩N多，包括酸性染料、偶氮染料、還原性染料、陽(yáng)離子染料、硫化染料等。⑥水溫水量變化較大，加工品種及產(chǎn)量經(jīng)常變化。

目前國(guó)際上主要有物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法三類(lèi)處理方法。物化法和化學(xué)法處理效果好，速度快，但因其存在運(yùn)行費(fèi)用高、易造成環(huán)境二次污染的缺點(diǎn)，從而應(yīng)用受到限制。生物法以處理量大，費(fèi)用少、較少產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在印染廢水處理中占有不可或缺的地位。其中細(xì)菌在偶氮染料處理中的應(yīng)用已經(jīng)初有成效，其生物脫色也有了一定的進(jìn)展[2-5]。

生物強(qiáng)化技術(shù)是指在原有生物處理體系中投加具有特定功能的微生物來(lái)改善原有處理體系的處理效果[6]，特別是提高難降解有機(jī)物的去除率。生物強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展吸引了廣大學(xué)者的關(guān)注，在堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)之上，結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)，充分挖掘了微生物的潛力。強(qiáng)化菌在其它廢水如含吡啶廢水、石化廢水處理中的一些應(yīng)用也證實(shí)了其強(qiáng)大的處理能力[7-8]。生物強(qiáng)化工程菌在印染廢水脫色處理中的研究應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，向印染廢水處理系統(tǒng)中投加具有特殊降解作用的微生物，能大大提高廢水的脫色處理效果。

1 生物強(qiáng)化工程菌及其構(gòu)建

工程菌（engineering bacterium）可以分為狹義工程菌和廣義工程菌。狹義工程菌是指將已確定的多種降解性的目的基因分離出來(lái)，通過(guò)基因操作獲得的集多種微生物降解功能于一身，同時(shí)可以降解多種有機(jī)物的新型微生物。而廣義工程菌是指將從自然環(huán)境、污染環(huán)境或處理系統(tǒng)中分離、篩選和鑒定的高效降解菌加以合理組合，從而能高效降解多種有機(jī)物的混合菌群[8]。其中后者的應(yīng)用更加廣泛。

1.1 基因工程菌

通過(guò)構(gòu)建基因工程菌處理環(huán)境問(wèn)題，是環(huán)境生物技術(shù)中的前沿課題，它將現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境問(wèn)題相結(jié)合?；蚬こ叹芏ㄏ蛴行У乩铆h(huán)境微生物細(xì)胞中降解污染物的基因，去執(zhí)行凈化污染物的功能。目前關(guān)于基因工程菌在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用并不少見(jiàn)，而對(duì)其在印染廢水處理中應(yīng)用的研究也逐漸增多。

金玉潔等[9]第一次構(gòu)建了降解偶氮染料的基因工程菌pGEX-AZR/E.coli JM-109，確定了其生長(zhǎng)條件，并考察其偶氮染料脫色能力范圍。結(jié)果表明，最佳碳源、氮源分別是葡萄糖（5 g/L）、氯化銨（3 g/L），pH=7.5，溫度為35 ℃時(shí)菌體生長(zhǎng)最好，接種量對(duì)菌體生長(zhǎng)影響不大。工程菌對(duì)多種偶氮染料有很強(qiáng)的脫色能力，分子量小的脫色率高。茍敏等[10]構(gòu)建了大插入片段宏基因組文庫(kù)，證明活性污泥Fosmid 文庫(kù)可用于功能基因的活性篩選，具有開(kāi)發(fā)新基因的潛力，為構(gòu)建需要的基因工程菌奠定基礎(chǔ)。

由于基因工程菌的表達(dá)成功率低，應(yīng)用成本高，適應(yīng)環(huán)境需要一定時(shí)間，且同時(shí)也存在一定的遺傳性、凈化功能和生物安全性問(wèn)題。因此，基因工程菌的處理效果雖好，但其應(yīng)用并不廣泛，在推廣方面也存在一定的難度。

1.2 生物強(qiáng)化工程菌

生物強(qiáng)化工程菌一般是從處理印染廢水的活性污泥中篩選出來(lái)，然后進(jìn)一步培養(yǎng)馴化所得的高效菌株，他們對(duì)印染廢水中的污染物有特殊的降解效果。在投入使用之前，對(duì)工程菌進(jìn)行初步的組合，使其具有良好的處理能力。然后根據(jù)處理裝置的構(gòu)造和微生物的生態(tài)特性，進(jìn)行工程菌的自適應(yīng)構(gòu)建。

目前報(bào)道的生物強(qiáng)化工程菌多是從污泥和被污染的環(huán)境中篩選分離得到的，進(jìn)一步馴化后投入使用。Chen 等[11]從污泥中篩選出了6 個(gè)菌株，其中嗜水汽單胞菌表現(xiàn)出強(qiáng)大的脫色能力，在pH 值和溫度分別為5.5～10.0 和20～35℃的缺氧條件下，脫色率達(dá)到90%。樂(lè)毅全等[12]從印染廢水的處理裝置中分離到多株脫色菌，其中一株高效脫色菌經(jīng)鑒定為腐敗希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）。該菌株在合適條件下能有效地去除印染生產(chǎn)上常用的多種染料，在6 h 內(nèi)對(duì)活性艷紅染料的去除率可達(dá)到9%～10%。鄒新振等[13]從活性污泥中馴化出降解活性藍(lán)FNR 的脫色菌，研究了其脫色能力，并指出培養(yǎng)馴化的真菌對(duì)試驗(yàn)用蒽醌結(jié)構(gòu)活性染料具有較強(qiáng)的脫色能力，吸附速度較快，60 h 左右染料的脫色率基本達(dá)到最大值。Wang 等[14]第一次篩選出可以同時(shí)處理偶氮和蒽醌染料的一株腸桿菌EC3，在由葡萄糖供給，pH 值為7.0、溫度為37 ℃時(shí)它的處理效果最好，對(duì)活性黑5 的脫色率達(dá)92.56%。這個(gè)菌株可以處理多種活性染料。

Bella 等[15]紡織廢水處理廠中篩選出了一個(gè)細(xì)菌菌群——SKB-II，這個(gè)菌群對(duì)單一和混合染料都有較好的脫色效果。當(dāng)?shù)矸酃┙o為1 g/L 時(shí)，對(duì)單一染料（剛果紅，波爾多紅等）的脫色率達(dá)到80%～96%，對(duì)多種染料混合物（10 mg/L）的脫色率亦能達(dá)到50%～60%。李慧等[16]從土壤樣品中分離到一株高效染料脫色菌株N-4，利用表面響應(yīng)法（RSM）對(duì)菌株N-4 脫色活性深藍(lán)K-R 的主要因素進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，菌株N-4 脫色K-R 的最優(yōu)條件為：濕菌量10 g/L，染料濃度222 mg/L，硫酸銨1.5 g/L，果糖3.5 g/L，最佳脫色率為100%。此外，實(shí)驗(yàn)證明其對(duì)多種染料均具有較高的脫色效率。

為使構(gòu)建的工程菌更好的自適應(yīng)反應(yīng)器，一般采用固定化技術(shù)使其固定在懸浮物或固定載體上。馬放等[8]從廢水的活性污泥中篩出高效菌群后，將其投入反應(yīng)器，采用火山浮石和人造棉為內(nèi)填物的填料作為載體，該載體具有比表面積大、孔隙率大、親疏水平衡值良好、表面粗糙、機(jī)械強(qiáng)度高和表面帶正電荷等優(yōu)點(diǎn)。工藝穩(wěn)定運(yùn)行期間，在進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大（COD=370～910 mg/L，NH4+-N=10～70 mg/L）、水溫低于13 ℃的情況下，出水COD 和NH4+-N 平均濃度分別在80 mg/L-1和8 mg/L 左右，水質(zhì)優(yōu)于污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978—1996）中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2 生物強(qiáng)化工程菌的應(yīng)用

2.1 單菌株的應(yīng)用

近年來(lái)，生物強(qiáng)化工程菌在廢水處理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也有越來(lái)越多的學(xué)者構(gòu)建它來(lái)處理印染廢水，并取得了一定的成果。

Li 等[17]篩選了一株能處理金屬?gòu)?fù)合偶氮染料的希瓦氏菌株J18 143。它的最佳pH 值為6.8，溫度為30 ℃，經(jīng)處理過(guò)后的廢水濃度為0.12 g/L。張勝琴等[18]從浙江某污水處理廠的活性污泥中篩選出一株具有高效脫色活性的菌株Z1，經(jīng)鑒定為巴斯德葡萄球菌（Staphylococcus pasteuri）。并對(duì)此菌株的脫色特性進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，在厭氧條件下，Z1 在pH 值7～12，40 h 對(duì)50 mg/L 的酸性大紅GR 脫色率均可達(dá)90%以上。該菌株對(duì)染料有較強(qiáng)的耐受力，在酸性大紅GR 濃度為300 mg/L 時(shí)，48 h 的脫色率仍可達(dá)93%。

單一菌種的脫色能力雖好，但單株菌在實(shí)際廢水處理中的應(yīng)用目前還很難實(shí)現(xiàn)，一方面是菌株的產(chǎn)酶和脫色難以適應(yīng)變化的復(fù)雜的廢水組分，另一方面是不能解決其它菌群的污染問(wèn)題[19-20]。為克服單一菌種的局限性，廣大學(xué)者開(kāi)始關(guān)注混合菌群的應(yīng)用。

2.2 混合菌群的應(yīng)用

混合菌群是兩種及其以上微生物共同培養(yǎng)，相互作用，相互影響，最終達(dá)到發(fā)揮其最大群體聯(lián)合作用優(yōu)勢(shì)的微生態(tài)系統(tǒng)。由于各種菌之間的共代謝作用，可能使印染廢水中的有機(jī)物降解更徹底、更完全?；旌暇旱拿撋屎徒到庑Ч际菃尉鸁o(wú)法比擬的。目前已有很多學(xué)者在篩選馴化混合菌群方面進(jìn)行了研究。

Safia 等[21]從染料污染的土壤中篩選純化出了一個(gè)混合菌群JW-2，經(jīng)16S-RNA 確定，它包含類(lèi)芽孢桿菌、黃微球菌和球菌3 種細(xì)菌，能快速高效地處理大量紡織染料廢水。JW-2 在36 h 內(nèi)使活性紫5R 脫色完全，最佳pH 值和溫度分別是6.5～8.5和27～35 ℃，僅需少量底物（如葡萄糖0.1%g/L和酵母提取物0.05%g/L）就可以完全完成脫色。實(shí)驗(yàn)表明此菌株可以對(duì)9 種不同的染料完全降解，并已在適當(dāng)?shù)纳锓磻?yīng)器中應(yīng)用。Taruna 等[22]篩選出了一個(gè)可以降解酸性橙7（AO7）和很多偶氮染料廢水的菌群TJ-1，經(jīng)鑒定，它由氣單胞菌屬、變形桿菌屬和秋裝紅球菌組成。TJ-1 對(duì)AO7 的脫色率高于單一菌種，說(shuō)明這些菌之間有相互作用。對(duì)200 mg/L 的AO7 溶液處理16 h 后脫色率就達(dá)到90%，可見(jiàn)其處理效果是非常好的。Saratale 等[23]用由普通變形桿菌NCIM-2027(PV)和谷氨酸微球菌NCIM-2168(MG)組成的混合菌群GR，在缺氧條件下，以16666 μg/h 的脫色率對(duì)偶氮染料鮮紅R 進(jìn)行完全脫色，比單一菌種（PV 和MG）脫色都快。且與單一菌種相比，它在3 h 內(nèi)具有很好的礦化作用（COD 和TOC 的去除率都大于90%）。實(shí)驗(yàn)表明，混合菌群GR 的產(chǎn)物為1,4-二苯胺，毒性分析表明其降解產(chǎn)物無(wú)毒。另外，對(duì)混合染料廢水的處理中，在靜止條件下72 h 內(nèi)，達(dá)到88%的脫色率，對(duì)TOC和COD 的去除率分別為62%和68%，從而顯示了GR 在處理印染廢水中的潛力。

除了細(xì)菌之外，許多真菌也有處理印染廢水的能力，而很多學(xué)者也將兩者組合在一起，探索其處理效果。Mayur 等[24]采用一個(gè)細(xì)菌-真菌聚生體BL-GG 處理含有分散紅RR 染料的印染廢水，實(shí)驗(yàn)表明，處理48 h 后，對(duì)BOD 和COD 去除率分別達(dá)到68%和74%。BL-GG 對(duì)單一分散紅RR 染料進(jìn)行脫色時(shí)，18 h 后，其脫色率可達(dá)到98%，參與脫色的酶經(jīng)鑒定有藜蘆醇氧化酶、漆酶、絡(luò)氨酸酶和NADH-DCIP 還原酶。此實(shí)驗(yàn)證明了聚生體在處理印染廢水中的巨大潛力。Harshad 等[25]通過(guò)利用聚生體AP（由赭曲霉NCIM-1146 和假單胞菌SUK1組成）處理偶氮染料寶石紅GFL 和紡織出水，以確定這兩種菌是否有強(qiáng)化脫色能力。實(shí)驗(yàn)表明，在微溶解氧條件下，聚生體AP 顯示了強(qiáng)大脫色率，對(duì)染料處理30 h 后脫色率達(dá)到95%，紡織出水在35 h內(nèi)ADMI 去除率為98%，且不產(chǎn)生芳香胺。而單一赭曲霉NCIM-1146 對(duì)染料和紡織出水處理效果分別是63%和44%，且伴隨芳香胺的產(chǎn)生。通過(guò)這兩個(gè)案例說(shuō)明，細(xì)菌和真菌通過(guò)他們的相互作用使處理效果更理想。

由上述案例可以看出，混合菌群確實(shí)有良好的脫色率和降解效果。很多學(xué)者已不僅僅局限于混合菌群的實(shí)驗(yàn)室研究，而是將它與反應(yīng)器結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)混合菌群在工程上的應(yīng)用和推廣。

2.3 工程菌結(jié)合反應(yīng)器的應(yīng)用

近年來(lái)很多篩選出來(lái)的菌群被應(yīng)用于反應(yīng)器中，結(jié)合反應(yīng)器的作用，處理大量的印染廢水并達(dá)到良好的處理效果。

徐灝龍等[26]開(kāi)發(fā)了復(fù)合水解酸化/懸浮生物濾池的印染廢水生化處理工藝，并在此基礎(chǔ)上投加專性脫色菌進(jìn)行生物強(qiáng)化脫色處理。結(jié)果表明，在穩(wěn)定運(yùn)行條件下，系統(tǒng)對(duì)色度的去除率提高了10%～20%，對(duì)色度的總?cè)コ蔬_(dá)到80%以上，對(duì)COD的去除率達(dá)到90%左右?？梢?jiàn)，通過(guò)生物強(qiáng)化技術(shù)提高生化處理的脫色能力是可行的。Imen Khouni等[27]利用一種名為Bx 的新細(xì)菌菌群結(jié)合SBR 工藝處理一種活性染料廢水，結(jié)果表明，在有氧條件下，當(dāng)體積染料負(fù)荷率低于15 g/(m3·d)時(shí)，Bx 的脫色率達(dá)到88%～97%，COD 去除率達(dá)到95%～97%。徐綺坤等[28]研究曝氣生物濾池在印染廢水處理中的應(yīng)用，試驗(yàn)表明，在二級(jí)生化處理后加一級(jí)曝氣生物濾池，COD 可穩(wěn)定低于80 mg/L，色度低于16倍，二者去除率約50%，出水可直接達(dá)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

生物工程菌的構(gòu)建大大增強(qiáng)了廢水的處理效果，也是生物技術(shù)在廢水中成功應(yīng)用的案例。在了解生物工程菌的處理能力之后，如何優(yōu)化其性能也是研究者一直探討的問(wèn)題之一。

2.4 外源物的生物強(qiáng)化作用

工程菌的強(qiáng)化作用已有很多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)，在篩選馴化工程菌的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有處理系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)供給，添加基質(zhì)（底物）類(lèi)似物來(lái)刺激微生物生長(zhǎng)或提高工程菌的活力，以對(duì)印染廢水的處理進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)化。

周集體課題組[29-33]研究了蒽醌中間體對(duì)染料廢水脫色的強(qiáng)化作用。他們考察了醌還原菌群利用6 種蒽醌染料中間體對(duì)偶氮染料生物脫色的催化強(qiáng)化作用，結(jié)果表明，溴氨酸（1-氨基-4-溴蒽醌-2-磺酸，BAA)的催化強(qiáng)化效果最好；游離態(tài)菌群以BAA 作為氧化還原介體可催化強(qiáng)化多種偶氮染料的生物脫色[30]。為了增加其強(qiáng)化作用，他們采用非水溶性蒽醌固定化技術(shù)對(duì)偶氮染料生物降解促進(jìn)作用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，固定化蒽醌可提高多種偶氮染料生物厭氧脫色速度1.5～2 倍和降低偶氮染料脫色過(guò)程氧化還原電位-10～-15 mV；經(jīng)4 次循環(huán)使用后，其加速作用仍保持在90%以上；固定化蒽醌微生物系統(tǒng)具有很強(qiáng)抗氧沖擊能力[32]。

為了考察生物強(qiáng)化是否會(huì)對(duì)處理系統(tǒng)中原有的生物特性及群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，周集體課題組[34]采用高效菌強(qiáng)化膜生物反應(yīng)器對(duì)溴氨酸廢水進(jìn)行處理，考察了生物強(qiáng)化前后系統(tǒng)對(duì)溴氨酸的降解能力及其內(nèi)部微生物生理狀態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)表明，投菌后在進(jìn)水負(fù)荷增加的條件下，上清液和膜出水的溴氨酸脫色率分別約為50%和65%，相應(yīng)的COD 去除率分別約為25%和50%，和投菌前基本保持一致；TTC-脫氫酶活性和胞外聚合物（EPS）濃度略有波動(dòng)，但是運(yùn)行一段時(shí)間后即恢復(fù)到投菌前水平。群落分析表明高效菌可以在系統(tǒng)中穩(wěn)定存在，并且不對(duì)原菌群結(jié)構(gòu)造成較大影響。

周集體等通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明了外源物對(duì)工程菌的強(qiáng)化作用，并證實(shí)了工程菌的加入不會(huì)破壞原有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，從而優(yōu)化了工程菌，提高了其處理能力。

3 展 望

印染廢水由于組分復(fù)雜、色度大、COD 含量高、水質(zhì)變化大等特性，為對(duì)其處理帶來(lái)了很大難度。而生物強(qiáng)化工程菌憑借它強(qiáng)大的處理能力、良好的脫色效果和不對(duì)原處理系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)造成影響等優(yōu)點(diǎn)，在印染廢水處理中占有不可取代的地位。生物工程菌除了可以直接加入處理系統(tǒng)外，還可以在構(gòu)建時(shí)先進(jìn)行組合，再投入使用，通過(guò)菌群之間的相互作用，提高其脫色效果和降解速率。

將生物工程菌投加到反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了工程菌與處理工藝的結(jié)合，優(yōu)化了處理工藝。傳統(tǒng)處理工藝本身具有處理量大、負(fù)荷承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，加上篩選出具有強(qiáng)大脫色能力的工程菌，整個(gè)系統(tǒng)的處理能力顯著增強(qiáng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了工程菌在實(shí)際應(yīng)用中的推廣，使得對(duì)其各方面性能的研究具有更加重要的實(shí)際意義。

在生物強(qiáng)化工程菌處理印染廢水過(guò)程中，一些外源物（如營(yíng)養(yǎng)或底物類(lèi)似物）的加入優(yōu)化了工程菌的性能，提高了工程菌的處理印染廢水的能力，進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)染料的脫色效果。

目前，對(duì)生物強(qiáng)化工程菌的脫色已有所研究，也篩選馴化出了很多高效菌群，但是如何進(jìn)一步強(qiáng)化工程菌，如何將工程菌進(jìn)一步投產(chǎn)大量使用，如何實(shí)現(xiàn)它的價(jià)值是以后努力的方向。

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