生物高度净化技术发展及应用

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1、生物高度净化技术发展及应用摘要：本文对生物高度净化技术的发展以及应用进行研究，在寻找生物高度进化技术的有关文献中发现，没有用生物高度净化技术的工程案例，主要讨论了这项技术在工程应用的局限性，以及痕量有机污染物的高度降解状况。关键字：高度净化，极限浓度，生物降解生物法一直被应用于去除废水中的有机物,以减少对排放水体的过度耗氧,但注意力主要集中在有机物浓度比较高的体系。近年来的研究发现，许多化学物质即使在很低的浓度下对人体和生态环境仍然产生很大的危害，需要在现有生物处理的基础上进一步提高净化效率。于是，生物高度净化技术在这样的背景下被提出来了。生物高度净化技术的理论基础重点在于生物降解极限浓度Sm

2、in，这个理论认为有机物生物降解过程中存在极限浓度，原因是人们12认为微生物在降解有机物的过程中，当基质浓度低于某一值时，微生物不足以从有机物(基质) 的转化过程中获得足够的能量，维持正常的代谢活动，微生物的增加量和减少量相同，有机物的降解不再发生，此时的有机物（基质）浓度称为生物降解极限浓度。因此生物降解极限浓度也反映了生物净化过程中有机污染物可以达到的最低浓度，也就是生物高度净化技术理论所能达到的最好效果。以苯胺为例，周军等人3经过实验测定了苯胺的各降解动力学参数，将参数带入生物可降解极限浓度公式得Smin=0.025mg/L，并且用不同浓度的苯胺培养微生物发现，浓度在0.5mg/L，0.

3、1mg/L，0.05mg/L时，相同浓度的微生物接种5天后增长到约每毫克100000,200000,800000个，增长十分显著，而当培养基中苯胺质量浓度只有0.02mg/ L时, 细菌数目的变化情况与对照试验几乎一致, 表明细菌利用有机碳源产生的增长量为零。实验也证明了作为细菌生长唯一碳源和能源的有机物不可能被生物完全降解, 而是存在一个极限浓度。相同的结论在此之前之前也有人4也用实验证明过。李娟英5等人认为常量化学物质的生物净化和微量化学物质的生物高度净化其动力学特征有明显的差异。常量化学物质一般净化是有微生物增殖的过程，微生物始终处于基质浓度较高的环境条件下，其饱和常数Ks值较大（基质亲

4、和性低），净化速率主要取决于微生物量。而微量化学物质高度净化过程中，微生物始终处在基质浓度很低的环境条件下，其饱和常数Ks值小（基质亲和性高），微生物从废水中摄取的基质产生的能量只能维持其代谢活动，而微生物不再增长，净化速率主要取决于微生物对基质的亲和性。因此富集培养高亲和性微生物是实现微量化学物质生物高度净化的关键。在往工程方向研究实例最多的就是多级生物反应池：周军6等人以苯胺为微生物生长的唯一碳源和能源，利用4级生化反应器富集培养出了具有不同动力学特性的苯胺降解菌，分别测得其Ks 值为：0.159、0.354、0.044、0.027mg/L, qmax值为3.27、2.28、1.03、0.

5、66d-1，并对其动力学特性进行了分析，实验发现多级串联生化反应器富集培养出了具有不同动力学特性的微生物。随反应级数的增加，各反应器中微生物的Ks值减少，qmax/Ks值增大，因此有利于积累高基质亲和性的微生物。同时证明低基质亲和性微生物随着基质浓度的降低，降解速率迅速下降，而高亲和性微生物随着基质浓度的降低，其降解速率下降则不明显，具有摄取极低浓度基质进行分解增殖的能力，容易将有机物降解彻底，实现微量有害有机物的生物高度净化。在此之前，Kazuhiko Noto等人7也进行了类似的三级反应池硝化高浓度的氨氮，实验发现三个氧化池中亚硝酸盐氧化速率逐渐升高，三级处理比单级硝化系统更容易彻底硝化。

6、但这些研究都基于实验室研究，而实际工程基本没有发现，主要原因可能在于多造生化反应池意味着需要更多建造投资，维护费用同时稳定系统时间较长不利于工程运营，而一般工程采用一级反应池加以高级氧化技术成本更低，更容易操作，激活系统时间也更短。因而关于多级生化处理的工程应用研究文献基本找不到。除了上述的应用，生物高度净化技术理应更适合微量的有机物降解，比如土壤中残留的微量有机农药，确实也存在很多关于痕量农药的污染治理研究。但实际应用情况也并非对所有的有机污染物有效果，大部分农药属于持久性有机污染物（POPs），生物可降解性很小。Helle Johannesen8在丹麦沙地地表面和下层测定用14C标记过0.

7、07mg/kg乙烯硫脲ETU的降解。实验发现即使浓度很低的条件下，微生物仍然有降解效果，但在实验中发现微生物降解率其实只有25%，对于大部分土壤表层和地下层甚至地下水都不容乐观。但也有些有机污染物在土壤中降解效果可以达到很高程度，N.J.Klier9等人在研究表层和下层土壤的二氯乙烯DCE好氧生物降解中发现微生物降解能力与土壤种类，DCE的结构和浓度有关，trans-DCE将生物降解速率远远高于其他一些同分异构体，肥沃的土壤比较适合微生物降解。随着农药污染日趋严重，人们对农药的降解也进行了数学上的仿真建模，希望能预测出农药在土壤的最终浓度。Inge S.Fomsgaard10在自己的论文预测了

8、40种不同结构的丙酸，灭草松，乙烯硫脲在不同土壤中的最终浓度并且列举了他们的降解动力学参数值。这些研究都是对痕量农药污染的生物高度净化研究内容。总的来说，生物高度净化技术的出发点是很好的，但是高度净化技术实际应用效果并非出色，主要出于成本以及处理时间长等问题，一直不被在工程上推荐应用；在痕量有机污染物的降解方面，生物高度技术难以实施的原因是影响因素过于复杂， 只能用于简单的仿真阶段，如果能解决这些问题，生物高度净化技术能表现出比其他物理化学或者其他修复方法更好的前景。参考文献：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 周军,赵庆祥,金雪标.苯胺生物降解

10、极限的研究J.环境污染与防治,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,赵庆祥,孙贤波等.有机物生物降解动力学极限浓度的影响因素J.华东理工大学学报,2006,32(3):309-312.6 周军、赵庆祥、孙贤波.多级生化反应器处理有机物的动力学特

11、性J.上海环境科学,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 14Ceth

12、ylenethiourea 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,1999,38(5):1175-1188.10 Inge S.Fomsgaard.Modelling the mineralization kinetics for low concentrations of pesticides in surface and subsurface soilJ.Ecological Modelling,1997,102:175-208.