共代谢在难生物降解污水处理中的应用

随着人类社会经济的发展，一些合成有机物不断产生，有的是可以生物降解的，有的则较难，给人类生存环境提出了严重的挑战。为此，不少学者展开了大量的研究。长期以来，对一些难降解的有机污染物（如苯环卤代化合物）人们尚不能分离到它们作为唯一碳源和能源的高效生物降解微生物。一些研究表明，如三氯乙烯之类污染物只能通过共代谢来生物降解。McCarty发现了两组细菌，一组可以在产甲烷的厌氧条件下生长并降解三氯乙烯和四氯乙烯，另一组细菌能利用酚和二甲苯等共代谢生长基质（简称共代物），在有空气存在的条件下降解三氯乙烯。对于这类有机物，利用微生物的共代谢作用进行降解是一条有效的途径，因而这方面的研究越来越受到重视。本文就共代谢的机理及其在工程中的应用实例作一简介。

一、共代谢机理

共代谢（Co-metabolism），又可称为共氧化（Co-oxidation）或联合氧化。但多数使用共代谢这一词。

自然界中许多微生物都可能有共代谢的能力，各种各样的底物（有机污染物）都可能被利用，其降解反应可能涉及除氧化作用之外的各种反应。因此，微生物不能依靠某种有机污染物生长，并不一定意味着这种污染物能够抵御其他微生物的攻击，因为当存在其他可降解有机污染物时，这种污染物就会通过共代谢作用而实现生物降解。

能进行共代谢的微生物有无色杆菌、节杆菌、黑曲霉、固氮菌、芽孢杆菌、短杆菌、黄色杆菌、微杆菌、微球菌、红色微球菌、黄色假单胞菌、黄色链霉菌等。

目前说的共代谢有两种：一是指微生物的“生长基质”和“非生长基质”共酶。“生长基质”是可以被微生物利用作为唯一碳源和能源的物质。“生长基质”和“非生长基质”共酶，是指有些污染物（非生长基质）不能作为某（或某些）微生物的唯一碳源和能源，其降解并不导致微生物的生长和能量的产生，它们只是在其他微生物利用生长基质时，被微生物产生的酶降解（辅助代谢）或转化成为不完全的氧化产物，这种转化为其他微生物的攻击创造了条件，因此这种不完全的氧化产物进而可以被别的微生物利用并彻底降解；二是有机污染物彻底降解为二氧化碳和水的过程是有多种酶或微生物参与。有机污染物都能作为这些微生物的“生长基质”，在降解过程中成为它们自身的碳源和能源。

Perry对烃类化合物共代谢的研究，得到的初步结论是：能通过共代谢而生物降解的化合物有较高分子量的正烷烃、环烷烃和取代烷烃；芳香族化合物和有取代基的芳香族化合物。生长基质有甲基丁烷、乙酸盐、葡萄糖、苯甲酸盐等。

氯代芳香族化合物与一般的芳香族化合物相比，其可生化性大降低，这是因为氯原子引起了化合物分子结构特性的改变，所以氯代芳香族化合物的降解中最重要的一步是氯取代基的脱除。微生物脱氯可在有氧或无氧（缺氧）条件下进行，相对说在无氧（缺氧）条件下更有利。

近来有些学者还研究发现，某些微生物能共代谢氯化芳香族化合物，并证实氯代芳香族化合物的共代谢降解时，开环和脱氯往往是同时进行的。

Gibson等以共代谢为手段，分离和确定了假单胞菌氧化卤代苯和对氯甲苯的产物，这有助于研究氧进入芳香环的机制。

HanneJakko、Woods、Mary等利用厌氧反应器中存在共代谢原理，通过添加初级基质来处理含氯酚的废水，使氯酚这种有毒的难降解物质得到生物净化。、

总之，对难生物降解有机物，可以通过添加易降解物质，使难降解物质的可生化降解性获得改善和提高。其机理可能是易降解物质通过诱导微生物的最大生物氧化率，而使微生物的活性增强。当仅有难降解化合物存在时，微生物虽然能降解一定量的该类化合物，但整体活性受到抑制。而易降解化合物则使微生物的活性得以发挥，在其生物降解活性充分发挥的时候，难降解化合物的降解能力相应增加。    

根据目前收集到的资料，一些学者的研究、提出的共代谢物质和能去除的污染物列于表1。

从表1可见，共代谢物质（生长基质）较多采用的是葡萄糖和生活污水，这是一些廉价且易得到的共代谢物质，在工程中有实用价值。

二、实例    

上海某特种化工有限公司的污水处理工程。是一项采用共代谢机理完成难生物降解化工污水处理的工程实例。

1.工程概况

（1）产品

专业生产氯化胆碱水剂和聚酯树脂固体粉末涂料。

（2）废水中的主要有机污染物

氯化胆碱工艺废水中的有机物组分为：乙二醇（1700mg/L），2－氯乙醇（1070mg/L），环氧乙烷（3000～5000mg/L）。原废水CODCr6000mg/L。

聚酯工艺废水中的主要有机物组合分为：新戊二醇（2500mg/L），甲醛（560～1000mg/L），乙二醇（<500mg/L），甲醇（309mg/L），异丁醛（1180mg/L），丁醇（120mg/L）。原废水CODCr30000mg/L。

氯化胆碱和聚酯工艺废水混合后COD_Cr9042mg/L。

（3）排放标准

执行《上海市污水综合排放标准》DB31／199－97的二级标准。主要指标：CODCr≤100 mg/L；BOD5≤30 mg/L；氨氮≤15mg/L；色度≤50倍；pH6～9。

2.有机污染物的可生化性评估

从上述废水中的主要有机物组分可以看出，除2－氯乙醇和环氧乙烷两种化合物外，其他有机物均属可生化性物质，但由于这两种化合物属难以生物降解的物质，且占有机物污染物总量的40％～45％，而且在它们的浓度达到一定程度时还有毒性反应，因此对治理效果的整体影响较大。为此，在工程实施前，先通过小试论证了污水处理工艺路线的可行性。

3.小试主要结论

（1）三次小试    

第一次为一段H／O（水解－好氧）工艺与SBR工艺对照试验；第二次为三段H／O工艺试验；第三次为SBR工艺试验。

（2）三次小试的基本结论

A.生产废水中存在某些对微生物产生抑制作用的有机污染物，故进水必须稀释到一定程度后才能进入处理装置，而且不能采用已处理过的废水回用稀释，以免有毒物质的积累。

B.一段H／O工艺小试结果证明，进水浓度控制在CODCr≤2273 mg/L，在投加生活污水和葡萄糖共代谢物质条件下，处理后出水达标（CODCr≤100 mg/L）。

C.进水浓度CODCr提升至≤3000 mg/L，必须采用三段H／O工艺，在投加生活污水和葡萄糖共代谢物质条件下，处理后出水也可达标（CODCr≤100 mg/L）。

D.进水浓度CODCr≥3000 mg/L后出现明显的抑制现象，出水不能达标。

E.采用SBR工艺，当进水浓度CODCr稀释到1700 mg/L左右，出水CODCr≥200 mg/L，不能达标。这个试验结果与比利时同步对照试验的报告结论相吻合。该报告提供的试验结果为：进水CODCr2000 mg/L，出水CODCr>250 mg/L；进水CODCr1139mg/L，出水CODCr200 mg/L。双方试验证实，对这种含有有毒物质的废水不能采用SBR工艺。目前比利时国仍采用SBR工艺的原因是执行的城市纳管标准，控制CODCr在≤300 mg/L，这与上海执行的CODCr≤100 mg/L的标准不同，因而比利时方面放弃坚持采用SBR工艺的初衷。

（6）经技术经济比较，为节省基本建设投资，最后根据建设方意见采用了一段H／O工艺。

4.污水处理工艺流程图

进水→调节池（加碱调PH）→配水池（加生活污水，稀释水）→H／O生化塔→接触氧化池（加葡萄糖）→沉淀池→过滤器→至清水池

5.生物共代谢的效果    

对本化工有限公司的污水治理，首要解决的问题是控制有毒物质的浓度，消除其对微生物的抑制影响。由于有毒物质环氧乙烷的浓度，低值3000mg/L，高值达到5000 mg/L，浓度波动范围很大，因此在工程实际运行时，为留有余地，将配水后的CODCr值控制在≤2000 mg/L。用3.5倍的水来稀释原水，其中1倍水为生活污水，2.5倍水为河水。工程实际运行数据为：配水后的进水CODCr浓度为1440～1910 mg/L（均值1640 mg/L），如果按上述配水原则投加生活污水，H／O生化塔出水为112～299 mg/L（均值234 mg/L），若全用河水稀释配水则H／O生化塔出水为172～399 mg/L（均值298 mg/L）；在用生活污水配水的条件下，在接触氧化池进水处投加工业葡萄糖（投加量100 mg/L左右），出水103～110 mg/L，然后经沉淀和过滤，最终出水为84～93 mg/L ；如果在接触氧化池中不投加葡萄糖，其出水CODCr明显升高，均值达179 mg/L，最终过滤器出水均值为137 mg/L，不能达标。从上述运行数据可见，生活污水的共代谢效率可使COD去除率提升21.5％，而葡萄糖的共代谢效率可使COD去除率提升38.5％，具有明显的效果。

3结论

从此污水站运行经验可见，共代谢机理不仅仅停留在实验研究，而且已进入工程的应用，是处理难降解有机污染物的有效且实用的方法。

共代谢物质－工业葡萄糖和生活污水，由于它们分子量低，易于生物降解，且来源丰富，可作为共代谢机理研究和应用的主要对象。

从共代谢机理应用来说，含难降解有机污染物的工业污水与城市生活污水合流处理是个方向，企业完成一级处理（达到纳管标准），然后由城市污水处理厂集中处理，是廉价且有效处理工业难降解有机污水的合理技术路线。