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用特定微生物“吃掉”相应污染物 工业废水污泥处理有了量身定制

  经过二十多年的研发积累,团队已建立了难降解污染物高效降解菌种质资源库,保存了各类高效降解菌株1000余株,降解底物涉及化工行业的多种特征污染物,如芳香烃类污染物、有机氮类污染物、杂环类污染物、卤代芳香烃类污染物、抗生素类及国家目前重点关注的新污染物等。

  近日,江苏丰山集团股份有限公司(以下简称丰山集团)的废水、污泥处理池,正在24小时不间断“化污”。

  近年来,丰山集团因公司农药原料药合成规模的不断扩大和新农药产品的开发,废水污染物类型发生了一定的变化。考虑到未来发展,公司对原废水处理站进行了扩容改造。

  “采用蔡老师团队研发的高盐、高氮、高毒性工业废水处理技术后,现在废水中总氮、总磷的降解率能达到90%以上,污泥也能减毒减量,从以前的每天十二三吨降低到现在的每天一两吨。”丰山集团副总裁单永祥说。他口中所说的蔡老师,指的是南京农业大学教授、博士生导师蔡天明。

  用高效降解菌“吃掉”工业废水的污染物,让超声破壁技术和降解菌“联姻”将污泥中的菌胶团打散、降解,让污水污泥处理、处置更加有的放矢,是蔡天明团队近年来为丰山集团量身定制的环保治理方案。

  前不久,以这些技术为核心的“高盐、高氮、高毒性工业废水及含重金属废水处理技术研究与工程示范”项目通过江苏省生态环境厅验收。“我们希望能针对化工行业排污的重点、难点问题,形成成套技术,帮助企业精准治污、科学治污。”蔡天明说。

  走进南京农业大学资源与环境学院实验室,3个零下80摄氏度的冰箱中,储藏着密密麻麻的冷藏盒。蔡天明团队培育的高效降解菌就保存在冷藏盒的一根根甘油管里。

  “降解菌指的是能降解污染物的微生物。在处理农药、医药、染料企业排放的废水时,最‘棘手’的就是企业生产过程使用的有机原料和中间体。它们中有很多是有毒、难降解的污染物,普通微生物往往对其束手无策。这就需要摸清废水的‘家底’,分析废水中都有哪些污染物,再有针对性地投加降解菌‘吃掉’它们。”蔡天明说的“家底”,指的是企业的产品种类、每个产品的生产工艺流程、主要原辅料、废水的产生情况、各工段的废水排放特征等。只有了解生产环节排出的每一股废水中的污染物,搞清污染物的来源、数量、种类,才有可能分质分类精准治污。

  有了“靶子”,接下来就要寻找合适的“弹药”。每一种微生物都有自己的基因密码,团队会系统分析它们的降解特性、遗传学特点以便对症下药,这个过程少则几个月,多则几年。

  例如,三乙胺的降解菌,团队就足足找了一年。三乙胺是医药、农药等化工生产中常用的一种原料。但此前的多种技术路线,对三乙胺的降解效果有待提升。

  “为了获得三乙胺高效降解菌,我们选择了在生产过程中使用三乙胺做原辅料的化工企业,详尽了解企业污水处理工艺并进行研判,采集相关生化池污泥作为种泥,以三乙胺作为唯一碳源和氮源,在剔除氮的无机盐培养基中富集培养三乙胺降解菌。无机盐能给吃三乙胺的微生物提供营养,让微生物‘强健骨骼’。”蔡天明说。

  培养一段时间后,三乙胺的数量慢慢减少。“这说明培养基中已经有了吃三乙胺的降解菌。”蔡天明表示,最终团队从富集培养液中分离出三株能高效降解三乙胺的野生菌株,从中选出遗传性状稳定的一株作为“种子选手”消灭三乙胺。

  发掘降解菌的过程,除了科研团队夜以继日的筛选分离,还有环境中丰富的微生物资源的助力。在筛选降解菌时,团队往往会从化工厂、化工园区周边的污染土壤、园区排污渠及周边污染河流的底泥中,采集可能含有目标污染物降解菌的环境样品。

  “一个地方如果长期排污,自然环境中可能会出现已被驯化的微生物,即使它们的浓度不高,但通过富集培养,或许可以提高发现新降解菌的效率。”蔡天明说。

  但并非所有的降解菌都会轻易显露“尊容”。有些微生物难以通过常规自然筛选被发现,团队则会采用紫外照射、微波辐照、激光等物理诱变方法,或者5-氟尿嘧啶、烷化剂诱变等化学诱变手段,诱导微生物发生基因突变,结合分子生物学方法选育出针对难降解污染物的高效降解菌株。

  利用这套技术,蔡天明团队在“高盐、高氮、高毒性工业废水及含重金属废水处理技术研究与工程示范”项目中,总共获得了高效脱氮、有毒难降解有机污染物高效降解菌17株,其中包括高耐受氨氧化菌株2株。

  “经过二十多年的研发积累,我们已建立了难降解污染物高效降解菌种质资源库,保存了各类高效降解菌株1000余株,降解底物涉及化工行业的多种特征污染物,如芳香烃类污染物、有机氮类污染物、杂环类污染物、卤代芳香烃类污染物、抗生素类及国家目前重点关注的新污染物等。随着研发工作持续进行,种质资源库还会不断扩增。”蔡天明说。

  医药、农药等化学品的生产过程,用到的原辅材料成分复杂,有时水中掺杂了多种污染物,如果只用一种降解菌,难以降解所有污染物,而如果针对每一种污染物逐一降解,又需要许多污水池,对于企业来说将提高处理成本。

  如何高效经济地治污?蔡天明介绍:“如果一道工序后排放的废水量不大,但有多种类似的污染物,我们会将它们混合后,按照污染物的构成和数量,调配不同比例的多种降解菌,将它们投加到废水生化池中,让它们在其中定殖,以形成稳定的微生物种群结构,最终使污染物‘团灭’。”

  此外,蔡天明团队还在废水生物强化处理工艺中采用绿色荧光蛋白基因标记和高通量测序等技术,对目标微生物的定殖和生长情况进行动态跟踪研究,以及时了解微生物种群特征及高效降解菌株的状况。

  污水生化处理产生的剩余污泥排放,是对环境造成的另一道重负,“污泥超声波破壁”“臭氧氧化”叠加“生物减量调质”,是蔡天明团队研究出的一套“组合拳”。

  “污泥难处理的关键点在于脱水、减量。一定频率的超声波,可以将污泥菌胶团打散,也能将部分细胞破壁。低浓度的臭氧,还能将污泥的菌体细胞破壁,使细胞间和细胞内的水分、吸附的有毒有害污染物及菌体内蛋白、多糖类物质释放进入水中。”蔡天明说,将污染物打散后,微生物调质菌群开始接力上线“团灭”污染物,其中“主力队员”便是隐藏嗜酸杆菌。

  “隐藏嗜酸杆菌在合适的生长条件下,可以降解污泥中的胞外多糖、菌体蛋白,同时可以利用其体内存在的广谱氧化酶系统,降解有毒有害难降解污染物,从而实现污泥的无害化。”蔡天明介绍。

  “如果说污泥中的污染物是草原,那么吃掉污染物的降解菌就是兔子,兔子吃完草一段时间后,也会留下一些‘尸体’,而隐藏嗜酸杆菌就像狼,它们能吃掉这些‘尸体’,从而实现剩余污泥的减量。”蔡天明说,与传统的污泥处理方式相比,项目的污泥脱水效果稳定,脱水污泥含水率在20%以下,污泥减量80%。脱水污泥呈细颗粒状、便于运输,每千克污泥热值达到2000千卡,可直接进行焚烧处理。整个污泥处理过程不会产生二次污染。

  “在废水、污泥的处理过程中,我们力求寻找一种理想的工艺路线,既能提高降解效果,又能为企业降低成本,实现环保与经济效益间的平衡。”蔡天明说。

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