印染废水脱色生物强化工程菌的构建及应用进展

谢学辉，刘 娜，朱文祥，范凤霞，袁学武，柳建设

（东华大学环境科学与工程学院，上海 201620）

随着经济的快速发展，印染行业的排水量也大幅度增加。据不完全统计，我国当前印染废水年排放量约为20 亿吨，一般占综合排水量的60%～80%，位于全国工业废水排放量的第5 位[1]。因此为工业废水的处理增加了很大的难度。

印染废水，即纤维织物在预处理、染色、印花和整理4 个印染过程中产生的废水，主要来自染整工段，包括退浆、煮炼、漂白、丝光、染色、印花和整理等。染整行业所用的染料大多是合成染料，加上一些新型助剂、PVA 浆料等的加入，使得印染废水具有以下几个特点：①色度大，有机物含量高，除含染料和助剂等污染物外，还含有大量的浆料，废水黏性大。②COD 变化大，高时可达2000～3000 mg/L，BOD5也高达200～300 mg/L。③碱性大，如硫化染料和还原染料废水pH 值可达10 以上。⑤可生化性较差，这是因为染料品种多，包括酸性染料、偶氮染料、还原性染料、阳离子染料、硫化染料等。⑥水温水量变化较大，加工品种及产量经常变化。

目前国际上主要有物理化学法、化学法和生物法三类处理方法。物化法和化学法处理效果好，速度快，但因其存在运行费用高、易造成环境二次污染的缺点，从而应用受到限制。生物法以处理量大，费用少、较少产生二次污染等优点，在印染废水处理中占有不可或缺的地位。其中细菌在偶氮染料处理中的应用已经初有成效，其生物脱色也有了一定的进展[2-5]。

生物强化技术是指在原有生物处理体系中投加具有特定功能的微生物来改善原有处理体系的处理效果[6]，特别是提高难降解有机物的去除率。生物强化技术的发展吸引了广大学者的关注，在坚实的理论基础之上，结合先进的技术，充分挖掘了微生物的潜力。强化菌在其它废水如含吡啶废水、石化废水处理中的一些应用也证实了其强大的处理能力[7-8]。生物强化工程菌在印染废水脱色处理中的研究应用也越来越广泛，向印染废水处理系统中投加具有特殊降解作用的微生物，能大大提高废水的脱色处理效果。

1 生物强化工程菌及其构建

工程菌（engineering bacterium）可以分为狭义工程菌和广义工程菌。狭义工程菌是指将已确定的多种降解性的目的基因分离出来，通过基因操作获得的集多种微生物降解功能于一身，同时可以降解多种有机物的新型微生物。而广义工程菌是指将从自然环境、污染环境或处理系统中分离、筛选和鉴定的高效降解菌加以合理组合，从而能高效降解多种有机物的混合菌群[8]。其中后者的应用更加广泛。

1.1 基因工程菌

通过构建基因工程菌处理环境问题，是环境生物技术中的前沿课题，它将现代生物技术与环境问题相结合。基因工程菌能定向有效地利用环境微生物细胞中降解污染物的基因，去执行净化污染物的功能。目前关于基因工程菌在环境领域中的应用并不少见，而对其在印染废水处理中应用的研究也逐渐增多。

金玉洁等[9]第一次构建了降解偶氮染料的基因工程菌pGEX-AZR/E.coli JM-109，确定了其生长条件，并考察其偶氮染料脱色能力范围。结果表明，最佳碳源、氮源分别是葡萄糖（5 g/L）、氯化铵（3 g/L），pH=7.5，温度为35 ℃时菌体生长最好，接种量对菌体生长影响不大。工程菌对多种偶氮染料有很强的脱色能力，分子量小的脱色率高。苟敏等[10]构建了大插入片段宏基因组文库，证明活性污泥Fosmid 文库可用于功能基因的活性筛选，具有开发新基因的潜力，为构建需要的基因工程菌奠定基础。

由于基因工程菌的表达成功率低，应用成本高，适应环境需要一定时间，且同时也存在一定的遗传性、净化功能和生物安全性问题。因此，基因工程菌的处理效果虽好，但其应用并不广泛，在推广方面也存在一定的难度。

1.2 生物强化工程菌

生物强化工程菌一般是从处理印染废水的活性污泥中筛选出来，然后进一步培养驯化所得的高效菌株，他们对印染废水中的污染物有特殊的降解效果。在投入使用之前，对工程菌进行初步的组合，使其具有良好的处理能力。然后根据处理装置的构造和微生物的生态特性，进行工程菌的自适应构建。

目前报道的生物强化工程菌多是从污泥和被污染的环境中筛选分离得到的，进一步驯化后投入使用。Chen 等[11]从污泥中筛选出了6 个菌株，其中嗜水汽单胞菌表现出强大的脱色能力，在pH 值和温度分别为5.5～10.0 和20～35℃的缺氧条件下，脱色率达到90%。乐毅全等[12]从印染废水的处理装置中分离到多株脱色菌，其中一株高效脱色菌经鉴定为腐败希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）。该菌株在合适条件下能有效地去除印染生产上常用的多种染料，在6 h 内对活性艳红染料的去除率可达到9%～10%。邹新振等[13]从活性污泥中驯化出降解活性蓝FNR 的脱色菌，研究了其脱色能力，并指出培养驯化的真菌对试验用蒽醌结构活性染料具有较强的脱色能力，吸附速度较快，60 h 左右染料的脱色率基本达到最大值。Wang 等[14]第一次筛选出可以同时处理偶氮和蒽醌染料的一株肠杆菌EC3，在由葡萄糖供给，pH 值为7.0、温度为37 ℃时它的处理效果最好，对活性黑5 的脱色率达92.56%。这个菌株可以处理多种活性染料。

Bella 等[15]纺织废水处理厂中筛选出了一个细菌菌群——SKB-II，这个菌群对单一和混合染料都有较好的脱色效果。当淀粉供给为1 g/L 时，对单一染料（刚果红，波尔多红等）的脱色率达到80%～96%，对多种染料混合物（10 mg/L）的脱色率亦能达到50%～60%。李慧等[16]从土壤样品中分离到一株高效染料脱色菌株N-4，利用表面响应法（RSM）对菌株N-4 脱色活性深蓝K-R 的主要因素进行优化，实验结果表明，菌株N-4 脱色K-R 的最优条件为：湿菌量10 g/L，染料浓度222 mg/L，硫酸铵1.5 g/L，果糖3.5 g/L，最佳脱色率为100%。此外，实验证明其对多种染料均具有较高的脱色效率。

为使构建的工程菌更好的自适应反应器，一般采用固定化技术使其固定在悬浮物或固定载体上。马放等[8]从废水的活性污泥中筛出高效菌群后，将其投入反应器，采用火山浮石和人造棉为内填物的填料作为载体，该载体具有比表面积大、孔隙率大、亲疏水平衡值良好、表面粗糙、机械强度高和表面带正电荷等优点。工艺稳定运行期间，在进水水质波动较大（COD=370～910 mg/L，NH4+-N=10～70 mg/L）、水温低于13 ℃的情况下，出水COD 和NH4+-N 平均浓度分别在80 mg/L-1和8 mg/L 左右，水质优于污水综合排放标准（GB 8978—1996）中一级标准。

2 生物强化工程菌的应用

2.1 单菌株的应用

近年来，生物强化工程菌在废水处理中的应用越来越广泛，也有越来越多的学者构建它来处理印染废水，并取得了一定的成果。

Li 等[17]筛选了一株能处理金属复合偶氮染料的希瓦氏菌株J18 143。它的最佳pH 值为6.8，温度为30 ℃，经处理过后的废水浓度为0.12 g/L。张胜琴等[18]从浙江某污水处理厂的活性污泥中筛选出一株具有高效脱色活性的菌株Z1，经鉴定为巴斯德葡萄球菌（Staphylococcus pasteuri）。并对此菌株的脱色特性进行了初步研究。结果表明，在厌氧条件下，Z1 在pH 值7～12，40 h 对50 mg/L 的酸性大红GR 脱色率均可达90%以上。该菌株对染料有较强的耐受力，在酸性大红GR 浓度为300 mg/L 时，48 h 的脱色率仍可达93%。

单一菌种的脱色能力虽好，但单株菌在实际废水处理中的应用目前还很难实现，一方面是菌株的产酶和脱色难以适应变化的复杂的废水组分，另一方面是不能解决其它菌群的污染问题[19-20]。为克服单一菌种的局限性，广大学者开始关注混合菌群的应用。

2.2 混合菌群的应用

混合菌群是两种及其以上微生物共同培养，相互作用，相互影响，最终达到发挥其最大群体联合作用优势的微生态系统。由于各种菌之间的共代谢作用，可能使印染废水中的有机物降解更彻底、更完全。混合菌群的脱色效率和降解效果都是单菌无法比拟的。目前已有很多学者在筛选驯化混合菌群方面进行了研究。

Safia 等[21]从染料污染的土壤中筛选纯化出了一个混合菌群JW-2，经16S-RNA 确定，它包含类芽孢杆菌、黄微球菌和球菌3 种细菌，能快速高效地处理大量纺织染料废水。JW-2 在36 h 内使活性紫5R 脱色完全，最佳pH 值和温度分别是6.5～8.5和27～35 ℃，仅需少量底物（如葡萄糖0.1%g/L和酵母提取物0.05%g/L）就可以完全完成脱色。实验表明此菌株可以对9 种不同的染料完全降解，并已在适当的生物反应器中应用。Taruna 等[22]筛选出了一个可以降解酸性橙7（AO7）和很多偶氮染料废水的菌群TJ-1，经鉴定，它由气单胞菌属、变形杆菌属和秋装红球菌组成。TJ-1 对AO7 的脱色率高于单一菌种，说明这些菌之间有相互作用。对200 mg/L 的AO7 溶液处理16 h 后脱色率就达到90%，可见其处理效果是非常好的。Saratale 等[23]用由普通变形杆菌NCIM-2027(PV)和谷氨酸微球菌NCIM-2168(MG)组成的混合菌群GR，在缺氧条件下，以16666 μg/h 的脱色率对偶氮染料鲜红R 进行完全脱色，比单一菌种（PV 和MG）脱色都快。且与单一菌种相比，它在3 h 内具有很好的矿化作用（COD 和TOC 的去除率都大于90%）。实验表明，混合菌群GR 的产物为1,4-二苯胺，毒性分析表明其降解产物无毒。另外，对混合染料废水的处理中，在静止条件下72 h 内，达到88%的脱色率，对TOC和COD 的去除率分别为62%和68%，从而显示了GR 在处理印染废水中的潜力。

除了细菌之外，许多真菌也有处理印染废水的能力，而很多学者也将两者组合在一起，探索其处理效果。Mayur 等[24]采用一个细菌-真菌聚生体BL-GG 处理含有分散红RR 染料的印染废水，实验表明，处理48 h 后，对BOD 和COD 去除率分别达到68%和74%。BL-GG 对单一分散红RR 染料进行脱色时，18 h 后，其脱色率可达到98%，参与脱色的酶经鉴定有藜芦醇氧化酶、漆酶、络氨酸酶和NADH-DCIP 还原酶。此实验证明了聚生体在处理印染废水中的巨大潜力。Harshad 等[25]通过利用聚生体AP（由赭曲霉NCIM-1146 和假单胞菌SUK1组成）处理偶氮染料宝石红GFL 和纺织出水，以确定这两种菌是否有强化脱色能力。实验表明，在微溶解氧条件下，聚生体AP 显示了强大脱色率，对染料处理30 h 后脱色率达到95%，纺织出水在35 h内ADMI 去除率为98%，且不产生芳香胺。而单一赭曲霉NCIM-1146 对染料和纺织出水处理效果分别是63%和44%，且伴随芳香胺的产生。通过这两个案例说明，细菌和真菌通过他们的相互作用使处理效果更理想。

由上述案例可以看出，混合菌群确实有良好的脱色率和降解效果。很多学者已不仅仅局限于混合菌群的实验室研究，而是将它与反应器结合起来，以实现混合菌群在工程上的应用和推广。

2.3 工程菌结合反应器的应用

近年来很多筛选出来的菌群被应用于反应器中，结合反应器的作用，处理大量的印染废水并达到良好的处理效果。

徐灏龙等[26]开发了复合水解酸化/悬浮生物滤池的印染废水生化处理工艺，并在此基础上投加专性脱色菌进行生物强化脱色处理。结果表明，在稳定运行条件下，系统对色度的去除率提高了10%～20%，对色度的总去除率达到80%以上，对COD的去除率达到90%左右。可见，通过生物强化技术提高生化处理的脱色能力是可行的。Imen Khouni等[27]利用一种名为Bx 的新细菌菌群结合SBR 工艺处理一种活性染料废水，结果表明，在有氧条件下，当体积染料负荷率低于15 g/(m3·d)时，Bx 的脱色率达到88%～97%，COD 去除率达到95%～97%。徐绮坤等[28]研究曝气生物滤池在印染废水处理中的应用，试验表明，在二级生化处理后加一级曝气生物滤池，COD 可稳定低于80 mg/L，色度低于16倍，二者去除率约50%，出水可直接达一级排放标准。

生物工程菌的构建大大增强了废水的处理效果，也是生物技术在废水中成功应用的案例。在了解生物工程菌的处理能力之后，如何优化其性能也是研究者一直探讨的问题之一。

2.4 外源物的生物强化作用

工程菌的强化作用已有很多实验验证过，在筛选驯化工程菌的基础上，许多学者通过优化现有处理系统的营养供给，添加基质（底物）类似物来刺激微生物生长或提高工程菌的活力，以对印染废水的处理进行进一步强化。

周集体课题组[29-33]研究了蒽醌中间体对染料废水脱色的强化作用。他们考察了醌还原菌群利用6 种蒽醌染料中间体对偶氮染料生物脱色的催化强化作用，结果表明，溴氨酸（1-氨基-4-溴蒽醌-2-磺酸，BAA)的催化强化效果最好；游离态菌群以BAA 作为氧化还原介体可催化强化多种偶氮染料的生物脱色[30]。为了增加其强化作用，他们采用非水溶性蒽醌固定化技术对偶氮染料生物降解促进作用进行了研究，研究结果表明，固定化蒽醌可提高多种偶氮染料生物厌氧脱色速度1.5～2 倍和降低偶氮染料脱色过程氧化还原电位-10～-15 mV；经4 次循环使用后，其加速作用仍保持在90%以上；固定化蒽醌微生物系统具有很强抗氧冲击能力[32]。

为了考察生物强化是否会对处理系统中原有的生物特性及群落结构产生影响，周集体课题组[34]采用高效菌强化膜生物反应器对溴氨酸废水进行处理，考察了生物强化前后系统对溴氨酸的降解能力及其内部微生物生理状态变化。实验表明，投菌后在进水负荷增加的条件下，上清液和膜出水的溴氨酸脱色率分别约为50%和65%，相应的COD 去除率分别约为25%和50%，和投菌前基本保持一致；TTC-脱氢酶活性和胞外聚合物（EPS）浓度略有波动，但是运行一段时间后即恢复到投菌前水平。群落分析表明高效菌可以在系统中稳定存在，并且不对原菌群结构造成较大影响。

周集体等通过一系列实验证明了外源物对工程菌的强化作用，并证实了工程菌的加入不会破坏原有系统的结构和特性，从而优化了工程菌，提高了其处理能力。

3 展 望

印染废水由于组分复杂、色度大、COD 含量高、水质变化大等特性，为对其处理带来了很大难度。而生物强化工程菌凭借它强大的处理能力、良好的脱色效果和不对原处理系统的群落结构造成影响等优点，在印染废水处理中占有不可取代的地位。生物工程菌除了可以直接加入处理系统外，还可以在构建时先进行组合，再投入使用，通过菌群之间的相互作用，提高其脱色效果和降解速率。

将生物工程菌投加到反应器中，实现了工程菌与处理工艺的结合，优化了处理工艺。传统处理工艺本身具有处理量大、负荷承载能力强等优点，加上筛选出具有强大脱色能力的工程菌，整个系统的处理能力显著增强，同时实现了工程菌在实际应用中的推广，使得对其各方面性能的研究具有更加重要的实际意义。

在生物强化工程菌处理印染废水过程中，一些外源物（如营养或底物类似物）的加入优化了工程菌的性能，提高了工程菌的处理印染废水的能力，进一步强化了对染料的脱色效果。

目前，对生物强化工程菌的脱色已有所研究，也筛选驯化出了很多高效菌群，但是如何进一步强化工程菌，如何将工程菌进一步投产大量使用，如何实现它的价值是以后努力的方向。

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