2/2作者：一氣貫長(zhǎng)空噬鹽菌和高鹽廢水處理的研究?摘要論述了嗜鹽菌的形態(tài)特征、營(yíng)養(yǎng)構(gòu)成、生理特性和嗜鹽機(jī)理，以及利用其特性在含鹽有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用，綜述了國(guó)內(nèi)外生化處理高含鹽量有機(jī)工業(yè)廢水的實(shí)驗(yàn)研究成果、在實(shí)際廢水工程中的應(yīng)用及其發(fā)展方向。對(duì)嗜鹽菌的培養(yǎng)與馴化有一定的參考價(jià)值，對(duì)含鹽廢水處理工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：嗜鹽菌特性高含鹽量廢水生物處理高含鹽量廢水是指含有有機(jī)物和至少3.5%的總?cè)芙夤腆w物TDS（TotalDissolvedSolid）的廢水，在這些廢水中除了含有有機(jī)污染物外，還含有大量的無(wú)機(jī)鹽，如Cl-、SO2-4、Na+、Ca2+等離子，這些鹽的存在對(duì)常規(guī)生物處理有明顯的抑制作用。因此有必要探討在高鹽環(huán)境中仍能降解有機(jī)污染物的特殊微生物，即耐鹽微生物和嗜鹽微生物。本文研究的重點(diǎn)是嗜鹽菌。嗜鹽菌一般生長(zhǎng)在鹽湖、鹽堿湖、死海、鹽場(chǎng)和海洋中，我國(guó)嗜鹽微生物資源十分豐富。由于嗜鹽菌具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組成、生理功能和代謝產(chǎn)物，許多學(xué)者對(duì)其在生物電子、能源開發(fā)、發(fā)酵生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域開展了應(yīng)用研究。本文對(duì)嗜鹽細(xì)菌的形態(tài)、生理特性、遺傳等特性作了詳細(xì)描述，并綜述了利用其特性對(duì)高含鹽量有機(jī)工業(yè)廢水進(jìn)行生物處理的應(yīng)用研究。1嗜鹽菌的特性1.1嗜鹽菌的分類根據(jù)細(xì)菌最佳生長(zhǎng)所需的鹽濃度（一般以NaCl計(jì)）的不同，細(xì)菌可分為非嗜鹽菌、海洋細(xì)菌和嗜鹽細(xì)菌。非嗜鹽菌是指在含鹽濃度不高于1%的介質(zhì)中能良好生長(zhǎng)，在普通生物法的活性污泥以及在淡水和陸地生態(tài)系統(tǒng)中主要含有這種細(xì)菌。海洋細(xì)菌，也稱弱嗜鹽菌，是指適于生長(zhǎng)在含鹽濃度為1%～3%的介質(zhì)中。這種微生物既具有耐鹽菌的特性，同時(shí)在高鹽環(huán)境中又能和嗜鹽菌共存。嗜鹽細(xì)菌是指只有在含鹽的環(huán)境才能生長(zhǎng)的微生物，在種屬上可分為嗜鹽桿菌屬、嗜鹽球菌屬、嗜鹽堿桿菌屬、小盒球菌屬等。按最適宜生長(zhǎng)所需的鹽量，分為中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌。中度嗜鹽菌指在含鹽濃度為3%～15%的環(huán)境中能良好生長(zhǎng)的微生物，主要是真細(xì)菌群落。極端嗜鹽菌是指在含鹽濃度為15%～30%的介質(zhì)中也能良好生長(zhǎng)的微生物，最適宜生長(zhǎng)濃度為20%～25%，甚至在飽和濃度中也能生長(zhǎng)。1.2嗜鹽菌的生態(tài)與營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)嗜鹽菌為革蘭氏陰性菌，多為好氣化能異養(yǎng)，能利用的碳源十分廣泛，適宜于偏堿性的環(huán)境（pH為9～10）；該種群具有極高的生長(zhǎng)速率，其時(shí)代周期約為4h；菌體多為圓形，直徑為2～4mm；外觀呈紅色、紫色或淺褐色；不運(yùn)動(dòng)或叢鞭毛運(yùn)動(dòng)；這些異養(yǎng)型和自養(yǎng)型的中度和極端嗜鹽菌的特性非常適用于處理含鹽有機(jī)工業(yè)廢水。嗜鹽菌的生長(zhǎng)需要很復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，一些細(xì)菌在葡萄糖、氨和無(wú)機(jī)鹽的介質(zhì)中就可生長(zhǎng)，但大多數(shù)嗜鹽菌都需要諸如氨基酸或維生素等生長(zhǎng)因素。在實(shí)驗(yàn)室中，可利用酵母膏和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物提供這些生長(zhǎng)因素。嗜鹽菌的生長(zhǎng)隨著鹽濃度的增加，所需的營(yíng)養(yǎng)構(gòu)成就越復(fù)雜。另外，80μg/L的鐵離子和48mg/L的鎂離子是嗜鹽菌生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)。1.3嗜鹽菌的生理特性與嗜鹽機(jī)制嗜鹽菌之所以能夠在高鹽環(huán)境中良好生長(zhǎng)，是因?yàn)槭塞}菌特殊的生理結(jié)構(gòu)和細(xì)胞中所含的物質(zhì)使之需要鹽才能得以生長(zhǎng)。嗜鹽菌的細(xì)胞內(nèi)所含的K+濃度是細(xì)胞外的100倍左右，而細(xì)胞外Na+的濃度是細(xì)胞內(nèi)的4倍，因此，嗜鹽菌應(yīng)該具有靈巧的排鈉吸鉀的生理特性，而嗜鹽細(xì)菌的紫膜（purplemembrane）提供了這種生理功能。紫膜接受光能驅(qū)動(dòng)細(xì)胞的質(zhì)子，形成電位梯度，產(chǎn)生能量可以合成ATP，彌補(bǔ)在高鹽濃度（鹽濃度越高，溶解氧越低）下底物有氧氧化所得能量的不足，為細(xì)胞濃縮K+和排斥Na+提供能量保證，以滿足嗜鹽菌正常的生理需要。一些細(xì)胞還含有視黃醛（retinal）朊，這種朊的存在為細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)子移動(dòng)提供推動(dòng)力。中度嗜鹽菌的細(xì)胞內(nèi)除了含有K+、Na+外，還含有有機(jī)化合物（氨基酸、三甲銨乙內(nèi)酯、丙三醇等）以調(diào)節(jié)滲透壓。在調(diào)節(jié)滲透壓過(guò)程中，Na+并非必要的，但是嗜鹽菌的營(yíng)養(yǎng)吸收、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)pH的調(diào)節(jié)、電位的平衡都需要Na+的存在。嗜鹽菌的酶在高鹽環(huán)境能發(fā)揮作用是因?yàn)樗鼈兊牡鞍踪|(zhì)組織具有獨(dú)特的適應(yīng)性，大多數(shù)嗜鹽菌微生物的蛋白質(zhì)中含有過(guò)量的酸性氨基酸和非極性的殘余物，過(guò)量的酸性物質(zhì)需要陽(yáng)離子屏蔽其附近的負(fù)電荷，否則蛋白質(zhì)會(huì)遭到破壞。總之，嗜鹽菌中的大多數(shù)酶的活性和穩(wěn)定性、核蛋白的穩(wěn)定性和功能的發(fā)揮以及細(xì)胞的生長(zhǎng)都需要一定濃度的NaCl和KCl來(lái)維持。嗜鹽菌這種生長(zhǎng)需要高鹽濃度的生理特征是在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，通過(guò)自然選擇，是細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能高度適應(yīng)高鹽環(huán)境的結(jié)果。此外，大多數(shù)嗜鹽菌能合成糖（主要是蔗糖、海藻糖、甘油葡萄糖）、氨基酸等，它們成為嗜鹽菌的滲透壓調(diào)節(jié)劑，有利于穩(wěn)定和保護(hù)菌體內(nèi)酶的活性，當(dāng)受到高鹽廢水沖擊時(shí)，會(huì)調(diào)節(jié)自身新陳代謝，改變遺傳基因，使其能在高鹽濃度下正常生長(zhǎng)。2嗜鹽菌處理含鹽有機(jī)工業(yè)廢水的研究進(jìn)展2.1鹽對(duì)常規(guī)生化法的影響1937年，Zobell等首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鹽對(duì)處理有機(jī)廢水的影響，他們用從生活污泥、土壤和海水接種來(lái)的微生物處理含鹽廢水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在含鹽度為28%介質(zhì)中三種不同來(lái)源的微生物存活率分別為0%、小于1%、小于2%。鹽對(duì)常規(guī)生化法的影響主要有以下四個(gè)方面：（1）對(duì)出水水質(zhì)影響處理系統(tǒng)對(duì)離子的濃度變化很敏感，當(dāng)系統(tǒng)突然受含高鹽廢水的沖擊時(shí)，則系統(tǒng)的有機(jī)物去除率降低、微生物呼吸速率降低、SVI增大、出水BOD5、SS升高[21]。鹽度突增2%就能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著破壞，因此，保持鹽濃度的穩(wěn)定是工程設(shè)計(jì)中主要考慮因素之一。（2）對(duì)生物活性影響鹽濃度的增加將破壞生物的代謝功能和降低生物的降解動(dòng)力。在含鹽3.5%的系統(tǒng)中，每毫克污泥降解總有機(jī)碳能力從0.3mg/h降低到0.12mg/h。（3）對(duì)生物種類的影響鹽度的增加，使處理系統(tǒng)中的原生動(dòng)物和絲狀微生物減少

，出水的懸浮物濃度一般高于100mg/L。（4）耐鹽度的極限許多文獻(xiàn)表明，鹽度超過(guò)3%～5%的廢水不能用常規(guī)的生化法處理。2.2含鹽廢水處理研究進(jìn)展2.2.1處理系統(tǒng)中存在的耐鹽微生物在高含鹽量環(huán)境中存在原核微生物主要是嗜鹽菌，它們的生長(zhǎng)需要鹽分，如紅皮鹽桿菌能在12%～30%（飽和濃度為30%）的鹽度中生長(zhǎng)，在鹽度小于12%的環(huán)境中不生長(zhǎng)；當(dāng)鹽度低于9%時(shí)，細(xì)胞壁開始破裂[9]，桿菌數(shù)量逐漸減少，直到消失。其他嗜鹽菌如條倫黃桿菌、鈉鹽脫硫弧菌、鹽制品桿菌、變異微球菌、鹽脫氮付球菌等也需要在含鹽介質(zhì)中才能生長(zhǎng)。在高含鹽量環(huán)境中存在的原生動(dòng)物的種類隨含鹽濃度的不同而有所變化，當(dāng)鹽含量低于8g/L時(shí)，有大量輪蟲、游泳性纖毛蟲、有柄纖毛蟲和其他高級(jí)原生動(dòng)物；當(dāng)鹽含量在8～13g/L時(shí)，還有輪蟲、游泳性纖毛蟲和個(gè)數(shù)多但不夠活躍的有柄纖毛蟲；而當(dāng)鹽含量為20g/L時(shí)，曝氣20h后，尚存少量的低級(jí)原生動(dòng)物、絲狀細(xì)菌和菌膠團(tuán)，曝氣48h后，原生動(dòng)物全部消失，只剩下菌膠團(tuán)。在含鹽環(huán)境中，也存在著一些浮游生物。在鹽含量為2～12g/L環(huán)境中，浮游植物有嗜鹽舟形藻、衣藻、光甲藻、綠裸藻等，嚙蝕隱藻、尖尾藍(lán)隱藻在鹽含量2～6g/L中占優(yōu)勢(shì)地位；在2、6、12g/L三個(gè)鹽濃度梯度中，浮游動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種演替基本趨勢(shì)為橈足類→輪蟲（有時(shí)是原生動(dòng)物）→橈足類和游仆蟲。2.2.2國(guó)內(nèi)外處理含鹽廢水的研究進(jìn)展2.2.2.1實(shí)驗(yàn)性研究為了使適鹽微生物能在含鹽廢水處理中廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。1995年阿聯(lián)酋U.A.E.大學(xué)的Hamoda等[28]使用活性污泥完全混合反應(yīng)器分別對(duì)不含鹽廢水、含鹽量10、30g/L的廢水在不同泥齡（3～20d）和不同有機(jī)負(fù)荷（CODCr0.5～2.0kgVSS·d）條件下進(jìn)行平行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鹽度對(duì)未經(jīng)馴化的活性污泥系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的抑制影響，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間馴化后，系統(tǒng)的活性污泥濃度增加，并顯著改變了活性污泥中微生物種群的組成，而且對(duì)TOC的去除率均達(dá)到96%以上。Woolard等從大鹽湖的土壤中篩選的嗜鹽菌在SBR反應(yīng)器中處理模擬含酚（約100mg/L）油田廢水，含鹽量14%。經(jīng)過(guò)7個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行，出水的酚濃度小于0.1mg/L，DOC濃度小于10mg/L，懸浮物濃度小于50mg/L。而利用序批式生物膜反應(yīng)器處理含鹽量15%的含酚（約100mg/L）廢水，處理后出水酚含量低于5mg/L，單位載體表面的生物膜量為3.86g（干物質(zhì)），生物膜厚度達(dá)到126μm。從生活污泥中接種的菌種經(jīng)馴化，對(duì)含鹽量6%～8%的廢水的TOC去除率達(dá)到80%；對(duì)于含鹽量為12%的廢水TOC去除率能達(dá)到43%。Dalmacija等指出，利用活性污泥處理廢水過(guò)程中，高含鹽量（約29g/L）和高水力負(fù)荷（大于1.5d-1）將會(huì)使處理系統(tǒng)的污泥減少、有機(jī)物去除率降低、出水懸浮物升高。他們通過(guò)試驗(yàn)證明，向曝氣池中投加200g/L的活性炭會(huì)明顯改善處理系統(tǒng)的功能和出水水質(zhì)，污泥容積指數(shù)約為60mg/L，出水懸浮物和CODCr分別為20mg/L和50mg/L?；钚蕴康淖饔檬俏讲糠钟袡C(jī)物和固定微生物，在活性炭表面形成生物膜，使系統(tǒng)的處理效果得到顯著的提高。此外，Kargi等利用間歇生物反應(yīng)器進(jìn)行了自配水樣實(shí)驗(yàn)，研究了鹽的抑制作用和動(dòng)力學(xué)常數(shù)；Ludzack等開展了用傳統(tǒng)活性污泥工藝處理含鹽廢水的效率研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在這方面進(jìn)行了大量的研究，安林等討論了鹽對(duì)二段接觸氧化法處理廢水的影響；楊健用SBR法處理含鹽含油發(fā)酵工業(yè)廢水；梁展輝等對(duì)高鹽度有機(jī)廢水進(jìn)行吹脫和冷卻預(yù)處理后，再利用SBBR（序批式生物膜反應(yīng)器）處理，都取得了良好的效果。2.2.2.2實(shí)際工程應(yīng)用美國(guó)密蘇里州的一個(gè)制藥廠排放生產(chǎn)廢水390m3/d，含鹽量7.4%，CODCr為7400mg/L，主要處理單元有ZenoGem系統(tǒng)→活性污泥系統(tǒng)→厭氧處理系統(tǒng)→SBR反應(yīng)器，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)生產(chǎn)聯(lián)氨產(chǎn)品的化工廠所排出的生產(chǎn)廢水，含鹽量為10%，處理工藝流程為集水井→中和反應(yīng)池→厭氧池→活性污泥流化床（流化床中以炭作為生物載體）。在流化床中形成的污泥濃度為傳統(tǒng)活性污泥的25倍，聯(lián)氨和TOC的去除率能分別達(dá)到80%和50%，但系統(tǒng)的處理效果不是很穩(wěn)定。墨西哥的一個(gè)制藥廠排出的高含鹽量的生產(chǎn)廢水有兩種治理方案。一種是將廢水單獨(dú)用一個(gè)生化系統(tǒng)處理，另一方案是將廢水先通過(guò)一個(gè)蒸發(fā)設(shè)備，去除部分的鹽，然后將廢水排到該