1、利用環境化學和生物技術綜合處理污泥的處置工程張滿效，周茹寶（中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，730000蘭州石化職業技術學院,730060）近年來，為了有效防治水污染，城市污水處理廠的建設逐步受到重視，很多城市將污水處理廠的建設納入了市政基礎建設，但因經濟、技術和其他原因，建設速度遠遠趕不上水污染防治的需要。根據建設部的預測，2005年我國大中型城市入管網的污水處理率將達到47%，2015年將達70%，每年我國將有200多億立方米的污水急待處理。污水中的污染物和營養成分在大量繁殖的細菌作用下，在化學藥劑的作用下形成聚集，逐漸增大的團粒結構最終在水中沉淀下來，形成污泥。進一步添加高分子絮凝劑

2、，采用物理方法濃縮，可以脫去大部分或一部分所謂的自由態水，形成我們所見到的脫水污泥。污泥的處置是一個棘手的問題。按照我國的城市人口基數，既便只有1億人口產生的污水被處理，每天也將產生25000噸含固率20的污泥泥餅。這部分泥餅如果按照最高2米來堆放，每年需要600個國際標準足球場。對于城市來說，周邊土地資源已經難以滿足需要。因此污泥的合理處置勢在必行，我國當前面臨的問題是盡快發展污泥處置技術來應對不斷增長的污泥污染，但由于我國在污泥管理方面對污泥的理化指標和感官指標控制的重視程度不夠，城市污泥處理和利用起步晚、缺乏資金、水平落后，遠遠滯后于城市發展。在現有經濟技術條件下，55.7%的污泥未經任

3、何穩定措施,大量未經處理的污泥必然對環境造成嚴重的二次污染，近50%的污泥未經任何干化處理，13.79%的污泥未經任何處置。對生態環境和人民健康造成了嚴重的威脅。利用工程菌生產溶菌酶投入污泥處理過程，發展新的污泥處置技術具有廣闊的市場前景。污泥中含有大量的病原菌、寄生蟲、致病微生物以及重金屬等難以降解的有毒有害物質。由于污泥含水量高、體積大，給堆放和運輸帶來了困難。城市污泥如果處理不當或不規范處理，將對生態環境和人民健康造成嚴重的潛在威脅。因此，實現污泥的減容化、無害化、穩定化及資源化，已經成為我國乃至全世界環境科學界深為關注的課題之一。我國是一個發展中國家，城市污泥處理技術還在剛剛起步，探索

4、適合我國國情，合理、有效、投資少，見效快的城市污泥處理方法和環節，保證經濟社會全面可持續發展，目前顯得尤為必要。當前，國內處理城市污泥的一般流程是：污泥濃縮消化脫水衛生填埋、焚燒、或農用。污泥經濃縮、消化后，尚有95%97%的含水率，體積仍然很大，為了綜合利用和最終處理，須對污泥干化和脫水。機械脫水是目前國內外普遍采用的方法。機械脫水前，污泥必須經過預處理。主要方法有化學調節法、熱處理法及冷凍法。化學調節法增加了二次污染的可能性，一定程度上限制了對污泥的后續綜合利用；熱處理法及冷凍法要增加投入，增加了處理成本。由于污泥含水量高、體積大，出水泥面升高，造成出水飄泥，影響水質，極大地增加了污水處理

5、廠的生產成本，嚴重影響污水處理效果。而且，污泥量過大時，給堆放和運輸帶來了困難，不規范處理、掩埋都可能造成大量的污泥污染物隨滲濾液從地表進入深層，甚至威脅地下水和江河湖海。無規則的棄置仍是主要消納途徑，其中一小部分進入了農田，這些棄置無論在近期還是遠期都將成為地表水和地下水的潛在污染源。因此，實現污泥的減容化、無害化、穩定化及資源化，已經成為我國乃至全世界環境科學界深為關注的課題之一。化學處理進行混凝沉淀，凝聚劑采用堿式氯化鋁，斜管沉淀。該項技術目前雖已經達國際先進水平，但污水處理過程中產生的初沉污泥、剩余污泥和化學污泥集中匯集，經重力濃縮、污泥調質后，進入板框壓濾機壓濾脫水，濾液重返污水處理

6、系統，處理系統的污泥含水率僅能達到80左右的水平。意大利的污泥主要處置目前還是填埋，但是其中有相當比例（超過30）經過了干化處理，實現了大規模減量。部分干化后的污泥用于建材，農用部分相對比例較小，焚燒為零。總的來看，意大利的環境政策傾向保守，其原因可能在于意大利先于其它歐洲國家，有過慘痛的環境災難和教訓（塞維索的二惡英污染事故），此外作為歐洲最重要的旅游資源地，每年有超過3000萬的各國游客來意大利度假，她同時也是世界上最主要的美食輸出國，因此公眾輿論對環境問題極為敏感。各國根據其地理環境和土地資源狀況，制訂有不同的方針。日本由于土地極為狹小，采取全部焚燒的策略，這種不惜代價的焚燒，是其經濟發

7、達程度可以承受的。歐共體將污泥解釋為一種資源，因此其導引要求各國從資源利用的角度去鼓勵農用，限制填埋，鼓勵一切形式的能源利用。各國根據自身的地理條件，采取的政策多有不同。德國多采取干化、半干化后焚燒，使用大量森林垃圾等作為補充能源。意大利旅游資源極為重要，限制焚燒，鼓勵減量，因此多為干化后填埋或做建材。法國、西班牙都在積極推行干化減量和鼓勵農用的政策。總之，污泥減量的必要性是其中的主要經濟因素，干化則是主要的技術手段和趨勢。溶菌酶是由弗萊明在1922年發現的,它是一種有效的抗菌劑，全稱為l.4-N-溶菌酶，又稱胞壁質酶或粘肽N-乙酰基胞壁酰水解酶,它能切斷肽聚糖中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁

8、酸之間的-l.4 糖苷鍵之間的聯結，破壞肽聚糖支架，在內部滲透壓的作用下細胞脹裂開，引起細菌裂解。溶菌酶廣泛存在于自然界中的各種微生物、原生動物、人和動、植物組織中。例如，人乳中的含量約為0.1-0.5mg/ml,雞卵清中的含量約為3mg/ml，牛乳中的含量約為0.7mg/gal，人的白血球、血清、胎盤以及番木瓜、鳳梨的鮮汁中也都含有豐富的溶菌酶。不同來源的溶菌酶，其結構和功能上有相當的差異，抗菌譜也不盡相同。溶菌酶的化學性質非常穩定， pH值在1.211.3范圍內劇烈變化時，其結構幾乎不變；溶菌酶的熱穩定性較好，pH值47、100 處理1min仍能保持原酶活性。堿和氧化劑對它起阻遏作用，而N

9、acl則起活化作用。粉狀溶菌酶若采用低溫干燥貯存，則幾乎可永不變質。即使在pH值為中性的水溶液中，該酶也可維持數天而不損失其活性。人溶菌酶比蛋清溶菌酶具有更高的溶菌活性和熱穩定性。人溶菌酶的溶菌活性比蛋清溶菌酶高出3倍,且熱穩定性也高于蛋清溶菌酶。溶菌酶能直接水解革蘭陽性菌，一定條件下，還能水解革蘭陰性菌如大腸桿菌等。溶菌酶能與帶負電荷的病毒蛋白直接作用，與DNA、RNA、脫輔基蛋白形成復鹽，使病毒失活。溶菌酶的這些特性被應用于污水處理及污泥脫水和污泥消化的預處理中。日本的角野立夫等1984年公布專利：采用固定化溶菌酶技術處理含有生物難降解物質廢水。在公告中，生物難降解物質是指黑腐酸以及黑腐酸

10、結構類似的有機物。研究表明，溶菌酶可以改善污泥脫水性能，并且能分解消化污泥中的的大部分細菌。研究還表明：溶菌酶能加快污泥脫水速率，使泥餅的含水量下降，可以很大的提高污泥泥餅的固體含量，減少污泥體積。但人溶菌酶制備材料相當有限。通常人溶菌酶是從人奶、胎盤或尿液中少量提取,來源極其困難,無法進行工業化生產，所以溶菌酶生產成本高成為其在城市污泥處理應用中的瓶頸。隨著現代生物技術的迅猛發展，利用基因工程技術構建工程菌生產溶菌酶，降低成本，或直接將工程菌或篩選的微生物菌群投入污泥處理過程，達到脫水、無害化、穩定化同步進行，這對改進城市污泥處理工藝，減低污泥處理成本，維護生態環境和人民健康，無疑具有積極的

11、現實意義。因而人溶菌酶的廣泛應用只能寄希望于采用DNA重組技術,利用原核或真核表達系統進行大規模生產。選用構建合適的能專門表達人溶菌酶的溫控型大腸桿菌表達載體，進行連接反應；轉化反應成功后；進行人溶菌酶基因的誘導表達；對表達產物進行分離純化并檢測。進一步完善人溶菌酶基因工程菌的構建，最終實現轉基因藥物的規模化工業生產。并以人溶菌酶基因作為目的基因，檢測所建立的表達系統的有效性和可靠性，進一步實驗確立人溶菌酶在污泥脫水和污泥消化過程中的最佳劑量、最適溫度、pH值等工藝條件，為大規模推廣應用打好基礎。誘導目的蛋白的表達Lane 1：空pET-28a載體Lane 2、3、6、11：分別為未誘導Lan

12、e 4、5、9、10：分別為誘導14小時，約16kD處有目的蛋白出現Lane 7：Marker：97、66、45、30、20.1、14.4kDLane 8：陽性對照：卵清溶菌酶（Sigma）用溶菌酶作污泥調理劑，既能破壞菌膠團結構，改善污泥性能，顯著加快脫水速率，又可以殺菌，最大限度地減少病原體，抑制腐化潛力，極大地降低污水處理的成本消耗，提高污水處理的效果。在生物氧化池中（如圖所示）加入溶菌酶或能夠生產溶菌酶的高產菌系，在活動填料區（第一區域）再加入高效絮聚劑,以提高填料中生物膜的拉伸粘度，延長生物膜與污水接觸的時間，提高微生物捕捉污水中養料的效率，使污水中的生物難降解物質，諸如黑腐酸及與黑

13、腐酸結構類似的有機物質得以分解消化，減少污泥的含水量及其沉積容量。圖1生物氧化池從調節池泵至混合器的污水混入空氣。帶氣污水進入生物氧化池，高效絮聚劑和溶菌酶由a處加入。污水在三個區域分別停留1個小時，經第2和第3區域沉降的污泥，由脈沖器再次泵入調節池。3區上層清水經過濾后自b排出。工程菌酶活力：黑色為100iu/T污水，紅色為50iu/T污水，黃色為25iu/T污水。工程菌在污水中溶菌酶活性為100iu/T、濃度為0.25g（溶菌酶）/T、在1區引入時間為75 min，經過一系列綜合處理污泥的脫水率可以達到33.26，意味著污泥的含水量僅有66%以下，基本上達到預期的效果。石化廢水成分復雜，含

14、有毒難降解有機物種類多，濃度高。目前，石化工業的出水COD濃度高，達不到國家排放標準。迫切需要找到一種既高效又經濟的治理方法，改善環境質量，實現水資源的循環利用。生物強化技術具有速度快、消耗低、效率高、條件溫和，無二次污染、對環境友好等顯著優點，而生物強化技術的基礎是獲得理想的外源降解微生物。我們通過用常用的牛肉膏蛋白胨培養基，從石化污水污泥中培養優勢菌群，從而篩選出所期望得到理想菌種，進而通過分子生物學技術對所篩選的菌株進行分子鑒定和分析。通過對蘭州石化污水和污泥中優勢菌群進行培養后，我們從分離到的菌株中篩選出22株進行生理生化分析和馴化培養。考察了這些菌種在不同溫度和pH值的生長情況，并進

15、行了COD的去除效果的檢測，并通過測定其16S rDNA序列進而進行系統發育分析和鑒定。生理生化分析發現，培養溫度在25-40之間，大部分菌種生長情況都比較好，其中在30時菌液濃度達到最高。pH7是菌種的最適生長pH值。對COD的去除效果研究發現，在實驗污水的COD初始濃度為7000-15000mg/L，初始pH值為7，在30恒溫搖床內150r/min的振蕩速率的發酵條件下，大部分菌種均有較好的處理效果。基于16S rDNA序列的系統發育學研究發現這些細菌分別屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)、不動桿菌屬(Ac

16、inetobacter)紅球菌屬(Schizopylium)、微桿菌屬(Microbacterium)、短波單胞桿菌屬依據16SrDNA序列建立的部分菌株的系統發育樹(Brevundimonas )和微小桿菌屬(Exiguobacterium)。多數其他有機廢水降解微生物的研究中也發現了相似的結果。因此，對這22個菌株降解性能的進一步研究，通過馴化、誘突、雜交、代謝控制或者基因工程手段，可能可以篩選培育出理想的處理石化污水污泥的微生物。調節池：把不同水質級不同濃度的水混合均勻，并將微生物菌群一次性引入，在池內的生物載體上逐漸形成菌群生物膜。利用微生物菌群（生物膜）的新陳代謝作用吸附、吸收、消化

17、、分解污水和污泥中有機污染物和重金屬，使之轉化成為穩定的無害化物質，有利于下一步的生物氧化處理，提高處理效率，減少污泥的束縛水膜厚度，破壞污泥的膠體結構，以消除污泥的毛細管/間隙水、膠態/表面吸附水及化學性結合水；至于細胞內的水和分子水則依賴于溶菌酶的作用。本研究在調節池內設有特殊的生物載體，便于微生物結膜繁衍生存。在該裝置安裝完畢正常運行后，一次性加入培植的微生物菌群。該菌群所含的種類多、菌譜寬，降解有機物能力強。它們是由不同自然水體中含有的各種微生物通過分別分離提純、培植馴化、濃縮固化后而配制成高活性、高濃度、多組合粉粒劑。在常溫、常壓情況下，粉粒劑可保存6年以上。應用時，針對不同的污染水

18、體、水質及其污水中污染因子和濃度情況，選擇降解性能有最佳優勢的微生物菌種群（分為A、B、C、D、E型等系列）及所需數量，將菌群復壯后，再投放到調節池內，便可吸收消化分解污水中的有機污染物及其他有害成份。污泥處理和中水回用的簡易流程如下：污水格柵調節池生物氧化池澄清池消毒清水生物氧化池的建造可以省去一般污水處理裝置中的SBR反應器、中間池、污泥濃縮缸、淤泥調質缸、二沉池、回流裝置和排蓄池等，同時，也省繳了排污費。如果按每小時100噸處理能力設計，基建投資約為700萬元，可節約投資30%，噸水處理成本2元多，節約50%；年最大運行成本為235萬元，減少了37%；少交排污費61萬元，節約了80%。經過綜合處理，石化污水的重新利用成為可能（如下表）項目處理前處理后污水pH9.846.80污水COD(mg/l)7000-15000200-1000污水揮發酚(mg