关键词 ：制药废水 ；生物处理 ；有效性 ；工程菌株 ；信息软件

                   0 引言

                    XZEH 公司通过化学合成生产神经调节药物，废水中含有有机氯等苯环与杂环化等有机污染物，其中持久性有机污染物 POPs 和环境激素 EH 类污染物 16 种以上。它们不易被土著微生物快速降解，对人类具有分子遗传毒性，可致癌，降低精子数量和质量，对环境具有潜在的分子生态毒性，可破坏生物多样性。

                       废水生物处理需要信息技术是不争的事实。它最早建于 20 世纪 80 年代的发达国家，用于生活污水的生物处理。通过 24 h 在线测量和控制，处理系统的运行始终处于优化状态。然而，POPs 特殊废水生物处理技术的有效性和信息化研究仍然是国际上的热点。由于POPs 种类繁多，需要不同功能的特殊菌株，降解过程的参数和环境条件也不同，因此生活污水处理通用信息系统不能应用于 POPs 废水处理。XZHE 公司采用焚烧法处理制药废水中主要的 POPs。此外，采用生物法处理不适合焚烧的 POPs 废水，并添加生活污水作为营养源。本研究针对原生物法不能达到国家一级排放标准的问题，从工程菌株 Xhhh 和信息学软件 Ebis 两个方面研究了如何提高制药废水处理生物技术的有效性。

                       为了制药废水处理技术的有效性，需要有能够高效降解 POPs 的特定菌株。本研究使用的特异性菌株为 Xhhh 工程菌株，由三种亲本微生物原生质体融合而成。亲本菌株 1 为土著菌 XZ，来源于制药废水处理系统，适应性强 ；亲本菌株 2 为黄孢原毛平革菌 PC，含有 mnp 等功能基因，具有高效降解几乎所有 POPs 的优越性能 ；亲本菌株 3 为酿酒酵母真菌 SC，含有 FLO1等絮凝功能基因，絮凝性能高。融合三个亲本原生质体的目的是构建一个高适应性、高降解性、高絮凝性的制药废水处理专用菌株 Xhhh。

                       Xhhh 细胞含有来自亲本的 mnp、FLO1 等功能基因，这些分子遗传物质是提高污水处理生物技术有效性的内在条件。但如果没有理想的外界条件，功能基因仍然无法表达，工程菌株无法发挥其降解污染物的特异性能。因此，本研究应用专用环境生物技术信息软件 Ebis，对制药废水处理的工艺环境条件进行了优化分析。

                           1 材料与方法

                          1.1 材料

                       （1）微生物菌株 ：土著细菌 XZ、黄胞原毛平革菌PC、酿酒酵母 SC、工程菌株 Xhhh ；（2）培养基 ：普通真菌培养基、普通细菌培养基。

                        1.2 方法

                       （1）菌株细胞 SEM 形态鉴定 ：第一步 ：收集细胞样品，用 0.2μm 聚碳酸酯膜过滤收集菌体细胞；第二步：细胞化学固定；第三步：细胞金属固定：细胞镀钯合金；第四步 ：扫描电子显微镜（SEM）测定。（2）原有制药废水处理工艺流程 ：常规活性污泥法。（3）制药废水与水质测定。废水样品 ：采自合成制药废水处理工程的调节池，由生活污水稀释 ：COD、BOD、生物量/ MLSS、TSS 测定：参照“美国水和废水标准检测法”；总氮（TN）、总磷（TP）测定：采用过硫酸盐氧化法；金属元素测定：采用直读光谱法。

                       2 结果与讨论

                       2.1 工程菌株 Xhhh 细胞 SEM 形态

                        由三种亲本微生物原生质体融合构建的工程菌株 Xhhh 具有双抗体和分子遗传稳定性的生化特性。构建 Xhhh 有两步 ：第一步 ：融合亲株 XZ 和亲株 PC，获得双亲株杂种细胞 Xhh(Xhh=XZ+PC) ；第二步 ：融合 Xhh 和亲株 SC，获得三亲株杂种细胞Xhhh(Xhhh=Xhh+SC)。

                            扫描电镜显示了相同培养条件下五种菌株的扫描电镜形态。Xhh 具有菌丝和孢子的繁殖特性，这是由 PC遗传特性在 Xhh 中的优势地位造成的。而 Xhh 的菌丝和孢子不像 PC 那样均匀饱满，也不像 XZ 那样是规则的短杆状细胞。Xhh 中没有明显的菌丝和孢子，这是由于亲本 SC 遗传特性在 Xhhh 中占主导地位。而 Xhhh没有 SC 那样均匀饱满的卵圆细胞。经过分析可得出以下结论：细胞体积的大小排序是：SC 细胞＞ Xhhh 细胞＞ XZ 细胞 ；孢子体积的大小排序是 ：PC 孢子＞ Xhh 孢子。Xhhh 的细胞体积是土著细菌 XZ 的 16 倍，是 PC 孢子的 91%，是 SC 的 18%。

                         2.2 降解制药废水的动力学参数测定

                         制药废水中有机污染物降解动力学参数的确定，是为了掌握微生物菌株降解性能相关因子 -9 之间的定量关系，也是考察降解性能相关条件之间关系的信息源。用 Monod 法测定了各菌株的 6 个动力学参数。每株菌分为 5 组，每组 CODcr 初始浓度不同，降解反应均为6 h。测量结果如表 1 所示。从表 1 可以看出 ：最大比降解率可作为判断降解性能高低的参数，其排序是 PC＞ Xhhh ＞ xz ＞ SC ；最大比增长率可作为判断适应性能高低的参数，其排序是 ：Xhhh ＞ XZ ＞ PC ＞ SC。十分明显，Xhhh 在降解性能和适应性能 2 个方面具有综合潜力，高于任一亲株。

                          2.3 应用 Ebis 软件优化处理工艺

                          将制药废水水质的自然参数值（表 1）；降解制药废水动力学参数值 ；原有制药废水处理工艺参数值 ；国家规定的一级排放标准参数值（GB 8978—1996）；瞬时变量参数值 ；决策变量等 6 类参数值，输入 Ebis 信息软件。

                             （1）比较分析原有工艺中 XZ 实际不达标与假设达标的参数水平。“XZ 不达标”列，是原有工艺的实际处理出水 Se(CODcr=0.135 kg/m3) 不能达到国家一级排放标准时的系列参数值．国家一级排放标准 CODcr=0.100kg/m3。“XZ 达标”列，是指假设原有工艺运行处理出水 Se 的 CODcrr 如果为 0.025 kg/m3，达到了国家一级排放标准时的系列参数推算值．无论“XZ 不达标”还是“XZ 不达标”的计算，均是以常规的活性污泥法工艺为基础，不是优化的活性污泥法。比较“XZ 不达标”与“XZ 不达标”2 列的系列参数值可以看出，在 Qo、So、Xe、X、Kd、Xr、Qr、Xs、Qs、YT、μ 和 q 共12 项参数不变的前提下，当出水 Se 由 0.135 kg/m3 降为0.025 kg/m3 达标排放时，将引起其它 7 项参数值的变化。其中曝气反应池体积 V 是作为比较分析的标志性参数。如果要达标排放，原有工程曝气反应池体积 V 应该由实际的 556 m3 增加到 776 rn3，即需要增加 28％。

                            （2）比较分析优化工艺中的 Xhhh 与 XZ 系列参数。在处理工艺经过 Ebis 软件优化的前提下，菌株Xhhh 与 XZ 的 2 项废水自然参数值相同 (Qo、So) 和 2项排放指标均达到一级标准 (Se、Xe)．其余的 16 项参数值均不相同。计算结果见“Xhhh 优化”和“XZ 优化”2 列，现分析如下 ：在均为优化与达标排放的前提下，Xhhh 需要的最小曝气池体积 Vmin 为 382 m3，比XZ 低 29% ；比降解率 q 为 0.222 d-1，比 XZ 高出 57%。Xhhh 比 XZ 具有高效降解性能和节约曝气池体积的双重优势。在同为达标排放的前提下，①“XZ 优化”系统所需的最小曝气反应池体积 Vmin 为 535 m3，比“XZ达标”的非优化常规系统低 31% ；②“Xhhh 优化”系统所需的最小曝气反应池体积为 382 m3，比“XZ 达标”的非优化常规系统低 51%。

                           综上所述，解决原项目处理出水不合格的方法有三种 ：第一，如果采用 XZ 菌株非优化的原常规活性污泥工艺，需要将原曝气池容积从 556 m3 扩大到776 m3，使处理出水达标排放 ；其次，如果采用 XZ 菌株加优化活性污泥法，所需曝气池容积为 535 m3，接近原来的 556 m3，不需要增加曝气池容积，但必须增加优化信息系统，使处理后的出水达标排放。第三，如果采用 Xhhh 菌株加优化活性污泥法，所需曝气池容积为382 m3，处理后的出水可达标排放。原有 556 m3 曝气池的 31% 可作为达标处理的保险空间。

显然，第三种方法既应用了特效菌株 Xhhh 的优势，也应用了 Rbis 软件优化的信息学优势，因此最具优势和可行性。在第三种方法中，Xhhh 的比分解率 (q) 为0.2222 d-1，为非优化状态下的 XZ 的 228%，即 Xhhh的生物负载率为非优化状态下的 XZ228%。

                        3 结语

                      （1）工程菌株 Xhhh 的扫描电镜形态和降解制药废水的动力学参数不同于任何亲本微生物。

                      （2）工程菌株 Xhhh 优化系统的生物负荷效率 q 为原工程非优化天然菌株 XZ 的 228%。 

                      （3）工程菌株 Xhhh 优化系统所需的曝气池容积比非优化状态下的天然菌株 XZ 低 51%。 

                      （4）Xhhh 工程菌株及其优化系统是制药废水处理达标排放最有前景的技术方案。

                         原标题：制药废水处理生物技术的有效性

                         原作者：卢艳洁