生物技术在水质检测化验与污水处理中的应用探讨

郑孝卫

（河北缘和环境检测技术服务有限公司，河北 廊坊 065300）

1 生物技术在水质检测化验中的应用

1.1 PCR聚合酶链反应技术

PCR法全称为聚合酶链反应技术，通过放大、扩增特定DNA片段的方法来检测水质样本组分，在多种酶与DNA聚合酶参与下，分别把双链DNA变性解旋为单链、复性为双链，实现特定基因体外复制目的。在水质检测化验项目中，PCR技术有着特异性强、高灵敏度、样本纯度要求低、易于操作的优势，但所使用DNA聚合酶在高温条件下会逐渐丧失活性，需要在重复检测期间添加全新的DNA聚合酶，极大增加了水质检测化验成本[1]。

在应用PCR技术时，应注重反应准备、参数调控两项问题。第一，对于反应准备问题，在水质样本检测前，工作人员务必做好引物设计、DNA或RNA模板制备、缓冲液选用和酸碱度调节等前期准备工作；第二，对于参数调控问题，在PCR检测过程中，对引物延伸温度、退火温度、循环次数等参数进行实时调节，避免因参数失控而影响到检测结果，导致单链产物无法顺利退火形成双链。

1.2 FISH荧光原位杂交技术

FISH技术全称为荧光原位杂交技术，检测人员利用荧光显微镜、激光扫描仪、特异核酸探针等仪器设备，采集水体样本的荧光信号，根据信号分析结果，判断样本中细胞或细胞器的分布情况与形态。在水质检测化验项目中，FISH技术有着灵敏度高、快速获取检测结果、荧光信号强的优势，但在对低氨氮含量水样进行检测的实际效果并不理想，推荐使用其他生物检测技术。

在应用FISH技术时，重点关注熟悉操作步骤、假阳性/阴性检测两项问题。第一，对于操作步骤，检测人员要提前对荧光显微镜等仪器设备进行调试检查，根据靶子序列目标区域来选择探针种类；第二，关于假阳性与假阴性问题，假阳性成因包括错误选用探针种类、水样受到天然发荧光生物或是化学残留物干扰、错误使用培养基等；假阴性成因包括细胞rRNA含量未达到最低检测要求、细胞壁结构阻碍探针渗透等。对此，需要根据问题成因采取相应解决措施，如对水样进行预处理来增强探针渗透力。

1.3 基因芯片技术

基因芯片技术是水质检测化验项目中一项常用的菌种鉴定方法，也被称为DNA芯片。通过杂交测序手段，使用已知序列核酸探针，把探针分子固定在支持物上，并与标记的水质样品分子进行杂交，对所获取杂交信号进行处理，根据处理结果来判断分子数量与序列信息，掌握水质样本的细菌病原体种类。根据实际应用情况来看，基因芯片技术有着自动化程度高、同时检测多种细菌病原体的优势，但配套设备较为复杂。此外，在菌种鉴定场景外，基因芯片技术还可用于非生物因子检测、重金属检测、有毒污染物检测等多个场景，适用性较强[2]。

1.4 生物传感器技术

生物传感器是把微生物、核酸等较为敏感的生物材料作为识别元件，搭配使用压晶体、氧电极、信号放大等装置工具，在水样检测化验期间通过引起特定化学变化或是物理变化，再把识别元件表达信号转换至电信号，对电信号进行加工处理，以光学、压电等形式加以展示，实现对水样中菌体、重金属与亚硝酸等污染物浓度的测定。相比于化学法与物理法，生物传感器技术有着检测精度高、成本低廉、易于操作、试剂可重复使用、重现性好、专一性强的优势。一般情况下，检测人员在使用生物传感器来检验水样时，可以在1～10 min内获取检验结果，把相对误差保持在1%以内[3]。

在应用生物传感器技术时，注重传感器选型与稳定性控制两项问题。第一，关于传感器选型问题，要根据综合分析水质检测项目、被测位置、设备体积要求等因素来选择生物传感器的种类与型号款式；第二，关于稳定性控制问题，因生物传感器使用期间，受到自身结构与外部环境影响，传感器精度有所降低，需要定期对传感器性能指标进行校准，非必要情况下禁止频繁更换传感器使用环境，以此来维持高水准的检测精度。

1.5 藻类实验法

藻类植物对所处水体环境较为敏感，在水质恶化、水环境污染情况下，会对藻类植物的生长状态造成明显影响，污染严重时可能出现藻类植物数量明显减少甚至大面积死亡的现象。凭借藻类植物的生长天性，可以在水质检测化验项目中应用到藻类实验法。通过观察藻类植物生长情况与统计藻类数量，并采集水温、藻类品种等基本信息，直接判断水质质量与水环境污染程度，并根据生物量指数来初步测定水体中无机氮化合物等污染物的大体含量[4]。相比于其他生物检测技术，藻类实验法有着明显的局限性，包括无法准确判断水环境质量、依赖检测人员主观判断、藻类植物数量受水温等外界环境影响，但藻类实验法可以在极短时间内初步判断水环境质量与若干种类污染物含量，为后续水质检测化验工作的开展指明方向，可将其作为一种辅助检测技术。

2 生物技术在污水处理中的应用

2.1 活性污泥技术

活性污泥法属于一项好氧生物处理技术，负责去除待处理污水中分布的可生化有机物、悬浮固体、氮素、磷素等污染物，配置曝气池、回流装置、供氧装置等设施。在污水处理过程中，工作人员把待处理污水排入曝气池内，持续注入外部空气，在有氧条件下搅拌污水和活性污泥，分解污水中含有的有机污染物，搅拌一段时间后形成絮凝体并繁殖微生物群，有机污染物经过氧化分解后形成二氧化碳与水。随后，在污水曝气搅拌结束后，把所形成混合液排到沉淀池内，静置一段时间来分离下层污泥与上层水体，自池体底部排出污泥，部分污泥回流到曝气池内来补充微生物，将剩余污泥进行处理，并把上层水体向外排出，完成污水处理操作[5]。

在污水处理项目中，活性污泥法有着效果显著、流程简单、易于操作的优点，但也存在处理周期过长、对运行条件较为敏感与设施占地面积大的局限性。对此，可以从把控运行条件、应用新型技术两方面着手。第一，在把控运行条件方面，在污水处理期间持续观察曝气池和二沉池设施的内部情况，对比实时监测量与参数额定值，在参数出现明显偏差时，对水温、活性污泥量、溶解氧等参数进行调整，如调节水温和排除/回流剩余污泥；第二，在应用新型技术方面，可以选用A/O工艺，先后对污水进行脱氮、除磷处理。脱氮处理是把污水排入缺氧池和好氧池内进行反硝化与氧化反应，在反应期间获取氮气、亚硝酸盐等成分，预处理后把混合液排入缺氧池进行脱氮反应。除磷处理是把待处理污水排入厌氧和好氧池内，分别在低氧与富氧条件下降解有机物与形成富磷污泥，去除污水中含有的磷元素。

2.2 生物膜法

生物膜法是在惰性滤料层表面附着微生物群，随着时间的推移，微生物持续繁殖分化并分泌多糖基质，形成一层完全包裹微生物群落的聚集膜状物，形成生物膜，本质上属于一类具备选择性的通透屏障，在稳定供氧前提条件下，控制待处理污水保持匀速状态流经生物膜，由生物膜拦截、吸附污水中含有的有机污染物，经过溶解氧分解后形成二氧化碳等无机物，按照相反方向排放到空气当中，由此实现降低污水有机物含量的处理目的。在污水处理项目中，生物膜法有着供氧条件充分、污水处理量大、处理效果不受气温等条件影响、污泥产量少的显著优势。

此外，生物膜法由BAF、淹没生物滤池等多项技术组成，适用范围、系统结构与污水处理效果有所不同，需要根据污水处理目的及要求来选择具体的处理技术。以BAF技术为例，全称为曝气生物滤池法，系统由水解反应器、脱硫沉淀池、格栅、曝气滤池等设施组成，有着占地面积小、成本低廉的优势。在污水处理过程中，经由粗细格栅来截留污水中的大体积固体污染物，简单过滤后的污水排入脱硫沉淀池内来滤除砂砾与悬浮物，再排入水解池内降解有机污染物。最后把污水先后排入C/N曝气池、N曝气池中加以反冲吸水处理，处理后经过消毒杀菌即可，并把污水处理期间生成的少量污泥加工成泥饼。

2.3 微生物絮凝技术

微生物絮凝法是在待处理污水中投入适量的高分子物质，把细菌、酵母菌等作为微生物絮凝剂，以纤维素、糖蛋白等作为絮凝剂主要成分，凭借微生物表面带电荷与优异亲水性的特性，在微生物絮凝剂与污水充分接触时，与污水中分布的颗粒物进行絮凝反应，并在一段时间后捞出污水中的絮凝物，实现污水处理目的。此项技术有着重金属处理效果显著、絮凝剂安全无毒、不会造成水体二次污染的优势，但多数微生物絮凝剂的使用成本较为高昂，还面临保存困难的问题，如果没有在微生物絮凝剂制作完毕后一段时间内投入使用，可能出现絮凝剂失效的情况[6]。

在污水处理项目中，重点关注絮凝剂用量、反应条件控制两项问题。第一，对于絮凝剂用量，分析水质组分、污水处理要求因素，将其作为絮凝剂品种选用和用量设置的参照；第二，对于反应条件，根据污水实际处理情况来计算最佳的絮凝池流速，如果流速过低会影响微小颗粒碰撞效果和延缓絮体凝聚速度，在流速过高时容易剪断吸附桥架和打碎已成形絮体。一般情况下，要在絮凝剂投放前期保持较高的搅拌速度和絮凝池流速，在絮体凝聚成形后放缓流速、减小速度梯度。

2.4 微生物吸附技术

微生物吸附法是在待处理污水中投放活性炭、生物沸石等材料为载体，在载体上繁殖生长微生物，微生物持续降解污水中含有的污染物，由细胞壁组分和氨基、硫酸脂基等化学基团产生相互作用，持续把水体中的污染物吸附到细胞表面，在活性炭等多孔性固体表面吸附污水中的悬浮物等几种污染物，以及在细胞膜内透过金属离子，将其吸附在液泡等区域。随后，在多孔性固体材料投入一段时间后取出，即可完成污水处理任务，也可重复上述操作增加微生物吸附次数，以此来改善污水处理效果。

在应用微生物吸附技术时，需要根据污水组分和处理要求来选择吸附剂种类和设定吸附时间。第一，对于吸附剂选用问题，在以去除污水中所含细菌、氨氮、高锰酸钾盐等污染物作为处理目标时，优先选用生物活性炭。而在以去除污水中含磷物质作为处理目标处理富营养化水体时，则选用孔隙度更高、比表面积更大的生物沸石作为吸附剂；第二，对于吸附时间设定问题，一般情况下的吸附时间控制在2～4 h以内，如果以去除重金属离子作为处理目的，需要适当延长微生物吸附时间。

2.5 生物修复技术

早期处理工艺选择把污水排入处理厂内进行处理，处理后的污水排放到周边河流水域当中或是用作中水，污水处理成本高昂，加大了市政污水管网运行负担。对此，需要应用生物修复技术，直接修复、净化受污严重的水环境，以此来降低污水处理成本，实现污水大面积处理目标。例如，可选用水生植物修复技术，在城市水环境、河流水域中种植适当品种的水生植物，在植物生长期间，持续摄入水体中的营养物质，以此来抑制水体富营养化程度，并在植物根系部位吸附水体中漂浮的固体颗粒物。

2.6 生物除磷技术

针对水体富营养化问题，需要应用生物除磷法。在污水中投放适量的聚磷菌，在厌氧条件下，聚磷菌与污水充分混合后持续释放聚合磷酸盐，并在好氧条件下吸收污水中含有的磷元素，将其转化为聚合磷酸盐后形成生物污泥，把磷元素由水体转移到生物污泥内，再经过沉淀处理后分离泥水，极大降低了所排水体的磷含量，实现污水除磷处理目的。相比于常规的活性污泥法，生物除磷法可以更为高效地去除污水中所含磷元素，还可以同步去除重金属离子、悬浮物、氨氮等其他种类污染物。

在生物除磷法应用期间，污水处理效果受到运行条件的明显影响，包括温度、厌氧池DO、泥龄等，工作人员必须根据已掌握信息来制定科学的生物除磷处理方案，准确计算各项运行参数的最佳值，在处理期间持续监测、调整参数值。例如，针对运行温度，一般情况下把温度控制在10 ℃及以上，如果温度过低，会延缓聚磷菌生长速度。而针对泥龄，优先使用小泥龄污泥，采取加大剩余污泥排放量、使用低龄期污泥的方式，可以明显提高污水处理过程中的实际除磷量。

3 结语

综上所述，为切实满足日益提高的水质检测化验要求，更为高效、便捷地处理污水，推进水生态环境的持续改善，检测单位与从业人员务必加大对生物技术的重视程度，根据项目要求，选择适当的生物检测技术和生物处理技术，掌握技术操作要点，为水质检测化验结果、污水处理效果提供技术保障。