引言：焦化废水是煤焦化过程中产生的一种含有高浓度有害物质的废水，其中多环芳烃是主要污染物之一。这类物质具有高度的稳定性和毒性，对环境和人类健康构成严重威胁。传统的生物降解工艺在处理多环芳烃方面存在许多局限性，如适应性差、环境限制多和效率低。因此，研究和开发更高效的生物降解技术对于处理焦化废水、保护环境和促进可持续发展具有重要意义。本文旨在通过探讨焦化废水中多环芳烃的高效生物降解技术，为解决这一环境问题提供新的视角和策略。

一、焦化废水中的多环芳烃类型

焦化废水是在煤炭焦化过程中产生的一种复杂工业废水，其中含有多种有害化学物质，特别是多环芳烃（PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs）。多环芳烃是一类由两个或多个芳香环结构组成的化合物，具有高度的生物积累性和持久性。在焦化废水中，多环芳烃的类型多样，包括萘、苊、菲、荧蒽、芘等。这些化合物在环境中不易降解，能在水体中长期存在，对生态系统和人类健康构成严重威胁。多环芳烃在焦化废水中的浓度和种类受多种因素影响，包括原煤的性质、焦化工艺和废水处理技术等。其中，某些多环芳烃如苯并[a]芘被认为是强致癌物，其环境风险尤为突出。此外，这些多环芳烃在环境中的行为复杂，如可通过生物富集进入食物链，对生态系统造成长期影响。因此，了解焦化废水中多环芳烃的具体类型和特性，对于评估其环境风险、开发有效的去除方法以及制定相应的环境保护政策具有重要意义。这也是开展焦化废水处理技术研究的基础和前提，对于保护水体环境和公共健康具有重要的实际意义^[1]。

二、传统降解工艺存在问题

(一)适应性差

传统的生物降解工艺在处理焦化废水中的多环芳烃时面临适应性差的问题。这是因为多环芳烃结构的复杂性和稳定性使得许多常规微生物难以有效降解这些化合物。传统工艺通常依赖于特定类型的微生物，这些微生物对环境条件的适应性有限，如温度、pH值和营养物质的变化都可能影响其降解效率。此外，当废水中存在多种不同类型的多环芳烃时，寻找能同时高效处理所有这些化合物的微生物更是具有挑战性。因此，传统工艺在应对焦化废水中多环芳烃的多样性和复杂性时往往表现出适应性差。

(二)环境限制因素多

环境限制因素是影响传统生物降解工艺效率的另一个主要问题。焦化废水中不仅含有多环芳烃，还可能包含重金属、高盐分和其他有害化学物质，这些因素都可能抑制微生物的活性，限制其降解能力。例如，重金属的存在可能对微生物产生毒性作用，而高盐分则可能影响微生物的代谢过程。此外，废水中的高浓度有机物质和低溶解氧水平也是限制微生物生长和活性的关键因素。因此，传统的生物降解工艺需要在相对狭窄的环境条件下进行，这限制了其在实际应用中的广泛性和灵活性。

(三)效率低

传统生物降解工艺在处理焦化废水中的多环芳烃时通常效率低下。这主要是由于多环芳烃的化学稳定性和低生物可利用性。许多多环芳烃在自然条件下难以被微生物快速和完全降解，这导致生物降解过程缓慢，需要较长的处理时间。此外，由于缺乏有效的降解菌种和优化的工艺条件，传统方法在降解效率上往往不能满足工业应用的需求。这不仅增加了处理焦化废水的时间和成本，还可能导致未完全降解的多环芳烃排放到环境中，造成二次污染。因此，提高降解效率是传统生物降解工艺面临的重要挑战^[2]。

三、高效生物降解工艺研究

(一)优化降解菌

筛选自然环境中能够高效降解多环芳烃的微生物菌株是基础工作。这些微生物通常在自然界中已经适应了处理这类污染物的能力。通过实验室筛选和鉴定，可以发现具有高效降解特性的细菌或真菌。例如，某些细菌如假单胞菌和白色念珠菌被发现对特定的多环芳烃具有良好的降解能力。这些菌株在实验室条件下可以进一步培养和优化，以提高其对焦化废水中多环芳烃的降解效率。基因工程技术的应用为优化降解菌提供了更多可能性。通过基因编辑和转录调控，可以增强特定微生物的降解能力或扩大其降解谱。例如，通过转移特定的降解基因，可以构建出能够高效利用多环芳烃的微生物菌株。此外，基因工程还可以用于增强微生物对环境逆境的耐受性，如对重金属的抵抗能力，从而使其在复杂的工业废水环境中更稳定有效地工作。创建多菌种共生体系是另一种有效的策略。在自然环境中，不同微生物之间往往通过相互作用形成了复杂的共生关系。在焦化废水处理中，通过构建多菌种共生体系，可以利用不同菌株间的互补作用，提高整体降解效率。例如，某些菌株可能在降解多环芳烃的初级阶段表现出色，而另一些菌株则在后续的矿化阶段更有效。通过这样的组合，可以实现更全面和高效的降解。

(二)协同降解机理

协同降解的基本原理是，不同微生物菌株通过相互作用，共同参与废水中复杂有机物的降解过程。在这个过程中，一些微生物可能负责将复杂的有机物分解成较小的分子，而其他微生物则进一步将这些小分子转化为无害的物质。例如，某些菌株可能专门负责将多环芳烃分解为单环芳烃，而另一些菌株则能够将单环芳烃进一步氧化分解。这种分工和合作使得整个降解过程更为高效和彻底。协同降解的一个关键因素是微生物间的代谢相互作用。这些相互作用包括代谢产物的交换、共代谢作用以及生态位的互补。例如，某些微生物产生的代谢中间产物可能正是其他微生物的能量来源或生长因子。此外，共代谢作用可以使得一些微生物利用其他微生物的酶系统来降解原本无法利用的化合物。为了有效实施协同降解，研究者需要详细了解参与降解的各种微生物的生理特性和代谢路径。这包括对它们的生长条件、代谢产物和相互作用机制的研究。基于这些信息，可以设计出优化的微生物共生体系，以实现最佳的降解效果。此外，环境因素对协同降解也有重要影响。包括温度、pH值、氧气浓度和营养物质供应等环境条件都需要精心控制，以维持微生物共生体系的稳定性和高效性。例如，确保充足的氧气供应和适宜的温度范围可以促进好氧微生物的生长和活性。

(三)定向增效

营养物质的优化补充对于微生物的生长和活性至关重要。微生物在降解多环芳烃过程中需要足够的氮源、磷源和其他微量元素。通过在废水处理系统中添加适量的营养物质，可以有效促进微生物的增殖和代谢活性，从而加速多环芳烃的降解。例如，适当增加硝酸盐或磷酸盐的浓度，可以提高特定微生物群体的生长速度，加快污染物的去除。环境条件的精准控制也是提高降解效率的关键。微生物的代谢活动受温度、pH值、溶解氧水平等环境因素的影响。通过精确控制这些参数，可以为微生物降解活动创造最佳条件。例如，通过调节反应器的温度和通气量，可以确保微生物处于最适宜的代谢状态，从而提高其降解效率^[3]。生物刺激剂和表面活性剂的应用也是定向增效的有效手段。生物刺激剂如微量元素和维生素等可以直接刺激微生物的代谢活动，加速污染物的降解过程。同时，表面活性剂可以增加多环芳烃的溶解度和生物可利用性，使得微生物更容易摄取和转化这些化合物。例如，一些非离子表面活性剂被发现能有效提高某些多环芳烃的生物降解率。

结语

本研究对焦化废水中多环芳烃的高效生物降解技术进行了深入探讨。通过分析焦化废水中多环芳烃的类型和存在的挑战，本文揭示了传统降解工艺面临的问题，包括适应性差、环境限制因素多，以及低效率等。针对这些问题，本文提出了高效生物降解工艺的研究方向，重点包括优化降解菌、研究协同降解机理以及实施定向增效策略。这些新策略的应用不仅能够显著提升对焦化废水中多环芳烃的降解效率，也为环境保护和可持续发展提供了新的视角。

参考文献

[1]蒋丽娟.降解多环芳烃高效菌及生物活性炭的研制[D].武汉科技大学,2011.

[2]刘雪琴.基于高效复合降解菌系的生物活性炭技术深度处理焦化废水的研究[D].武汉科技大学,2014.

[3]伍凤姬,郭楚玲,党志.焦化废水活性污泥多环芳烃降解菌的筛选研究[C]//第十六次全国环境微生物学学术研讨会.0[2023-11-24].