水質(zhì)總硬度過(guò)高是水處理領(lǐng)域的常見問(wèn)題。傳統(tǒng)軟水方法主要包括離子交換法、化學(xué)沉淀法和膜分離技術(shù)。盡管上述方法技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但普遍存在運(yùn)行成本較高、化學(xué)藥劑消耗量大、產(chǎn)生含鹽廢水及高能耗等缺陷。近年來(lái)，隨著生物技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，利用微生物的作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)軟化的生物處理法，因其綠色、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。

微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀

微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀是生物法降低水質(zhì)總硬度的核心技術(shù)機(jī)制。其原理并不復(fù)雜：特定微生物在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，通過(guò)脲酶水解、反硝化作用或碳酸酐酶催化等方式，改變水體微環(huán)境，促使碳酸根離子與水體中的鈣離子、鎂離子結(jié)合，生成不溶性的碳酸鈣或碳酸鎂沉淀，從而實(shí)現(xiàn)硬度離子的去除。

在自然界中，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀是一種普遍存在的生物礦化現(xiàn)象，廣泛分布于土壤、海洋環(huán)境、沉積巖、溫泉及洞穴等生態(tài)系統(tǒng)中。研究人員正是借鑒這一自然機(jī)制，篩選馴化具有高效礦化能力的功能菌株，將其應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。微生物礦化產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀具有微觀結(jié)構(gòu)特殊、反應(yīng)速度和反應(yīng)量可控等特征，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了可行性基礎(chǔ)。

主要生物軟化方法與典型菌株

當(dāng)前工程化應(yīng)用及科研實(shí)踐中，生物軟化方法主要呈現(xiàn)為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀與同步生物處理相耦合的技術(shù)路線。

在利用單一菌株直接除硬方面，脲酶型細(xì)菌是研究最為深入的一類。例如，金黃色葡萄球菌J3在高鹽度采出水中可實(shí)現(xiàn)95%以上的鈣離子去除率，同時(shí)同步去除有機(jī)污染物和多種重金屬。不動(dòng)桿菌H36和CN86則展現(xiàn)出同步反硝化和生物礦化的雙重功能——在適宜的條件下，菌株H36對(duì)硬度的去除率可達(dá)78.59%，而CN86在pH值9.0、有機(jī)物濃度2.0 g/L、溫度30℃時(shí)，對(duì)硬度的去除率可達(dá)最優(yōu)水平。地衣芽孢桿菌在液體培養(yǎng)基中也能夠誘導(dǎo)生成碳酸鹽礦物，將鈣鎂離子轉(zhuǎn)化為碳酸鹽沉淀實(shí)現(xiàn)水體軟化。

在綠色生物處理工藝方面，一種基于生物礦化的飲用水同步凈化技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。其核心路徑是在復(fù)配除鐵錳填料上接種特種微生物，并耦合改良型誘晶軟化技術(shù)，在單一凈化裝置內(nèi)同步去除總硬度、鐵、錳和氨氮，且除軟化藥劑外不需添加任何水處理材料，廢水產(chǎn)率僅為常規(guī)工藝的十分之一。

此外，對(duì)于極端環(huán)境下的水體軟化也有針對(duì)性的研究。從鹽場(chǎng)分離得到的鹽弧菌HMY2在10%鹽濃度下可有效脫除高鹽硬水中的鈣離子，該菌株已于2021年4月保藏于中國(guó)普通微生物菌種保藏中心，其形成的碳酸鈣沉淀還可作為建筑材料資源回收利用。嗜鹽水芽孢桿菌則可將鉆井泥漿中19100 ppm硬度處理后降低約80%，大幅減少了對(duì)燒堿等化學(xué)添加劑的依賴。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與綜合效益

相較于傳統(tǒng)軟化方法，生物法展現(xiàn)出了顯著的環(huán)保與成本優(yōu)勢(shì)。微生物礦化技術(shù)本身具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約、環(huán)境友好的特點(diǎn)，代謝過(guò)程多在常溫常壓下進(jìn)行，能耗顯著低于膜分離技術(shù)。在藥劑投加量方面，以嗜鹽水芽孢桿菌為例，其介入可使傳統(tǒng)處理方法所需的化學(xué)藥劑材料消耗減少約80%，大幅降低了運(yùn)行成本。

生物礦化過(guò)程中的碳酸鹽沉淀可以同步吸附和固定水體中的重金屬離子及有機(jī)污染物。在油田采出水的處理試驗(yàn)中，微生物礦化對(duì)砷、錳、銅、鋇的去除效率分別達(dá)到100%、100%、94%和71%。這一特點(diǎn)使得生物軟化技術(shù)具備了“一石多鳥”的綜合凈化能力。

此外，凈化過(guò)程廢水產(chǎn)率可控制在0.5%以內(nèi)，僅為常規(guī)凈化工藝廢水產(chǎn)率的十分之一。對(duì)于工業(yè)廢水處理而言，這意味著更低的二次污染風(fēng)險(xiǎn)和更少的廢水處置負(fù)擔(dān)。