关于生物法污染治理的生物强化技术研究进展

　　随着现代合成工业的发展，大量具有结构复杂性和生物陌生性的异生化合物( Xenobiotics) 进入环境中。这些物质基本都是属于生物难降解化学物质，很难在短时间内被微生物利用而进入物质循环。对这些污染物质的治理，给传统的生物处理技术带来极大挑战。为了提高对这类污染物质的去除率，现已开发出一系列生物处理新技术，生物强化技术也由此应运而生。生物强化技术产生于20 世纪70 年代中期，20 世纪80 年代以来在污染土壤与污染海洋的修复，工业废水、地表水及地下水中难降解有毒有害物质的治理，以及城市污水的处理中得到了广泛的研究和应用，并实现了污染物的高效生物降解。
　　1 生物强化技术概述
　　生物强化技术即生物增强技术( Bioaugmentation)，又称生物增效技术，是为了提高生物处理系统的处理能力，而向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因工程产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质的方法。
　　生物强化技术产生初期是因为一些废水处理厂的突发事故，如菌体大量死亡、有毒有害物质泄露等致使废水经处理后达不到排放标准，于是必须直接投加高效菌种强化处理过程以改善出水水质，并使废水处理系统恢复正常。一般的生物治理技术对于浓度较高、易于生物降解的废水中的污染物的去除效率高。但是，当废水中含有对微生物有毒物质时，这些有毒物质会对系统中的治污功能菌起到毒害作用，使得功能微生物的降解污染物的速率下降甚至自身死亡，从而导致处理效果恶化。对于难处理的废水，用一般生物方法处理，通常存在污染物降解速率较慢、治污功能菌需要一段较长的时间来适应的问题，同时在外界环境条件较苛刻，如温度、pH 较低时，治污功能菌的代谢活性会显著降低，而使用生物强化技术恰好能够弥补这些不足，其通过投加优势功能菌种可迅速有效降解目标污染物。总而言之，由于具有成本低廉、操作简单、效率较高等技术优势，生物强化技术在生物法污染治理领域逐步得到了推广应用并取得了显著的效果。
　　本文主要结合废水、废气的相关研究，就生物法污染治理的生物强化技术研究进展及其典型应用实例进行论述。
　　2 生物强化法降解理论
　　废水净化方面。废水中生物强化处理的关键任务是基质的去除，而微生物的生长是基质去除的结果。在Monod 生长模型中，最重要的参数是max与Ks，它们取决于两大因素，一是微生物种群特性，二是基质特性。
　　另外，Cap deville建立的生物膜生长动力学模型，因考虑到活性生物量和非活性物质之间的相互作用及影响，具有普遍意义。此外，还有一级反应的动力学模型、指数增长模型、逻辑方程等，它们都各具特色。
　　生物法废气净化传质机理目前主要有两种理论解释: 一种是国际上普遍认同的荷兰学者Ottengraff依据传统的双膜理论提出的吸收生物膜理论，该理论是以生物滤池为研究对象而建立的，不适合用来描述生物吸附和生物滴滤工艺处理废气过程的反应机理; 孙珮石等针对低浓度挥发性有机废气提出吸附理论，他们经过试验，表明吸附生物膜理论及其动力学模型对于描述生物膜填料塔对低浓度甲苯、苯乙烯、NOx 等4 种气态污染物的净化过程具有良好的适用性。
　　3 生物强化法净化效率的影响因素
　　3. 1 填料
　　目前国内外使用的生物填料大致可以分为三大类: ①定型固定式填料，主要是蜂窝类填料; ②悬挂式填料，如软性填料、半软性填料、弹性立体填料、组合型填料等; ③堆积式、悬浮式填料，即分散式填料，如鲍尔环、阶梯环、空心球、悬浮粒陶粒等。
　　在选择一种合适的填料时，主要考虑: 比表面积、密度、孔隙率、pH 值、持水能力、缓冲能力等。填料的比表面积和孔隙率除了直接影响单位体积填充层上的生物量，还直接影响整个滤床的阻力和是否易堵塞等问题，而最关键的因素还是成本问题。开发高性价比、高传质速度、高生物膜量、高降解能力的多孔载体和组合填料，是未来发展的趋势。
　　3. 2 主要工艺操作参数
　　3. 2. 1 微生物菌种
　　微生物是生物强化法处理废水、废气的主要实现者，能降解污染物成分的微生物很多，主要有细菌、真菌和放线菌。在微生物菌种方面，投菌量是生物强化技术的重要影响因素，随着投菌量的增加一般增强效果会提高，但菌量投加过大，成本就会升高。投菌方式也是影响净化效率的关键因素。如何选择优势菌种，驯化获得高效降解微生物已成为当前生物法处理工业废气研究的热点。
　　3. 2. 2 营养物质
　　微生物的生长需要一定比例的营养物质，这些营养物质主要包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子。生物强化处理系统中，需要调节废水和废气中微生物营养物质的比例来缩短挂膜时间，增强微生物的活性，提升净化效果。
　　此外，废水的水质、曝气量、曝气方式、水力停留时间，废气的各污染物入口气体浓度、气体流量、液体喷淋量及其pH 值，反应器工艺类型、污染场地、滤出液pH 值、生物安全性检测、活性检测、效果评价和可行验证等都是净化效率的影响因素。在生物强化法处理废水、废气的工程实践中，很多影响因素都是相互关联制约的，对上述因素进行全面地了解还需要深入探索研究。
　　4 生物强化技术的研究进展与应用实例
　　4. 1 直接投加高效降解微生物或共代谢基质类物质的强化技术
　　直接投加高效降解微生物技术是生物强化技术应用领域中最为普遍的方式之一。其通过驯化、筛选、诱变、基因重组等技术，得到以目标污染物为唯一碳源和能源的微生物。通过向处理系统中投入这些高效降解微生物，即可实现对目标污染物的高效去除。这些被投入到废水中的高效降解微生物，有些以游离的状态存在，有些可以附着在载体上，以高效生物膜的形式存在。
　　投加微生物共代谢基质及辅助营养物质的技术主要的针对目标是一些难降解的有机物。微生物无法直接将这些难降解的有机物作为碳源及能源用于生长，而是以甲烷、丙烷、甲苯、酚、氨和二氯苯氧基乙酸等为原始底物，对这些底物进行降解以获取生长所需能量。微生物降解后产生的氧化酶可以改变目标污染物的结构，从而实现对目标污染物的降解。作为基质类物质，应考虑毒性相对较低、价格低廉且多种用途等因素。有研究表明，在生物强化的同时添加一些无毒害作用的营养物质( 如乳酸、甲酸、乙酸等) 可以大大提高生物强化的效果。但是对于生物的共代谢作用机理的研究，目前尚未见报道，还需深入研究。
　　姚力等研究了好氧反硝化菌强化序批式活性污泥反应器( SBR1)处理生活污水的性能，同时以只接种相同量普通活性污泥的序批式活性污泥反应器( SBR2) 作为对照，结果表明: 在反应器的启动阶段，SBR1 对COD 和TN 的平均去除率明显好于SBR2，好氧反硝化菌能在反应器中大量繁殖，其新陈代谢消耗大量的有机物，并高效除氮; 当C /N 为4  1 ( 质量比，下同) 和6  1 时，SBRl 对COD 和TN 的去除率明显高于SBR2; 当C/N为8 1 时，SBRl 对COD 和TN 的去除效果达到最好，对两者的平均去除率分别达到85. 31%和61. 14%; 当C/N 为10 1 和12 1 时，两反应器对废水COD 去除效果的差距缩小，但SBR1 对TN 的平均去除率分别为58. 98%和51. 64%，明显高于SBR2。在整个不同C/N运行状况下，SBRl 的出水NH+4 - N 基本在0. 5mg /L以下，去除率均接近100%。张雨山将4 株耐盐净污菌引入到循环式活性污泥法( CAST) 反应器中，构成了新型的生物强化CAST含盐废水处理系统。研究发现:CAST 系统中接种耐盐净污菌可达到在强化活性污泥对含盐废水适应性的同时提高生物处理效果的目的。经过耐盐净污菌强化后的CAST 系统对含盐废水的处理效果明显优于未经强化的生物处理系统，其对COD 的去除率达到90%以上，提高了20%左右。生物强化CAST 也具有一定的脱氮除磷能力，其对氨氮的去除率为95% 左右，对总氮的去除率为65%左右，对总磷的去除率在30%   75%。，在投菌前， 出水CODCr和氨氮分别高达210mg /L、48mg /L; 经高效菌种强化后，CODCr先升高随后降至162mg /L，氨氮则降至15mg /L 以http: / /hjkxdk. yies. org. cn 生物法污染治理的生物强化技术研究进展姜阅下。高效菌的投加，明显加快了生物脱氮系统的启动，缩短了启动期。某制药厂从其废水处理系统中分离筛选得到两株具有高效COD 去除能力的菌株，命名为LX - 2 和LX - 10，以制药生产废水为培养基于35 、120 r /min 培养，测定其COD 降解能力。结果表明菌株LX - 2 和LX - 10 具有较好的COD 去除能力，COD 去除率分别为83. 8% 和81. 2%，混合菌株对COD 的去除效果明显优于单株菌株，其COD 去除率达到92. 4%，投加高效混合菌的活性污泥对COD 的去除率提高了15%，强化系统显示出了明显的优势。
　　毛永杨等以生物膜填料塔为反应器，分别考察了外加乙酸钠、葡萄糖、酒石酸钾钠、甲醇等4 种低分子有机碳源对烟气同时脱硫脱氮效率的影响。实验研究结果表明，外加乙酸钠的脱氮效果最佳，对NOx 的平均去除率为62. 05%; 外加葡萄糖、酒石酸钾钠、甲醇时的NOx 平均去除率分别为51. 03%、46. 98%、58. 71%。乙酸钠、酒石酸钾钠、甲醇均能使SO2的去除率达到100%，葡萄糖显著降低了SO2的去除率。乙酸钠是生物膜填料塔烟气同时脱硫脱氮技术中适宜的外加碳源。实验是为微生物创造必要的生存条件，实现对其生物活性的增强，进而达到对污染物的高效去除的目的。该法体现了烟气污染的治理趋势，是一种很有前景的生物强化技术。
　　4. 2 固定化生物强化技术
　　直接投菌法虽然简单易行，但是所投加的高效微生物容易流失，导致其不能成为水体中的优势菌种。而采用固定化生物强化技术，可以增强菌体的竞争性及抗毒性能力，减少菌种被原生动物捕食的机率。
　　固定化生物技术是将单一或混合的优势菌株固定封闭在特定的载体上，使菌体脱落少、活性高，从而提高优势菌株的浓度，增加其在生物处理器中的存留时间的一种方法。固定化生物强化技术目前分为3 种: 包埋法、交联法和吸附法。包埋法是通过凝胶作用，将微生物包埋至载体材料的内部的一种方法。由于其操作简单、对细胞活性影响小、固定化细胞强度高，是应用最广泛的固定化方法。交联法是通过交联反应，使固定化载体与微生物细胞相互连接，形成密致的网状结构从而达到固定化的目的。吸附法是通过物理吸附或离子结合的作用，将微生物固定于有吸附特性载体的内部和表面，随着吸附量的不断增加以及微生物自身的生长繁殖，吸附性材料表面逐渐形成生物膜，从而实现固定化生物强化。目前国内外学者利用固定化技术与废水生物处理技术相结合的方法，研发出了多种固定化生物强化工艺，例如固定床工艺、流化床工艺、曝气生物滤池工艺以及SBBR 工艺等。
　　孙移鹿向SBR 强化系统中投加经菌丝球固定化后的好氧反硝化菌T13，考察固定化生物强化技术对反应器处理效能的影响。结果表明，投加固定化好氧反硝化菌T13 后的SBR 中，可以实现较稳定的好氧反硝化作用，在有氧条件下，其对TN的平均去除率可达49. 81%，最佳脱除TN 条件为C /N = 7、pH = 7、DO = 2mg /L; 以O/A 方式运行SBR，经固定化生物强化后，在保持较高COD 和氨氮去除率的基础上，对TN 的平均去除率提高了22%，约为77%。
　　张文东等选用聚乙烯醇( PVA) 、海藻酸钠( SA) 和河沙作为包埋固定化复合菌的载体，制备成包埋固定化复合菌小球来处理养猪废水。实验结果表明，经包埋固定化后的高效降解复合菌小球具有保持活性高、微生物浓度高、对环境条件的适应范围更广等特点，这就解决了直接投加菌体或菌液造成的微生物流失和对环境变化适应性小的问题。
　　冯娟娟等采用SBR 反应器，以腈纶、焦化和校园生活污水为处理对象，对比分析了富铁多孔复合填料与有机多孔载体的生物强化作用效果。结果表明，在同等条件下，富铁多孔复合填料要比有机多孔载体的生物强化作用显著: 可使腈纶废水处理后出水的COD 和氨氮降低50mg /L 左右; 对焦化废水中COD 和氨氮的去除率分别提高6% 和13%左右; 显著提高了对高浓度生活污水中COD和TN 的去除效果，同时对磷的去除率提高约58%。利用铁细菌在氧化铁离子过程中产生的强氧化作用，可大大提高生化处理效果。
　　张明霞等为了研究温度对固定化微生物系统中微生物特性的影响，将微生物固定化技术与SBR 工艺相结合，开发出IMO - SBR 生物强化工艺处理含氮废水。通过IMO - SBR 和普通活性污泥SBR 废水处理对比试验，研究了温度对固定化微生物系统及游离微生物系统中微生物活性、脱氮效果的影响。比较了2 种系统、3 个反应器(1#内装驯化好的普通活性污泥，形成普通悬浮污泥SBR。2#装填结合型载体及与l# 等量的活性污泥，形成载体结合法IMOSBR。3#内装填采用包埋法制作的含与l#、2#等量污泥的凝胶小球，形成包埋法IMOSBR。3 个装置处理水量相同，且同步运行) 之间的差别，结果表明: 温度对微生物脱氮效果影响较大，固定化微生物系统较游离微生物系统具有更强的温度耐受性。
　　孙珮石利用以生物膜形式固定在多孔填料表面的固定化生物强化技术，采用液相催化- 生物法，对同时脱除烟气中SO2和NOx 进行了实验研究。结果表明，采用经专用菌种挂膜制作的生物膜填料塔能够实现对烟气中SO2和NOx的同时去除，在循环液中添加金属离子催化剂可以显著地提高同时脱除烟气中SO2、NOx 的能力。在最佳条件下操作，生物膜填料塔对烟气中的SO2、NOx 净化效率分别可达到96. 8%、48. 7% 。韩雅琼等为了同时高效脱除烟气中的NO和SO2，将硫酸盐还原菌和厌氧反硝化细菌的混菌体系以附着的方式固定在填料表面，在生物滴滤塔中进行同时脱硫脱氮试验。连续试验表明，当进口气体中SO2和NO 质量浓度分别维持在10g /m3 和2g /m3 时，SO2的脱除效率始终保持在95% 以上，而NO 脱除呈现出了周期性波动。随着含硫含氮气体对混菌体系的不断驯化，NO 的周期性波动现象消失，脱氮率稳定在92%左右。
　　并非所有固定化的微生物都优越于游离态的微生物，有研究发现游离态细胞利用喹啉的速率比固定化后的速率更快。因为固定化微生物受其自身传质性能和传氧性能的影响，特效微生物和目标污染物的接触受到阻碍，从而影响了污染物的降解效率; 而游离态的混合菌液投加到反应器中之后，能迅速得到混合、扩散、分布，没有传质阻力。
　　4. 3 引入生物强化制剂的强化技术
　　生物强化制剂技术是将从自然界中筛选出来的、由特定降解功能细菌制成菌液制剂或干粉制剂的一种新技术。目前，国内外已将治理各种类型污染物的生物强化制剂产品推向了市场，并取得了一定效果。
　　生物强化制剂具有很多优点: ①它能缩短微生物培养驯化的时间，迅速提高生物处理系统中微生物的浓度，进而提高工作效率; ②使用安全，操作简便，可以实时地处理污染，从而节省能源。张守权等为了探讨生物强化技术在污水厂低温启动中的应用效果，在哈尔滨太平污水厂A/O 池中投入构建的生物强化菌剂，对污水厂进行低温快速启动。结果表明: 生物强化技术在寒冷地区低温期的应用能加快系统启动，有效提高污染物净化效能，同时系统稳定性和耐负荷冲击能力也得以加强。
　　张兰河为了提高污水处理的效果，分别以葡萄糖、可溶性淀粉、乙酸钠、食用油、甘氨酸和牛血清白蛋白作为唯一碳源和能源，分离筛选优势功能菌，再将这些功能菌群进行复配，构建出了一种高效微生物菌剂，并利用SBR 工艺考察了该菌剂的生物强化效能。结果表明: 投加微生物菌剂的生物强化系统对城市污水中COD、TOC、NH +4 -N、TN 的去除率分别提高了31. 82%、16. 71%、56. 06%和70. 56%。投加微生物菌剂的生物强化技术，显著改善了生化处理系统的运行效果和稳定性，使系统中菌群的生物多样性增加，抗冲击负荷能力增强。
　　谢未等以绍兴县综合性印染废水为处理对象，采用混凝- 水解酸化- 好氧工艺，在好氧单元中投加微生物菌剂进行了中试研究，探讨该工艺对印染废水的处理效能。结果表明，投加菌剂后，该系统的出水水质大为改善。投加菌剂前，出水COD 为l91mg /L，投加菌剂后，出水COD 为111 mg /L。当该系统高效菌群形成后，不投加菌剂20d 内，该系统仍然可以保持出水COD l21mg /L。当该系统MLSS 大量降低后，该系统出水仍然可达120mg /L，此现象说明该系统耐受冲击能力强，且为污泥的减量化研究指明了新方向。
　　杨勇光等采用生物强化技术，投加微生物菌剂( 一种固体粉粒剂) 到化粪池处理粪便污泥，取得了一定的经济效益。通过计算对比得出，第一年投加微生物制剂处理化粪池比专业清掏公司清掏节省50%费用。从第二年起投加微生物制剂比专业清掏公司清掏节省88%费用。在实际应用中，一般投加微生物菌剂一个月后，化粪池臭味大大减轻，粪便量大大减少，基本无沼气产生。这不仅解决了传统化粪池堵塞的问题，同时也消除了化粪池沼气中毒、爆炸等安全隐患。由此得出，投加微生物菌剂的生物强化技术具有明显的环境效益与经济效益。
　　投加对环境安全的生物强化制剂可以有效去除目标污染物，同时对系统中的其他生物没有不良影响。因此，研发生物强化制剂已成为环保领域发展的又一热点。
　　4. 4 生物强化工艺技术
　　陈桂娥等在研究生物强化技术组合工艺时，先采用传统的UV 氧化法对模拟印染废水进行处理，以降低废水的毒性，随后采用膜生物反应器( MBR) 进行深度处理，并向MBR 系统中投加EM 菌群( 即有效微生物菌群) 进行生物强化。他们在结论中提出: 组合工艺对总有机碳( TOC) 去除率接近90%，处理效果明显，生物强化技术可以有效地提高工艺体系的抗冲击负荷，提高系统的稳定性。
　　岳少鸣等为了克服氨氮和有机物对饮用水源的微污染，开发出了高速给水曝气生物滤池( HUBAF生物预处理新工艺) ，并将其应用于大型自来水厂的预处理工程中。结果表明，与弹性填料接触氧化池和悬浮球流化池等已投入应用的生物预处理技术相比，HUBAF 抗冲击负荷能力强、氨氮硝化率高、除铁除锰能力强，且HUBAF 技术的工程投资成本、占地面积均低于其他给水生物处理工艺。
　　杨殿海等以处理城市污水的中试规模A2 /O工艺为研究对象，通过改变进水流量以及混合液回流比来调节缺氧区硝酸盐浓度，研究了低温( ( 12 4)  ) 条件下生物强化除磷( EBPR)系统的反硝化除磷特性。对试验数据运用方差分析法( ANOVA) 处理表明，生物除磷与脱氮过程之间存在紧密相关性( p 0. 05) ，并观测到反硝化除磷现象; 当进水流量为2. 5m3 /h、混合液回流比为150%时，中试装置的除磷脱氮能力较好，出水COD、TN、TP 质量浓度分别为30 10、5. 6 2. 9、( 0. 4 0. 2) mg /L，达到国家综合排放标准( GB18918 - 2002) 一级A 排放标准。而国外在城镇污水的生物强化处理方面常采用BABE 技术。该技术原理是利用污泥处理环节产生的高浓度氨氮刺激侧流反应器中硝化菌的生长，并引入部分二沉池回流污泥使硝化菌处于悬浮生长状态，然后回流至主体工艺以强化硝化。捷克、荷兰、加拿大等的许多污水处理厂采用BABE 技术，在氨氮去除方面均取得了不错的效果。与传统生物处理工艺相比，生物强化工艺具有诸多优势，因而成为了污染治理领域的研究焦点，其优势主要体现在: ①提高目标污染物的去除效果，如张建昆等的实验结果; ②改善污泥性能，减少污泥产量，如姚桂莹等的实验结果; ③缩短系统的启动时间，增强耐冲击负荷的能力和系统的稳定性，如庄建全的实验结果; ④在系统运行状况不佳时，加速反应系统的恢复，无二次污染，节省经济成本等。国内外学者还将生物强化技术应用于高浓度有机废水、啤酒废水、淀粉废水、稠油污水、村镇污水、低温富氮磷水体、染料废水、高盐废水、受污染饮用水源水、环氧树脂废水、化工类氨氮废水、天然橡胶废水等的处理方面，均取得了一定成效。
　　5 结束语
　　目前在国内外，生物强化技术的研究已经渐趋成熟，只是国内在这方面研究与国外还有很大差距。生物强化技术在废水的治理中得到了广泛的尝试与应用，部分研究成果已成功应用于工业实践，但还存在许多问题需进一步探讨和研究。要想使生物强化技术取得更好的处理效果，还需要做好以下几方面的工作: ①改进投加微生物的方法，使之在水体中分布均匀，提高水体中的溶解氧含量将会有助于取得更好的生物强化效果; ②设计并应用强度高、寿命长、费用低、传质阻力小的新型、性能优良的固定化填料载体是研究焦点; ③科研工作者还需从污染物降解微生物代谢作用机理与降解机制、如何跟踪监测所投加菌剂并分析其功能表达等方面进行更为深入的研究，同时对作用菌的生理特性及影响它们的环境因素等方面还需深入探讨; ④构建并运用组合工艺，开发高度集成、经济可行、运行可靠的一体化新工艺。当然，如果在工业生产过程中能够采用先进的清洁生产工艺代替末端治理，则可使得废水、废气的排放从根本上得到控制。此外，还需加强生物强化反应动力学的探讨，构建数学模型，以便更好地指导实际系统的设计与运作。
　　随着我国工业化进程的加快，诸多生产领域会产生大量废水、废气，这些污染物如果直接排放会对环境造成严重污染及破坏。生物强化技术以其独特的优势，对于节约生产成本、提高治污效果、建立环保节约型社会等方面均具有重要意义，必将具有更广阔的应用前景。