生物强化技术优势及环保菌剂研究应用现状

肖晶晶，牛奕娜，刘 洋，陈 曦，李昌春，于 明

(北京华利嘉环境工程技术有限公司，北京 100070)

1 生物强化技术及优势

全世界65%的排水量用生物法处理，城市生活污水采用生物法处理的水量更高达95%，可见生物法在污废水处理中是优势突出的方法。生物强化技术，又称生物增效技术，其是为了提高污废水生物处理系统的处理能力，向系统中投加从自然界中筛选的高效优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌，以去除某一种或某一类有害物质的方法。在此技术中筛选降解污染物效果明显、适应性强、竞争力大的高效菌株是关键因素，主要包括以下三种:①利用常规的微生物手段，即通过选择性培养基分离具有特定降解功能的微生物，再通过富集培养、多次分离纯化，并对纯种微生物扩大培养或经复配得到大量高效微生物。使用时，可直接投加高效菌使用，也可制成微生物菌剂以便于微生物贮存及运输，或将微生物固定化应用;②将土著微生物群落通过长期驯化得到具有一定降解能力的微生物菌群;③通过基因工程手段构建高效工程菌。

生物强化技术优势主要体现在:

(1)提高对目标污染物的去除。通过生物强化技术加强分解有机质，提高对BOD、COD、TOC或某种特定污染物的去除。此外，通过生物强化作用也可去除氮、磷等营养物质。

(2)改善污泥性能，减少污泥产生。生物强化技术不仅可以有效消除污泥膨胀、促进絮凝体形成、增强污泥沉降性能，而且还能有效分解胶体物质，大大减少污泥的产生，同时提高出水水质。污泥的沉降性良好也减少了有机或无机絮凝剂的投加，节省了投药剂的费用。

(3)加快系统启动，增强系统耐负荷冲击能力和系统稳定性。投加一定量的优势菌种，可增大系统中有效菌种的比率，大大缩短系统启动的时间，使污染物快速达到较高的去除效果，并增加耐负荷冲击的能力及系统的稳定性。例如生物硝化工艺主要缺点就是启动时间长、污泥流失和遭受冲击负荷后很难恢复。这些问题的产生主要是由于硝化菌生长速率缓慢，硝化菌产率低。生物除磷的关键点是提高聚磷菌在活性污泥系统中所占比例，同时使其在系统运行过程中大量增长繁殖。生物强化技术通过投加高效稳定的脱氮除磷菌剂，保持脱氮菌和聚磷菌在活性污泥中较高的比例，对去除废水中过量营养物能发挥出显著效果。

(4)在系统运行状况不佳时，加速反应系统的恢复。在废水处理系统启动、进水浓度波动较大、回流污泥中的机械设备出现故障而使系统无效时可较快恢复生物活性和系统的处理能力。利用生物强化技术，投加一定量的高效降解菌株，可提高有效微生物浓度，增大处理系统中有效菌株的比率，增强系统的耐冲击负荷能力以及系统的稳定性。当遇到寒冷季节时，也可通过此技术提高生化系统在低温环境下的处理能力。

生物强化技术的成功应用，取决于以下几个方面:第一，高效菌的选育，其要求投加的高效菌对于目标污染物有明显降解作用;第二，明确菌剂投加方式、投加次数和投加量等;第三，投入到目标污染源上微生物具有生存能力，且具有活性，能融入土著微生物中成为优势菌群，并减少流失量;第四，投加的菌剂能适应投放的环境条件才会正常发挥作用，此项更需受到重视。并非所有的微生物菌剂都能达到预期的目标，其原因为:①由于环境中的污染物成分复杂，而通常投加的一种功能菌只作用于一种或几种污染物，其它污染物不能得到去除;②污染环境中营养物浓度过低，或营养不均衡会造成微生物无法生长或生长缓慢，从而造成处理效果较差;③溶氧、pH、温度等环境条件对微生物降解作用产生影响。

2 环保菌剂研究应用现状

微生物菌剂是由一种微生物组成或由多种微生物组成的复合微生物菌剂，通常复合微生物菌剂应用较多，其是将几种具有不同降解功能和具有共生或互生作用的微生物按适当的比例进行组合配置而成，越来越多的人们开始致力于微生物菌剂的开发。现阶段环境问题日趋严重，各种生物技术迅猛发展，利用微生物解决环境污染问题具有巨大的发展潜力。环保菌剂以其高效性、安全性和经济性等独特的优势使得其开发和应用市场前景广阔。

2.1 环保菌剂的类型

环保菌剂按处理对象可分为水处理微生物制剂和固废处理及资源化微生物制剂;按制剂形态可分为液态制剂和固态制剂;按功能不同分为环境吸附剂、微生物絮凝剂、生物催化剂、生物破乳剂、特种环境微生物菌剂和生物肥料等。在污水处理、工业废水处理、污染环境生物修复、水产养殖和臭气生物治理等方面，环保菌剂应用越来越广泛。

自20 世纪70 年代以来，各国的水处理工作者及相关领域学者开始致力于以筛选高效微生物为核心的生物制剂技术的研究。欧、美和日本等国家相继研制成功了一些环保菌剂，并开始大规模生产，形成了系列化的产品。国内环保用高效降解菌的研究和应用主要集中在高校、科研院所和部分企业，研究范围广。国内外常用的微生物菌种见表1。环保菌剂中常见的菌种以芽孢杆菌属最多，其它常见的菌种还有酵母菌属、硝化杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、红螺菌属、光合细菌和霉菌属等［1］。

表1 环保菌剂产品类型、典型菌种及功能

2.2 环保菌剂的开发

国内环保菌剂的使用量扩大趋势明显，据统计，2007 年菌剂用量200t，2008 年230t，2009 年275t，2010 年菌剂用量达到350t，逐年呈增长趋势。环保菌剂的实用性和有效性也逐渐被人们熟知，其应用潜力不断扩大。

环境生物制剂的开发大致分为高效菌种的获得、生产工艺研究及工程应用三个阶段。在研发过程中需视具体情况来确定最佳技术路线，以便在最短的时间内，研发出针对性和实用性强的环境生物制剂。表2 列举了国内外环保菌剂的开发情况。目前国内市场的环保用菌剂多为外商产品，以诺维信的菌剂和EM 的市场份额最高，菌剂种类多，针对性强，处理效果好，但价格相对较高;国内大多环保菌剂企业的产品为EM 菌剂仿制品或由多种功能菌复配的菌剂，对污废水的处理效果针对性不强，菌剂因高效菌含量不同、生产方式不同及制成的产品剂型不同等原因价格有高有低;国内高校科研院所对环保专业用菌剂研究深入，报道的专利及发表的文献较多，菌剂对目标污染物的去除针对性强、使用效果较好，但往往大多研发成果与实际应用相脱离，最后实现大规模推广应用的菌剂不多。

2.3 环保菌剂的应用实例

近些年来环保菌剂在降解污废水中有机物、去除过量营养物、维持系统稳定性、处理特种废水及污泥堆肥等领域均有应用。

(1)去除废水中过量营养物及有机质。牟丽娉［2］等向SBR 工艺的活性污泥中投加异养硝化微生物菌剂，菌剂大幅度提高活性污泥对氨氮和COD 的去除率。谭佑铭［3］等采用PVA 固定化反硝化菌，测试其对富营养化水体中硝酸盐氮和有机物的去除能力，结果表明硝酸盐氮的去除率为66.1%，总氮的去除率为62.9%，COD 的去除率可达29.5%。Joo［4］等利用Alcaligenes faecalis No.4在连续进水的条件下处理猪场废水，原水COD 为12000mg/L，氨氮浓度2000mg/L，经处理后总氮去除率为65%，COD 去除率机会为100%。

表2 菌剂开发情况

(2)维持生物系统的稳定性。郭静波［5］等在低温(水温14℃)下启动佳木斯东区污水处理厂SBR 工艺，采用投加复合菌剂调试仅用15d 即完成，加速了启动过程，出水的各项指标优于设计指标。孟雪征［6］等分离纯化出4 种耐冷菌，在0～9℃条件下仍有较高的活性并能降解生活污水中的有机物。

(3)处理特种废水。李焊东［7］等通过水解-好氧生化联合工艺采用高效复合菌处理生物制药抗生素废水，可使废水达到国家制药行业排放标准，COD ＜300mg/L。黄钧［8］等采用厌氧-好氧工艺分别投加微生物菌剂处理酿酒废水，厌氧处理系统对COD 去除率稳定在91%～95%，BOD 去除率达90%～94%，厌氧污泥可全部颗粒化;经好氧处理系统处理后出水可直接达到国家一级排放标准。罗永华［9］等从垃圾填埋场中筛选出菌剂制成微生物除臭剂，通过测试其对硫化氢、氨气和臭气浓度的去除率分别可达到89.7%、83.3%和86.6%。佘跃惠［10］等从油田污水污泥中分离得到的七株聚丙烯酰胺(PAM)降解菌，处理大港油田的含PAM的污水具有较好的处理效果，经3d 的处理，对COD 降低幅度达到97.9%。

(4)污泥堆肥。陈玲［11］等采用强化微生物菌剂对上海曲阳污水处理厂的污泥进行动态好氧堆肥，经14d 的一个反应周期后，污泥含水率显著降低，水溶性有机质降解50%左右，出料松散、无臭，堆肥产品腐熟，卫生指标达到了我国标准和美国EPA 污泥产品A 类标准。张陇利［12］等测试了复合微生物菌剂对污泥堆肥的作用效果，证明了接种菌剂有利于增加对污泥的水分散失量，加快堆体有机质降解速度，降低堆体氮的损失量。李俊［13］等利用MCMP 微生物制剂减少剩余污泥产量，在中试试验中，不增加或改变原有污水处理工艺和运行方式，运行60d 装置未排放剩余污泥，对出水水质未产生不良影响。

3 建议

(1)加快环保菌剂的推广应用。我国在环境有益微生物制剂的开发中，至今为止已有大量的研究文献报道及相关专利，获得较多的种质资源，从菌种的质量或是高效菌种的应用情况上看，小试中试试验大多获得较理想的结果。但研发成果与实际应用的需求还有一定的距离，实现大规模应用的不多。因此，我们需要充分发挥我们的研究和技术优势，整合资源，建立环境生物制剂微生物菌种库，不仅使资源和成果集中起来，更要加快研发成果的应用及推广。

(2)探索环保菌剂的使用，规范环保菌剂市场。环保菌剂在以下方面仍有待探索及开发:①高效降解菌及基因工程菌，探索生物强化技术;②研发快速高效的菌剂投加方式，提高生物强化的效率和安全性;③研制复合菌群，强化污废水的处理。此外，现阶段国内环保用微生物菌剂市场较为混乱，菌种来源、组分、使用情况、使用效果、价格等差异较大，缺乏生产规范和使用规范，市场缺乏监管体制，需进一步完善。

［1］李明智，喻治平，陈德全.国内环保用微生物菌剂的研究应用情况调查［J］.工业水处理，2011，31(6):18-20.

［2］牟丽娉，黄钧，苟莎.异养硝化微生物菌剂及其好氧颗粒污泥的脱氮实验［J］.应用与环境生物学报，2009，15(3):356-360.

［3］谭佑铭，罗启芳，王琳，等.固定化反硝化菌对富营养化水体脱氮的试验研究［J］.中国卫生工程学，2003，2(2):65-68.

［4］Joo H S，Hiraia M，Shoda M.Piggery wastewater treatment using Alcaligenes faecalis strain No.4 with heterotrophic nitrification and aerobic denitrification［J］.Water Research，2006，40(16):3029-3036.

［5］郭静波，马放，赵立军，等.佳木斯东区污水处理厂SBR 工艺的低温快速启动［J］.给水排水，2007，33(5):13-17.

［6］孟雪征，曹相生，姜安玺，等.利用耐冷菌处理低温污水的研究［J］.山东建筑工程学院学报，2001，16(2):53-57.

［7］李捍东，王庆生，谷庆宝.高效复合降解工程菌处理抗生素废水的研究［J］.云南环境科学，2000，19(S):148-149.

［8］黄钧，谢志建，李毅军，等.微生物菌剂在酿酒废水处理中的应用研究［J］.四川环境，2001，20(4):1-4.

［9］罗永华，邓穗儿，孙国平.一种新型微生物除臭剂的垃圾除臭实验［J］.城市环境与城市生态，2003，16(3):23-25.

［10］佘跃惠，周玲革，刘宏菊.油田含聚合物污水微生物处理初步研究［J］.生态科学，2005，24(4):344-346.

［11］陈玲，赵建夫，李宇庆，等.城市污水厂污泥快速好氧堆肥技术研究［J］.环境科学，2005，26(5):192-195.

［12］张陇利，刘青，徐智，等.复合微生物菌剂对污泥堆肥的作用效果研究［J］.环境工程学报，2008，2(2):266-269.

［13］李俊，朱臻，朱国政.利用MCMP 微生物制剂减少剩余污泥产量的研究［J］.环境工程学报，2007，1(12):92-95.