生物强化技术在污水预处理中应用效果评价及影响因素分析

袁道迎

（南京万德斯环保科技有限公司 江苏南京 211100）

自然条件下，常常通过微生物自身的生命运动达到降解污水中的一些污染物效果，但随着工业化的快速发展，大量有毒有害物质难以通过自然界中的微生物降解其中的污染物，这时，需要通过一定的外界技术辅之以去除这些难降解物质，生物强化技术是其中一项深受人们青睐的一项工艺。生物强化技术是通过把一些特定功能的微生物引入到生物处理系统中，以实现提升微生物浓度的效果，增强了对难降解污染物的降解能力，也可以明显的加速了污染物的降解速率。从而达到对目标污染物的去除效果。生物强化技术最早产生于20世纪70年代，真正被广泛应用的则是在上个世纪80年代以后。这项技术作为一项污染物预处理技术，其核心是投加高效降解微生物，关键环节是培菌和投菌，与现代分子生物学技术和分析化学相结合，对后期污染物的处理奠定非常重要的技术基础，成为水体、土壤等生物修复的发展趋势，也越来越受到人们的关注。

1 生物强化技术的菌剂来源及作用机理概述

1.1 生物强化菌剂来源

菌剂是生物强化技术能否达到预期效果的至关重要的影响因素，生物强化菌剂既可以经过驯化培养，也可以直接通过商业购菌的方式获得。其中，自然界的驯化培养是目前较为成熟的一项技术，首先是是要分离出一定的适应性菌株，目前一般会选择水、土壤等自然环境，这些具有降解性能的特殊菌株是通过一定的选择性培养产生，当这类特殊的降解性菌株被培养出来之后，再通过反复的富集培养或分离纯化，实现培育出高效菌的效果，然后，还需要接受突变剂的筛选，来增强酶活性、胞外酶分泌和效应分子作用，最终培养出单一的菌株。还有一种来源便是直接通过购买的方式获取。

商业菌剂既有自养，也有异养和兼性菌等多种菌株的混合复配，商业菌也是需要从自然界中筛选，选举培育具有降解功效的细菌，最后制成可以方便销售的干粉制剂或菌液剂进行销售。因此，与从自然界中驯化培养的菌剂相比具有很多优势所在：商业菌剂使用起来较为安全，即便产生少量污染也可以及时的予以处理；商业菌剂之前已经进行了一定的处理和培育，缩短了后期微生物的驯化时间，可以根据现实需要增强系统中的有效微生物浓度。但在实际使用商业菌剂时也应注意：微生物要能发挥其降解污染物的功效，必须满足一定的条件，比如适宜的温度等等。因此，需要掌握好适宜的温度等条件显得尤为重要；菌株的效果发挥也还受到其他因素的影响，例如当菌株被投入到生物系统后，其抗污染的负荷能力会对其分解污染物效果有一定的影响，注意菌株的抗高浓度污染物能力；微生物在一些重金属中失活，从而失去降解效果；要考虑菌株在现实中的生存能力，不能以实验室中的效果来替代较宽范围环境下的生存效果。

1.2 生物强化技术的作用机理

生物强化技术中，投入菌种和基质的作用方式主要有三种：直接作用、共代谢作用和基于水平转移作用。其中，直接作用，是指通过驯化、筛选、诱变、基因重组等技术手段让一株以目标降解物质为主要碳源和能源的微生物，并且向处理系统中放入一定的菌种，实现去除效果，也即微生物直接利用分解底物。共代谢作用：主要是基于废水中含有一些有害物质，这些危害物质微生物难以直接将其作为碳源和能源生长，不过，在一定条件下又可以通过改变这些有害物质的结构来达到降解的目的。目前，共代谢的类型主要有不同微生物之间的协同作用、休眠细胞对污染物的降解和菌株在新陈代谢中把二级基质共同氧化，进行新陈代谢产生特定酶三种。基于水平转移作用：引入具有特定特征代谢基因的微生物，在基因水平上加速其与自然基因的交换和代谢途径的构建，提高降解有机污染物的能力。

2 生物强化技术在水污染治理中的应用

2.1 生物强化技术在水污染治理中的应用现状

与物理、化学方法处理污水相比，生物手段处理废水具有效率高、成本低、易操作、针对性强等优势，被广泛应用在各个行业和领域。归纳起来主要有：对有毒、有害、不易降解污染物的治理；江河湖泊的水体、土壤以及地下水生物修复；高浓度有机废水的处理；改善污水生物处理系统中的污泥特性，实现减少污泥产量的效果；此外，对于废水中的油脂降解也有很好的处理效果见表1。

表1 生物强化技术在水污染治理中的应用实例

2.2 生物强化技术在水污染治理中的应用效果评价

2.2.1 提高对目标去除物的去除效果

生物强化技术对需要处理的目标污染物具有很好的针对性，处理的效果也更好。Selvaratnam等人筛选到一株苯酚的高效降解菌Pseudomonas putida ATCC 11172，通过把这种菌剂投入到序批式活性污泥法反应器中，通过一段时间的观察后发现，该菌剂对苯酚的降解效率一直都处于95%以上，与没有投加这一菌剂的反应器相比苯酚的去除效果明显提升，高出50%左右[1]。Chin通过在附着的生物床加入可以降解苯的混合菌剂后发现，当水力停留时间在1.9小时时，整个生物增强系统的去除效果是非强化系统的3倍多[2]。

2.2.2 改善污泥性能，减少污泥产生

生物强化技术还可以有效的降低生物处理系统的污泥的产生量，对于污泥膨胀的消除效果也非常显著，通常情况下可以实现降低污泥容积在25%左右[3]。Chamber在研究生物强化技术在氧化沟、曝气塘、延时曝气工艺中的应用效果后发现，引入生物强化技术后，接种后的氧化沟四周左右污泥膨胀就消除了，而延时曝气系统也在3周左右就实现污泥膨胀消除的良好效果。

2.2.3 加快系统启动，增强耐负荷冲击力和系统稳定性

Belia和Smith通过研究后发现，在活性污泥中加入10%的降解磷的纯菌，整个系统的脱磷效果达到90%以上，真正属于一种高效的脱磷系统，而且只需要14d，如果单纯的只用活性污泥驯化达到此脱磷率，则需要58天时间。Edgehill等人用降解五氯酚（PCP）的纯菌来增强活性污泥系统，当加入10%（相对于固有菌量）的纯菌，就会使PCP废水驯化期大大缩短。当PCP负荷由40mgl-1升高到120mgl-1时，出水则达到60mgl-1，单纯的活性污泥系统恢复正常需要48h，但加入5%或7%的纯菌（相对于固有菌量），系统在18h内就使PCP出水达到15mgl-1，表现出良好的抗符合冲击的能力。

2.3 影响生物强化技术效果的因素分析

影响生物强化技术效果的因素较多，既有投菌量、投菌方式等因素，也有应用工艺和营养物质等因素。

2.3.1 投菌量

投菌量加入的多少通常会与生物强化技术处理效果成正比例关系，即投菌量越多，其处理效果越明显[4]。不过，由于高效菌种的稳定性和活性规律性不强，难以准确测定，因此，对于菌量投加后的效果研究业会得出不同的答案：Patureau等按3.2%、10.3%、15%（体积分数）接种好氧脱氮菌M.Aerodenitrificans至序批式活性污泥反应器中，10.3%接种量时系统的脱氮除磷效果最佳，而15%接种量时系统的脱氮除磷效果最差[5]。

2.3.2 投菌方式

菌株的投加方式对于生物强化技术的应用效果也会产生一定的影响。其中，直接投加特效降解菌虽然很简便，也易操作，但容易造成菌株的流失或者被其他微生物吞噬，效果并不好。而选择固定化投菌的方式，则可以将菌种固定在特定的载体上，这种方式能够有效减少菌体的脱落，提高了菌体的活性，有效地避免了菌体的流失，提高了系统中优势菌种的浓度，增强了其在反应器中的竞争性、抗毒性以及停留时间，也是现实中运用效果较为理想的一种投菌方式。

2.3.3 应用工艺

目前生物强化技术的应用工艺除妖有厌氧污泥床和生物流化床工艺。

2.3.4 营养物质

微生物的生长需要一定比例的营养物质，除了碳源外，还需要氮、磷及其他微量元素。

3 生物强化技术在污水处理中的失败原因分析

生物强化技术具有很好的污水预处理效果，但常常由于受到上述因素影响，其现实中的应用效果也不是完全都能取得预想中的良好效果。分析生物强化技术在污水处理中的失败因素，主要有：有的污水的成分十分复杂，自身就不适宜采用生物强化技术来进行预处理；废水中可以利用降解污染物的微生物浓度太低，即便投入适量的生物菌剂也难以维持其生长；系统中固有菌的活性超过了投入菌的活性，使得投入菌难以有效摄取废水中的营养物质；投入到系统中优势菌被原水中的微生物捕食，难以让优势菌发挥出效果；废水中含有抑制性基质，菌的生长和代谢被抑制，发挥不出优势菌的应有效果；还有一些不利于优势菌生长的因素存在，例如水的温度、pH等，这些因素的存在在一定程度上也会对生物强化技术产生较大影响，甚至会直接影响到污水处理的成败。

[1]S Selvaratnam,BA Schoedel,BL McFarland.Application of the polymerase chain reaction(PCR)and reverse transcriptase/PCR for determining the fate of phenol-degrading Pseudomonas putida ATCC 11172 in abioaugmented sequencing batch reactor[J].ApplMicrobiol Biotechnol,1997,47:236-240.

[2]Chin KK,Ong SL,Poh LH,etal.Waste water treatment with bacterial augmentation.Water Sci Technol,1996,33(8):17-22.

[3]全向春,刘佐才,范广裕等.生物强化技术及其在废水治理中的应用[J].环境科学研究,1999,12(3):22-27.

[4]Chin K K,Ong SL,Poh LH,etal.Waste water treatment with bacterial augmentation.Water Sci Technol,1996,33(8):17-22.

[5]Patureau D,H elloin E,Rustrianm E,et al.C ombined phosphate and nitrogen removal in a sequencing batch reactor using the aerobic denitrifler,microvirgula aerodenitrificans.Water Reseach,2001,35(1):189-197.