非生物强化技术在污水生物处理中的研究进展

彭瑾

摘要：针对传统生物法处理高毒、难降解废水不足及受到各种苛刻环境限制的问题，提出了通过非生物强化技术强化生物处理法来处理这类废水的途径。在概迷了不同废水非生物强化技术的基础上，进一步阐述了废水生物处理非生物强化技术未来的研究方向及面临的挑战。

关键词：非生物强化技术;污水;生物处理

中图分类号：X830

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0085-03

1引言

近百年来的污水处理技术研究表明，生物处理技术因其低成本、高效率及控制运行方便等是污水处理领域的核心处理技术。生物处理技术处理污水的原理是微生物基于自身新陈代谢，通过将污水中的污染物质，如有机物、氮、磷等转化为微生物自身生物量或者能量物质等去除。好氧微生物理论上最优的生长环境中C：N：P的比例为100：5：1，但是实际污水处理环境中，污水组分复杂，而且碳、氮、磷之间无固定比例，无法保证微生物的高活性及对污染物质的高效降解。更进一步，如果面临极端环境，如氮磷限制、低温等，微生物的对污水的处理效能将会被进一步限制。因此，各种强化污水生物处理技术运用而生，主要的强化技术有生物强化技术和非生物法强化技术。生物强化技术在20世纪80年代开始广泛应用于处理环境问题，但是生物强化技术对引入的特定微生物需要有较高的技术要求。因此，大量的非生物强化技术在近些年被广泛开发应用。目前的研究表明，非生物强化技术主要分为以下几个方面：基于声波的强化技术;基于电场的强化技术;基于磁场的强化技术;基于外源投加微生物载体的强化技术。

2声波技术对污水生物处理技术的强化

超声波在生物介质中传播时，会通过不同的机制对生物组织产生各种作用及效应，这种效应成为超声效应。目前声波技术对生物强化技术展开了大量研究，但是强化机制解析仍不清晰，可能的生物作用机制有机械机制、热学机制及空化机制等。超声波对生物作用的机械机制主要表现为振动效应及声流效应。而超声波的高频振动和声波辐射属于超声波固有的特性。在合适的超声强度下，超声波的机械效应可以促使生物膜的通透性，提高生物膜对物质的传输效能，促进细胞生长和对底物的利用效率。超声波的热效应指超声波的传播能量被生物体吸收，从而转化为生物体自身的热能，促使生物体自身温度提高。而超声的空化效应是超声在液体中传播过程中特有的物理现象，其中稳态空化的空化气泡可以在微声流切应力作用，导致细胞膜在切线方向位移，造成生物膜局部变薄，微孔增大，增加了该局部细胞的通透性。但是在不适当的超声波范围内，会对生物造成损伤，但是在低强度下，伤口较小，微生物可以自身修复。低强度的超声波会通过促进传质、增加酶活力、及加速细胞增长来强化生物处理。

罗辉等采用厌氧技术基于低强度超声技术来处理低浓度生活污水，研究大发现在20kHz、0.2W/mL、10min时，超声对污泥的活性具有最好的促进作用，该条件下超声对刺激微生物胞外蛋白质含量增加20%，但是会对多糖含量抑制达到10%，超声处理会对COD的去除率提高7%～8%，明显增高器抗冲击负荷能力。

李国英等研究发现超声技术用于混凝沉淀法处理制革废水有明显的强化作用，通过超声处理60s，会对制革废水COD的去除率提高10%以上。

刘红等研究在低温环境下（4℃），通过超声强度为0.3W/Crn2时处理好养活性污泥10min，其会显著提高活性污泥的活性，COD的去除率稳定在较高水平，证明低强度超声处理对污水处理工艺具有较强操作性。

但是由于超声处理会增肌胞外聚合物的松散程度，导致活性污泥的沉降性能下降。因此，选择合适的超声强度及作用方式，实现超声技术应用于实际工程中具有很高前景。

3电场作用对污水生物处理技术强化

电场可以通过刺激微生物的生长与代谢进而影响污水生物处理效能。一方面，电场会促进细胞的有丝分裂的速率、提高细胞的繁殖速率，进而改变细胞膜的表面结构，促进微生物对外界营养物质的吸收能力;另一方面，电场可以对生物酶产生影响，可以促进酶的产量进而加速微生物的代谢能力。但是不同强弱的电场对微生物的影响差异明显，即适当的电场浓度有益于微生物的生长与代谢，但是当电场超过微生物的耐受范围时，细胞将会失去活性，更进一步，可以将其应用于灭菌处理。

张璐璐等采用直流电场强化活性污泥处理木质素废水，发现添加外源直流电场会对木质素的去除效率显著提高，且30mA时对木质素的去除达到30.19%，通过统计分析发现悬浮污泥中木质素降解菌的丰度和电流的强度之间显著正相关，但是与不饱和脂肪酸之间呈现显著负相关。

欧志阳等采用外源电场控制生物膜膜污染的研究中发现，在电流密度为0.09mA/cm2，可以显著减缓膜污染，且微生物的活性没有显著变化。但是在添加电场后，可能对去除COD、氨氮等造成负面影响，却显著提高了总磷的去除效率，可以达到99%左右。

目前电场作用对污水生物处理强化的研究相对有限，且研究结论具有比较大的差异性。有关外源电场对生物膜强化效能的研究机理需要进一步展开。

4磁場作用对污水处理强化技术研究

由于生物体中存在磁性物质，外加磁场、环境磁场及生物体内的磁场均会对生物体内及其生命活动产生影响，称为磁场生物效应。外源添加磁场可以对生物的蛋白质、生物膜及分子结构造成影响。目前对广泛的模式微生物研究表明，外加磁场均会显著提高微生物的酶活性。添加外源磁场可以改变交换物质中带电离子的受力作用，进而影响了生物膜的渗透能力，造成生物体内新陈代谢作用和生物化学作用产生影响。但是，也有研究表明，磁粉会对生物分子结构造成影响，即对较低键能的氢键的脱氧核糖核酸稳定性造成影响。磁场的性质、强弱及生物的种类及接受磁场的部位能因素都会影响磁场生物效应的性质及强弱。

Niu et al研究外援磁场对低温活性污泥的活性影响发现，异极磁场强化可以有效提高低温下活性污泥微生物脱氢酶的活性，而且异极磁场和同极磁場可以提高活性污泥微生物中不饱和脂肪酸的合成与种类，且异极磁场强化的效果比同极磁场强化的效果更加显著。其在磁场强度为20～40mT可以促进微生物分泌更多的不饱和脂肪酸，促进微生物脱氢酶活性，以适应低温环境。

陈锦良等采用磁粉一弱磁场强化污泥系统。结果表明，实验系统COD、NH3-N、Cu2+和Ni2去除率分别比对照系统高12.55%、23.32%、21.13%和26.39%，污泥MLSS、VA（絮凝能力）和PN/PS（蛋白质/多糖）值也分别高出对照系统65.08%、68.48%和23.66%，强化后出水指标均达到电镀污染物排放新标准要求。

耿淑英等研究发现，磁场的加入在一定程度上提高了SBR系统的运行性能，且当磁感应强度为7X10-2T时效果最明显。其中，外加磁场对SBR反应系统中总氮去除效果的影响显著，在7×10-2T时脱氮率从无磁场的65.69%提高到85.98%。外加磁场显著提高了污泥脱氢酶活性，因而也会对各种污染物的去除产生积极作用。

目前的研究结果普遍表明磁场对生物处理性能、微生物活性及酶活等具有一定程度提高，但是采用有效的磁场投加方式等应用于实际工程中，依旧是以后需要研究的方向。

5基于外源投加微生物载体的强化技术

外援投加微生物载体强化生物处理技术的目的是使微生物从悬浮生长转化为固定生长，即从原有的活性污泥工艺转化为生物膜工艺，有效提高了污水系统处理负荷、抗冲击能力、及污染物去除能力。目前有关基于外援投加微生物载体的强化技术是对污水处理厂提标改造的研究热点。外援投加的微生物载体主要有活性生物填料、活性炭及生物炭等可以让废水处理微生物固定化生长的材料。

大量研究研究及水厂提标改造经验说明，外加微生物活性载体在活性污泥工艺中，通过将原有的活性污泥改造为泥膜混合工艺（integrated fixed-film acti-vated sludge，IFAS），可以显著提高对污水中污染物的去除能力。

李金霞等通过粉末活性炭强化活性污泥工艺处理废水研究发现，在活性污泥中投加粉末炭添加量为30mg/L时，可以显著提高废水污染物的去除效果，对COD的去除达到90%以上。

刘苗苗等通过在活性污泥中投加活性炭分析其对污染物去除效果的影响，研究结果表明投加0.04g/L的活性炭对活性污泥反应器中COD、总氮及总磷的去除率分别提高了10%、29%及7.5%。活性污泥硝化反硝化速率随粉末活性炭与活性污泥混合时间变化而变化，其中在混合时间为30min时硝化速率最大，为13.08mg/（g.h），反硝化速率最大为7.08mg/（g.h）。

目前有关投加外援微生物载体提升活性污泥性能的方式是研究热点，且已经成功应用于工程实践中。但是，外援投加微生物载体对活性污泥性能提升效果的机理研究相对有限，以后针对活性污泥中微生物在载体表面粘附特性的研究是今后研究的热点。

6展望

目前采用非生物强化技术污水处理技术得到广泛发展。非生物强化技术对于活性污泥工艺处理目标污染物，体现出了高效、稳定、低温低负荷等多方面的优势。尽管非生物强化技术不会面临生物强化技术所面临的生物安全性等方面的争议，可以提高生物法处理日益复杂化、难降解及高毒性废水的处理能力，但是针对非生物强化生物处理能力的有关机理研究依旧是目前的研究短板。对机理性能研究透彻，可以更好地指导外援强化方式的改进，不会致使外援强化方式在黑箱模式下运行。另外，相对于基于声波、电场及磁场的的强化技术，外源投加微生物载体的强化技术由于造价低、能耗低能特点显现出较高的优越性，有关磁场等耦合生物填料方式来强化废水生物处理技术等将是未来研究热点。