生物強(qiáng)化技術(shù)優(yōu)勢及環(huán)保菌劑研究應(yīng)用現(xiàn)狀

肖晶晶，牛奕娜，劉 洋，陳 曦，李昌春，于 明

(北京華利嘉環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 生物強(qiáng)化技術(shù)及優(yōu)勢

全世界65%的排水量用生物法處理，城市生活污水采用生物法處理的水量更高達(dá)95%，可見生物法在污廢水處理中是優(yōu)勢突出的方法。生物強(qiáng)化技術(shù)，又稱生物增效技術(shù)，其是為了提高污廢水生物處理系統(tǒng)的處理能力，向系統(tǒng)中投加從自然界中篩選的高效優(yōu)勢菌種或通過基因組合技術(shù)產(chǎn)生的高效菌，以去除某一種或某一類有害物質(zhì)的方法。在此技術(shù)中篩選降解污染物效果明顯、適應(yīng)性強(qiáng)、競爭力大的高效菌株是關(guān)鍵因素，主要包括以下三種:①利用常規(guī)的微生物手段，即通過選擇性培養(yǎng)基分離具有特定降解功能的微生物，再通過富集培養(yǎng)、多次分離純化，并對純種微生物擴(kuò)大培養(yǎng)或經(jīng)復(fù)配得到大量高效微生物。使用時，可直接投加高效菌使用，也可制成微生物菌劑以便于微生物貯存及運(yùn)輸，或?qū)⑽⑸锕潭ɑ瘧?yīng)用;②將土著微生物群落通過長期馴化得到具有一定降解能力的微生物菌群;③通過基因工程手段構(gòu)建高效工程菌。

生物強(qiáng)化技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:

(1)提高對目標(biāo)污染物的去除。通過生物強(qiáng)化技術(shù)加強(qiáng)分解有機(jī)質(zhì)，提高對BOD、COD、TOC或某種特定污染物的去除。此外，通過生物強(qiáng)化作用也可去除氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。

(2)改善污泥性能，減少污泥產(chǎn)生。生物強(qiáng)化技術(shù)不僅可以有效消除污泥膨脹、促進(jìn)絮凝體形成、增強(qiáng)污泥沉降性能，而且還能有效分解膠體物質(zhì)，大大減少污泥的產(chǎn)生，同時提高出水水質(zhì)。污泥的沉降性良好也減少了有機(jī)或無機(jī)絮凝劑的投加，節(jié)省了投藥劑的費(fèi)用。

(3)加快系統(tǒng)啟動，增強(qiáng)系統(tǒng)耐負(fù)荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。投加一定量的優(yōu)勢菌種，可增大系統(tǒng)中有效菌種的比率，大大縮短系統(tǒng)啟動的時間，使污染物快速達(dá)到較高的去除效果，并增加耐負(fù)荷沖擊的能力及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如生物硝化工藝主要缺點(diǎn)就是啟動時間長、污泥流失和遭受沖擊負(fù)荷后很難恢復(fù)。這些問題的產(chǎn)生主要是由于硝化菌生長速率緩慢，硝化菌產(chǎn)率低。生物除磷的關(guān)鍵點(diǎn)是提高聚磷菌在活性污泥系統(tǒng)中所占比例，同時使其在系統(tǒng)運(yùn)行過程中大量增長繁殖。生物強(qiáng)化技術(shù)通過投加高效穩(wěn)定的脫氮除磷菌劑，保持脫氮菌和聚磷菌在活性污泥中較高的比例，對去除廢水中過量營養(yǎng)物能發(fā)揮出顯著效果。

(4)在系統(tǒng)運(yùn)行狀況不佳時，加速反應(yīng)系統(tǒng)的恢復(fù)。在廢水處理系統(tǒng)啟動、進(jìn)水濃度波動較大、回流污泥中的機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障而使系統(tǒng)無效時可較快恢復(fù)生物活性和系統(tǒng)的處理能力。利用生物強(qiáng)化技術(shù)，投加一定量的高效降解菌株，可提高有效微生物濃度，增大處理系統(tǒng)中有效菌株的比率，增強(qiáng)系統(tǒng)的耐沖擊負(fù)荷能力以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)遇到寒冷季節(jié)時，也可通過此技術(shù)提高生化系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的處理能力。

生物強(qiáng)化技術(shù)的成功應(yīng)用，取決于以下幾個方面:第一，高效菌的選育，其要求投加的高效菌對于目標(biāo)污染物有明顯降解作用;第二，明確菌劑投加方式、投加次數(shù)和投加量等;第三，投入到目標(biāo)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為優(yōu)勢菌群，并減少流失量;第四，投加的菌劑能適應(yīng)投放的環(huán)境條件才會正常發(fā)揮作用，此項(xiàng)更需受到重視。并非所有的微生物菌劑都能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，其原因?yàn)?①由于環(huán)境中的污染物成分復(fù)雜，而通常投加的一種功能菌只作用于一種或幾種污染物，其它污染物不能得到去除;②污染環(huán)境中營養(yǎng)物濃度過低，或營養(yǎng)不均衡會造成微生物無法生長或生長緩慢，從而造成處理效果較差;③溶氧、pH、溫度等環(huán)境條件對微生物降解作用產(chǎn)生影響。

2 環(huán)保菌劑研究應(yīng)用現(xiàn)狀

微生物菌劑是由一種微生物組成或由多種微生物組成的復(fù)合微生物菌劑，通常復(fù)合微生物菌劑應(yīng)用較多，其是將幾種具有不同降解功能和具有共生或互生作用的微生物按適當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行組合配置而成，越來越多的人們開始致力于微生物菌劑的開發(fā)?，F(xiàn)階段環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，各種生物技術(shù)迅猛發(fā)展，利用微生物解決環(huán)境污染問題具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α－h(huán)保菌劑以其高效性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等獨(dú)特的優(yōu)勢使得其開發(fā)和應(yīng)用市場前景廣闊。

2.1 環(huán)保菌劑的類型

環(huán)保菌劑按處理對象可分為水處理微生物制劑和固廢處理及資源化微生物制劑;按制劑形態(tài)可分為液態(tài)制劑和固態(tài)制劑;按功能不同分為環(huán)境吸附劑、微生物絮凝劑、生物催化劑、生物破乳劑、特種環(huán)境微生物菌劑和生物肥料等。在污水處理、工業(yè)廢水處理、污染環(huán)境生物修復(fù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和臭氣生物治理等方面，環(huán)保菌劑應(yīng)用越來越廣泛。

自20 世紀(jì)70 年代以來，各國的水處理工作者及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開始致力于以篩選高效微生物為核心的生物制劑技術(shù)的研究。歐、美和日本等國家相繼研制成功了一些環(huán)保菌劑，并開始大規(guī)模生產(chǎn)，形成了系列化的產(chǎn)品。國內(nèi)環(huán)保用高效降解菌的研究和應(yīng)用主要集中在高校、科研院所和部分企業(yè)，研究范圍廣。國內(nèi)外常用的微生物菌種見表1。環(huán)保菌劑中常見的菌種以芽孢桿菌屬最多，其它常見的菌種還有酵母菌屬、硝化桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬、紅螺菌屬、光合細(xì)菌和霉菌屬等［1］。

表1 環(huán)保菌劑產(chǎn)品類型、典型菌種及功能

2.2 環(huán)保菌劑的開發(fā)

國內(nèi)環(huán)保菌劑的使用量擴(kuò)大趨勢明顯，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007 年菌劑用量200t，2008 年230t，2009 年275t，2010 年菌劑用量達(dá)到350t，逐年呈增長趨勢。環(huán)保菌劑的實(shí)用性和有效性也逐漸被人們熟知，其應(yīng)用潛力不斷擴(kuò)大。

環(huán)境生物制劑的開發(fā)大致分為高效菌種的獲得、生產(chǎn)工藝研究及工程應(yīng)用三個階段。在研發(fā)過程中需視具體情況來確定最佳技術(shù)路線，以便在最短的時間內(nèi)，研發(fā)出針對性和實(shí)用性強(qiáng)的環(huán)境生物制劑。表2 列舉了國內(nèi)外環(huán)保菌劑的開發(fā)情況。目前國內(nèi)市場的環(huán)保用菌劑多為外商產(chǎn)品，以諾維信的菌劑和EM 的市場份額最高，菌劑種類多，針對性強(qiáng)，處理效果好，但價(jià)格相對較高;國內(nèi)大多環(huán)保菌劑企業(yè)的產(chǎn)品為EM 菌劑仿制品或由多種功能菌復(fù)配的菌劑，對污廢水的處理效果針對性不強(qiáng)，菌劑因高效菌含量不同、生產(chǎn)方式不同及制成的產(chǎn)品劑型不同等原因價(jià)格有高有低;國內(nèi)高校科研院所對環(huán)保專業(yè)用菌劑研究深入，報(bào)道的專利及發(fā)表的文獻(xiàn)較多，菌劑對目標(biāo)污染物的去除針對性強(qiáng)、使用效果較好，但往往大多研發(fā)成果與實(shí)際應(yīng)用相脫離，最后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用的菌劑不多。

2.3 環(huán)保菌劑的應(yīng)用實(shí)例

近些年來環(huán)保菌劑在降解污廢水中有機(jī)物、去除過量營養(yǎng)物、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性、處理特種廢水及污泥堆肥等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

(1)去除廢水中過量營養(yǎng)物及有機(jī)質(zhì)。牟麗娉［2］等向SBR 工藝的活性污泥中投加異養(yǎng)硝化微生物菌劑，菌劑大幅度提高活性污泥對氨氮和COD 的去除率。譚佑銘［3］等采用PVA 固定化反硝化菌，測試其對富營養(yǎng)化水體中硝酸鹽氮和有機(jī)物的去除能力，結(jié)果表明硝酸鹽氮的去除率為66.1%，總氮的去除率為62.9%，COD 的去除率可達(dá)29.5%。Joo［4］等利用Alcaligenes faecalis No.4在連續(xù)進(jìn)水的條件下處理豬場廢水，原水COD 為12000mg/L，氨氮濃度2000mg/L，經(jīng)處理后總氮去除率為65%，COD 去除率機(jī)會為100%。

表2 菌劑開發(fā)情況

(2)維持生物系統(tǒng)的穩(wěn)定性。郭靜波［5］等在低溫(水溫14℃)下啟動佳木斯東區(qū)污水處理廠SBR 工藝，采用投加復(fù)合菌劑調(diào)試僅用15d 即完成，加速了啟動過程，出水的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。孟雪征［6］等分離純化出4 種耐冷菌，在0～9℃條件下仍有較高的活性并能降解生活污水中的有機(jī)物。

(3)處理特種廢水。李焊東［7］等通過水解-好氧生化聯(lián)合工藝采用高效復(fù)合菌處理生物制藥抗生素廢水，可使廢水達(dá)到國家制藥行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，COD ＜300mg/L。黃鈞［8］等采用厭氧-好氧工藝分別投加微生物菌劑處理釀酒廢水，厭氧處理系統(tǒng)對COD 去除率穩(wěn)定在91%～95%，BOD 去除率達(dá)90%～94%，厭氧污泥可全部顆?；?經(jīng)好氧處理系統(tǒng)處理后出水可直接達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。羅永華［9］等從垃圾填埋場中篩選出菌劑制成微生物除臭劑，通過測試其對硫化氫、氨氣和臭氣濃度的去除率分別可達(dá)到89.7%、83.3%和86.6%。佘躍惠［10］等從油田污水污泥中分離得到的七株聚丙烯酰胺(PAM)降解菌，處理大港油田的含PAM的污水具有較好的處理效果，經(jīng)3d 的處理，對COD 降低幅度達(dá)到97.9%。

(4)污泥堆肥。陳玲［11］等采用強(qiáng)化微生物菌劑對上海曲陽污水處理廠的污泥進(jìn)行動態(tài)好氧堆肥，經(jīng)14d 的一個反應(yīng)周期后，污泥含水率顯著降低，水溶性有機(jī)質(zhì)降解50%左右，出料松散、無臭，堆肥產(chǎn)品腐熟，衛(wèi)生指標(biāo)達(dá)到了我國標(biāo)準(zhǔn)和美國EPA 污泥產(chǎn)品A 類標(biāo)準(zhǔn)。張隴利［12］等測試了復(fù)合微生物菌劑對污泥堆肥的作用效果，證明了接種菌劑有利于增加對污泥的水分散失量，加快堆體有機(jī)質(zhì)降解速度，降低堆體氮的損失量。李?。?3］等利用MCMP 微生物制劑減少剩余污泥產(chǎn)量，在中試試驗(yàn)中，不增加或改變原有污水處理工藝和運(yùn)行方式，運(yùn)行60d 裝置未排放剩余污泥，對出水水質(zhì)未產(chǎn)生不良影響。

3 建議

(1)加快環(huán)保菌劑的推廣應(yīng)用。我國在環(huán)境有益微生物制劑的開發(fā)中，至今為止已有大量的研究文獻(xiàn)報(bào)道及相關(guān)專利，獲得較多的種質(zhì)資源，從菌種的質(zhì)量或是高效菌種的應(yīng)用情況上看，小試中試試驗(yàn)大多獲得較理想的結(jié)果。但研發(fā)成果與實(shí)際應(yīng)用的需求還有一定的距離，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的不多。因此，我們需要充分發(fā)揮我們的研究和技術(shù)優(yōu)勢，整合資源，建立環(huán)境生物制劑微生物菌種庫，不僅使資源和成果集中起來，更要加快研發(fā)成果的應(yīng)用及推廣。

(2)探索環(huán)保菌劑的使用，規(guī)范環(huán)保菌劑市場。環(huán)保菌劑在以下方面仍有待探索及開發(fā):①高效降解菌及基因工程菌，探索生物強(qiáng)化技術(shù);②研發(fā)快速高效的菌劑投加方式，提高生物強(qiáng)化的效率和安全性;③研制復(fù)合菌群，強(qiáng)化污廢水的處理。此外，現(xiàn)階段國內(nèi)環(huán)保用微生物菌劑市場較為混亂，菌種來源、組分、使用情況、使用效果、價(jià)格等差異較大，缺乏生產(chǎn)規(guī)范和使用規(guī)范，市場缺乏監(jiān)管體制，需進(jìn)一步完善。

［1］李明智，喻治平，陳德全.國內(nèi)環(huán)保用微生物菌劑的研究應(yīng)用情況調(diào)查［J］.工業(yè)水處理，2011，31(6):18-20.

［2］牟麗娉，黃鈞，茍莎.異養(yǎng)硝化微生物菌劑及其好氧顆粒污泥的脫氮實(shí)驗(yàn)［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2009，15(3):356-360.

［3］譚佑銘，羅啟芳，王琳，等.固定化反硝化菌對富營養(yǎng)化水體脫氮的試驗(yàn)研究［J］.中國衛(wèi)生工程學(xué)，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］郭靜波，馬放，趙立軍，等.佳木斯東區(qū)污水處理廠SBR 工藝的低溫快速啟動［J］.給水排水，2007，33(5):13-17.

［6］孟雪征，曹相生，姜安璽，等.利用耐冷菌處理低溫污水的研究［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，16(2):53-57.

［7］李捍東，王慶生，谷慶寶.高效復(fù)合降解工程菌處理抗生素廢水的研究［J］.云南環(huán)境科學(xué)，2000，19(S):148-149.

［8］黃鈞，謝志建，李毅軍，等.微生物菌劑在釀酒廢水處理中的應(yīng)用研究［J］.四川環(huán)境，2001，20(4):1-4.

［9］羅永華，鄧穗兒，孫國平.一種新型微生物除臭劑的垃圾除臭實(shí)驗(yàn)［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，2003，16(3):23-25.

［10］佘躍惠，周玲革，劉宏菊.油田含聚合物污水微生物處理初步研究［J］.生態(tài)科學(xué)，2005，24(4):344-346.

［11］陳玲，趙建夫，李宇慶，等.城市污水廠污泥快速好氧堆肥技術(shù)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2005，26(5):192-195.

［12］張隴利，劉青，徐智，等.復(fù)合微生物菌劑對污泥堆肥的作用效果研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2008，2(2):266-269.

［13］李俊，朱臻，朱國政.利用MCMP 微生物制劑減少剩余污泥產(chǎn)量的研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007，1(12):92-95.