生物強化技術在污水預處理中應用效果評價及影響因素分析

袁道迎

（南京萬德斯環(huán)保科技有限公司 江蘇南京 211100）

自然條件下，常常通過微生物自身的生命運動達到降解污水中的一些污染物效果，但隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，大量有毒有害物質難以通過自然界中的微生物降解其中的污染物，這時，需要通過一定的外界技術輔之以去除這些難降解物質，生物強化技術是其中一項深受人們青睞的一項工藝。生物強化技術是通過把一些特定功能的微生物引入到生物處理系統(tǒng)中，以實現(xiàn)提升微生物濃度的效果，增強了對難降解污染物的降解能力，也可以明顯的加速了污染物的降解速率。從而達到對目標污染物的去除效果。生物強化技術最早產生于20世紀70年代，真正被廣泛應用的則是在上個世紀80年代以后。這項技術作為一項污染物預處理技術，其核心是投加高效降解微生物，關鍵環(huán)節(jié)是培菌和投菌，與現(xiàn)代分子生物學技術和分析化學相結合，對后期污染物的處理奠定非常重要的技術基礎，成為水體、土壤等生物修復的發(fā)展趨勢，也越來越受到人們的關注。

1 生物強化技術的菌劑來源及作用機理概述

1.1 生物強化菌劑來源

菌劑是生物強化技術能否達到預期效果的至關重要的影響因素，生物強化菌劑既可以經過馴化培養(yǎng)，也可以直接通過商業(yè)購菌的方式獲得。其中，自然界的馴化培養(yǎng)是目前較為成熟的一項技術，首先是是要分離出一定的適應性菌株，目前一般會選擇水、土壤等自然環(huán)境，這些具有降解性能的特殊菌株是通過一定的選擇性培養(yǎng)產生，當這類特殊的降解性菌株被培養(yǎng)出來之后，再通過反復的富集培養(yǎng)或分離純化，實現(xiàn)培育出高效菌的效果，然后，還需要接受突變劑的篩選，來增強酶活性、胞外酶分泌和效應分子作用，最終培養(yǎng)出單一的菌株。還有一種來源便是直接通過購買的方式獲取。

商業(yè)菌劑既有自養(yǎng)，也有異養(yǎng)和兼性菌等多種菌株的混合復配，商業(yè)菌也是需要從自然界中篩選，選舉培育具有降解功效的細菌，最后制成可以方便銷售的干粉制劑或菌液劑進行銷售。因此，與從自然界中馴化培養(yǎng)的菌劑相比具有很多優(yōu)勢所在：商業(yè)菌劑使用起來較為安全，即便產生少量污染也可以及時的予以處理；商業(yè)菌劑之前已經進行了一定的處理和培育，縮短了后期微生物的馴化時間，可以根據(jù)現(xiàn)實需要增強系統(tǒng)中的有效微生物濃度。但在實際使用商業(yè)菌劑時也應注意：微生物要能發(fā)揮其降解污染物的功效，必須滿足一定的條件，比如適宜的溫度等等。因此，需要掌握好適宜的溫度等條件顯得尤為重要；菌株的效果發(fā)揮也還受到其他因素的影響，例如當菌株被投入到生物系統(tǒng)后，其抗污染的負荷能力會對其分解污染物效果有一定的影響，注意菌株的抗高濃度污染物能力；微生物在一些重金屬中失活，從而失去降解效果；要考慮菌株在現(xiàn)實中的生存能力，不能以實驗室中的效果來替代較寬范圍環(huán)境下的生存效果。

1.2 生物強化技術的作用機理

生物強化技術中，投入菌種和基質的作用方式主要有三種：直接作用、共代謝作用和基于水平轉移作用。其中，直接作用，是指通過馴化、篩選、誘變、基因重組等技術手段讓一株以目標降解物質為主要碳源和能源的微生物，并且向處理系統(tǒng)中放入一定的菌種，實現(xiàn)去除效果，也即微生物直接利用分解底物。共代謝作用：主要是基于廢水中含有一些有害物質，這些危害物質微生物難以直接將其作為碳源和能源生長，不過，在一定條件下又可以通過改變這些有害物質的結構來達到降解的目的。目前，共代謝的類型主要有不同微生物之間的協(xié)同作用、休眠細胞對污染物的降解和菌株在新陳代謝中把二級基質共同氧化，進行新陳代謝產生特定酶三種?；谒睫D移作用：引入具有特定特征代謝基因的微生物，在基因水平上加速其與自然基因的交換和代謝途徑的構建，提高降解有機污染物的能力。

2 生物強化技術在水污染治理中的應用

2.1 生物強化技術在水污染治理中的應用現(xiàn)狀

與物理、化學方法處理污水相比，生物手段處理廢水具有效率高、成本低、易操作、針對性強等優(yōu)勢，被廣泛應用在各個行業(yè)和領域。歸納起來主要有：對有毒、有害、不易降解污染物的治理；江河湖泊的水體、土壤以及地下水生物修復；高濃度有機廢水的處理；改善污水生物處理系統(tǒng)中的污泥特性，實現(xiàn)減少污泥產量的效果；此外，對于廢水中的油脂降解也有很好的處理效果見表1。

表1 生物強化技術在水污染治理中的應用實例

2.2 生物強化技術在水污染治理中的應用效果評價

2.2.1 提高對目標去除物的去除效果

生物強化技術對需要處理的目標污染物具有很好的針對性，處理的效果也更好。Selvaratnam等人篩選到一株苯酚的高效降解菌Pseudomonas putida ATCC 11172，通過把這種菌劑投入到序批式活性污泥法反應器中，通過一段時間的觀察后發(fā)現(xiàn)，該菌劑對苯酚的降解效率一直都處于95%以上，與沒有投加這一菌劑的反應器相比苯酚的去除效果明顯提升，高出50%左右[1]。Chin通過在附著的生物床加入可以降解苯的混合菌劑后發(fā)現(xiàn)，當水力停留時間在1.9小時時，整個生物增強系統(tǒng)的去除效果是非強化系統(tǒng)的3倍多[2]。

2.2.2 改善污泥性能，減少污泥產生

生物強化技術還可以有效的降低生物處理系統(tǒng)的污泥的產生量，對于污泥膨脹的消除效果也非常顯著，通常情況下可以實現(xiàn)降低污泥容積在25%左右[3]。Chamber在研究生物強化技術在氧化溝、曝氣塘、延時曝氣工藝中的應用效果后發(fā)現(xiàn)，引入生物強化技術后，接種后的氧化溝四周左右污泥膨脹就消除了，而延時曝氣系統(tǒng)也在3周左右就實現(xiàn)污泥膨脹消除的良好效果。

2.2.3 加快系統(tǒng)啟動，增強耐負荷沖擊力和系統(tǒng)穩(wěn)定性

Belia和Smith通過研究后發(fā)現(xiàn)，在活性污泥中加入10%的降解磷的純菌，整個系統(tǒng)的脫磷效果達到90%以上，真正屬于一種高效的脫磷系統(tǒng)，而且只需要14d，如果單純的只用活性污泥馴化達到此脫磷率，則需要58天時間。Edgehill等人用降解五氯酚（PCP）的純菌來增強活性污泥系統(tǒng)，當加入10%（相對于固有菌量）的純菌，就會使PCP廢水馴化期大大縮短。當PCP負荷由40mgl-1升高到120mgl-1時，出水則達到60mgl-1，單純的活性污泥系統(tǒng)恢復正常需要48h，但加入5%或7%的純菌（相對于固有菌量），系統(tǒng)在18h內就使PCP出水達到15mgl-1，表現(xiàn)出良好的抗符合沖擊的能力。

2.3 影響生物強化技術效果的因素分析

影響生物強化技術效果的因素較多，既有投菌量、投菌方式等因素，也有應用工藝和營養(yǎng)物質等因素。

2.3.1 投菌量

投菌量加入的多少通常會與生物強化技術處理效果成正比例關系，即投菌量越多，其處理效果越明顯[4]。不過，由于高效菌種的穩(wěn)定性和活性規(guī)律性不強，難以準確測定，因此，對于菌量投加后的效果研究業(yè)會得出不同的答案：Patureau等按3.2%、10.3%、15%（體積分數(shù)）接種好氧脫氮菌M.Aerodenitrificans至序批式活性污泥反應器中，10.3%接種量時系統(tǒng)的脫氮除磷效果最佳，而15%接種量時系統(tǒng)的脫氮除磷效果最差[5]。

2.3.2 投菌方式

菌株的投加方式對于生物強化技術的應用效果也會產生一定的影響。其中，直接投加特效降解菌雖然很簡便，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。而選擇固定化投菌的方式，則可以將菌種固定在特定的載體上，這種方式能夠有效減少菌體的脫落，提高了菌體的活性，有效地避免了菌體的流失，提高了系統(tǒng)中優(yōu)勢菌種的濃度，增強了其在反應器中的競爭性、抗毒性以及停留時間，也是現(xiàn)實中運用效果較為理想的一種投菌方式。

2.3.3 應用工藝

目前生物強化技術的應用工藝除妖有厭氧污泥床和生物流化床工藝。

2.3.4 營養(yǎng)物質

微生物的生長需要一定比例的營養(yǎng)物質，除了碳源外，還需要氮、磷及其他微量元素。

3 生物強化技術在污水處理中的失敗原因分析

生物強化技術具有很好的污水預處理效果，但常常由于受到上述因素影響，其現(xiàn)實中的應用效果也不是完全都能取得預想中的良好效果。分析生物強化技術在污水處理中的失敗因素，主要有：有的污水的成分十分復雜，自身就不適宜采用生物強化技術來進行預處理；廢水中可以利用降解污染物的微生物濃度太低，即便投入適量的生物菌劑也難以維持其生長；系統(tǒng)中固有菌的活性超過了投入菌的活性，使得投入菌難以有效攝取廢水中的營養(yǎng)物質；投入到系統(tǒng)中優(yōu)勢菌被原水中的微生物捕食，難以讓優(yōu)勢菌發(fā)揮出效果；廢水中含有抑制性基質，菌的生長和代謝被抑制，發(fā)揮不出優(yōu)勢菌的應有效果；還有一些不利于優(yōu)勢菌生長的因素存在，例如水的溫度、pH等，這些因素的存在在一定程度上也會對生物強化技術產生較大影響，甚至會直接影響到污水處理的成敗。

[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,劉佐才,范廣裕等.生物強化技術及其在廢水治理中的應用[J].環(huán)境科學研究,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.