生物法污染治理的生物強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展

姜 閱，孫珮石，鄒 平，魏中華，畢曉伊，王 潔，任洪強(qiáng)，張 宴，王艷茹

（1.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650091；2.云南大學(xué)工程技術(shù)研究院，云南昆明650091；3.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210023）

生物法污染治理的生物強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展

姜 閱1，2，孫珮石2，鄒 平2，魏中華2，畢曉伊2，王 潔2，任洪強(qiáng)3，張 宴3，王艷茹3

（1.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650091；2.云南大學(xué)工程技術(shù)研究院，云南昆明650091；3.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210023）

綜述了生物強(qiáng)化技術(shù)及其降解理論，分析了生物強(qiáng)化法凈化效率的影響因素，詳細(xì)列舉了直接投加高效降解微生物或共代謝基質(zhì)類物質(zhì)、固定化生物強(qiáng)化技術(shù)、引入生物強(qiáng)化制劑、生物強(qiáng)化工藝等四個(gè)方面的生物強(qiáng)化技術(shù)，分別介紹了廢水、廢氣處理中生物強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展及典型應(yīng)用實(shí)例，并指出了生物強(qiáng)化技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

生物強(qiáng)化技術(shù)；廢水處理；廢氣處理；研究；進(jìn)展；綜述

隨著現(xiàn)代合成工業(yè)的發(fā)展，大量具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生物陌生性的異生化合物（Xenobiotics）進(jìn)入環(huán)境中。這些物質(zhì)基本都是屬于生物難降解化學(xué)物質(zhì)，很難在短時(shí)間內(nèi)被微生物利用而進(jìn)入物質(zhì)循環(huán)［1，2］。對(duì)這些污染物質(zhì)的治理，給傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)帶來極大挑戰(zhàn)。為了提高對(duì)這類污染物質(zhì)的去除率，現(xiàn)已開發(fā)出一系列生物處理新技術(shù)，生物強(qiáng)化技術(shù)也由此應(yīng)運(yùn)而生。生物強(qiáng)化技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代中期，20世紀(jì)80年代以來在污染土壤與污染海洋的修復(fù)，工業(yè)廢水、地表水及地下水中難降解有毒有害物質(zhì)的治理，以及城市污水的處理中得到了廣泛的研究和應(yīng)用［3，4］，并實(shí)現(xiàn)了污染物的高效生物降解。

1 生物強(qiáng)化技術(shù)概述

生物強(qiáng)化技術(shù)即生物增強(qiáng)技術(shù)（Bioaugmentation），又稱生物增效技術(shù)，是為了提高生物處理系統(tǒng)的處理能力，而向該系統(tǒng)中投加從自然界中篩選的優(yōu)勢(shì)菌種或通過基因工程產(chǎn)生的高效菌種，以去除某一種或某一類有害物質(zhì)的方法［5，6］。

生物強(qiáng)化技術(shù)產(chǎn)生初期是因?yàn)橐恍U水處理廠的突發(fā)事故，如菌體大量死亡、有毒有害物質(zhì)泄露等致使廢水經(jīng)處理后達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，于是必須直接投加高效菌種強(qiáng)化處理過程以改善出水水質(zhì)，并使廢水處理系統(tǒng)恢復(fù)正常［7］。一般的生物治理技術(shù)對(duì)于濃度較高、易于生物降解的廢水中的污染物的去除效率高。但是，當(dāng)廢水中含有對(duì)微生物有毒物質(zhì)時(shí)，這些有毒物質(zhì)會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的治污功能菌起到毒害作用，使得功能微生物的降解污染物的速率下降甚至自身死亡，從而導(dǎo)致處理效果惡化。對(duì)于難處理的廢水，用一般生物方法處理，通常存在污染物降解速率較慢、治污功能菌需要一段較長(zhǎng)的時(shí)間來適應(yīng)的問題，同時(shí)在外界環(huán)境條件較苛刻，如溫度、pH較低時(shí)，治污功能菌的代謝活性會(huì)顯著降低，而使用生物強(qiáng)化技術(shù)恰好能夠彌補(bǔ)這些不足，其通過投加優(yōu)勢(shì)功能菌種可迅速有效降解目標(biāo)污染物［8－10］?？偠灾?，由于具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、效率較高［11］等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，生物強(qiáng)化技術(shù)在生物法污染治理領(lǐng)域逐步得到了推廣應(yīng)用并取得了顯著的效果。

本文主要結(jié)合廢水、廢氣的相關(guān)研究，就生物法污染治理的生物強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展及其典型應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行論述。

2 生物強(qiáng)化法降解理論

廢水凈化方面。廢水中生物強(qiáng)化處理的關(guān)鍵任務(wù)是基質(zhì)的去除，而微生物的生長(zhǎng)是基質(zhì)去除的結(jié)果。其基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)模型一般用Monod方程來表示：

式中：μ-菌體的生長(zhǎng)比速；S-限制性基質(zhì)濃度；Ks-半飽和常數(shù)；μmax-最大比生長(zhǎng)速度。

在Monod生長(zhǎng)模型中，最重要的參數(shù)是μmax與Ks，它們?nèi)Q于兩大因素，一是微生物種群特性，二是基質(zhì)特性。

另外，Cap deville［12］建立的生物膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，因考慮到活性生物量和非活性物質(zhì)之間的相互作用及影響，具有普遍意義。此外，還有一級(jí)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型、指數(shù)增長(zhǎng)模型、邏輯方程等，它們都各具特色。

生物法廢氣凈化傳質(zhì)機(jī)理目前主要有兩種理論解釋：一種是國(guó)際上普遍認(rèn)同的荷蘭學(xué)者Ottengraff依據(jù)傳統(tǒng)的雙膜理論提出的 “吸收—生物膜理論”［13］，該理論是以生物濾池為研究對(duì)象而建立的，不適合用來描述生物吸附和生物滴濾工藝處理廢氣過程的反應(yīng)機(jī)理；孫珮石等針對(duì)低濃度揮發(fā)性有機(jī)廢氣提出吸附理論，他們［14］經(jīng)過試驗(yàn)，表明吸附—生物膜理論及其動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于描述生物膜填料塔對(duì)低濃度甲苯、苯乙烯、NOx等4種氣態(tài)污染物的凈化過程具有良好的適用性。

3 生物強(qiáng)化法凈化效率的影響因素

3.1 填料

目前國(guó)內(nèi)外使用的生物填料大致可以分為三大類：①定型固定式填料，主要是蜂窩類填料；②懸掛式填料，如軟性填料、半軟性填料、彈性立體填料、組合型填料等；③堆積式、懸浮式填料，即分散式填料，如鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、空心球、懸浮粒子、陶粒等。詳見圖1［15，16］。

在選擇一種合適的填料時(shí)，主要考慮［17］：比表面積、密度、孔隙率、pH值、持水能力、緩沖能力等。填料的比表面積和孔隙率除了直接影響單位體積填充層上的生物量，還直接影響整個(gè)濾床的阻力和是否易堵塞等問題，而最關(guān)鍵的因素還是成本問題。開發(fā)高性價(jià)比、高傳質(zhì)速度、高生物膜量、高降解能力的多孔載體和組合填料，是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 主要工藝操作參數(shù)

3.2.1 微生物菌種

微生物是生物強(qiáng)化法處理廢水、廢氣的主要實(shí)現(xiàn)者，能降解污染物成分的微生物很多，主要有細(xì)菌、真菌和放線菌。在微生物菌種方面，投菌量是生物強(qiáng)化技術(shù)的重要影響因素，隨著投菌量的增加一般增強(qiáng)效果會(huì)提高，但菌量投加過大，成本就會(huì)升高［18］。投菌方式也是影響凈化效率的關(guān)鍵因素。

如何選擇優(yōu)勢(shì)菌種，馴化獲得高效降解微生物已成為當(dāng)前生物法處理工業(yè)廢氣研究的熱點(diǎn)。

3.2.2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

微生物的生長(zhǎng)需要一定比例的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要包括水、碳源、氮源、無機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子。生物強(qiáng)化處理系統(tǒng)中，需要調(diào)節(jié)廢水和廢氣中微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的比例來縮短掛膜時(shí)間，增強(qiáng)微生物的活性，提升凈化效果。

此外，廢水的水質(zhì)、曝氣量、曝氣方式、水力停留時(shí)間，廢氣的各污染物入口氣體濃度、氣體流量、液體噴淋量及其pH值［19，20］，反應(yīng)器工藝類型、污染場(chǎng)地、濾出液pH值、生物安全性檢測(cè)、活性檢測(cè)、效果評(píng)價(jià)和可行驗(yàn)證等都是凈化效率的影響因素［21］。

在生物強(qiáng)化法處理廢水、廢氣的工程實(shí)踐中，很多影響因素都是相互關(guān)聯(lián)制約的，對(duì)上述因素進(jìn)行全面地了解還需要深入探索研究。

4 生物強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用實(shí)例

4.1 直接投加高效降解微生物或共代謝基質(zhì)類物質(zhì)的強(qiáng)化技術(shù)

直接投加高效降解微生物技術(shù)是生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最為普遍的方式之一。其通過馴化、篩選、誘變、基因重組等技術(shù)，得到以目標(biāo)污染物為唯一碳源和能源的微生物。通過向處理系統(tǒng)中投入這些高效降解微生物，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)污染物的高效去除。這些被投入到廢水中的高效降解微生物，有些以游離的狀態(tài)存在，有些可以附著在載體上，以高效生物膜的形式存在。

投加微生物共代謝基質(zhì)及輔助營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的技術(shù)主要的針對(duì)目標(biāo)是一些難降解的有機(jī)物。微生物無法直接將這些難降解的有機(jī)物作為碳源及能源用于生長(zhǎng)，而是以甲烷、丙烷、甲苯、酚、氨和二氯苯氧基乙酸等為原始底物，對(duì)這些底物進(jìn)行降解以獲取生長(zhǎng)所需能量。微生物降解后產(chǎn)生的氧化酶可以改變目標(biāo)污染物的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)污染物的降解。作為基質(zhì)類物質(zhì)，應(yīng)考慮毒性相對(duì)較低、價(jià)格低廉且多種用途等因素［22］。有研究表明，在生物強(qiáng)化的同時(shí)添加一些無毒害作用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如乳酸、甲酸、乙酸等）可以大大提高生物強(qiáng)化的效果。但是對(duì)于生物的共代謝作用機(jī)理的研究，目前尚未見報(bào)道，還需深入研究。

劉偉等［24］利用自行研制的高效菌處理焦化廢水，在投菌前，出水CODCr和氨氮分別高達(dá)

姚力等［11］研究了好氧反硝化菌強(qiáng)化序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR1）（圖2）處理生活污水的性能，同時(shí)以只接種相同量普通活性污泥的序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR2）作為對(duì)照，結(jié)果表明：在反應(yīng)器的啟動(dòng)階段，SBR1對(duì)COD和TN的平均去除率明顯好于SBR2，好氧反硝化菌能在反應(yīng)器中大量繁殖，其新陳代謝消耗大量的有機(jī)物，并高效除氮；當(dāng)C／N為4∶1（質(zhì)量比，下同）和6∶1時(shí)，SBRl對(duì)COD和TN的去除率明顯高于SBR2；當(dāng)C／N為8∶1時(shí)，SBRl對(duì)COD和TN的去除效果達(dá)到最好，對(duì)兩者的平均去除率分別達(dá)到85.31%和61.14%；當(dāng)C／N為10∶1和12∶1時(shí)，兩反應(yīng)器對(duì)廢水COD去除效果的差距縮小，但SBR1對(duì)TN的平均去除率分別為58.98%和51.64%，明顯高于SBR2。在整個(gè)不同C／N運(yùn)行狀況下，SBRl的出水NH＋4－N基本在0.5mg／L以下，去除率均接近100%。

張雨山［23］將4株耐鹽凈污菌引入到循環(huán)式活性污泥法（CAST）反應(yīng)器中，構(gòu)成了新型的生物強(qiáng)化CAST（圖3）含鹽廢水處理系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)：CAST系統(tǒng)中接種耐鹽凈污菌可達(dá)到在強(qiáng)化活性污泥對(duì)含鹽廢水適應(yīng)性的同時(shí)提高生物處理效果的目的。經(jīng)過耐鹽凈污菌強(qiáng)化后的CAST系統(tǒng)對(duì)含鹽廢水的處理效果明顯優(yōu)于未經(jīng)強(qiáng)化的生物處理系統(tǒng)，其對(duì)COD的去除率達(dá)到90%以上，提高了20%左右。生物強(qiáng)化CAST也具有一定的脫氮除磷能力，其對(duì)氨氮的去除率為95%左右，對(duì)總氮的去除率為65%左右，對(duì)總磷的去除率在30%～75%。 210mg／L、48mg／L；經(jīng)高效菌種強(qiáng)化后，CODCr先升高隨后降至162mg／L，氨氮?jiǎng)t降至15mg／L以下。高效菌的投加，明顯加快了生物脫氮系統(tǒng)的啟動(dòng)，縮短了啟動(dòng)期。某制藥廠從其廢水處理系統(tǒng)中分離篩選得到兩株具有高效COD去除能力的菌株，命名為L(zhǎng)X－2和LX－10，以制藥生產(chǎn)廢水為培養(yǎng)基于35℃、120 r／min培養(yǎng)，測(cè)定其COD降解能力。結(jié)果表明菌株LX－2和LX－10具有較好的COD去除能力，COD去除率分別為83.8%和81.2%，混合菌株對(duì)COD的去除效果明顯優(yōu)于單株菌株，其COD去除率達(dá)到92.4%，投加高效混合菌的活性污泥對(duì)COD的去除率提高了15%［25］，強(qiáng)化系統(tǒng)顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

毛永楊等［26］以生物膜填料塔為反應(yīng)器，分別考察了外加乙酸鈉、葡萄糖、酒石酸鉀鈉、甲醇等4種低分子有機(jī)碳源對(duì)煙氣同時(shí)脫硫脫氮效率的影響。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，外加乙酸鈉的脫氮效果最佳，對(duì)NOx的平均去除率為62.05%；外加葡萄糖、酒石酸鉀鈉、甲醇時(shí)的NOx平均去除率分別為51.03%、46.98%、58.71%。乙酸鈉、酒石酸鉀鈉、甲醇均能使SO2的去除率達(dá)到100%，葡萄糖顯著降低了SO2的去除率。乙酸鈉是生物膜填料塔煙氣同時(shí)脫硫脫氮技術(shù)中適宜的外加碳源。實(shí)驗(yàn)是為微生物創(chuàng)造必要的生存條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)其生物活性的增強(qiáng)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)污染物的高效去除的目的。該法體現(xiàn)了煙氣污染的治理趨勢(shì)，是一種很有前景的生物強(qiáng)化技術(shù)。

4.2 固定化生物強(qiáng)化技術(shù)

直接投菌法雖然簡(jiǎn)單易行，但是所投加的高效微生物容易流失，導(dǎo)致其不能成為水體中的優(yōu)勢(shì)菌種。而采用固定化生物強(qiáng)化技術(shù)，可以增強(qiáng)菌體的競(jìng)爭(zhēng)性及抗毒性能力，減少菌種被原生動(dòng)物捕食的機(jī)率。

固定化生物技術(shù)是將單一或混合的優(yōu)勢(shì)菌株固定封閉在特定的載體上，使菌體脫落少、活性高，從而提高優(yōu)勢(shì)菌株的濃度，增加其在生物處理器中的存留時(shí)間的一種方法。固定化生物強(qiáng)化技術(shù)目前分為3種：包埋法、交聯(lián)法和吸附法。包埋法是通過凝膠作用，將微生物包埋至載體材料的內(nèi)部的一種方法。由于其操作簡(jiǎn)單、對(duì)細(xì)胞活性影響小、固定化細(xì)胞強(qiáng)度高，是應(yīng)用最廣泛的固定化方法。交聯(lián)法是通過交聯(lián)反應(yīng)，使固定化載體與微生物細(xì)胞相互連接，形成密致的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而達(dá)到固定化的目的。吸附法是通過物理吸附或離子結(jié)合的作用，將微生物固定于有吸附特性載體的內(nèi)部和表面，隨著吸附量的不斷增加以及微生物自身的生長(zhǎng)繁殖，吸附性材料表面逐漸形成生物膜，從而實(shí)現(xiàn)固定化生物強(qiáng)化。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用固定化技術(shù)與廢水生物處理技術(shù)相結(jié)合的方法，研發(fā)出了多種固定化生物強(qiáng)化工藝，例如固定床工藝、流化床工藝、曝氣生物濾池工藝以及SBBR工藝等。

孫移鹿［27］向SBR強(qiáng)化系統(tǒng)中投加經(jīng)菌絲球固定化后的好氧反硝化菌T13，考察固定化生物強(qiáng)化技術(shù)對(duì)反應(yīng)器處理效能的影響。結(jié)果表明，投加固定化好氧反硝化菌T13后的SBR中，可以實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的好氧反硝化作用，在有氧條件下，其對(duì)TN的平均去除率可達(dá)49.81%，最佳脫除TN條件為C／N＝7、pH＝7、DO＝2mg／L；以O(shè)／A方式運(yùn)行SBR，經(jīng)固定化生物強(qiáng)化后，在保持較高COD和氨氮去除率的基礎(chǔ)上，對(duì)TN的平均去除率提高了22%，約為77%。

張文東等［28］選用聚乙烯醇 （PVA）、海藻酸鈉 （SA）和河沙作為包埋固定化復(fù)合菌的載體，制備成包埋固定化復(fù)合菌小球來處理養(yǎng)豬廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)包埋固定化后的高效降解復(fù)合菌小球具有保持活性高、微生物濃度高、對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)范圍更廣等特點(diǎn)，這就解決了直接投加菌體或菌液造成的微生物流失和對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)性小的問題。

馮娟娟等［29］采用SBR反應(yīng)器，以腈綸、焦化和校園生活污水為處理對(duì)象，對(duì)比分析了富鐵多孔復(fù)合填料與有機(jī)多孔載體的生物強(qiáng)化作用效果。結(jié)果表明，在同等條件下，富鐵多孔復(fù)合填料要比有機(jī)多孔載體的生物強(qiáng)化作用顯著：可使腈綸廢水處理后出水的COD和氨氮降低50mg／L左右；對(duì)焦化廢水中COD和氨氮的去除率分別提高6%和13%左右；顯著提高了對(duì)高濃度生活污水中COD和TN的去除效果，同時(shí)對(duì)磷的去除率提高約58%。利用鐵細(xì)菌在氧化鐵離子過程中產(chǎn)生的強(qiáng)氧化作用，可大大提高生化處理效果。

張明霞等［30］為了研究溫度對(duì)固定化微生物系統(tǒng)中微生物特性的影響，將微生物固定化技術(shù)與SBR工藝相結(jié)合，開發(fā)出IMO－SBR生物強(qiáng)化工藝處理含氮廢水。通過IMO－SBR和普通活性污泥SBR廢水處理對(duì)比試驗(yàn)，研究了溫度對(duì)固定化微生物系統(tǒng)及游離微生物系統(tǒng)中微生物活性、脫氮效果的影響。比較了2種系統(tǒng)、3個(gè)反應(yīng)器 （圖4，1＃內(nèi)裝馴化好的普通活性污泥，形成普通懸浮污泥SBR。2＃裝填結(jié)合型載體及與l＃等量的活性污泥，形成載體結(jié)合法IMO—SBR。3＃內(nèi)裝填采用包埋法制作的含與l＃、2＃等量污泥的凝膠小球，形成包埋法IMO—SBR。3個(gè)裝置處理水量相同，且同步運(yùn)行）之間的差別，結(jié)果表明：溫度對(duì)微生物脫氮效果影響較大，固定化微生物系統(tǒng)較游離微生物系統(tǒng)具有更強(qiáng)的溫度耐受性。

孫珮石［31，32］利用以生物膜形式固定在多孔填料表面的固定化生物強(qiáng)化技術(shù)，采用液相催化－生物法，對(duì)同時(shí)脫除煙氣中SO2和NOx進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用經(jīng)專用菌種掛膜制作的生物膜填料塔（圖5）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙氣中SO2和NOx的同時(shí)去除，在循環(huán)液中添加金屬離子催化劑可以顯著地提高同時(shí)脫除煙氣中SO2、NOx的能力。在最佳條件下操作，生物膜填料塔對(duì)煙氣中的SO2、NOx凈化效率分別可達(dá)到96.8%、48.7%。

韓雅瓊等［33］為了同時(shí)高效脫除煙氣中的NO和SO2，將硫酸鹽還原菌和厭氧反硝化細(xì)菌的混菌體系以附著的方式固定在填料表面，在生物滴濾塔中進(jìn)行同時(shí)脫硫脫氮試驗(yàn)。連續(xù)試驗(yàn)表明，當(dāng)進(jìn)口氣體中SO2和NO質(zhì)量濃度分別維持在10g／m3和2g／m3時(shí)，SO2的脫除效率始終保持在95%以上，而NO脫除呈現(xiàn)出了周期性波動(dòng)。隨著含硫含氮?dú)怏w對(duì)混菌體系的不斷馴化，NO的周期性波動(dòng)現(xiàn)象消失，脫氮率穩(wěn)定在92%左右。

并非所有固定化的微生物都優(yōu)越于游離態(tài)的微生物，有研究發(fā)現(xiàn)游離態(tài)細(xì)胞利用喹啉的速率比固定化后的速率更快。因?yàn)楣潭ɑ⑸锸芷渥陨韨髻|(zhì)性能和傳氧性能的影響，特效微生物和目標(biāo)污染物的接觸受到阻礙，從而影響了污染物的降解效率；而游離態(tài)的混合菌液投加到反應(yīng)器中之后，能迅速得到混合、擴(kuò)散、分布，沒有傳質(zhì)阻力［34］。

4.3 引入生物強(qiáng)化制劑的強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化制劑技術(shù)是將從自然界中篩選出來的、由特定降解功能細(xì)菌制成菌液制劑或干粉制劑的一種新技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外已將治理各種類型污染物的生物強(qiáng)化制劑產(chǎn)品推向了市場(chǎng)，并取得了一定效果［35］（表1）。

生物強(qiáng)化制劑具有很多優(yōu)點(diǎn)：①它能縮短微生物培養(yǎng)馴化的時(shí)間，迅速提高生物處理系統(tǒng)中微生物的濃度，進(jìn)而提高工作效率；②使用安全，操作簡(jiǎn)便，可以實(shí)時(shí)地處理污染，從而節(jié)省能源。張守權(quán)等［36］為了探討生物強(qiáng)化技術(shù)在污水廠低溫啟動(dòng)中的應(yīng)用效果，在哈爾濱太平污水廠A／O池中投入構(gòu)建的生物強(qiáng)化菌劑，對(duì)污水廠進(jìn)行低溫快速啟動(dòng)。結(jié)果表明：生物強(qiáng)化技術(shù)在寒冷地區(qū)低溫期的應(yīng)用能加快系統(tǒng)啟動(dòng)，有效提高污染物凈化效能，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性和耐負(fù)荷沖擊能力也得以加強(qiáng)。

張?zhí)m河［37］為了提高污水處理的效果，分別以葡萄糖、可溶性淀粉、乙酸鈉、食用油、甘氨酸和牛血清白蛋白作為唯一碳源和能源，分離篩選優(yōu)勢(shì)功能菌，再將這些功能菌群進(jìn)行復(fù)配，構(gòu)建出了一種高效微生物菌劑，并利用SBR工藝考察了該菌劑的生物強(qiáng)化效能。結(jié)果表明：投加微生物菌劑的生物強(qiáng)化系統(tǒng)對(duì)城市污水中COD、TOC、NH＋4－N、TN的去除率分別提高了31.82%、16.71%、56.06%和70.56%。投加微生物菌劑的生物強(qiáng)化技術(shù)，顯著改善了生化處理系統(tǒng)的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性，使系統(tǒng)中菌群的生物多樣性增加，抗沖擊負(fù)荷能力增強(qiáng)。

表1 商業(yè)生物強(qiáng)化菌劑及其應(yīng)用領(lǐng)域

謝未等［38］以紹興縣綜合性印染廢水為處理對(duì)象，采用混凝－水解酸化－好氧工藝 （圖6），在好氧單元中投加微生物菌劑進(jìn)行了中試研究，探討該工藝對(duì)印染廢水的處理效能。結(jié)果表明，投加菌劑后，該系統(tǒng)的出水水質(zhì)大為改善。投加菌劑前，出水COD為l91mg／L，投加菌劑后，出水COD為111 mg／L。當(dāng)該系統(tǒng)高效菌群形成后，不投加菌劑20d內(nèi)，該系統(tǒng)仍然可以保持出水COD l21mg／L。當(dāng)該系統(tǒng)MLSS大量降低后，該系統(tǒng)出水仍然可達(dá)120mg／L，此現(xiàn)象說明該系統(tǒng)耐受沖擊能力強(qiáng)，且為污泥的減量化研究指明了新方向。

楊勇光等［39］采用生物強(qiáng)化技術(shù)，投加微生物菌劑 （一種固體粉粒劑）到化糞池處理糞便污泥，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。通過計(jì)算對(duì)比得出，第一年投加微生物制劑處理化糞池比專業(yè)清掏公司清掏節(jié)省50%費(fèi)用。從第二年起投加微生物制劑比專業(yè)清掏公司清掏節(jié)省88%費(fèi)用。在實(shí)際應(yīng)用中，一般投加微生物菌劑一個(gè)月后，化糞池臭味大大減輕，糞便量大大減少，基本無沼氣產(chǎn)生。這不僅解決了傳統(tǒng)化糞池堵塞的問題，同時(shí)也消除了化糞池沼氣中毒、爆炸等安全隱患。由此得出，投加微生物菌劑的生物強(qiáng)化技術(shù)具有明顯的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

投加對(duì)環(huán)境安全的生物強(qiáng)化制劑可以有效去除目標(biāo)污染物，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的其他生物沒有不良影響。因此，研發(fā)生物強(qiáng)化制劑已成為環(huán)保領(lǐng)域發(fā)展的又一熱點(diǎn)。

4.4 生物強(qiáng)化工藝技術(shù)

陳桂娥等［40］在研究生物強(qiáng)化技術(shù)組合工藝時(shí)，先采用傳統(tǒng)的UV氧化法對(duì)模擬印染廢水進(jìn)行處理，以降低廢水的毒性，隨后采用膜生物反應(yīng)器（MBR）（圖7）進(jìn)行深度處理，并向MBR系統(tǒng)中投加EM菌群 （即有效微生物菌群）進(jìn)行生物強(qiáng)化。他們?cè)诮Y(jié)論中提出：組合工藝對(duì)總有機(jī)碳（TOC）去除率接近90%，處理效果明顯，生物強(qiáng)化技術(shù)可以有效地提高工藝體系的抗沖擊負(fù)荷，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

岳少鳴等［41］為了克服氨氮和有機(jī)物對(duì)飲用水源的微污染，開發(fā)出了高速給水曝氣生物濾池（HUBAF生物預(yù)處理新工藝，圖8），并將其應(yīng)用于大型自來水廠的預(yù)處理工程中。結(jié)果表明，與彈性填料接觸氧化池和懸浮球流化池等已投入應(yīng)用的生物預(yù)處理技術(shù)相比，HUBAF抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、氨氮硝化率高、除鐵除錳能力強(qiáng)，且HUBAF技術(shù)的工程投資成本、占地面積均低于其他給水生物處理工藝。

楊殿海等［42］以處理城市污水的中試規(guī)模A2／O工藝 （圖9）為研究對(duì)象，通過改變進(jìn)水流量以及混合液回流比來調(diào)節(jié)缺氧區(qū)硝酸鹽濃度，研究了低溫（（12±4）℃）條件下生物強(qiáng)化除磷（EBPR）系統(tǒng)的反硝化除磷特性。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用方差分析法（ANOVA）處理表明，生物除磷與脫氮過程之間存在緊密相關(guān)性（p＜0.05），并觀測(cè)到反硝化除磷現(xiàn)象；當(dāng)進(jìn)水流量為2.5m3／h、混合液回流比為150%時(shí)，中試裝置的除磷脫氮能力較好，出水COD、TN、TP質(zhì)量濃度分別為30±10、5.6± 2.9、（0.4±0.2）mg／L，達(dá)到國(guó)家綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918－2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

而國(guó)外在城鎮(zhèn)污水的生物強(qiáng)化處理方面常采用BABE技術(shù)［43］。該技術(shù)原理是利用污泥處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的高濃度氨氮刺激側(cè)流反應(yīng)器中硝化菌的生長(zhǎng)，并引入部分二沉池回流污泥使硝化菌處于懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，然后回流至主體工藝以強(qiáng)化硝化。捷克、荷蘭、加拿大等的許多污水處理廠采用BABE技術(shù)（圖10），在氨氮去除方面均取得了不錯(cuò)的效果。

與傳統(tǒng)生物處理工藝相比，生物強(qiáng)化工藝具有諸多優(yōu)勢(shì)，因而成為了污染治理領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：①提高目標(biāo)污染物的去除效果，如張建昆等［44］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；②改善污泥性能，減少污泥產(chǎn)量，如姚桂瑩等［45］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；③縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷的能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如莊建全［46］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；④在系統(tǒng)運(yùn)行狀況不佳時(shí)，加速反應(yīng)系統(tǒng)的恢復(fù)，無二次污染，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本等。

表2 生物強(qiáng)化技術(shù)處理工藝廢水實(shí)例

國(guó)內(nèi)外學(xué)者還將生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水［55］、啤酒廢水［56］、淀粉廢水［57］、稠油污水［58］、村鎮(zhèn)污水［59］、低溫富氮磷水體［60］、染料廢水［61］、高鹽廢水［62］、受污染飲用水源水［63］、環(huán)氧樹脂廢水［64］、化工類氨氮廢水［65］、天然橡膠廢水［66］等的處理方面，均取得了一定成效。

5 結(jié)束語

目前在國(guó)內(nèi)外，生物強(qiáng)化技術(shù)的研究已經(jīng)漸趨成熟，只是國(guó)內(nèi)在這方面研究與國(guó)外還有很大差距。生物強(qiáng)化技術(shù)在廢水的治理中得到了廣泛的嘗試與應(yīng)用，部分研究成果已成功應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐，但還存在許多問題需進(jìn)一步探討和研究。要想使生物強(qiáng)化技術(shù)取得更好的處理效果，還需要做好以下幾方面的工作：①改進(jìn)投加微生物的方法，使之在水體中分布均勻，提高水體中的溶解氧含量將會(huì)有助于取得更好的生物強(qiáng)化效果；②設(shè)計(jì)并應(yīng)用強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、費(fèi)用低、傳質(zhì)阻力小的新型、性能優(yōu)良的固定化填料載體是研究焦點(diǎn)；③科研工作者還需從污染物降解微生物代謝作用機(jī)理與降解機(jī)制、如何跟蹤監(jiān)測(cè)所投加菌劑并分析其功能表達(dá)等方面進(jìn)行更為深入的研究，同時(shí)對(duì)作用菌的生理特性及影響它們的環(huán)境因素等方面還需深入探討；④構(gòu)建并運(yùn)用組合工藝，開發(fā)高度集成、經(jīng)濟(jì)可行、運(yùn)行可靠的一體化新工藝。當(dāng)然，如果在工業(yè)生產(chǎn)過程中能夠采用先進(jìn)的清潔生產(chǎn)工藝代替末端治理，則可使得廢水、廢氣的排放從根本上得到控制。此外，還需加強(qiáng)生物強(qiáng)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的探討，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以便更好地指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)作。

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，諸多生產(chǎn)領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生大量廢水、廢氣，這些污染物如果直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染及破壞。生物強(qiáng)化技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于節(jié)約生產(chǎn)成本 、提高治污效果、建立環(huán)保節(jié)約型社會(huì)等方面均具有重要意義，必將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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A Review of Bioaugmentation Technique on Biological Pollution Control

JIANG Yue1，2，SUN Pei－Shi2，ZOU Ping2，WEIZhong－Hua2，BIXiao－Yi2，WANG Jie2，REN Hong－Qiang3，ZANG Yan3，WANG Yan－Ru3
（1.School of Ecology and Environment，Yunnan University，Kunming Yunnan 650091，China）

The bioaugmentation technique and its degradation theory were reviewed.The factors that impacted the inefficiency of this techniquewere analyzed aswell.Four kinds of bioaugmentation techniques covering putting special functional microorganism or common metabolizing material into the pollutant，stationary reinforcement technique，microorganism preparation，and bioaugmentation treatment technology were introduced in detail.The advances of this technique and the typical practices on the treatment ofwastewater and waste gaswere listed.The future research was put forward.

bioaugmentation technique；wastewater treatment；waste gas treatment；research；advance

X17

A

1673－9655（2015）02－0001－10

2014－09－25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278447、51168046、51008264、51268058）。

姜閱 （1989－），女，漢族，碩士研究生，主要從事生物法凈化工業(yè)廢氣方面研究。