垃圾滲濾液生物強化研究進展

馬慧臨 姜小鑫 馮靜婭 鮑 宇

（上海船用柴油機研究所環(huán)保裝備事業(yè)部 上海 200090）

引言

垃圾滲濾液作為一種有機污染物濃度高、氨氮濃度高、氮磷比例失衡、毒害性較強的復雜有機廢水，能夠在環(huán)境中長期存在，若未經處理直接排放，會對周邊環(huán)境中的土壤、水源、尤其是地下水環(huán)境產生不可逆的影響，并進一步對人體造成危害。

現(xiàn)階段垃圾滲濾液處理方法主要有物理化學法和生物處理法。其中，物理化學法多用于預處理過程或深度處理過程，有混凝法、膜分離技術和高級氧化法等，處理效果雖好，但成本較高；生物處理法主要包括厭氧生物處理、好氧生物處理和厭氧-好氧生物處理法，具有成本低、環(huán)境友好、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點，在垃圾滲濾液處理過程中多作為主體工藝。

生物處理法中生物強化技術是通過向體系中引入特定菌株來提高處理效果的一種優(yōu)化方法，現(xiàn)有研究中已經證明了生物強化在提高污染物去除率、促進有毒污染物降解、加快反應器啟動速度、增強對極端環(huán)境的適應性和污水處理廠改造升級等方面的成功應用，其操作方法靈活，適應范圍廣泛，應用潛力巨大，能夠有效提升污水處理效果。因此，本文總結了生物強化在垃圾滲濾液處理中的研究現(xiàn)狀與進展，為垃圾滲濾液處理提供參考。

1 生物強化技術

1.1 生物強化機理

生物強化過程是通過引入具有特定功能的菌株，引起生物處理體系中微生物群落結構變化，促進目標污染物降解菌豐度的提高，進而改變系統(tǒng)代謝功能，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

從目標污染物降解角度來看，復雜廢水中有毒物質或污染物的過高濃度都有可能對生物處理系統(tǒng)造成抑制，因而通過引入具有特定功能的菌株，能夠實現(xiàn)對目標污染物的直接降解，解除毒性或高濃度抑制，進而恢復系統(tǒng)活性。除此之外，生物強化過程也可以通過間接降解的方式降低目標污染物濃度，如吸附作用、產生表面活性劑、促進系統(tǒng)共代謝等。

從微生物群落結構角度來看，生物強化過程本質上都將導致微生物群落結構、功能基因表達和系統(tǒng)代謝途徑的變化。對于土著菌生物強化過程而言，菌群對原始環(huán)境適應性較強，不易被淘汰，能夠直接發(fā)揮降解作用；對于外源菌生物強化過程而言，主要通過改變微生物群落結構變化，促進優(yōu)勢降解菌豐度的提高來優(yōu)化處理性能。值得注意的是，生物強化過程中并不是所有引入菌株都能夠在系統(tǒng)中存活或維持原有的優(yōu)勢地位，污染物降解和生物處理體系的優(yōu)化是整個系統(tǒng)中微生物協(xié)同作用的結果。

1.2 生物強化影響因素

生物強化菌株的選擇對于生物強化能否成功至關重要。一般而言，用于生物強化的菌株必須滿足至少活性、持久性和相容性3個標準[1]。因此，應根據(jù)實際運行條件或降解目標污染物進行菌株選擇，有助于菌株更好的適應環(huán)境并發(fā)揮作用。

投加量和投加間隔是影響生物強化效果的重要因素，多數(shù)情況下初始投加量越高越有助于投加菌株在體系中存活并長期存在。但實際應用中，由于外加菌株可能會與原有微生物之間產生競爭，環(huán)境中營養(yǎng)物質限制，過高的投加量也可能降低生物強化效果，因此當生物強化效果隨運行時間延長而逐漸減弱時，可以通過重復投加的方式進行優(yōu)化。

環(huán)境條件會影響微生物的生長與活性，在保證經濟可行的前提下，可調整環(huán)境條件使其適合生物強化菌株生長，有利于生物強化更好地發(fā)揮作用。大多數(shù)微生物的最佳生長溫度通常是在30～37℃的中溫環(huán)境中，最佳溶解氧濃度能夠提升功能微生物多樣性、豐富性和關鍵功能基因的豐度，一般來說中性和微堿性的pH 范圍更有利微生物生長。

2 生物強化提高垃圾滲濾液處理效果研究

2.1 生物強化菌株選擇

垃圾滲濾液復雜的水質條件要求生物強化菌株具有較強的功能性、適應性和耐沖擊性，常規(guī)的污染物降解菌株可能難以在這樣復雜的水體環(huán)境中存活并發(fā)揮作用，因此在垃圾滲濾液的生物強化研究中，菌株選擇主要有從垃圾滲濾液中原位分離馴化和引入成熟的特定降解菌2 種方式。

2.1.1 從垃圾滲濾液中原位分離馴化

從垃圾滲濾液或處理滲濾液的活性污泥中原位分離馴化得到的菌株對水體環(huán)境有較強的適應性，且分離馴化過程能夠根據(jù)目標污染物的性質及濃度靈活進行，是目前垃圾滲濾液生物強化過程使用最多的一種菌株選擇方法。Yu D H 等[2]從垃圾滲濾液菌群中馴化分離出一株耐氨氮能力較強的菌株蠟狀芽孢桿菌，投加到垃圾滲濾液中，能夠實現(xiàn)同時高校去除COD 和氨氮。

2.1.2 引入成熟的特定降解菌

除在原位篩選進行土著菌投加之外，還可以直接引入成熟的特定外源降解菌，可以節(jié)約分離馴化的時間，增強對某種目標污染物的降解效果。Michalska J 等[3]選用了2 株對苯酚有降解能力的惡臭假單胞菌株，投加到處理含酚垃圾滲濾液的SBR反應器中進行生物強化處理，取得了良好效果。

2.2 氮污染物去除

氨氮濃度較高，氮磷比例失衡是垃圾滲濾液一大特點，高氨氮濃度會使傳統(tǒng)硝化菌受到游離氨的抑制，進而影響脫氮效果。因此，在促進氮污染物降解的生物強化研究中，需選用對高氨氮濃度有耐受性的功能菌群。具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力的菌株被廣泛應用于促進滲濾液脫氮效果的生物強化試驗中。

異養(yǎng)硝化-好氧反硝化作為一種新型脫氮理論，已被證明可以通過完全硝化反硝化通路或羥胺通路在消耗有機物的情況下將氨氮轉化為氮氣，實現(xiàn)污水脫氮。此外，具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力的菌株對于惡劣環(huán)境下的污水處理也有較好的應用潛力，在已有研究中已被證實能夠適應高鹽度、低溫、高重金屬濃度等條件，有利于處理垃圾滲濾液這種復雜廢水。Dadrasnia A 等[4]采用一株具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力的芽孢桿菌屬強化處理垃圾滲濾液，在接種量為10%（v/v），pH 為6 和35℃的最佳條件下，11d 內菌株對垃圾滲濾液中氨氮去除率達到78%，同時對BOD 和COD 去除率分別達到88%和91.4%。

在異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌之外，其他具有高抗性適應性和脫氮能力的菌群也能夠應用于垃圾滲濾液生物強化研究中。胡舒雯[5]從活性污泥中篩選分離得到一株光合細菌，在光照厭氧和黑暗好氧條件下具有脫氮除磷能力，將其投加到SBR 反應器中處理垃圾滲濾液，COD、氨氮和總磷去除率分別可達76.9%、65.96%和94.03%，有效提升了活性污泥系統(tǒng)的脫氮除磷能力。

對于細菌而言，細菌細胞必須消耗能量用于去除污染物的生物代謝過程，若有機物不足很容易限制菌株發(fā)揮作用。與之相比，真菌對極端生長環(huán)境有很強的適應性，如重金屬含量高、多環(huán)芳烴較多、氨氮濃度高等，這與垃圾滲濾液的水質條件相吻合，真菌產生降解酶的過程不依賴于有機污染物濃度。Zegzouti Y 等[6]考察了黃曲霉對不同年齡、不同稀釋濃度的垃圾滲濾液生物強化效果，結果表明黃曲霉對滲濾液中有機物、氨氮和毒性均有降低作用，在處理稀釋濃度為25%的新鮮滲濾液時效果最好，COD、BOD 和氨氮去除率分別可達48.5%、81.63%和98.81%。

2.3 有機污染物去除

垃圾滲濾液中有機物污染物成分十分復雜，葉秀雅等[7]在垃圾滲濾液中檢測出70 種有機污染物，在檢出的有機污染物中，復雜難降解有機物數(shù)量較多。因此，常規(guī)生物降解過程對滲濾液中COD 去除效率較低，在增強有機污染物去除的生物強化研究中，多選用對某種有機污染物有降解和耐受作用的菌株或通過不同功能菌群組合優(yōu)化處理效果。

通過選用對某種特定有機污染物有降解作用的功能菌株，能夠直接促進對滲濾液中該污染物的降解，改善整體代謝途徑，進而促進垃圾滲濾液中有機污染物的去除率。Michalskap J 等[3]在活性污泥中接種了2 株具有苯酚降解能力的惡臭假單胞桿菌，成功應用于含酚垃圾滲濾液的處理，經生物強化后的反應器對滲濾液濃度的增加具有更高的耐受性，對COD 和酚類化合物的去除率可達79%～86%和85%～96%，比對照組分別高出34%以上和35%以上。

相比較單一功能菌株的生物強化過程，也有研究證明混合復配菌群對復雜環(huán)境的適應能力更強，有利于污染物的去除。因此，為了優(yōu)化對垃圾滲濾液中有機物的去除效果，也有研究者采用將不同的功能菌群進行復配，如Yu D H 等[8]將1 株耐受高腐殖酸濃度的糞腸球菌和1 株耐受高氨氮濃度的芽孢桿菌用于處理垃圾滲濾液，2 種菌群混合后處理效果均優(yōu)于單株菌群進行生物強化，混合菌群強化處理的垃圾滲濾液能夠在3d內實現(xiàn)COD 去除率達79.8%，而未經強化的土著菌降解需要9d 才能達到70%左右的COD 去除率。

2.4 系統(tǒng)性能優(yōu)化

在生物處理系統(tǒng)中除了污染物去除率，系統(tǒng)的耐沖擊性、微生物群落結構、活性污泥/生物膜狀態(tài)等都會影響處理效果，在現(xiàn)有的生物強化垃圾滲濾液處理研究中，也發(fā)現(xiàn)了許多對生物處理系統(tǒng)性能優(yōu)化的結果，如減少剩余污泥產量、增強系統(tǒng)對極端條件的抗性、增強耐沖擊性等。Cheng Y 等[9]在處理垃圾滲濾液的缺氧-好氧-沉淀-缺氧體系中接種有益微生物進行生物強化，通過增強內源微生物代謝促進原位污泥減量，接種有益微生物后，系統(tǒng)中胞外聚合物的釋放轉化以及脫氫酶活性明顯增加，缺氧池和好氧池的剩余污泥減量率分別提高至53.6%和38.3%。吳敏[10]在優(yōu)勢菌生物強化SBR 系統(tǒng)處理垃圾滲濾液的研究中發(fā)現(xiàn)，投加優(yōu)勢菌的反應器中生物相變的多樣化，污泥絮體結構緊密，同時增強了活性污泥系統(tǒng)的耐沖擊性。

2.5 生物強化與其他處理工藝相結合

垃圾滲濾液的實際處理過程中，由于其水質條件的復雜性，多采用多種工藝組合聯(lián)用的方式進行處理，多項研究中已經證明生物強化在單個生物處理單元（SBR 反應器）中的成功應用，因此可以根據(jù)生物強化在單個處理單元中的效果與限制，與其他處理單元聯(lián)用，優(yōu)化整體系統(tǒng)的處理效果。Djelal H 等[11]針對生物強化過程對有機物去除的優(yōu)化效果有限，且電化學處理過程不適合去除氨氮的特點，將電絮凝和生物處理耦合后處理垃圾滲濾液，通過前期的電凝聚過程降低垃圾滲濾液中COD 濃度，生物強化過程主要用于垃圾滲濾液中氨氮的去除，經過兩者耦合后，整體系統(tǒng)對垃圾滲濾液中氨氮去除率可達98%。

結論

生物強化技術在垃圾滲濾液處理過程已有一定的研究成果，通過適當?shù)木赀x擇和環(huán)境運行條件控制，已成功應用于提高滲濾液中氨氮和有機物的去除效果、優(yōu)化生物處理系統(tǒng)性能、和其他處理工藝聯(lián)用等方面。然而，目前的研究多集中在實驗室規(guī)模，且部分為批式靜態(tài)試驗，對于垃圾滲濾液處理的連續(xù)性、規(guī)?；确矫嬗兴啡?；同時，垃圾滲濾液水質復雜，生物處理體系中微生物群落結構變化多樣，生物強化對系統(tǒng)的整體作用機理有待挖掘。因此，未來可集中在3 個方面進行深入探索，即①在進行功能菌株投加后，從微生物群落結構逐步深入到功能基因表達和系統(tǒng)代謝途徑的變化來探究生物強化過程的作用機理；②探究在連續(xù)流生物反應器中處理垃圾滲濾液的生物強化效果，尤其是在水質和環(huán)境條件波動下，系統(tǒng)的耐沖擊性和穩(wěn)定性如何變化；③進行生物強化處理垃圾滲濾液規(guī)模擴大化應用中的處理效果，從實驗室規(guī)模逐步放大到中試試驗、全規(guī)模試驗，或探究在污水處理廠升級改造中的應用條件與方法。