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關于生物法污染治理的生物強化技術的研究進展
隨著現代合成工業的發展，大量具有結構復雜性和生物陌生性的異生化合物( Xenobiotics) 進入環境中。這些物質基本都是屬于生物難降解化學物質，很難在短時間內被微生物利用而進入物質循環。對這些污染物質的治理，給傳統的生物處理技術帶來極大挑戰。為了提高對這類污染物質的去除率，現已開發出一系列生物處理新技術，生物強化技術也由此應運而生。生物強化技術產生于20 世紀70 年代中期，20 世紀80 年代以來在污染土壤與污染海洋的修復，工業廢水、地表水及地下水中難降解有毒有害物質的治理，以及城市污水的處理中得到了廣泛的研究和應用，并實現了污染物的高效生物降解。
1 生物強化技術概述
生物強化技術即生物增強技術( Bioaugmentation)，又稱生物增效技術，是為了提高生物處理系統的處理能力，而向該系統中投加從自然界中篩選的優勢菌種或通過基因工程產生的高效菌種，以去除某一種或某一類有害物質的方法。
生物強化技術產生初期是因為一些廢水處理廠的突發事故，如菌體大量死亡、有毒有害物質泄露等致使廢水經處理后達不到排放標準，于是必須直接投加高效菌種強化處理過程以改善出水水質，并使廢水處理系統恢復正常。一般的生物治理技術對于濃度較高、易于生物降解的廢水中的污染物的去除效率高。但是，當廢水中含有對微生物有毒物質時，這些有毒物質會對系統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，從而導致處理效果惡化。對于難處理的廢水，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的時間來適應的問題，同時在外界環境條件較苛刻，如溫度、pH 較低時，治污功能菌的代謝活性會顯著降低，而使用生物強化技術恰好能夠彌補這些不足，其通過投加優勢功能菌種可迅速有效降解目標污染物�？偠灾捎诰哂谐杀镜土⒉僮骱唵巍⑿瘦^高等技術優勢，生物強化技術在生物法污染治理領域逐步得到了推廣應用并取得了顯著的效果。
本文主要結合廢水、廢氣的相關研究，就生物法污染治理的生物強化技術研究進展及其典型應用實例進行論述。
2 生物強化法降解理論
廢水凈化方面。廢水中生物強化處理的關鍵任務是基質的去除，而微生物的生長是基質去除的結果。在Monod 生長模型中，最重要的參數是max與Ks，它們取決于兩大因素，一是微生物種群特性，二是基質特性。
另外，Cap deville建立的生物膜生長動力學模型，因考慮到活性生物量和非活性物質之間的相互作用及影響，具有普遍意義。此外，還有一級反應的動力學模型、指數增長模型、邏輯方程等，它們都各具特色。
生物法廢氣凈化傳質機理目前主要有兩種理論解釋: 一種是國際上普遍認同的荷蘭學者Ottengraff依據傳統的雙膜理論提出的吸收生物膜理論，該理論是以生物濾池為研究對象而建立的，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機理; 孫珮石等針對低濃度揮發性有機廢氣提出吸附理論，他們經過試驗，表明吸附生物膜理論及其動力學模型對于描述生物膜填料塔對低濃度甲苯、苯乙烯、NOx 等4 種氣態污染物的凈化過程具有良好的適用性。
3 生物強化法凈化效率的影響因素
3. 1 填料
目前國內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、階梯環、空心球、懸浮粒陶粒等。
在選擇一種合適的填料時，主要考慮: 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，還直接影響整個濾床的阻力和是否易堵塞等問題，而最關鍵的因素還是成本問題。開發高性價比、高傳質速度、高生物膜量、高降解能力的多孔載體和組合填料，是未來發展的趨勢。
3. 2 主要工藝操作參數
3. 2. 1 微生物菌種
微生物是生物強化法處理廢水、廢氣的主要實現者，能降解污染物成分的微生物很多，主要有細菌、真菌和放線菌。在微生物菌種方面，投菌量是生物強化技術的重要影響因素，隨著投菌量的增加一般增強效果會提高，但菌量投加過大，成本就會升高。投菌方式也是影響凈化效率的關鍵因素。如何選擇優勢菌種，馴化獲得高效降解微生物已成為當前生物法處理工業廢氣研究的熱點。
3. 2. 2 營養物質
微生物的生長需要一定比例的營養物質，這些營養物質主要包括水、碳源、氮源、無機鹽和生長因子。生物強化處理系統中，需要調節廢水和廢氣中微生物營養物質的比例來縮短掛膜時間，增強微生物的活性，提升凈化效果。
此外，廢水的水質、曝氣量、曝氣方式、水力停留時間，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，反應器工藝類型、污染場地、濾出液pH 值、生物安全性檢測、活性檢測、效果評價和可行驗證等都是凈化效率的影響因素。在生物強化法處理廢水、廢氣的工程實踐中，很多影響因素都是相互關聯制約的，對上述因素進行全面地了解還需要深入探索研究。
4 生物強化技術的研究進展與應用實例
4. 1 直接投加高效降解微生物或共代謝基質類物質的強化技術
直接投加高效降解微生物技術是生物強化技術應用領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，得到以目標污染物為唯一碳源和能源的微生物。通過向處理系統中投入這些高效降解微生物，即可實現對目標污染物的高效去除。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及輔助營養物質的技術主要的針對目標是一些難降解的有機物。微生物無法直接將這些難降解的有機物作為碳源及能源用于生長，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，對這些底物進行降解以獲取生長所需能量。微生物降解后產生的氧化酶可以改變目標污染物的結構，從而實現對目標污染物的降解。作為基質類物質，應考慮毒性相對較低、價格低廉且多種用途等因素。有研究表明，在生物強化的同時添加一些無毒害作用的營養物質( 如乳酸、甲酸、乙酸等) 可以大大提高生物強化的效果。但是對于生物的共代謝作用機理的研究，目前尚未見報道，還需深入研究。
姚力等研究了好氧反硝化菌強化序批式活性污泥反應器( SBR1)處理生活污水的性能，同時以只接種相同量普通活性污泥的序批式活性污泥反應器( SBR2) 作為對照，結果表明: 在反應器的啟動階段，SBR1 對COD 和TN 的平均去除率明顯好于SBR2，好氧反硝化菌能在反應器中大量繁殖，其新陳代謝消耗大量的有機物，并高效除氮; 當C /N 為4∶ 1 ( 質量比，下同) 和6∶ 1 時，SBRl 對COD 和TN 的去除率明顯高于SBR2; 當C/N為8∶1 時，SBRl 對COD 和TN 的去除效果達到最好，對兩者的平均去除率分別達到85. 31%和61. 14%; 當C/N 為10∶1 和12∶1 時，兩反應器對廢水COD 去除效果的差距縮小，但SBR1 對TN 的平均去除率分別為58. 98%和51. 64%，明顯高于SBR2。在整個不同C/N運行狀況下，SBRl 的出水NH+4 - N 基本在0. 5mg /L以下，去除率均接近100%。張雨山將4 株耐鹽凈污菌引入到循環式活性污泥法( CAST) 反應器中，構成了新型的生物強化CAST含鹽廢水處理系統。研究發現:CAST 系統中接種耐鹽凈污菌可達到在強化活性污泥對含鹽廢水適應性的同時提高生物處理效果的目的。經過耐鹽凈污菌強化后的CAST 系統對含鹽廢水的處理效果明顯優于未經強化的生物處理系統，其對COD 的去除率達到90%以上，提高了20%左右。生物強化CAST 也具有一定的脫氮除磷能力，其對氨氮的去除率為95% 左右，對總氮的去除率為65%左右，對總磷的去除率在30% ～ 75%。，在投菌前， 出水CODCr和氨氮分別高達210mg /L、48mg /L; 經高效菌種強化后，CODCr先升高隨后降至162mg /L，氨氮則降至15mg /L 以http: / /hjkxdk. yies. org. cn 生物法污染治理的生物強化技術研究進展姜閱下。高效菌的投加，明顯加快了生物脫氮系統的啟動，縮短了啟動期。某制藥廠從其廢水處理系統中分離篩選得到兩株具有高效COD 去除能力的菌株，命名為LX - 2 和LX - 10，以制藥生產廢水為培養基于35℃、120 r /min 培養，測定其COD 降解能力。結果表明菌株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COD 的去除效果明顯優于單株菌株，其COD 去除率達到92. 4%，投加高效混合菌的活性污泥對COD 的去除率提高了15%，強化系統顯示出了明顯的優勢。
毛永楊等以生物膜填料塔為反應器，分別考察了外加乙酸鈉、葡萄糖、酒石酸鉀鈉、甲醇等4 種低分子有機碳源對煙氣同時脫硫脫氮效率的影響。實驗研究結果表明，外加乙酸鈉的脫氮效果最佳，對NOx 的平均去除率為62. 05%; 外加葡萄糖、酒石酸鉀鈉、甲醇時的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脫硫脫氮技術中適宜的外加碳源。實驗是為微生物創造必要的生存條件，實現對其生物活性的增強，進而達到對污染物的高效去除的目的。該法體現了煙氣污染的治理趨勢，是一種很有前景的生物強化技術。
4. 2 固定化生物強化技術
直接投菌法雖然簡單易行，但是所投加的高效微生物容易流失，導致其不能成為水體中的優勢菌種。而采用固定化生物強化技術，可以增強菌體的競爭性及抗毒性能力，減少菌種被原生動物捕食的機率。
固定化生物技術是將單一或混合的優勢菌株固定封閉在特定的載體上，使菌體脫落少、活性高，從而提高優勢菌株的濃度，增加其在生物處理器中的存留時間的一種方法。固定化生物強化技術目前分為3 種: 包埋法、交聯法和吸附法。包埋法是通過凝膠作用，將微生物包埋至載體材料的內部的一種方法。由于其操作簡單、對細胞活性影響小、固定化細胞強度高，是應用最廣泛的固定化方法。交聯法是通過交聯反應，使固定化載體與微生物細胞相互連接，形成密致的網狀結構從而達到固定化的目的。吸附法是通過物理吸附或離子結合的作用，將微生物固定于有吸附特性載體的內部和表面，隨著吸附量的不斷增加以及微生物自身的生長繁殖，吸附性材料表面逐漸形成生物膜，從而實現固定化生物強化。目前國內外學者利用固定化技術與廢水生物處理技術相結合的方法，研發出了多種固定化生物強化工藝，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。
孫移鹿向SBR 強化系統中投加經菌絲球固定化后的好氧反硝化菌T13，考察固定化生物強化技術對反應器處理效能的影響。結果表明，投加固定化好氧反硝化菌T13 后的SBR 中，可以實現較穩定的好氧反硝化作用，在有氧條件下，其對TN的平均去除率可達49. 81%，最佳脫除TN 條件為C /N = 7、pH = 7、DO = 2mg /L; 以O/A 方式運行SBR，經固定化生物強化后，在保持較高COD 和氨氮去除率的基礎上，對TN 的平均去除率提高了22%，約為77%。
張文東等選用聚乙烯醇( PVA) 、海藻酸鈉( SA) 和河沙作為包埋固定化復合菌的載體，制備成包埋固定化復合菌小球來處理養豬廢水。實驗結果表明，經包埋固定化后的高效降解復合菌小球具有保持活性高、微生物濃度高、對環境條件的適應范圍更廣等特點，這就解決了直接投加菌體或菌液造成的微生物流失和對環境變化適應性小的問題。
馮娟娟等采用SBR 反應器，以腈綸、焦化和校園生活污水為處理對象，對比分析了富鐵多孔復合填料與有機多孔載體的生物強化作用效果。結果表明，在同等條件下，富鐵多孔復合填料要比有機多孔載體的生物強化作用顯著: 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; 顯著提高了對高濃度生活污水中COD和TN 的去除效果，同時對磷的去除率提高約58%。利用鐵細菌在氧化鐵離子過程中產生的強氧化作用，可大大提高生化處理效果。
張明霞等為了研究溫度對固定化微生物系統中微生物特性的影響，將微生物固定化技術與SBR 工藝相結合，開發出IMO - SBR 生物強化工藝處理含氮廢水。通過IMO - SBR 和普通活性污泥SBR 廢水處理對比試驗，研究了溫度對固定化微生物系統及游離微生物系統中微生物活性、脫氮效果的影響。比較了2 種系統、3 個反應器(1#內裝馴化好的普通活性污泥，形成普通懸浮污泥SBR。2#裝填結合型載體及與l# 等量的活性污泥，形成載體結合法IMOSBR。3#內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IMOSBR。3 個裝置處理水量相同，且同步運行) 之間的差別，結果表明: 溫度對微生物脫氮效果影響較大，固定化微生物系統較游離微生物系統具有更強的溫度耐受性。
孫珮石利用以生物膜形式固定在多孔填料表面的固定化生物強化技術，采用液相催化- 生物法，對同時脫除煙氣中SO2和NOx 進行了實驗研究。結果表明，采用經專用菌種掛膜制作的生物膜填料塔能夠實現對煙氣中SO2和NOx的同時去除，在循環液中添加金屬離子催化劑可以顯著地提高同時脫除煙氣中SO2、NOx 的能力。在最佳條件下操作，生物膜填料塔對煙氣中的SO2、NOx 凈化效率分別可達到96. 8%、48. 7% 。韓雅瓊等為了同時高效脫除煙氣中的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，在生物滴濾塔中進行同時脫硫脫氮試驗。連續試驗表明，當進口氣體中SO2和NO 質量濃度分別維持在10g /m3 和2g /m3 時，SO2的脫除效率始終保持在95% 以上，而NO 脫除呈現出了周期性波動。隨著含硫含氮氣體對混菌體系的不斷馴化，NO 的周期性波動現象消失，脫氮率穩定在92%左右。
并非所有固定化的微生物都優越于游離態的微生物，有研究發現游離態細胞利用喹啉的速率比固定化后的速率更快。因為固定化微生物受其自身傳質性能和傳氧性能的影響，特效微生物和目標污染物的接觸受到阻礙，從而影響了污染物的降解效率; 而游離態的混合菌液投加到反應器中之后，能迅速得到混合、擴散、分布，沒有傳質阻力。
4. 3 引入生物強化制劑的強化技術
生物強化制劑技術是將從自然界中篩選出來的、由特定降解功能細菌制成菌液制劑或干粉制劑的一種新技術。目前，國內外已將治理各種類型污染物的生物強化制劑產品推向了市場，并取得了一定效果。
生物強化制劑具有很多優點: ①它能縮短微生物培養馴化的時間，迅速提高生物處理系統中微生物的濃度，進而提高工作效率; ②使用安全，操作簡便，可以實時地處理污染，從而節省能源。張守權等為了探討生物強化技術在污水廠低溫啟動中的應用效果，在哈爾濱太平污水廠A/O 池中投入構建的生物強化菌劑，對污水廠進行低溫快速啟動。結果表明: 生物強化技術在寒冷地區低溫期的應用能加快系統啟動，有效提高污染物凈化效能，同時系統穩定性和耐負荷沖擊能力也得以加強。
張蘭河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，分離篩選優勢功能菌，再將這些功能菌群進行復配，構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化效能。結果表明: 投加微生物菌劑的生物強化系統對城市污水中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化技術，顯著改善了生化處理系統的運行效果和穩定性，使系統中菌群的生物多樣性增加，抗沖擊負荷能力增強。
謝未等以紹興縣綜合性印染廢水為處理對象，采用混凝- 水解酸化- 好氧工藝，在好氧單元中投加微生物菌劑進行了中試研究，探討該工藝對印染廢水的處理效能。結果表明，投加菌劑后，該系統的出水水質大為改善。投加菌劑前，出水COD 為l91mg /L，投加菌劑后，出水COD 為111 mg /L。當該系統高效菌群形成后，不投加菌劑20d 內，該系統仍然可以保持出水COD l21mg /L。當該系統MLSS 大量降低后，該系統出水仍然可達120mg /L，此現象說明該系統耐受沖擊能力強，且為污泥的減量化研究指明了新方向。
楊勇光等采用生物強化技術，投加微生物菌劑( 一種固體粉粒劑) 到化糞池處理糞便污泥，取得了一定的經濟效益。通過計算對比得出，第一年投加微生物制劑處理化糞池比專業清掏公司清掏節省50%費用。從第二年起投加微生物制劑比專業清掏公司清掏節省88%費用。在實際應用中，一般投加微生物菌劑一個月后，化糞池臭味大大減輕，糞便量大大減少，基本無沼氣產生。這不僅解決了傳統化糞池堵塞的問題，同時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化技術具有明顯的環境效益與經濟效益。
投加對環境安全的生物強化制劑可以有效去除目標污染物，同時對系統中的其他生物沒有不良影響。因此，研發生物強化制劑已成為環保領域發展的又一熱點。
4. 4 生物強化工藝技術
陳桂娥等在研究生物強化技術組合工藝時，先采用傳統的UV 氧化法對模擬印染廢水進行處理，以降低廢水的毒性，隨后采用膜生物反應器( MBR) 進行深度處理，并向MBR 系統中投加EM 菌群( 即有效微生物菌群) 進行生物強化。他們在結論中提出: 組合工藝對總有機碳( TOC) 去除率接近90%，處理效果明顯，生物強化技術可以有效地提高工藝體系的抗沖擊負荷，提高系統的穩定性。
岳少鳴等為了克服氨氮和有機物對飲用水源的微污染，開發出了高速給水曝氣生物濾池( HUBAF生物預處理新工藝) ，并將其應用于大型自來水廠的預處理工程中。結果表明，與彈性填料接觸氧化池和懸浮球流化池等已投入應用的生物預處理技術相比，HUBAF 抗沖擊負荷能力強、氨氮硝化率高、除鐵除錳能力強，且HUBAF 技術的工程投資成本、占地面積均低于其他給水生物處理工藝。
楊殿海等以處理城市污水的中試規模A2 /O工藝為研究對象，通過改變進水流量以及混合液回流比來調節缺氧區硝酸鹽濃度，研究了低溫( ( 12 4) ℃) 條件下生物強化除磷( EBPR)系統的反硝化除磷特性。對試驗數據運用方差分析法( ANOVA) 處理表明，生物除磷與脫氮過程之間存在緊密相關性( p 0. 05) ，并觀測到反硝化除磷現象; 當進水流量為2. 5m3 /h、混合液回流比為150%時，中試裝置的除磷脫氮能力較好，出水COD、TN、TP 質量濃度分別為30 10、5. 6 2. 9、( 0. 4 0. 2) mg /L，達到國家綜合排放標準( GB18918 - 2002) 一級A 排放標準。而國外在城鎮污水的生物強化處理方面常采用BABE 技術。該技術原理是利用污泥處理環節產生的高濃度氨氮刺激側流反應器中硝化菌的生長，并引入部分二沉池回流污泥使硝化菌處于懸浮生長狀態，然后回流至主體工藝以強化硝化。捷克、荷蘭、加拿大等的許多污水處理廠采用BABE 技術，在氨氮去除方面均取得了不錯的效果。與傳統生物處理工藝相比，生物強化工藝具有諸多優勢，因而成為了污染治理領域的研究焦點，其優勢主要體現在: ①提高目標污染物的去除效果，如張建昆等的實驗結果; ②改善污泥性能，減少污泥產量，如姚桂瑩等的實驗結果; ③縮短系統的啟動時間，增強耐沖擊負荷的能力和系統的穩定性，如莊建全的實驗結果; ④在系統運行狀況不佳時，加速反應系統的恢復，無二次污染，節省經濟成本等。國內外學者還將生物強化技術應用于高濃度有機廢水、啤酒廢水、淀粉廢水、稠油污水、村鎮污水、低溫富氮磷水體、染料廢水、高鹽廢水、受污染飲用水源水、環氧樹脂廢水、化工類氨氮廢水、天然橡膠廢水等的處理方面，均取得了一定成效。
5 結束語
目前在國內外，生物強化技術的研究已經漸趨成熟，只是國內在這方面研究與國外還有很大差距。生物強化技術在廢水的治理中得到了廣泛的嘗試與應用，部分研究成果已成功應用于工業實踐，但還存在許多問題需進一步探討和研究。要想使生物強化技術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有助于取得更好的生物強化效果; ②設計并應用強度高、壽命長、費用低、傳質阻力小的新型、性能優良的固定化填料載體是研究焦點; ③科研工作者還需從污染物降解微生物代謝作用機理與降解機制、如何跟蹤監測所投加菌劑并分析其功能表達等方面進行更為深入的研究，同時對作用菌的生理特性及影響它們的環境因素等方面還需深入探討; ④構建并運用組合工藝，開發高度集成、經濟可行、運行可靠的一體化新工藝。當然，如果在工業生產過程中能夠采用先進的清潔生產工藝代替末端治理，則可使得廢水、廢氣的排放從根本上得到控制。此外，還需加強生物強化反應動力學的探討，構建數學模型，以便更好地指導實際系統的設計與運作。
隨著我國工業化進程的加快，諸多生產領域會產生大量廢水、廢氣，這些污染物如果直接排放會對環境造成嚴重污染及破壞。生物強化技術以其獨特的優勢，對于節約生產成本、提高治污效果、建立環保節約型社會等方面均具有重要意義，必將具有更廣闊的應用前景。