6.5　生物強化技術

生物強化技術（bioaugmentation）是一種通過向廢水處理系統直接投加從自然界中篩選的優勢菌種或通過基因重組技術產生的高效菌種以改善原處理系統的能力，達到對某一種或某一類有害物質的去除或某方面性能改進目的的環境生物技術。生物強化技術產生于20世紀70年代中期，80年代以來在水污染處理、污染土壤的生物修復及大氣污染的治理中得到廣泛的研究和應用。針對焦化廢水的治理難題，國內外研究者從改造現有生化設施及開發新工藝兩方面著手進行了大量的研究工作。

在生物處理體系中投加具有特定功能的微生物來改善原有處理體系的處理效果。投加的微生物可以來源于原有的處理體系，經過馴化、富集、篩選、培養達到一定數量后投加，也可以是原來不存在的外源微生物。實際應用中這兩種方法都有采用，主要取決于原有處理體系中微生物組成及所處的環境。這一技術可以充分發揮微生物的潛力，改善難降解有機物的處理效果。

生物強化處理技術是現代微生物培養技術在廢水處理領域的良好應用和擴展，該技術的核心是廢水處理的優勢微生物來源于廢水處理系統自身，優勢微生物的數量及活性大小決定廢水處理系統的處理效果。所以，生物強化處理技術的主要工作內容是選擇原廢水處理系統中的優勢微生物并使其迅速增殖，增強活性，進而返回原廢水處理系統中，提高系統的處理效果。

6.5.1　原理與作用

投加的菌種與基質之間的作用主要有通過馴化、篩選、誘變、基因重組等技術得到一株以目標降解物質為主要碳源和能源的微生物，向處理系統中投入一定量的該菌種，就會增強對目標污染物的去除效果。此外，對于一些有毒有害物質，微生物不能以其為碳源和能源生長，但在其他基質存在的條件下，能夠改變這種有害物質的化學結構，使其降解。

（1）高效菌種的直接作用

投菌法具有專門處理某些污染物或特種廢水的特點，尤其適用于難降解有機廢水。當原處理系統中不含高效菌種時，如果投入一定量的高效菌種，則可有針對性地去除廢水中的目標降解物；當原處理系統中只存在少量高效菌種時，那么投加高效菌種后可大大地縮短微生物馴化所需要的時間。在水力停留時間不變的情況下，能達到較好的去除效果。

（2）微生物的共代謝作用

微生物的共代謝作用是指只有在初級能源物質存在時才能進行的有機化合物的生物降解過程。共代謝過程不僅包括微生物在正常生長代謝過程中對非生長基質的共同氧化，而且也包括了休止細胞對不可利用基質的氧化代謝。

6.5.2　主要技術工藝與特點

（1）投加高效降解微生物

投加高效降解微生物這種生物技術得以實施的前提是獲得能作用于目標降解物的高效菌株，從理論上講，對于天然合成的有機物，一般都能夠找到相應的降解菌株。而對于具有芳香環或長碳鏈的合成有機物，相應的降解菌株很難找到，需培養及馴化。

這些降解菌在純培養體系中大多數都能表現出高活性，但在多菌株共存的生物處理系統中，投加純培養高效降解菌株（菌劑）后，能否起到強化生物處理的作用，在實際生產中尚難以預料。

（2）投加營養物和基質類似物

由于大部分難降解有機物的降解是通過共代謝途徑進行的。在常規活性污泥系統中，可降解目標污染物的微生物活性和數量都比較低。通過投加某些碳源和能源營養物質或提供目標污染物降解過程中所需要的因子，都有助于降解菌的生長，改善處理系統的運行狀況。

（3）主要工藝特點

1）顯著提高微生物活性，處理效率可以提高50%～100%。

2）進水水質變化不大的情況下，可將處理系統的處理容量提升30%～100%。

3）降低排放廢水的污染指標，提高排放廢水水質。

4）布局靈活、占地面積小。

5）可以有效地解決因水量增加或負荷增加而無法擴建的問題。

6）可以有效地解決因絲狀菌異常增殖而導致的污泥膨脹問題。

7）投資省，可以連續升級，基本不需要增加土建構筑物。

8）自動化程度高，操作、管理簡易。

9）可以用于高濃度污染物廢水的生物預處理。

6.5.3　生物強化技術應用

針對廢水處理而言，主要通過以下幾種生物強化技術來提高現有生物設施的處理效率。

（1）投加高效菌種

獲得高效作用于目標降解物的菌種是生物強化技術的關鍵。對于人類在工業生產中合成的一些化合物，它們的結構不易被自然界中固有微生物的降解酶系統識別，需要用目標降解物來馴化、誘導產生相應的降解酶系統。

篩選得到高效菌種一般需要一個月甚至幾個月的時間。另外，生物強化技術的成功應用要綜合考慮水質、水量、投菌量、營養物質、生物反應器的構型、水力停留時間等諸多因素。投加方式是設計時考慮的一個重要方面。直接投加方式簡便易行，但菌體易于流失或被其他微生物吞噬。采用固定化技術，如用高聚物將其包埋或是固定在載體上，能增強菌體的競爭性及抗毒物毒性能力，有效地避免原生動物的捕食。

不同的反應器投加高效菌種的效果不盡相同。最初把這種技術較多地用于懸浮活性污泥法，如間歇式活性污泥法、生物曝氣塘、氧化溝等，而現在人們嘗試將其用于生物膜法，如生物流化床、填充床和升流式厭氧污泥床等，使生物增強菌類附著在載體（如砂礫、顆粒污泥）上，減少了菌體的流失。生物增強技術用在不同反應器的強化效果有待于人們進一步研究和探索。王璟、張志杰等通過馴化富集培養，從處理焦化廢水的活性污泥中分離出2株萘降解菌WN1、WN2和1株吡啶降解菌WB1。同時研究了高效菌種和共代謝初級基質組合協同作用的效果。研究結果表明，投加共代謝初級基質、Fe³⁺和高效菌種均能促進難降解有機物的降解，提高焦化廢水COD去除率，當三者協同作用時，效果最好。

1997～1998年，上海的某公司在上海和杭州的兩個不同焦化廠進行了現場模擬試驗，試驗結果得出，利用高效菌群技術去除污水中的氨氮時，效果非常好而且不需要加堿。NH₃-N由進水質量濃度800mg/L下降到了出水小于25mg/L，整個過程去除率高達96.9%，COD由進水濃度2000～3500mg/L下降到了出水150mg/L以下，去除率達到了92.5%。

（2）添加劑法

添加劑的目的是為了提高曝氣池的污泥濃度，目前實際生產中主要是投加生物鐵和投加生長素。要提高現有生化設施處理廢水的效率，其中一條主要途徑是減小污泥負荷。減小污泥負荷通常采用兩種方式：一是提高曝氣污泥濃度；二是加大曝氣池的容積。對于后者，再加大曝氣池的容積將影響其他處理環節，破壞工藝的完整性，污染指標去除率的提高一般很難實現：而通過刺激曝氣池中微生物的活性，改善微生物的新陳代謝能力，從而來提高曝氣池中的污泥濃度，這種方法應用于現有處理廢水的設施效率一般較容易達到。以下的投加生物鐵和生長素法都是通過提高污泥濃度來強化生化效果的。

①生物鐵法　生物鐵法是在曝氣池中投加鐵鹽，以提高曝氣池中活性污泥濃度為主，充分發揮生物氧化和生物絮凝作用的強化生物處理方法。由于鐵離子不僅是微生物生長所必需的微量元素，而且對生物的黏液分泌也有刺激作用。鐵鹽在水中生成氫氧化物，與活性污泥形成的絮凝物共同作用，使吸附和絮凝作用更有效地進行，從而有利于有機物富集在菌膠團的周圍，加速生物降解作用。

該法大大地提高了曝氣池中的污泥濃度，可由傳統方法的2～4g/L提高到9～10g/L，使得系統降解有機化合物的能力大大加強。當有毒氰化物的濃度高達40mg/L時，仍可取得良好的處理效果。同時，對COD_Cr的降解效果也較傳統的生化法好。該法與傳統的生化法相比，盡管增加了一些處理藥劑費，但單位去除污染物的成本并未提高或增加較少。目前，很多焦化廠廢水處理站常采用生物鐵法來強化降解污染物。

②投加生長素法　投加生長素法是基于現有焦化廠生化處理曝氣池容積偏小，酚、氰化物和COD_Cr降解效率較差的情況下，采用投加生長素來提高活性污泥的活性和污泥濃度（MLSS），進而強化現有裝置的處理能力。在焦化廠廢水處理曝氣池中采用投加生長素（如葡萄糖、氧化鐵粉），強化廢水處理系統對污染物的降解效率。從應用于高濃度或低濃度的焦化廠廢水生化處理的效果來看都很有效，尤其是對酚、氰化物的去除率較高，對COD_Cr的去除效果也比普通活性污泥法好。該法不僅能提高系統的容積負荷，而且由于增加了污泥濃度，使得微生物所承擔的污染物污泥負荷降低，提高了處理效率，降低了處理成本。該技術在國內許多中小型焦化廠廢水處理中得到了一定的推廣使用。

投加生長素法的生化處理技術的關鍵是促進了細菌的繁殖與生長。細菌內存在著各種各樣的酶，在細菌分解污染物的過程中，主要是借助于酶的作用。因為酶是一種生物催化劑，若酶系統不健全，則生物降解不徹底。投加生長素的目的不是對細胞起營養供碳作用或提供能源作用，而是健全細菌的酶系統，從而使生物降解有效進行。