栾晓丽　曲媛媛

（烟台市环保工程咨询设计院山东烟台264000）

浅谈生物强化技术及其在水污染治理中的应用

栾晓丽曲媛媛

（烟台市环保工程咨询设计院山东烟台264000）

生物强化技术近年来在污水处理领域取得了显著进展，本文首先探讨了该技术在国内外的研究现状，并从该技术在污水处理中的脱氮除磷、污泥特性以及菌株来源等方面进行了探讨，对实际应用效果进行了评价，并对下一步技术改进提出了展望。

生物强化技术；污水处理；应用

生物强化技术最早诞生于上个世纪70年代中期，经过十多年的发展，直到80年代后，作为污水处理技术被广泛推广应用。究其原理来说，生物强化技术是把具有特定功能的微生物通过一定渠道引入到传统的生物处理系统中，提升微生物浓度，当微生物浓度达到一定程度时，微生物的分解作用便会达到充分发挥，从而实现对一些难以降解的微生物做到了良好的降解效果，对于难以降解的微生物来说，生物强化技术则极大的提高了降解速率，提高了对水污染中的难以降解的有机物的去除效能，能够更好地发挥原有微生物处理体系的功能效果。生物强化技术虽然不是直接的治理技术，只是作为一项预处理技术，但其在高浓度有机废水以及有毒有害难降解的污水治理中的应用效果得到了检验，具有操作简单、应用灵活、针对性强和见效快等优势，受到了广泛关注和应用。

1生物强化技术机理及强化菌剂来源

1.1作用机理

生物强化技术机理按照其类别来分，主要包括直接作用、共代谢作用以及基于水平转移作用而发挥应有功效。其中，共代谢作用，是指在有毒有害难以被微生物直接降解的情况下，通过微生物改变有毒有害物质的结构构成，如以甲烷、异戊二烯和丙烯为主要基质生长的一些菌，产生一种氧化酶，这种酶可以共代谢三氯乙烯（TCE），在有其他底物存在的情况下，达到对目标物降解的效果；直接作用，是指微生物对目标处理物的直接分解，从而达到降解底物的预期效果。基于水平转移作用，是指通过生物强化技术的引入，把其中具有特定代谢基因的微生物引入进来，基于基因水平达到构建自然基因的交换和代谢途径，实现降解有机污染物效果。

1.2强化菌剂来源

生物强化技术利用了生物强化菌剂的功能作用，实现降解有机污染的目的。目前强化菌剂的来源主要有三个方面，（1）自然界直接筛选；（2）构建基因工程菌；（3）直接购买商业菌剂。其中，在自然界中直接筛选的菌剂主要是先在特定环境中分离筛选，然后将筛选出的菌剂进行一定的驯化和培养；而基因工程菌的构建，则是通过添加抑制剂或冷却、干燥从而实现有效保存，并根据实际使用情况进行对菌株组合加入目标处理物系统中。

1.2.1从自然环境筛选

从自然界筛选高效的菌种，首先需要选择特定的如水或土壤环境中，在特定环境中进行适应菌株的分离，并从分离出的特殊菌株进行选择，把具有特殊降解功能和高效的菌株选出来，在高效菌株中增加适量的突变剂，通过突变剂的增加达到增强酶活性、胞外酶分泌、效应因子分子作用，并降低阻碍分子的作用，发酵并培养出具有降解功能的单一菌株（见图1）。自然环境下筛选菌剂操作起来较为简便，菌种的来源也较为广泛而易获得。因此，从自然环境下筛选出高效的菌株，也是目前较为常用也是技术方面较为成熟的一种方法[1]。

图1从自然界中筛选高效菌种步骤

1.2.2培育基因工程菌

把微生物的细胞中一些参与富集和降解过程中的一些主导性基因引入到哪些适应性更强、繁殖能力较好的受体菌株中，以实现对难降解物的处理效率，实现对难降解适应性，提高有机污染物的降解效率[2]。图2是构建基因工程菌步骤。目前，从废水处理行业来说，通过构建基因工程菌的方式进行污水预处理中，大多是选择质粒介导的基因转移或者通过原生质体之间的融合来获得[1]。以共代谢三氯乙烯为例，该共代谢三氯乙烯可以在芳香烃化合物存在的条件下产生，通过在特定化合物中插入Tn5，从而产生Burkholderia cepaciaG45223-PR1，实现在降解污染物中产生出对能够从结构上表达的降解TCE邻甲苯单氧合酶，消除芳香烃化合物在降解过程中所产生的毒害抑制作用的毒害菌，实现在没有诱导物的情况下可以降解TCE。

图2基因工程菌的构建过程

1.2.3商业菌剂

目前，商业菌剂大多是干化和液态形态，其组成主要有自养、异养和兼性菌。商业菌剂主要是将自然界中所筛选出的，具有特定的降解功能的菌剂制成干粉或者制剂加以运用。在选择商业菌剂时要注意：该菌剂在较低或较高温度下生长的能力；抵抗高浓度污染物的能力；抗重金属的能力；在较宽范围的环境或介质中生存的能力以及产生生物表面活性剂，是否能更有利于与污染物接触等因素。

表1商业生物强化菌剂及其应用领域

2生物强化技术在水污染治理中的应用

生物强化技术目前被广泛应用于高浓度有机废水治理；脱氮除磷；改善系统污泥特性，从而降低污泥产量；强化废水中油脂的液化和降解；江湖湖泊的水体修复以及地下水生物的修复等等领域见表2。

表2生物强化技术在水污染治理中的应用

3生物强化技术在水污染治理中的应用效果评价

3.1提高去除效果

Selvaratnam等人筛选一株降解效率较高的菌Pseudomonas putidaATCC 11172，Selvaratnam等人把获取的这一菌株直接投放到生物反应器中，经后期观察发现，这种菌对于苯酚的降解率始终保持在95%以上的降解率，降解效果十分理想。反观，在没有投放这一菌株的反应器内，去苯酚的去除率却呈现出不断降低的现状，甚至从最初的100%的降解率降低到后来的40%左右[3]。Chin等人，通过在生长生物床中加入可以降解的BTX（苯、甲苯、二甲苯）混合优势菌，取得了良好的实验效果，当HRT为1.9h时，生物增强系统中的BTX降解了10mg/L，而没有添加这种混合优势菌的非强化系统中，BTX的降解只有3.2mg/L[4]，显然，在生长生物床中加入了混合优势菌后，其降解效率明显提升。

3.2改善污泥性能

生物强化技术通过改善污泥的性能，能够有效消除在污水处理过程中污泥膨胀难题，提升了污水中污泥的沉降性能，从根本上减少了污泥的产生量，达到了良好的处理效果，通常，生物强化技术可以实现污泥溶剂降低17%～30%[5]。Chamber在延时曝气、曝气塘和氧化沟三种不同的系统中应用生物强化技术，通过研究后发现，氧化沟中应用生物强化技术，污泥膨胀在四周时间里消除，而在接种生物增强剂的试验中，只用了三周就成功实现了污泥膨胀的消除效果，提前了一周时间，效果明显。

3.3增强耐负荷冲击能力和系统稳定性

Belia和Smith，把10%的降解磷纯菌加入到传统的活性污泥中，通过研究后发现，脱磷率超过了90%，整个降解系统成为高效脱磷系统只用了14d，如果单纯的用活性污泥驯化的方式来进行脱磷处理，则足足用时58d，可见，使用生物强化技术极大地提高了降解速率，增强的系统运行效率。Edgehill等人用降解五氯酚的纯菌来增强活性污泥系统，在加入10%的纯菌时，五氯酚的驯化期便被大为缩短，如果单纯使用活性污泥系统进行驯化，则需要2d时间，而加入5%左右的纯菌时，在18h内便实现了预期处理效果，五氯酚的出水达到了15mg/L。生物强化技术在污水处理中表现出良好的抗负荷冲击能力和系统的稳定性。

3.4生物强化技术失败及原因分析

3.4.1生物强化技术在污水处理中常会出现没有达到预期处理的效果，究其失败的原因，主要表现在带处理的废水成分复杂，仅仅依靠生物增强技术难以有效去除污染物；此外，废水中可供微生物生长的底质浓度太低，不利于微生物的生长，也是影响生物强化技术取得预期效果的重要因素之一；另外，还有因为系统中的原生动物将优势菌捕食，减少了污水处理中的加强菌含量，也容易导致处理效果不理想；投入的生物菌没有污水中的固有菌的竞争力强，也必然会影响到对污水的处理效果。

3.4.2另外，废水中往往存在大量的抑制性基质，这些大量存在的抑制菌导致了投入菌的生长和代谢进程，必然会影响到污水的处理效果；优势菌优先利用对于其更有利利用的底质，降低了目标降解物的降解功效；此外，还受到水污染环境的温度、气压等因素影响。

4结语

随着人们对于生物强化技术在污水处理中应用效果的认可，生物强化技术在污水处理中的应用会有良好的应用发展前景。下一步，就如何降低生物强化技术的应用成本，提高菌种的应该效率，做好基因工程的净化功能研究，保障整个基因工程的安全性等，将会成为研究关注的重点。

[1]李久安,周后珍,刘庆华.废水生物强化处理技术研究进展[J].应用与环境学报,2011,17(2):273-279.

[2]郭杨,王世和.基因工程菌在重金属及难降解废水处理中的应用[J].安全与环境工程,2007,14(4):57-61.

[3]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 a bioaugmented sequencingbatch reactor[J].ApplMicrobiol Biotechnol,1997,47:236-240.

[4]Chin K K,Ong SL,Poh L H,etal.Waste water treatmentwith bacterialaugmentation.Water Sci Technol,1996,33(8):17-22.

[5]全向春,刘佐才,范广裕,等.生物强化技术及其在废水治理中的应用[J].环境科学研究,1999,12(3):22-27.

栾晓丽（1982—），女，汉族，山东烟台人，硕士，工程师，主要从事水处理研究、生态湿地建设工程。