非生物強化技術在污水生物處理中的研究進展

彭瑾

摘要：針對傳統生物法處理高毒、難降解廢水不足及受到各種苛刻環境限制的問題，提出了通過非生物強化技術強化生物處理法來處理這類廢水的途徑。在概迷了不同廢水非生物強化技術的基礎上，進一步闡述了廢水生物處理非生物強化技術未來的研究方向及面臨的挑戰。

關鍵詞：非生物強化技術;污水;生物處理

中圖分類號：X830

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0085-03

1引言

近百年來的污水處理技術研究表明，生物處理技術因其低成本、高效率及控制運行方便等是污水處理領域的核心處理技術。生物處理技術處理污水的原理是微生物基于自身新陳代謝，通過將污水中的污染物質，如有機物、氮、磷等轉化為微生物自身生物量或者能量物質等去除。好氧微生物理論上最優的生長環境中C：N：P的比例為100：5：1，但是實際污水處理環境中，污水組分復雜，而且碳、氮、磷之間無固定比例，無法保證微生物的高活性及對污染物質的高效降解。更進一步，如果面臨極端環境，如氮磷限制、低溫等，微生物的對污水的處理效能將會被進一步限制。因此，各種強化污水生物處理技術運用而生，主要的強化技術有生物強化技術和非生物法強化技術。生物強化技術在20世紀80年代開始廣泛應用于處理環境問題，但是生物強化技術對引入的特定微生物需要有較高的技術要求。因此，大量的非生物強化技術在近些年被廣泛開發應用。目前的研究表明，非生物強化技術主要分為以下幾個方面：基于聲波的強化技術;基于電場的強化技術;基于磁場的強化技術;基于外源投加微生物載體的強化技術。

2聲波技術對污水生物處理技術的強化

超聲波在生物介質中傳播時，會通過不同的機制對生物組織產生各種作用及效應，這種效應成為超聲效應。目前聲波技術對生物強化技術展開了大量研究，但是強化機制解析仍不清晰，可能的生物作用機制有機械機制、熱學機制及空化機制等。超聲波對生物作用的機械機制主要表現為振動效應及聲流效應。而超聲波的高頻振動和聲波輻射屬于超聲波固有的特性。在合適的超聲強度下，超聲波的機械效應可以促使生物膜的通透性，提高生物膜對物質的傳輸效能，促進細胞生長和對底物的利用效率。超聲波的熱效應指超聲波的傳播能量被生物體吸收，從而轉化為生物體自身的熱能，促使生物體自身溫度提高。而超聲的空化效應是超聲在液體中傳播過程中特有的物理現象，其中穩態空化的空化氣泡可以在微聲流切應力作用，導致細胞膜在切線方向位移，造成生物膜局部變薄，微孔增大，增加了該局部細胞的通透性。但是在不適當的超聲波范圍內，會對生物造成損傷，但是在低強度下，傷口較小，微生物可以自身修復。低強度的超聲波會通過促進傳質、增加酶活力、及加速細胞增長來強化生物處理。

羅輝等采用厭氧技術基于低強度超聲技術來處理低濃度生活污水，研究大發現在20kHz、0.2W/mL、10min時，超聲對污泥的活性具有最好的促進作用，該條件下超聲對刺激微生物胞外蛋白質含量增加20%，但是會對多糖含量抑制達到10%，超聲處理會對COD的去除率提高7%～8%，明顯增高器抗沖擊負荷能力。

李國英等研究發現超聲技術用于混凝沉淀法處理制革廢水有明顯的強化作用，通過超聲處理60s，會對制革廢水COD的去除率提高10%以上。

劉紅等研究在低溫環境下（4℃），通過超聲強度為0.3W/Crn2時處理好養活性污泥10min，其會顯著提高活性污泥的活性，COD的去除率穩定在較高水平，證明低強度超聲處理對污水處理工藝具有較強操作性。

但是由于超聲處理會增肌胞外聚合物的松散程度，導致活性污泥的沉降性能下降。因此，選擇合適的超聲強度及作用方式，實現超聲技術應用于實際工程中具有很高前景。

3電場作用對污水生物處理技術強化

電場可以通過刺激微生物的生長與代謝進而影響污水生物處理效能。一方面，電場會促進細胞的有絲分裂的速率、提高細胞的繁殖速率，進而改變細胞膜的表面結構，促進微生物對外界營養物質的吸收能力;另一方面，電場可以對生物酶產生影響，可以促進酶的產量進而加速微生物的代謝能力。但是不同強弱的電場對微生物的影響差異明顯，即適當的電場濃度有益于微生物的生長與代謝，但是當電場超過微生物的耐受范圍時，細胞將會失去活性，更進一步，可以將其應用于滅菌處理。

張璐璐等采用直流電場強化活性污泥處理木質素廢水，發現添加外源直流電場會對木質素的去除效率顯著提高，且30mA時對木質素的去除達到30.19%，通過統計分析發現懸浮污泥中木質素降解菌的豐度和電流的強度之間顯著正相關，但是與不飽和脂肪酸之間呈現顯著負相關。

歐志陽等采用外源電場控制生物膜膜污染的研究中發現，在電流密度為0.09mA/cm2，可以顯著減緩膜污染，且微生物的活性沒有顯著變化。但是在添加電場后，可能對去除COD、氨氮等造成負面影響，卻顯著提高了總磷的去除效率，可以達到99%左右。

目前電場作用對污水生物處理強化的研究相對有限，且研究結論具有比較大的差異性。有關外源電場對生物膜強化效能的研究機理需要進一步展開。

4磁場作用對污水處理強化技術研究

由于生物體中存在磁性物質，外加磁場、環境磁場及生物體內的磁場均會對生物體內及其生命活動產生影響，稱為磁場生物效應。外源添加磁場可以對生物的蛋白質、生物膜及分子結構造成影響。目前對廣泛的模式微生物研究表明，外加磁場均會顯著提高微生物的酶活性。添加外源磁場可以改變交換物質中帶電離子的受力作用，進而影響了生物膜的滲透能力，造成生物體內新陳代謝作用和生物化學作用產生影響。但是，也有研究表明，磁粉會對生物分子結構造成影響，即對較低鍵能的氫鍵的脫氧核糖核酸穩定性造成影響。磁場的性質、強弱及生物的種類及接受磁場的部位能因素都會影響磁場生物效應的性質及強弱。

Niu et al研究外援磁場對低溫活性污泥的活性影響發現，異極磁場強化可以有效提高低溫下活性污泥微生物脫氫酶的活性，而且異極磁場和同極磁場可以提高活性污泥微生物中不飽和脂肪酸的合成與種類，且異極磁場強化的效果比同極磁場強化的效果更加顯著。其在磁場強度為20～40mT可以促進微生物分泌更多的不飽和脂肪酸，促進微生物脫氫酶活性，以適應低溫環境。

陳錦良等采用磁粉一弱磁場強化污泥系統。結果表明，實驗系統COD、NH3-N、Cu2+和Ni2去除率分別比對照系統高12.55%、23.32%、21.13%和26.39%，污泥MLSS、VA（絮凝能力）和PN/PS（蛋白質/多糖）值也分別高出對照系統65.08%、68.48%和23.66%，強化后出水指標均達到電鍍污染物排放新標準要求。

耿淑英等研究發現，磁場的加入在一定程度上提高了SBR系統的運行性能，且當磁感應強度為7X10-2T時效果最明顯。其中，外加磁場對SBR反應系統中總氮去除效果的影響顯著，在7×10-2T時脫氮率從無磁場的65.69%提高到85.98%。外加磁場顯著提高了污泥脫氫酶活性，因而也會對各種污染物的去除產生積極作用。

目前的研究結果普遍表明磁場對生物處理性能、微生物活性及酶活等具有一定程度提高，但是采用有效的磁場投加方式等應用于實際工程中，依舊是以后需要研究的方向。

5基于外源投加微生物載體的強化技術

外援投加微生物載體強化生物處理技術的目的是使微生物從懸浮生長轉化為固定生長，即從原有的活性污泥工藝轉化為生物膜工藝，有效提高了污水系統處理負荷、抗沖擊能力、及污染物去除能力。目前有關基于外援投加微生物載體的強化技術是對污水處理廠提標改造的研究熱點。外援投加的微生物載體主要有活性生物填料、活性炭及生物炭等可以讓廢水處理微生物固定化生長的材料。

大量研究研究及水廠提標改造經驗說明，外加微生物活性載體在活性污泥工藝中，通過將原有的活性污泥改造為泥膜混合工藝（integrated fixed-film acti-vated sludge，IFAS），可以顯著提高對污水中污染物的去除能力。

李金霞等通過粉末活性炭強化活性污泥工藝處理廢水研究發現，在活性污泥中投加粉末炭添加量為30mg/L時，可以顯著提高廢水污染物的去除效果，對COD的去除達到90%以上。

劉苗苗等通過在活性污泥中投加活性炭分析其對污染物去除效果的影響，研究結果表明投加0.04g/L的活性炭對活性污泥反應器中COD、總氮及總磷的去除率分別提高了10%、29%及7.5%。活性污泥硝化反硝化速率隨粉末活性炭與活性污泥混合時間變化而變化，其中在混合時間為30min時硝化速率最大，為13.08mg/（g.h），反硝化速率最大為7.08mg/（g.h）。

目前有關投加外援微生物載體提升活性污泥性能的方式是研究熱點，且已經成功應用于工程實踐中。但是，外援投加微生物載體對活性污泥性能提升效果的機理研究相對有限，以后針對活性污泥中微生物在載體表面粘附特性的研究是今后研究的熱點。

6展望

目前采用非生物強化技術污水處理技術得到廣泛發展。非生物強化技術對于活性污泥工藝處理目標污染物，體現出了高效、穩定、低溫低負荷等多方面的優勢。盡管非生物強化技術不會面臨生物強化技術所面臨的生物安全性等方面的爭議，可以提高生物法處理日益復雜化、難降解及高毒性廢水的處理能力，但是針對非生物強化生物處理能力的有關機理研究依舊是目前的研究短板。對機理性能研究透徹，可以更好地指導外援強化方式的改進，不會致使外援強化方式在黑箱模式下運行。另外，相對于基于聲波、電場及磁場的的強化技術，外源投加微生物載體的強化技術由于造價低、能耗低能特點顯現出較高的優越性，有關磁場等耦合生物填料方式來強化廢水生物處理技術等將是未來研究熱點。