厭氧生物強化水處理技術研究概述

徐 麗 王金倩，* 向 星

(1 遼寧省沈陽建筑大學市政與環境工程學院 沈陽 100168； 2 北京地比棕藍環境科技有限公司 北京 100020)

水污染問題一直是全球性熱點話題。進入21世紀之后，水資源日益成為區域經濟社會發展的制約因素，人類對水環境問題的關注達到了前所未有的程度。自世界第一個生物污水處理工藝誕生百余年來，各國科研工作者一直致力于探究新型的生物處理技術。由于早期普遍認為厭氧反應處理速度慢，因此學者多側重于好氧生物技術的探究。然而，隨著好氧生物技術的廣泛應用，剩余污泥的處理問題日益尖銳[1]，在研究污泥處理問題的同時，越來越多的學者開始探究厭氧生物處理污水的新方向，并不斷對厭氧生物強化水處理技術進行探究。

1 傳統厭氧生物水處理

與好氧生物處理的環境條件不同，厭氧生物處理是在厭氧條件下,形成了厭氧微生物所需要的營養條件和環境條件,通過厭氧菌和兼性菌的代謝作用，對有機物進行生化降解的過程[2]。李亮等人[3]經調查發現，現行污水廠中利用厭氧生物來進行水處理的方法比較單一，仍以生物濾池為主，部分污水廠使用上流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧顆粒污泥膨脹床(EGSB)處理高濃度有機廢水[4]。由于厭氧微生物代謝作用中需要將高分子有機物水解為可透過細胞膜的小分子，而厭氧生物生長緩慢，使得這一過程較為緩慢，生物增長量低。此外，厭氧生物代謝降解過程受pH、溫度等多種環境因素影響，需要保持一定的動態平衡，否則會導致代謝能力減弱，甚至會出現生物凋零的情況。因而在處理廢水時,需要輔助特定調節環節以維持污泥活性,必然會增加運行費用。因此，為提高厭氧水處理的凈水能力，最根本而又最具可行性的方法即為提高生物活性，厭氧生物強化水處理因而正逐漸成為近些年的研究熱點。

2 厭氧生物強化水處理

厭氧生物強化水處理是指以傳統厭氧生物處理為基礎，通過添加某些基質來提高厭氧微生物降解污染物的能力的水處理技術。目前，常用的方法一般分為固定化生物技術、化學絮凝輔助技術和生物強化制劑技術。

2.1 固定化生物技術 固定化生物技術是一種物理強化手段，旨在提高微生物菌團的附著能力，目前分為三種方法： 載體填料法、交聯法和包埋法。

2.1.1 載體填料法 生物載體填料法距今已有一百多年的歷史，最早起源于生物接觸氧化池的建造，如Waring和Ditter以碎石、爐渣作為接觸氧化池的生物填料。如今，生物載體填料的種類繁多，大致可分為以蜂窩狀[5]和波紋板狀[6]為代表的固定式硬性填料；纖維制成的懸掛式填料以及由纖維絲球體、網絡狀外殼和通心多孔柱體組成的分散型填料[7]。

2.1.2 交聯法 交聯法是一種不用載體的工藝，有化學交聯和物理交聯之分。化學交聯法需要額外投加交聯劑，使參與反應的官能團和微生物細胞表面的電荷或位點作用，形成相互連接的網狀結構來達到菌團的固定化。由于交聯劑造價較高，所以化學交聯法受到一定的限制。相對于費用高昂的化學交聯法，成本適中的物理交聯法的應用更為廣泛。物理交聯法是通過調整污泥生存環境條件(如溫度、pH等),使微生物細胞間自發產生吸附結合能力，進而形成絮體顆粒，實現固定化作用。雖然物理交聯法具有增強污泥沉降性能的優點,但是交聯作用形成的顆粒也存在著機械強度差、菌膠團易裂解的缺點，同時由于細胞堆積密度過大，會導致水體物質傳遞困難。

2.1.3 包埋法 與交聯法相比,包埋法固定的微生物的代謝活性幾乎沒有影響，操作更為簡便，只需將微生物細胞截流在約束結構中，如聚合物基質、膜晶格。細胞可在約束結構中完成整個生命周期，可形成高強度的生物膠體。然而,目前只有細胞酶等反應涉及相對較小的反應物的合成可以使用包埋法[8]，而反應產物堵塞網格的問題仍有待攻克。

2.2 化學絮凝輔助技術 化學絮凝輔助技術是利用化學和生物協同絮凝作用的強化型生物處理技術，屬于污水處理強化一級工藝。在相同加藥量條件下,化學生物絮凝污染物去除效率均優于化學絮凝工藝10%～20%[9]，因此，相同出水標準條件，可以減少加藥量，又可以有效控制剩余污泥的產量。絮凝劑常選用聚丙烯酰胺類的有機絮凝劑和硫酸鋁、鐵鹽、石灰類的無機絮凝劑，然而這些絮凝劑的使用均會對生態環境產生一定的影響，這就需要針對不同的處理水質，進行合理且準確的推算、預測投加量以及干擾因子，使不安全因素降至最低[10]。

2.3 生物強化制劑技術 將具有特定降解能力的細菌篩選繁殖制成高純度菌液或干粉制劑是生物強化技術的發展機理，這就表明其技術前期需要進行高強度馴化，可選用葡萄糖、可溶性淀粉、甘氨酸和牛血清白蛋白作為唯一碳源和能源[11]，分離篩選出優勢菌種，再進行復配增殖，即可制得高效生物制劑，極大地縮短了工藝水環境的馴化時間，從而進行高效的處理工作。生物強化制劑技術在實際運行中已經投入使用，如哈爾濱太平污水廠厭氧池中加入生物強化菌劑，對污水廠進行低溫快速啟動，有效提高了污染物凈化效能，同時系統穩定性和耐負荷沖擊能力也得以加強[12]。

3 厭氧生物強化的局限及展望

厭氧生物水處理技術具有運行能耗低、有機負荷高、剩余污泥產量少的優點,這使它逐漸成為我國未來污水工藝中的重點技術。然而，厭氧生物處理仍存在一定的局限性： 厭氧微生物生長緩慢，導致處理系統啟動時間較長,培養馴化出高性能顆粒污泥至少需要60d～90d[13]。因此，快速提高污泥系統濃度成為厭氧生物強化的亟待解決的問題。為攻克這一難題，近些年來，以玉米芯為代表的農業廢物以及以硅藻土為代表的藻類形骸，因其疏松多孔又具有一定的營養性質，正被許多學者[14-16]應用于厭氧生物強化的研究中，并有望成為水處理發展的推動力。

(基金項目： 沈陽建筑大學校級重點項目，No.CXPY2017019；*通信作者)