厌氧生物强化水处理技术研究概述

徐 丽 王金倩，* 向 星

(1 辽宁省沈阳建筑大学市政与环境工程学院 沈阳 100168； 2 北京地比棕蓝环境科技有限公司 北京 100020)

水污染问题一直是全球性热点话题。进入21世纪之后，水资源日益成为区域经济社会发展的制约因素，人类对水环境问题的关注达到了前所未有的程度。自世界第一个生物污水处理工艺诞生百余年来，各国科研工作者一直致力于探究新型的生物处理技术。由于早期普遍认为厌氧反应处理速度慢，因此学者多侧重于好氧生物技术的探究。然而，随着好氧生物技术的广泛应用，剩余污泥的处理问题日益尖锐[1]，在研究污泥处理问题的同时，越来越多的学者开始探究厌氧生物处理污水的新方向，并不断对厌氧生物强化水处理技术进行探究。

1 传统厌氧生物水处理

与好氧生物处理的环境条件不同，厌氧生物处理是在厌氧条件下,形成了厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件,通过厌氧菌和兼性菌的代谢作用，对有机物进行生化降解的过程[2]。李亮等人[3]经调查发现，现行污水厂中利用厌氧生物来进行水处理的方法比较单一，仍以生物滤池为主，部分污水厂使用上流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)处理高浓度有机废水[4]。由于厌氧微生物代谢作用中需要将高分子有机物水解为可透过细胞膜的小分子，而厌氧生物生长缓慢，使得这一过程较为缓慢，生物增长量低。此外，厌氧生物代谢降解过程受pH、温度等多种环境因素影响，需要保持一定的动态平衡，否则会导致代谢能力减弱，甚至会出现生物凋零的情况。因而在处理废水时,需要辅助特定调节环节以维持污泥活性,必然会增加运行费用。因此，为提高厌氧水处理的净水能力，最根本而又最具可行性的方法即为提高生物活性，厌氧生物强化水处理因而正逐渐成为近些年的研究热点。

2 厌氧生物强化水处理

厌氧生物强化水处理是指以传统厌氧生物处理为基础，通过添加某些基质来提高厌氧微生物降解污染物的能力的水处理技术。目前，常用的方法一般分为固定化生物技术、化学絮凝辅助技术和生物强化制剂技术。

2.1 固定化生物技术 固定化生物技术是一种物理强化手段，旨在提高微生物菌团的附着能力，目前分为三种方法： 载体填料法、交联法和包埋法。

2.1.1 载体填料法 生物载体填料法距今已有一百多年的历史，最早起源于生物接触氧化池的建造，如Waring和Ditter以碎石、炉渣作为接触氧化池的生物填料。如今，生物载体填料的种类繁多，大致可分为以蜂窝状[5]和波纹板状[6]为代表的固定式硬性填料；纤维制成的悬挂式填料以及由纤维丝球体、网络状外壳和通心多孔柱体组成的分散型填料[7]。

2.1.2 交联法 交联法是一种不用载体的工艺，有化学交联和物理交联之分。化学交联法需要额外投加交联剂，使参与反应的官能团和微生物细胞表面的电荷或位点作用，形成相互连接的网状结构来达到菌团的固定化。由于交联剂造价较高，所以化学交联法受到一定的限制。相对于费用高昂的化学交联法，成本适中的物理交联法的应用更为广泛。物理交联法是通过调整污泥生存环境条件(如温度、pH等),使微生物细胞间自发产生吸附结合能力，进而形成絮体颗粒，实现固定化作用。虽然物理交联法具有增强污泥沉降性能的优点,但是交联作用形成的颗粒也存在着机械强度差、菌胶团易裂解的缺点，同时由于细胞堆积密度过大，会导致水体物质传递困难。

2.1.3 包埋法 与交联法相比,包埋法固定的微生物的代谢活性几乎没有影响，操作更为简便，只需将微生物细胞截流在约束结构中，如聚合物基质、膜晶格。细胞可在约束结构中完成整个生命周期，可形成高强度的生物胶体。然而,目前只有细胞酶等反应涉及相对较小的反应物的合成可以使用包埋法[8]，而反应产物堵塞网格的问题仍有待攻克。

2.2 化学絮凝辅助技术 化学絮凝辅助技术是利用化学和生物协同絮凝作用的强化型生物处理技术，属于污水处理强化一级工艺。在相同加药量条件下,化学生物絮凝污染物去除效率均优于化学絮凝工艺10%～20%[9]，因此，相同出水标准条件，可以减少加药量，又可以有效控制剩余污泥的产量。絮凝剂常选用聚丙烯酰胺类的有机絮凝剂和硫酸铝、铁盐、石灰类的无机絮凝剂，然而这些絮凝剂的使用均会对生态环境产生一定的影响，这就需要针对不同的处理水质，进行合理且准确的推算、预测投加量以及干扰因子，使不安全因素降至最低[10]。

2.3 生物强化制剂技术 将具有特定降解能力的细菌筛选繁殖制成高纯度菌液或干粉制剂是生物强化技术的发展机理，这就表明其技术前期需要进行高强度驯化，可选用葡萄糖、可溶性淀粉、甘氨酸和牛血清白蛋白作为唯一碳源和能源[11]，分离筛选出优势菌种，再进行复配增殖，即可制得高效生物制剂，极大地缩短了工艺水环境的驯化时间，从而进行高效的处理工作。生物强化制剂技术在实际运行中已经投入使用，如哈尔滨太平污水厂厌氧池中加入生物强化菌剂，对污水厂进行低温快速启动，有效提高了污染物净化效能，同时系统稳定性和耐负荷冲击能力也得以加强[12]。

3 厌氧生物强化的局限及展望

厌氧生物水处理技术具有运行能耗低、有机负荷高、剩余污泥产量少的优点,这使它逐渐成为我国未来污水工艺中的重点技术。然而，厌氧生物处理仍存在一定的局限性： 厌氧微生物生长缓慢，导致处理系统启动时间较长,培养驯化出高性能颗粒污泥至少需要60d～90d[13]。因此，快速提高污泥系统浓度成为厌氧生物强化的亟待解决的问题。为攻克这一难题，近些年来，以玉米芯为代表的农业废物以及以硅藻土为代表的藻类形骸，因其疏松多孔又具有一定的营养性质，正被许多学者[14-16]应用于厌氧生物强化的研究中，并有望成为水处理发展的推动力。

(基金项目： 沈阳建筑大学校级重点项目，No.CXPY2017019；*通信作者)