垃圾渗滤液生物强化研究进展

马慧临 姜小鑫 冯静娅 鲍 宇

（上海船用柴油机研究所环保装备事业部 上海 200090）

引言

垃圾渗滤液作为一种有机污染物浓度高、氨氮浓度高、氮磷比例失衡、毒害性较强的复杂有机废水，能够在环境中长期存在，若未经处理直接排放，会对周边环境中的土壤、水源、尤其是地下水环境产生不可逆的影响，并进一步对人体造成危害。

现阶段垃圾渗滤液处理方法主要有物理化学法和生物处理法。其中，物理化学法多用于预处理过程或深度处理过程，有混凝法、膜分离技术和高级氧化法等，处理效果虽好，但成本较高；生物处理法主要包括厌氧生物处理、好氧生物处理和厌氧-好氧生物处理法，具有成本低、环境友好、处理效果稳定等优点，在垃圾渗滤液处理过程中多作为主体工艺。

生物处理法中生物强化技术是通过向体系中引入特定菌株来提高处理效果的一种优化方法，现有研究中已经证明了生物强化在提高污染物去除率、促进有毒污染物降解、加快反应器启动速度、增强对极端环境的适应性和污水处理厂改造升级等方面的成功应用，其操作方法灵活，适应范围广泛，应用潜力巨大，能够有效提升污水处理效果。因此，本文总结了生物强化在垃圾渗滤液处理中的研究现状与进展，为垃圾渗滤液处理提供参考。

1 生物强化技术

1.1 生物强化机理

生物强化过程是通过引入具有特定功能的菌株，引起生物处理体系中微生物群落结构变化，促进目标污染物降解菌丰度的提高，进而改变系统代谢功能，优化系统性能。

从目标污染物降解角度来看，复杂废水中有毒物质或污染物的过高浓度都有可能对生物处理系统造成抑制，因而通过引入具有特定功能的菌株，能够实现对目标污染物的直接降解，解除毒性或高浓度抑制，进而恢复系统活性。除此之外，生物强化过程也可以通过间接降解的方式降低目标污染物浓度，如吸附作用、产生表面活性剂、促进系统共代谢等。

从微生物群落结构角度来看，生物强化过程本质上都将导致微生物群落结构、功能基因表达和系统代谢途径的变化。对于土著菌生物强化过程而言，菌群对原始环境适应性较强，不易被淘汰，能够直接发挥降解作用；对于外源菌生物强化过程而言，主要通过改变微生物群落结构变化，促进优势降解菌丰度的提高来优化处理性能。值得注意的是，生物强化过程中并不是所有引入菌株都能够在系统中存活或维持原有的优势地位，污染物降解和生物处理体系的优化是整个系统中微生物协同作用的结果。

1.2 生物强化影响因素

生物强化菌株的选择对于生物强化能否成功至关重要。一般而言，用于生物强化的菌株必须满足至少活性、持久性和相容性3个标准[1]。因此，应根据实际运行条件或降解目标污染物进行菌株选择，有助于菌株更好的适应环境并发挥作用。

投加量和投加间隔是影响生物强化效果的重要因素，多数情况下初始投加量越高越有助于投加菌株在体系中存活并长期存在。但实际应用中，由于外加菌株可能会与原有微生物之间产生竞争，环境中营养物质限制，过高的投加量也可能降低生物强化效果，因此当生物强化效果随运行时间延长而逐渐减弱时，可以通过重复投加的方式进行优化。

环境条件会影响微生物的生长与活性，在保证经济可行的前提下，可调整环境条件使其适合生物强化菌株生长，有利于生物强化更好地发挥作用。大多数微生物的最佳生长温度通常是在30～37℃的中温环境中，最佳溶解氧浓度能够提升功能微生物多样性、丰富性和关键功能基因的丰度，一般来说中性和微碱性的pH 范围更有利微生物生长。

2 生物强化提高垃圾渗滤液处理效果研究

2.1 生物强化菌株选择

垃圾渗滤液复杂的水质条件要求生物强化菌株具有较强的功能性、适应性和耐冲击性，常规的污染物降解菌株可能难以在这样复杂的水体环境中存活并发挥作用，因此在垃圾渗滤液的生物强化研究中，菌株选择主要有从垃圾渗滤液中原位分离驯化和引入成熟的特定降解菌2 种方式。

2.1.1 从垃圾渗滤液中原位分离驯化

从垃圾渗滤液或处理渗滤液的活性污泥中原位分离驯化得到的菌株对水体环境有较强的适应性，且分离驯化过程能够根据目标污染物的性质及浓度灵活进行，是目前垃圾渗滤液生物强化过程使用最多的一种菌株选择方法。Yu D H 等[2]从垃圾渗滤液菌群中驯化分离出一株耐氨氮能力较强的菌株蜡状芽孢杆菌，投加到垃圾渗滤液中，能够实现同时高校去除COD 和氨氮。

2.1.2 引入成熟的特定降解菌

除在原位筛选进行土著菌投加之外，还可以直接引入成熟的特定外源降解菌，可以节约分离驯化的时间，增强对某种目标污染物的降解效果。Michalska J 等[3]选用了2 株对苯酚有降解能力的恶臭假单胞菌株，投加到处理含酚垃圾渗滤液的SBR反应器中进行生物强化处理，取得了良好效果。

2.2 氮污染物去除

氨氮浓度较高，氮磷比例失衡是垃圾渗滤液一大特点，高氨氮浓度会使传统硝化菌受到游离氨的抑制，进而影响脱氮效果。因此，在促进氮污染物降解的生物强化研究中，需选用对高氨氮浓度有耐受性的功能菌群。具有异养硝化-好氧反硝化能力的菌株被广泛应用于促进渗滤液脱氮效果的生物强化试验中。

异养硝化-好氧反硝化作为一种新型脱氮理论，已被证明可以通过完全硝化反硝化通路或羟胺通路在消耗有机物的情况下将氨氮转化为氮气，实现污水脱氮。此外，具有异养硝化-好氧反硝化能力的菌株对于恶劣环境下的污水处理也有较好的应用潜力，在已有研究中已被证实能够适应高盐度、低温、高重金属浓度等条件，有利于处理垃圾渗滤液这种复杂废水。Dadrasnia A 等[4]采用一株具有异养硝化-好氧反硝化能力的芽孢杆菌属强化处理垃圾渗滤液，在接种量为10%（v/v），pH 为6 和35℃的最佳条件下，11d 内菌株对垃圾渗滤液中氨氮去除率达到78%，同时对BOD 和COD 去除率分别达到88%和91.4%。

在异养硝化-好氧反硝化菌之外，其他具有高抗性适应性和脱氮能力的菌群也能够应用于垃圾渗滤液生物强化研究中。胡舒雯[5]从活性污泥中筛选分离得到一株光合细菌，在光照厌氧和黑暗好氧条件下具有脱氮除磷能力，将其投加到SBR 反应器中处理垃圾渗滤液，COD、氨氮和总磷去除率分别可达76.9%、65.96%和94.03%，有效提升了活性污泥系统的脱氮除磷能力。

对于细菌而言，细菌细胞必须消耗能量用于去除污染物的生物代谢过程，若有机物不足很容易限制菌株发挥作用。与之相比，真菌对极端生长环境有很强的适应性，如重金属含量高、多环芳烃较多、氨氮浓度高等，这与垃圾渗滤液的水质条件相吻合，真菌产生降解酶的过程不依赖于有机污染物浓度。Zegzouti Y 等[6]考察了黄曲霉对不同年龄、不同稀释浓度的垃圾渗滤液生物强化效果，结果表明黄曲霉对渗滤液中有机物、氨氮和毒性均有降低作用，在处理稀释浓度为25%的新鲜渗滤液时效果最好，COD、BOD 和氨氮去除率分别可达48.5%、81.63%和98.81%。

2.3 有机污染物去除

垃圾渗滤液中有机物污染物成分十分复杂，叶秀雅等[7]在垃圾渗滤液中检测出70 种有机污染物，在检出的有机污染物中，复杂难降解有机物数量较多。因此，常规生物降解过程对渗滤液中COD 去除效率较低，在增强有机污染物去除的生物强化研究中，多选用对某种有机污染物有降解和耐受作用的菌株或通过不同功能菌群组合优化处理效果。

通过选用对某种特定有机污染物有降解作用的功能菌株，能够直接促进对渗滤液中该污染物的降解，改善整体代谢途径，进而促进垃圾渗滤液中有机污染物的去除率。Michalskap J 等[3]在活性污泥中接种了2 株具有苯酚降解能力的恶臭假单胞杆菌，成功应用于含酚垃圾渗滤液的处理，经生物强化后的反应器对渗滤液浓度的增加具有更高的耐受性，对COD 和酚类化合物的去除率可达79%～86%和85%～96%，比对照组分别高出34%以上和35%以上。

相比较单一功能菌株的生物强化过程，也有研究证明混合复配菌群对复杂环境的适应能力更强，有利于污染物的去除。因此，为了优化对垃圾渗滤液中有机物的去除效果，也有研究者采用将不同的功能菌群进行复配，如Yu D H 等[8]将1 株耐受高腐殖酸浓度的粪肠球菌和1 株耐受高氨氮浓度的芽孢杆菌用于处理垃圾渗滤液，2 种菌群混合后处理效果均优于单株菌群进行生物强化，混合菌群强化处理的垃圾渗滤液能够在3d内实现COD 去除率达79.8%，而未经强化的土著菌降解需要9d 才能达到70%左右的COD 去除率。

2.4 系统性能优化

在生物处理系统中除了污染物去除率，系统的耐冲击性、微生物群落结构、活性污泥/生物膜状态等都会影响处理效果，在现有的生物强化垃圾渗滤液处理研究中，也发现了许多对生物处理系统性能优化的结果，如减少剩余污泥产量、增强系统对极端条件的抗性、增强耐冲击性等。Cheng Y 等[9]在处理垃圾渗滤液的缺氧-好氧-沉淀-缺氧体系中接种有益微生物进行生物强化，通过增强內源微生物代谢促进原位污泥减量，接种有益微生物后，系统中胞外聚合物的释放转化以及脱氢酶活性明显增加，缺氧池和好氧池的剩余污泥减量率分别提高至53.6%和38.3%。吴敏[10]在优势菌生物强化SBR 系统处理垃圾渗滤液的研究中发现，投加优势菌的反应器中生物相变的多样化，污泥絮体结构紧密，同时增强了活性污泥系统的耐冲击性。

2.5 生物强化与其他处理工艺相结合

垃圾渗滤液的实际处理过程中，由于其水质条件的复杂性，多采用多种工艺组合联用的方式进行处理，多项研究中已经证明生物强化在单个生物处理单元（SBR 反应器）中的成功应用，因此可以根据生物强化在单个处理单元中的效果与限制，与其他处理单元联用，优化整体系统的处理效果。Djelal H 等[11]针对生物强化过程对有机物去除的优化效果有限，且电化学处理过程不适合去除氨氮的特点，将电絮凝和生物处理耦合后处理垃圾渗滤液，通过前期的电凝聚过程降低垃圾渗滤液中COD 浓度，生物强化过程主要用于垃圾渗滤液中氨氮的去除，经过两者耦合后，整体系统对垃圾渗滤液中氨氮去除率可达98%。

结论

生物强化技术在垃圾渗滤液处理过程已有一定的研究成果，通过适当的菌株选择和环境运行条件控制，已成功应用于提高渗滤液中氨氮和有机物的去除效果、优化生物处理系统性能、和其他处理工艺联用等方面。然而，目前的研究多集中在实验室规模，且部分为批式静态试验，对于垃圾渗滤液处理的连续性、规模化等方面有所欠缺；同时，垃圾渗滤液水质复杂，生物处理体系中微生物群落结构变化多样，生物强化对系统的整体作用机理有待挖掘。因此，未来可集中在3 个方面进行深入探索，即①在进行功能菌株投加后，从微生物群落结构逐步深入到功能基因表达和系统代谢途径的变化来探究生物强化过程的作用机理；②探究在连续流生物反应器中处理垃圾渗滤液的生物强化效果，尤其是在水质和环境条件波动下，系统的耐冲击性和稳定性如何变化；③进行生物强化处理垃圾渗滤液规模扩大化应用中的处理效果，从实验室规模逐步放大到中试试验、全规模试验，或探究在污水处理厂升级改造中的应用条件与方法。