6.5 生物强化技术
生物强化技术（bioaugmentation）是一种通过向废水处理系统直接投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因重组技术产生的高效菌种以改善原处理系统的能力，达到对某一种或某一类有害物质的去除或某方面性能改进目的的环境生物技术。生物强化技术产生于20世纪70年代中期，80年代以来在水污染处理、污染土壤的生物修复及大气污染的治理中得到广泛的研究和应用。针对焦化废水的治理难题，国内外研究者从改造现有生化设施及开发新工艺两方面着手进行了大量的研究工作。
在生物处理体系中投加具有特定功能的微生物来改善原有处理体系的处理效果。投加的微生物可以来源于原有的处理体系，经过驯化、富集、筛选、培养达到一定数量后投加，也可以是原来不存在的外源微生物。实际应用中这两种方法都有采用，主要取决于原有处理体系中微生物组成及所处的环境。这一技术可以充分发挥微生物的潜力，改善难降解有机物的处理效果。
生物强化处理技术是现代微生物培养技术在废水处理领域的良好应用和扩展，该技术的核心是废水处理的优势微生物来源于废水处理系统自身，优势微生物的数量及活性大小决定废水处理系统的处理效果。所以，生物强化处理技术的主要工作内容是选择原废水处理系统中的优势微生物并使其迅速增殖，增强活性，进而返回原废水处理系统中，提高系统的处理效果。
6.5.1 原理与作用
投加的菌种与基质之间的作用主要有通过驯化、筛选、诱变、基因重组等技术得到一株以目标降解物质为主要碳源和能源的微生物，向处理系统中投入一定量的该菌种，就会增强对目标污染物的去除效果。此外，对于一些有毒有害物质，微生物不能以其为碳源和能源生长，但在其他基质存在的条件下，能够改变这种有害物质的化学结构，使其降解。
（1）高效菌种的直接作用
投菌法具有专门处理某些污染物或特种废水的特点，尤其适用于难降解有机废水。当原处理系统中不含高效菌种时，如果投入一定量的高效菌种，则可有针对性地去除废水中的目标降解物；当原处理系统中只存在少量高效菌种时，那么投加高效菌种后可大大地缩短微生物驯化所需要的时间。在水力停留时间不变的情况下，能达到较好的去除效果。
（2）微生物的共代谢作用
微生物的共代谢作用是指只有在初级能源物质存在时才能进行的有机化合物的生物降解过程。共代谢过程不仅包括微生物在正常生长代谢过程中对非生长基质的共同氧化，而且也包括了休止细胞对不可利用基质的氧化代谢。
6.5.2 主要技术工艺与特点
（1）投加高效降解微生物
投加高效降解微生物这种生物技术得以实施的前提是获得能作用于目标降解物的高效菌株，从理论上讲，对于天然合成的有机物，一般都能够找到相应的降解菌株。而对于具有芳香环或长碳链的合成有机物，相应的降解菌株很难找到，需培养及驯化。
这些降解菌在纯培养体系中大多数都能表现出高活性，但在多菌株共存的生物处理系统中，投加纯培养高效降解菌株（菌剂）后，能否起到强化生物处理的作用，在实际生产中尚难以预料。
（2）投加营养物和基质类似物
由于大部分难降解有机物的降解是通过共代谢途径进行的。在常规活性污泥系统中，可降解目标污染物的微生物活性和数量都比较低。通过投加某些碳源和能源营养物质或提供目标污染物降解过程中所需要的因子，都有助于降解菌的生长，改善处理系统的运行状况。
（3）主要工艺特点
1）显著提高微生物活性，处理效率可以提高50%～100%。
2）进水水质变化不大的情况下，可将处理系统的处理容量提升30%～100%。
3）降低排放废水的污染指标，提高排放废水水质。
4）布局灵活、占地面积小。
5）可以有效地解决因水量增加或负荷增加而无法扩建的问题。
6）可以有效地解决因丝状菌异常增殖而导致的污泥膨胀问题。
7）投资省，可以连续升级，基本不需要增加土建构筑物。
8）自动化程度高，操作、管理简易。
9）可以用于高浓度污染物废水的生物预处理。
6.5.3 生物强化技术应用
针对废水处理而言，主要通过以下几种生物强化技术来提高现有生物设施的处理效率。
（1）投加高效菌种
获得高效作用于目标降解物的菌种是生物强化技术的关键。对于人类在工业生产中合成的一些化合物，它们的结构不易被自然界中固有微生物的降解酶系统识别，需要用目标降解物来驯化、诱导产生相应的降解酶系统。
筛选得到高效菌种一般需要一个月甚至几个月的时间。另外，生物强化技术的成功应用要综合考虑水质、水量、投菌量、营养物质、生物反应器的构型、水力停留时间等诸多因素。投加方式是设计时考虑的一个重要方面。直接投加方式简便易行，但菌体易于流失或被其他微生物吞噬。采用固定化技术，如用高聚物将其包埋或是固定在载体上，能增强菌体的竞争性及抗毒物毒性能力，有效地避免原生动物的捕食。
不同的反应器投加高效菌种的效果不尽相同。最初把这种技术较多地用于悬浮活性污泥法，如间歇式活性污泥法、生物曝气塘、氧化沟等，而现在人们尝试将其用于生物膜法，如生物流化床、填充床和升流式厌氧污泥床等，使生物增强菌类附着在载体（如砂砾、颗粒污泥）上，减少了菌体的流失。生物增强技术用在不同反应器的强化效果有待于人们进一步研究和探索。王璟、张志杰等通过驯化富集培养，从处理焦化废水的活性污泥中分离出2株萘降解菌WN1、WN2和1株吡啶降解菌WB1。同时研究了高效菌种和共代谢初级基质组合协同作用的效果。研究结果表明，投加共代谢初级基质、Fe3+和高效菌种均能促进难降解有机物的降解，提高焦化废水COD去除率，当三者协同作用时，效果最好。
1997～1998年，上海的某公司在上海和杭州的两个不同焦化厂进行了现场模拟试验，试验结果得出，利用高效菌群技术去除污水中的氨氮时，效果非常好而且不需要加碱。NH3-N由进水质量浓度800mg/L下降到了出水小于25mg/L，整个过程去除率高达96.9%，COD由进水浓度2000～3500mg/L下降到了出水150mg/L以下，去除率达到了92.5%。
（2）添加剂法
添加剂的目的是为了提高曝气池的污泥浓度，目前实际生产中主要是投加生物铁和投加生长素。要提高现有生化设施处理废水的效率，其中一条主要途径是减小污泥负荷。减小污泥负荷通常采用两种方式：一是提高曝气污泥浓度；二是加大曝气池的容积。对于后者，再加大曝气池的容积将影响其他处理环节，破坏工艺的完整性，污染指标去除率的提高一般很难实现：而通过刺激曝气池中微生物的活性，改善微生物的新陈代谢能力，从而来提高曝气池中的污泥浓度，这种方法应用于现有处理废水的设施效率一般较容易达到。以下的投加生物铁和生长素法都是通过提高污泥浓度来强化生化效果的。
①生物铁法 生物铁法是在曝气池中投加铁盐，以提高曝气池中活性污泥浓度为主，充分发挥生物氧化和生物絮凝作用的强化生物处理方法。由于铁离子不仅是微生物生长所必需的微量元素，而且对生物的黏液分泌也有刺激作用。铁盐在水中生成氢氧化物，与活性污泥形成的絮凝物共同作用，使吸附和絮凝作用更有效地进行，从而有利于有机物富集在菌胶团的周围，加速生物降解作用。
该法大大地提高了曝气池中的污泥浓度，可由传统方法的2～4g/L提高到9～10g/L，使得系统降解有机化合物的能力大大加强。当有毒氰化物的浓度高达40mg/L时，仍可取得良好的处理效果。同时，对CODCr的降解效果也较传统的生化法好。该法与传统的生化法相比，尽管增加了一些处理药剂费，但单位去除污染物的成本并未提高或增加较少。目前，很多焦化厂废水处理站常采用生物铁法来强化降解污染物。
②投加生长素法 投加生长素法是基于现有焦化厂生化处理曝气池容积偏小，酚、氰化物和CODCr降解效率较差的情況下，采用投加生长素来提高活性污泥的活性和污泥浓度（MLSS），进而强化现有装置的处理能力。在焦化厂废水处理曝气池中采用投加生长素（如葡萄糖、氧化铁粉），强化废水处理系统对污染物的降解效率。从应用于高浓度或低浓度的焦化厂废水生化处理的效果来看都很有效，尤其是对酚、氰化物的去除率较高，对CODCr的去除效果也比普通活性污泥法好。该法不仅能提高系统的容积负荷，而且由于增加了污泥浓度，使得微生物所承担的污染物污泥负荷降低，提高了处理效率，降低了处理成本。该技术在国内许多中小型焦化厂废水处理中得到了一定的推广使用。
投加生长素法的生化处理技术的关键是促进了细菌的繁殖与生长。细菌内存在着各种各样的酶，在细菌分解污染物的过程中，主要是借助于酶的作用。因为酶是一种生物催化剂，若酶系统不健全，则生物降解不彻底。投加生长素的目的不是对细胞起营养供碳作用或提供能源作用，而是健全细菌的酶系统，从而使生物降解有效进行。