水污染治理中生物强化技术的应用分析

引言

生物强化技术自 20 世纪 70 年代提出以来，凭借其“靶向降解”“高效节能”“环境友好”的特点，在水污染治理中展现出显著优势。该技术通过人为调控微生物群落结构与功能，弥补自然微生物降解能力的不足，可将难降解污染物去除率提升至 80% 以上，同时减少污泥产量与药剂投加量，降低治理成本。目前，生物强化技术已在工业废水处理、黑臭水体修复、饮用水源地保护等领域开展广泛应用，但在实际工程中仍面临菌群存活能力弱、环境干扰抗性差、长期作用效果不稳定等挑战。因此，系统分析生物强化技术的应用现状、关键问题与优化策略，对于提升水污染治理效率、推动生态环境保护具有重要的理论与实践意义。

1 生物强化技术的核心原理

生物强化技术的核心是基于微生物代谢作用实现污染物的降解与转化，其作用机制主要包括三个方面：一是功能微生物直接降解，通过向污染体系中投加能特异性降解目标污染物（如难降解有机物、重金属）的微生物，利用微生物细胞内的酶系统将污染物分解为无害的 C0₂ 、 H₂0 或易被吸收的小分子物质；二是菌群结构优化，复合功能菌群可通过种间协同作用（如代谢产物互补、酶促反应协同），改善污染体系中原有微生物群落的多样性与活性，提升对复杂污染物的协同降解能力；三是生物载体强化，通过添加活性炭、生物陶粒、石墨烯等载体材料，为微生物提供附着生长的空间，形成生物膜，延长微生物在污染体系中的停留时间，同时载体的吸附作用可富集污染物，提高微生物与污染物的接触效率，进一步强化降解效果。

2 不同类型水污染的特征及传统治理方法的局限性

水污染类型多样，对环境和人类健康构成威胁。工业废水中含有重金属、有机污染物和高浓度 COD，难以降解且可能通过食物链累积，从而引发人体慢性中毒或致癌风险。农业面源污染主要因化肥和农药的过量使用，导致氮、磷超标，引发富营养化问题，从而破坏水生生态系统。生活污水中含有病原微生物与有机物，未经处理直接排放会污染水体，影响居民的生活质量。此外，城市雨水径流中的悬浮颗粒物、石油污染物等进一步加剧了水污染的复杂性。传统治理方法在应对水污染时存在诸多局限性。物理化学法如混凝沉淀、活性炭吸附等能快速去除污染物，但能耗高、化学品的消耗大，可能产生二次污染；化学沉淀法处理含重金属废水时会产生难以处置的污泥；生物处理技术如活性污泥法虽然经济高效，但对进水水质的要求高，难以应对成分复杂的污水或有毒物质。传统方法主要侧重于末端治理，忽视了污染的源头控制以及对生态系统的整体修复，难以提供长期的生态效益，对突发性污染事件的应对能力也有限。为了克服传统方法的不足，近年来兴起了生态恢复技术。该种技术通过修复或构建生态系统净化水质，利用湿地植物吸收营养物质，利用微生物分解有机物，从系统层面实现了对废水的综合治理。同时，生态恢复技术注重人与自然的和谐共生，通过提升生态系统的服务功能，提供了景观美化和生物多样性保护等间接效益。

3 生物强化技术在水污染治理中的应用

3.1 高效微生物的投入

在废水中投放高效微生物，是目前最直接和普遍的实现方法。在实际应用中，应针对水体中的污染物及水体状况，筛选出适宜的、具有较强生物活性的微生物，这就需要综合评价各物种的降解能力和环境适应性。此外，根据水体容量、污染物浓度和微生物的降解性能来选择合适的投药量。通常情况下，在水质不佳的情况下，为了保证污水的有效去除，应加大药剂的用量。但是，如果是面积很大或水质比较差的水质，为了节约处理费用，可以适当地减小药剂的用量。三是要合理选用投加方法，即一次投加、分批投加或连续投加，并结合投加的具体情况进行调节。在水中投放高效生物降解菌，可以大幅提升污水的自净化性能，加快污水中的污染物降解与转化。比如，在含酚污水中加入一株能有效降解酚的菌株，其脱除率可达 90% 。

3.2 工业废水治理中的应用

工业废水成分复杂、污染物浓度高、毒性强，是水污染治理的难点领域。生物强化技术在化工、印染、制药、食品加工等行业废水治理中已实现规模化应用：在化工废水治理中，针对含酚废水，投加假单胞菌、芽孢杆菌等酚降解菌，可将废水中酚类物质浓度从 500mg/L 降至 10mg/L 以下，降解率达 98% 以上；在印染废水治理中，采用酵母菌 - 白腐菌复合菌群，利用酵母菌的脱色能力与白腐菌的 lignin 降解能力，可使废水脱色率提升至 90% ，COD 去除率提高 25%- 30% ；在制药废水治理中，通过固定化技术将头孢类抗生素降解菌附着于生物炭载体上，可有效降解废水中的抗生素残留，避免常规处理工艺中抗生素对微生物的抑制作用，使废水达标排放率提升至 85% 以上。

3.3 生物载体强化技术的应用

生物载体强化技术通过载体的固定化与吸附作用，提升微生物或酶制剂的稳定性与降解效率，主要应用于以下场景：（1）高负荷废水处理：在高浓度有机废水处理中，采用多孔生物陶粒、活性炭作为载体，固定高效降解菌，形成生物膜反应器。例如，在食品加工废水处理中，生物陶粒载体反应器的 COD 容积负荷可达 5kg/(m³⋅d) ，是传统活性污泥法的 2-3 倍，COD 去除率稳定在 90% 以上；（2）低浓度污染水体修复：针对湖泊、水库等低浓度污染水体，采用悬浮型生物载体（如改性聚氨酯泡沫、纳米材料载体），实现微生物的原位强化。例如，在某水库富营养化治理中，投放悬浮型生物载体（负载硝化菌与反硝化菌），60 天内水体总氮从 5mg/L 降至 1.5mg/L 以下，总磷从 0.3mg/L 降至 0.05mg/ L 以下，达到Ⅲ类地表水标准；（3）污泥减量处理：在污水处理厂污泥处理中，采用生物载体固定化溶菌酶、蛋白酶，加速污泥的厌氧消化过程。例如，某市政污水处理厂采用活性炭载体固定化酶制剂，污泥厌氧消化产气率提升 35% ，挥发性固体（VS）去除率从 40% 提升至 65% ，污泥减量效果显著。

结语

生物强化技术凭借其环保、高效、低成本的优势，在工业废水、生活污水、黑臭水体等水污染治理场景中展现出广阔的应用前景，已成为解决复杂水环境问题的关键技术之一。当前，该技术虽存在菌群适应性不足、成本较高、标准缺失等问题，但通过基因工程改造、低成本载体开发、技术标准完善等优化措施，可有效提升技术应用效能。未来，随着微生物学、材料科学、环境工程等多学科的交叉融合，生物强化技术将向“智能化、精准化、一体化”方向发展，如结合大数据分析实现菌群投加量的动态调控，结合生态修复技术构建“生物强化 - 生态重建”协同治理体系，为我国水污染治理与水环境质量改善提供更有力的技术支撑。

参考文献：

[1] 王晓东，陈建民 . 生态恢复技术在城市黑臭水体治理中的应用 [J]. 环境科学学报，2023，43（5）：1876-1885.

[2] 杨柳青，刘文博. 湿地植物在富营养化水体净化中的作用机制研究[J].生态学杂志，2022，41（9）：2978-2986.

[3] 赵建华，吴志刚. 微生物修复技术在重金属污染土壤中的应用进展[J].土壤通报，2021，52（6）：1456-1463.