自然界中的廢水降解過程，是在陽光與天然光觸媒介質驅動下，在廢水生態系統的生物化學過程中，將污水中的有機物分解成無機物，將無機鹽沉淀、固化，最終使水體中的有毒、有害污染物得到有效分離，且讓水體的pH值保持在7.00~7.05之間。進入21世紀后，由于對自然界水體的污染降解過程進行觀察研究，發現自然水體中存在耐酸、耐堿、耐鹽、耐重金屬、耐有毒有機物的微生物，在水體趨于正常水體時，這些微生物的生物活性降低甚至進入休眠期，而在污水環境中，這些微生物的生物活性會被激活進而大量繁殖，使污水快速得到凈化。
本文研究一種具有普適性的生物強化廢水處理方案，即對任何低濃度工業廢水均可實現的給予生物降解法的工業工藝。
1、生化污泥的實驗室培養制備
早期的生態學研究中，認為生物的生存環境應與常見生物一樣，需要接近中性的液態水環境，以碳水化合物為主要代謝路徑，適宜溫度不超過30℃。但在近年的生態學研究中，發現在強酸、強堿、高溫、高壓等環境下，都有特定生物的生存空間。所以，研究工業廢水條件下可以生存的微生物，即可通過生物過程分解廢水中的有機物及沉淀廢水中的無機物，從而達到廢水凈化的目的。
根據生物學和生態學原理，在污染區的污泥中，必然存在適應該廢水環境的微生物，即將污染區污泥在實驗室環境中進行培養，可以繁殖大量的污水適應性菌群，將菌群向污水沉淀池中進行移植，在沉淀池中構成不均衡生態環境，即造成污水沉淀池中適應性菌群過度分解廢水的生態學狀態，使該失穩過程造成污水的凈化過程。見圖1。
圖1中，作為生物強化法進行廢水處理工藝的核心環節，污泥沉淀池分為兩個部分，包括該圖上部的沉淀池系統和該圖下部的實驗室系統。實驗室系統的核心作用是實現適應菌群的過度繁殖，因為在沉淀池環境中生態系統會進入到自平衡狀態，其將污水分解到一定程度后就不會再進行分解，所以污染物降解沉降比例難以達到令人滿意的程度。將菌群進行實驗室培養繁殖后，將過量適應微生物植入到沉淀池中，微生物為了生存而過度分解沉淀池中的污染物，最終達到深度廢水治理的目的。而沉淀池中污染物含量下降到一定程度后，將上清液泵出并加入新的廢水，確保微生物的生存環境。詳見圖2。
由圖2可見，微生物濃度和廢水濃度的提升，均會帶來微生物繁殖倍增時間的降低，即微生物活性的增強。所以在圖1的操作循環中，使用實驗室循環不斷加強沉淀池中的微生物濃度，使用新加廢水提升廢水濃度，均可提升生物強化的廢水處理效率。
2、生物強化廢水輔助系統的設計
傳統的酸化沉淀強堿中和的模式下，使用濃H2SO4注入酸化沉淀池后，酸性環境分解掉大部分大分子有機物。進而在堿性調節階段，使用強堿如苛性鈉鉀顆粒等對酸性廢水進行pH值調節，并將處理后的廢水進行靜置沉淀，最終經過過濾后排出。但生物強化法幾乎無須使用任何強酸強堿化學物質，使用可過濾掉微生物的生物活性炭進行過濾后，即可化驗、排放。見圖3。
圖3中，其生物法和酸堿法均為最簡模型。但其核心步驟并無本質變化。對生物強化法來說，生化沉淀池的生物學和生態學環境必須得到充分保護，嚴禁在生化沉淀池中加入水質調節藥品，且當其廢水中污染物下降到一定程度，為保證廢水中的適應菌群繁殖活性，必須將處理過的廢水泵出到低濃度沉淀池中進一步沉淀。而經過生物強化法處理過的廢水，水中存在較多微生物，需要使用孔徑小于0.1μm的活性炭過濾系統將微生物充分過濾，且過濾器中的微生物也可以通過實驗室處理進行有效回收。
3、生物強化法處理效果分析
廢水水源選擇某市工業區25家已經使用生物強化法的工業廢水排放企業，利用其生物強化法的生化沉淀系統進行數據采集并支持該比較結果。每個企業至少采集不同時間的至少100個水樣，共形成不少于2500個比較水樣。
3.1 廢水處理效率比較
對比3種方法的廢水處理效率，結果見表1。
由表1可見，所選廢水均為低濃度工業廢水，污水濃度為懸浮顆粒、油性不容物、有機物大分子、可溶鹽的總質量除以水體積。沉淀總時間為污水進入系統后在所有沉淀池中沉淀時間總和。噸水成本指全系統材料成本、場地成本、能源成本、人力成本之和與水處理能力的比值。處理效率為每公頃水廠占地每天可處理的污水量。
3.2 外部環境對生化法的影響
因為所有生物都對生存溫度較為敏感，作為該研究選用的適應性菌群單細胞動物群落，其對工業廢水生存環境的適應性較高，但反應溫度仍然會影響其生物活性。在實驗室測試2500個水樣中菌落在不同溫度下的繁殖效率，得到其均值構建圖4。
由圖4可見，當溫度處于（22±2）℃范圍內時，其繁殖倍增時間約為7h，當溫度低于5℃時，菌群基本失活。因此，在實際反應控制過程中，應致力于確保反應溫度在22℃附近，實際工作中，可將溫度控制在13~30℃以確保菌落的繁殖倍增時間在10h以內。
前文分析的工藝流程中，廢水的高濃度反應過程較難保證，所以，高濃度反應沉淀池中，應確保廢水濃度達到適應菌群的高速繁殖生長需求。此時，高濃度池反應時間在總反應時間內的占比，直接影響到污水處理效率。采集數據紅藕形成見圖5。
由圖5可見，在26%附近形成一個較窄的波峰。即認為高濃度反應時間占比低于26%時，存在高濃度反應不充分的現象，而高濃度反應時間占比超過26%時，則會出現因為高濃度反應池內過度反應影響適應菌群活性提前下降的情況。所以，應確保高濃度反應時間占總生化反應時間的26%為宜。而為了確定高濃度反應的具體時間應該考察個案樣本條件下的高濃度反應繁殖倍增時間隨時間變化的情況。詳見圖6。
由圖6可見，當高濃度反應池內反應時間超過15h后，其繁殖倍增時間基本收斂到17h左右。因此，高濃度反應時間超過15h對工業廢水的處理沒有工程價值。假定將高濃度反應時間控制在12h，高濃度反應占比為26%。
4、結論
以高濃度生化沉淀池配合低濃度生化沉淀池為核心反應設備，使用基于廢水環境培養的適應菌群執行生物強化工業廢水處理工藝，執行上述優化工藝流程，可以基本保證工業廢水中的污染物處理率達到98%以上，且在沉淀總時間、噸水成本、處理效率等諸多指標評定中，處理效果優于傳統的酸堿法和復合法。所以，針對低濃度工業廢水的生物強化處理方法，有工程實踐價值且可以帶來較高的經濟效益。（來源：內蒙古綽勒水利水電有限責任公司）
