四種微型動(dòng)物對(duì)污泥減量的比較

四種微型動(dòng)物對(duì)污泥減量的比較摘要：根據(jù)食物鏈中C元素形態(tài)的改變，通過(guò)測(cè)量特定系統(tǒng)中非固態(tài)C（氣態(tài)和液態(tài)）的增加速率來(lái)確定微型動(dòng)物對(duì)污泥的減量速率。利用污水處理過(guò)程中可能出現(xiàn)的四種微型動(dòng)物（紅斑顠體蟲、蚤狀溞、顫蚓和卷貝）攝食污泥，通過(guò)非固態(tài)C增加速率試驗(yàn)得到四種微型動(dòng)物對(duì)污泥的減量速率分別為0.8、0.18、0.54、0.1mg-sludge/(mg-Microfauna.d)。對(duì)于體型較大的微型動(dòng)物（顫蚓和卷貝），該方法所得結(jié)果與直接稱量法的結(jié)果吻合，對(duì)于體型較小的微型動(dòng)物（紅斑顠體蟲），該方法所得結(jié)果與連續(xù)反應(yīng)器中表觀減量速率一致，均說(shuō)明該方法結(jié)果可信。

關(guān)鍵字：污泥減量速率微型動(dòng)物攝食1前言利用微型動(dòng)物對(duì)生物污泥進(jìn)行減量，雖然減量程度有限、穩(wěn)定性有待加強(qiáng)，但由于能耗低、不產(chǎn)生二次污染，作為一種生態(tài)工程技術(shù)受到關(guān)注[1-3]。目前有關(guān)利用微型動(dòng)物對(duì)污泥進(jìn)行減量的研究存在兩個(gè)爭(zhēng)論：一個(gè)是微型動(dòng)物在城市污水處理中對(duì)污泥減量效果是否明顯[4-7]，另一個(gè)是具體哪些微型動(dòng)物對(duì)污泥具有顯著的減量效果[8-10]。這兩個(gè)爭(zhēng)論均源于缺乏微型動(dòng)物對(duì)污泥的攝食速率這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)。而測(cè)量微型動(dòng)物對(duì)污泥減量速率的困難在于體型較小的微型動(dòng)物攝食量微小，實(shí)驗(yàn)室常用的萬(wàn)分之一天平不能達(dá)到精確稱量的要求，同時(shí)微型動(dòng)物和污泥分離困難，而利用放射性元素進(jìn)行示蹤試驗(yàn)比較復(fù)雜，因此，需要建立一種簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的微型動(dòng)物對(duì)污泥減量速率的測(cè)量方法。本文從微型動(dòng)物對(duì)污泥減量的原理出發(fā)，提出非固態(tài)C產(chǎn)生速率法并用目前相關(guān)研究中采用的直接測(cè)量法和間接測(cè)量法進(jìn)行佐證。2試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)原理所謂污泥減量，從物質(zhì)形態(tài)來(lái)看，是將系統(tǒng)中的固態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體和液體，從物質(zhì)形態(tài)上達(dá)到減量目的?？疾煳勰嘀兴急壤畲蟮腃元素（50％）形態(tài)的轉(zhuǎn)變，，作為固態(tài)的活性污泥被微型動(dòng)物攝食后，一部分轉(zhuǎn)化為微型動(dòng)物自身（固態(tài)的C），另一部分則由于微型動(dòng)物排泄、呼吸作用，形成溶解在水中的液態(tài)C和氣態(tài)C，從而達(dá)到污泥減量的效果。在相對(duì)封閉系統(tǒng)中微型動(dòng)物攝食滅菌污泥（防止活菌代謝產(chǎn)生非固態(tài)C干擾），導(dǎo)致污泥中固態(tài)C向非固態(tài)C的轉(zhuǎn)化，通過(guò)測(cè)量非固體C轉(zhuǎn)化速率得到微型動(dòng)物對(duì)污泥減量速率。預(yù)備試驗(yàn)驗(yàn)證，紅斑顠體蟲等微型動(dòng)物對(duì)活菌并沒(méi)有選擇性攝食。2.2試驗(yàn)方法試驗(yàn)流程如圖2，從活性污泥曝氣池中分離并經(jīng)過(guò)消毒（包括0.4％NaCl催吐、0.005％NaOCl和0.1％青霉素和鏈霉素消毒）的不同數(shù)量的微型動(dòng)物置于已經(jīng)消毒的安瓿瓶中（裝置見圖3），其中約1/3是滅菌污泥，其余是氣體（如圖3中左圖）。通過(guò)氣相色譜（TC-14,SHIMADZU,中國(guó)）測(cè)定安瓿瓶中的CO2；VOC分析儀（VOCdetector,PGM7240,RAESystem,Sunnyvale,美國(guó)）測(cè)定氣體中VOC（由于VOC測(cè)定儀是在線檢測(cè)，所以在測(cè)定VOC時(shí)使用的裝置如圖3中右圖，其中瓶體積為500ml，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連接管路的體積，忽略由于連接管路體積帶來(lái)的誤差，干燥劑可以防止水分對(duì)VOC測(cè)定的影響），同時(shí)用TOC儀（TOC-5000A,SHIMADZU,KYOTO,日本）測(cè)定水中TOC。圖2實(shí)驗(yàn)流程圖3實(shí)驗(yàn)裝2.3污泥減量計(jì)算方法微型動(dòng)物對(duì)污泥減量速率RS計(jì)算如等式（1），RS=RNS-C/0.5=(RIC+ROC)/0.5=(RIC-G+RIC-S+ROC-G+ROC-S)/0.5,(1)其中，RS單位：mg-VSS/(mg-microfauna.d)，RNS-C為系統(tǒng)中非固態(tài)C增加速率，單位mg-C/(mg-microfauna.d)，RNS-C分為非固態(tài)無(wú)機(jī)C增加速率RIC和非固態(tài)有機(jī)C增加速率ROC，其中RIC和ROC又各分別包括氣體和液體中C的增加速率：RIC-G、RIC-S、ROC-G、ROC-S。系統(tǒng)中RIC的確定系統(tǒng)內(nèi)氣體中無(wú)機(jī)C（即CO2）和污泥中無(wú)機(jī)C（包括H2CO3、HCO3-和CO32-）滿足Henry定律，如圖4，雖然當(dāng)CO2在濃度較低時(shí)在水中和污泥溶液中有一些差異，但在濃度較高(>5000ppm)呈線性關(guān)系，且相對(duì)斜率非常接近，這主要是由于CO2濃度較低時(shí)，污泥溶液類似于緩沖溶液，可以通過(guò)污泥絮體過(guò)量吸附CO2，而當(dāng)這類吸附達(dá)到飽和以后CO2和液體中的無(wú)機(jī)C就滿足Henry定律。這樣就可以只測(cè)量氣體中CO2的增加速率，而后通過(guò)Henry常數(shù)得到無(wú)機(jī)C增加速率，即RIC=RIC-G/0.555。圖4污泥中無(wú)機(jī)C平衡系統(tǒng)中ROC的確定系統(tǒng)中氣體有機(jī)C的增加即是VOC的增加，如圖3中右圖裝置，在線測(cè)量系統(tǒng)中CO2濃度的同時(shí)測(cè)量其中VOC的濃度，當(dāng)CO2的濃度從1000增加到20000ppm時(shí)，VOC的濃度僅從400增加到700ppb，其濃度以及增加速率均不及CO2的0.1%，完全可以忽略系統(tǒng)中由于微型動(dòng)物攝食導(dǎo)致VOC增加部分，即ROC≈ROC-S，ROC-S可以通過(guò)測(cè)量污泥溶液中TOC得到。這樣，微型動(dòng)物對(duì)污泥減量速率可以如下公式計(jì)算：RS=(RIC-G/0.56+ROC-S)/0.5(2)3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1通過(guò)CO2測(cè)定確定微型動(dòng)物代謝產(chǎn)生無(wú)機(jī)C速率以顫蚓為例，每隔一段時(shí)間（12h）測(cè)定含有不同數(shù)量（1－12ind）顫蚓瓶中氣體的CO2濃度。圖5CO2隨時(shí)間和顫蚓數(shù)量而改變?nèi)鐖D5，隨著時(shí)間和顫蚓數(shù)量的增加，氣體中CO2濃度隨之增加。由圖5數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到CO2的增加速率RCO2=275.87ppm/(ind-Tubifex.h)RIC=RCO2/1000000/24.5×18×12×24/0.5/0.555RIC的單位是mg-C/(mg-Tubifex.d).上式中，24.5是25oC時(shí)的理想氣體常數(shù)，18為安瓿瓶體積(ml),12為C原子量,24表示每天24小時(shí)，0.5表示每條顫蚓干重為0.5mg（為了便于比較不同微型動(dòng)物，單位統(tǒng)一為干重，mg）。得到顫蚓對(duì)無(wú)機(jī)C增加速率RIC=0.23mg-C/(mg-Tubifex.d)。同樣試驗(yàn)還做過(guò)4次，當(dāng)顫蚓條數(shù)增加到20條時(shí)，試驗(yàn)用瓶的體積為35ml。計(jì)算得到RIC的范圍是0.2286-0.2522mg-C/(mg-Tubifex.d)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0095mg-C/(mg-Tubifex.d).3.2通過(guò)測(cè)定TOC確定微型動(dòng)物導(dǎo)致水中溶解性有機(jī)C增加速率測(cè)量試驗(yàn)前后上清液（經(jīng)過(guò)0.45μm過(guò)濾）中TOC濃度的變化，TOC濃度的增加和顫蚓數(shù)量成正比（時(shí)間是試驗(yàn)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程），直線擬合計(jì)算得到的斜率0.0157mg-DOC/(ind-Tubifex.d)算得ROC=0.0157/0.5=0.0314mg-DOC/(mg-Tubifex.d)。將以上兩種速率相加，可以得到由于顫蚓的攝食，經(jīng)過(guò)自身對(duì)C的代謝導(dǎo)致非固態(tài)C增加的速率，進(jìn)而可以確定出微型動(dòng)物對(duì)污泥減量的速率RS=(RIC-G/0.555+ROC-S)/0.5=(0.23+0.0314)/0.5=0.5228mg-sludge/(mg-Tubifex.d)。3.3直接測(cè)量顫蚓減量速率由于顫蚓體型較大，相對(duì)容易與污泥分離，所以通過(guò)測(cè)量不同數(shù)量顫蚓攝食以后污泥干重來(lái)確定顫蚓對(duì)污泥減量的比例。每組不同數(shù)量的顫蚓做7組平行試驗(yàn)，取其平均值，計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為誤差限。圖中部分標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，而且16條顫蚓對(duì)污泥的減量速率反而高于20條顫蚓的結(jié)果，說(shuō)明即便顫蚓體型較大，和污泥分離相對(duì)容易，但直接秤量還是存在較大誤差。試驗(yàn)持續(xù)一天，通過(guò)直線擬合得到斜率為-0.32mg-sludge/(ind-Tubifex.d)，換算得到顫蚓的直接污泥減量速率為0.64mg-sludge/(mg-Tubifex.d)。前面通過(guò)計(jì)算非固態(tài)C增加速率得到的污泥減量速率是0.52mg-sludge/(mg-Tubifex.d)。這表明利用食物鏈中C形態(tài)變化計(jì)算得到的污泥減量速率的方法和直接測(cè)量的結(jié)果相同。在卷貝試驗(yàn)中也又類似結(jié)論。3.4間接測(cè)量紅斑顠體蟲對(duì)污泥的減量速率前面提到，在確定微型動(dòng)物對(duì)污泥減量中使用的間接表觀減量，其計(jì)算過(guò)程如下：首先計(jì)算得到系統(tǒng)產(chǎn)率系數(shù)Y（如等式3）。對(duì)于紅斑顠體蟲和在不同條件下連續(xù)運(yùn)行的CAS反應(yīng)V：反應(yīng)器體積(L)；X：反應(yīng)器中污泥濃度(mg-VSS/L)；Q：流速(L/d)；C：COD濃度(mg/L)。下標(biāo)i，e，和w分別代表進(jìn)水、出水可以看出無(wú)論是去除負(fù)荷還是污泥齡的改變，污泥產(chǎn)率系數(shù)Y都和紅斑顠體蟲密度呈負(fù)相關(guān)。盡管Y可以受到其他因素的影響，可以粗略地將Y和紅斑顠體蟲密度進(jìn)行線性擬合，得到的斜率為ΔY。表觀減量速率RS可以通過(guò)等式（4）計(jì)算得到，結(jié)果列在表2中。RS=ΔY×ΔF/M/0.0005(4)ΔF/M：去除負(fù)荷（mg-COD/mg-VSS.d）；RS：表觀減量速率（mg-VSS/(mg-A.hemprichi..d)），單條紅斑顠體蟲干重為0.0005mg。RS的范圍在0.53-6.32mg-VSS/(mg-A.hemprichi.d)，該值受到影響的因素較多，而通過(guò)食物鏈中C形態(tài)變化得到的紅斑顠體蟲減量速率為0.8mg-VSS/(mg-A.hemprichi.d)，和RS相比較不容忽略，說(shuō)明由于紅斑顠體蟲的攝食在活性污泥系統(tǒng)具有污泥減量的作用。3.5四種微型動(dòng)物對(duì)污泥的減量速率由于四種微型動(dòng)物中顫蚓和卷貝體型較大，也相對(duì)易于與污泥分離，所以有直接測(cè)量的結(jié)果。這兩種微型動(dòng)物直接測(cè)量結(jié)果和通過(guò)食物鏈中C形態(tài)變化得到的減量速率相近。說(shuō)明通過(guò)食物鏈中C形態(tài)變化得到的減量速率的試驗(yàn)方法可信，可以嘗試對(duì)比紅斑顠體蟲體型更小的微型動(dòng)物進(jìn)行測(cè)試。微型動(dòng)物對(duì)污泥減量速率的大小和微型動(dòng)物的門或?qū)儆嘘P(guān)，寡毛綱環(huán)節(jié)動(dòng)物要比節(jié)肢動(dòng)物門甲殼綱和軟體動(dòng)物門腹足綱動(dòng)物對(duì)污泥的減量速率要高。推測(cè)可能和微型動(dòng)物身體形狀有關(guān)，寡毛綱環(huán)節(jié)動(dòng)物呈線形，在相同體積下，表面積要大于球體，使得其代謝更快。雖然，在實(shí)際試驗(yàn)中卷貝每日攝食量達(dá)到其自身體重的數(shù)倍，但由于所排遺的糞便量也大，所以其減量效果有限。不同種屬的微型動(dòng)物，由于攝食導(dǎo)致固態(tài)C向液態(tài)和氣態(tài)C轉(zhuǎn)變的比例也不完全相同，如卷貝對(duì)污泥的減量速率中對(duì)液態(tài)和氣態(tài)C轉(zhuǎn)變比例相近，而其他三種動(dòng)物都是氣態(tài)C要大于液態(tài)C。在同一種屬中也可能由于體型大小不同而導(dǎo)致污泥減量速率不同。紅斑顠體蟲減量速率要略高于顫蚓，主要的原因是紅斑顠體蟲較小，比表面積較顫蚓大，所耗散的能量高，對(duì)污泥的減量速率高。4結(jié)論1)通過(guò)測(cè)量特定系統(tǒng)非固態(tài)C增加速率確定微