活性污泥工藝中剩余污泥減量化技術

活性污泥工藝中剩余污泥減量化技術研究*摘要：污泥減量化技術是在剩余污泥資源化基礎上進一步提出的剩余污泥處置新概念；根據生物處理工藝中影響剩余污泥產生的可能途徑，將污泥減量技術分為降低細菌合成量的解偶聯技術、增強微生物利用二次基質進行隱性生長的各種溶胞技術、利用食物鏈作用強化微型動物對細菌捕食的技術；并對當前污泥減量化進行了理論分析和應用上的概述。關鍵詞：生物處理；污泥減量；解偶聯；隱性生長；捕食作用ResearchonexcesssludgereductiontechnologiesoftheactivatedsludgeprocessAbstract：Sludgereductiontechnologyisanewconceptfordisposalofresidualsludgeproposedbasedonthereutilizationofresidualsludge；Accordingtoproductionprincipleofexcessactivatedsludgeinbiologicaltreatmentprocess，thepossibleapproachesforsludgereductionmaybebasedonthreeaspects：uncouplingmetabolism，crypticgrowthenhancedthroughcelllysesandmicrofaunaprey；Andoutlinestheresearchprogressofexcesssludgereductiontechnologiestheoreticallyandpractically.Keywords：biologicaltreatment；sludgereduction；uncoupling；crypticgrowth；predation1前言污泥是生物處理工藝的最終產物，活性污泥工藝的目的是在最大限度降低BOD5的同時減少污泥的產量。目前，世界上超過90%的城市污水處理都采用活性污泥法，產生的大量剩余污泥通常含有相當量的有毒有害物質及未穩(wěn)定化的有機物，如不進行妥善的處理，將會對環(huán)境造成直接或潛在的污染。隨著污水處理設施的進一步普及、處理量的增加、處理標準的提高和處理功能的拓展，污泥的產生量將會大幅度地增加。同時，污泥處理的投資和運行費用巨大，可占整個污水廠投資及運行費用的25-65%[1]，已成為城市污水廠所面臨的沉重負擔。顯而易見，污泥的處理與處置將成為環(huán)境領域的一大難題。污泥減量技術正是在這一背景下應運而生的。所謂污泥減量技術，是指在保證污水處理效果的前提下，采用適當的措施使處理相同量的污水所產生的污泥量降低的各種技術。2污泥減量化理論基礎2.1解偶聯代謝被稱為“生物體內的流通貨幣”的ATP不僅是能量的傳遞體，同時也是磷酸基團的載體。因而成為分解代謝和合成代謝之間偶聯的關鍵紐帶。1961年P.Mitchell提出化學滲透偶聯說[2]，表明底物作為電子供體，經過一系列的電子傳遞過程，造成內膜的細胞質側和基質側質子濃度梯度，這種質子濃度的跨膜梯度積蓄了電子傳遞過程所釋放的能量，成為ADP和無機磷酸合成ATP的推動力?！敖馀悸摯x”即為細菌的分解代謝和合成代謝不再由ATP的合成與分解反應偶聯在一起，從而降低微生物的合成量。Sroutamer提出在以下5種情況時微生物解偶聯生長可能發(fā)生[3]：（1）存在影響ATP合成的物質（解偶聯劑）；（2）存在過剩能量，引起能量消耗（高S0/Ｘ0條件）；（3）在過渡時期（非穩(wěn)態(tài)）生長（OSA工藝）；（4）在不適宜的溫度下生長；（5）有限制性基質的存在。其中前4種是通過解除新陳代謝中的能量偶聯達到的，第5種是通過解除新陳代謝中的物質偶聯達到的。2.2隱性生長微生物先分解代謝污水中有機底物，將其轉化為二氧化碳和水，然后利用分解代謝釋放的能量進行合成代謝。當微生物以其自身細胞溶解產物為底物并重復上述新陳代謝時，那么污泥的產生量就會減少。這種微生物靠自身細胞溶解產物生長的方式稱之為隱性生長[4]。隱性生長的減量化技術主要是靠采用化學、物理、生物及其相互聯合的手段促進細胞的溶解和投加一些特別選擇的微生物菌株、酶等以強化生物系統(tǒng)的代謝功能。3污泥減量化技術研究3.1基于解偶聯代謝的污泥減量技術在一般情況下，微生物的合成代謝通過呼吸速率控制與底物的分解代謝進行偶聯，當呼吸控制不存在，生物合成速率成為速率控制因素時，分解代謝和合成代謝將會發(fā)生解偶聯。此時，微生物在氧化底物的同時，用于合成代謝的能量減少，自身合成速度減慢，表觀產率系數降低，污泥產量減少。3.1.1投加解偶聯劑研究表明，解偶聯劑的投加，對微生物（污泥）的表觀產率系數會產生明顯影響。代謝解偶聯劑的種類很多，但幾乎都屬親脂性弱酸。用于污泥減量的解偶聯劑有：2,4-二硝基苯酚（dNP），對硝基苯酚（pNP），3,3',4',5-四氯水楊酰苯胺（TCS），2,4,5-三氯苯胺（TCP），五氯苯酚（PCP），甲酚和氨基酸等。目前關于解偶聯劑在污泥減量化技術中應用的報道很多。Low等人報道[5,6]在實驗室規(guī)模的活性污泥系統(tǒng)中，加入pNP后，生物量可減少49%，當pNP的質量濃度達到120mg/L時，無剩余污泥產生。Chen等人[7]觀察到在加入質量濃度為0.8mg/L的TCS后，污泥產量減少78%，且對底物的去除效率沒有顯著影響。Strand等人[8]測試了12種代謝解偶聯劑，發(fā)現這些解偶聯劑中TCP的效率最高，在TCP的質量濃度為5mg/L時，能減少50%的污泥產量。葉芬霞等人[9,10]報道TCS以固體方式投加的效果好于液態(tài)投加，每天投加12mg，相當于液態(tài)濃度1mg/L，可使污泥產量49%。在曝氣沉淀池中，在每克固體懸浮物中含量為0.5mg時，TCS是一種有效的化學解耦聯劑，可降低剩余污泥產量約30%。在60d的運行期間，活性污泥工藝的COD去除效率和污泥的沉降性能未見有明顯影響，但出水氨氮及總氮濃度升高，污泥的SOUR值相應增加。鏡檢發(fā)現，污泥中的絲狀菌增多，原生動物和后生動物數量和種類減少，且活性也降低，對污泥的種群結構有一定的影響。投加解偶聯劑可在不改變現有工藝的條件下達到污泥減量的目的。Okey和Stensel報道了解偶聯劑在Phoenix和Arizona污水處理廠的工業(yè)化運用。但也應該清醒的認識到，解偶聯劑在工程應用中還存在一些問題，如（1）增加了對氧的消耗；（2）降低了CODcr的去除效率；（3）微生物的馴化作用能降低解偶聯劑的效率；（4）所有的解偶聯劑都屬于異性生物質，對環(huán)境存在潛在的危害。在當前應用的解偶聯劑中，TCS是最安全的，已被廣泛用作肥皂、染發(fā)水和香波等的配料。3.1.2高S0/X0條件下的解偶聯在高S0/X0（底物濃度/污泥濃度）條件下，微生物在分解代謝中產生ATP的速率要大于在合成代謝中消耗的速率。ATP產生累積后可能引起能量的消散（Energyspilling，即能量以熱和功的形式散失到環(huán)境中），從而降低微生物產率系數。目前關于高S0/X0（初始底物的質量濃度與初始微生物的質量濃度之比）即存在過剩能源條件下，發(fā)生代謝解偶聯的解釋有兩種。一種認為：在高S0/X0條件下，一些離子（如H+或K+）能穿過細胞質膜，降低跨膜電位，引起能量溢出（Energyspilling）；第二種認為：在高S0/X0條件下，微生物的代謝途徑發(fā)生了改變，繞過了能量儲存的糖酵解途徑，引起代謝解偶聯。對在高S0/X0條件下微生物生長動力學模型已有較深入的研究報道。LiuYun等人[11-13]研究了在基質充裕條件下能量消散的動力學模型，證明在S0/X0增加時，微生物解偶聯生長部分增多。但高S0/X0條件還不能用于實際的污水處理過程。因為城市生活污水的實際S0/X0常處于0.01-0.13范圍內，而要實現解偶聯S0/X0要大于8-10；因此，既要滿足足夠高的S0/X0使代謝解偶聯，又要滿足出水水質達標，將會大大增加投資和處理成本。而且，在高S0/X0條件下，微生物產生的不完全代謝的產物還可能對整個處理過程產生影響。3.1.3好氧-沉淀-厭氧工藝在厭氧、好氧交替改變的環(huán)境下，微生物的表觀產率系數減少。這是因為好氧微生物在好氧段所產生的ATP不能立即用于合成代謝，而是在底物缺乏的厭氧段作為維持能被消耗。OSA（oxic-settlinganaerobic）工藝是在傳統(tǒng)活性污泥（CAS）工藝的污泥回流過程中插入厭氧池，為微生物提供好氧、厭氧交替改變的環(huán)境，從而達到降低污泥產量的目的。試驗中污泥減量效果比較明顯：污泥齡為5d時，表觀產率系數降低50%左右。同時，由于OSA的流程和除磷的流程相似，有利于除磷菌的生長，對磷的去除優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥法[14-16]。與CAS工藝相比OSA工藝具有以下優(yōu)勢：（1）污泥產量低且沉降性能好；（2）COD去除效率高，有利于處理高濃度有機廢水；（3）OSA工藝和除磷工藝相似，有利于除磷菌的生長，因此，對磷的去除效率高。OSA工藝主要應用在進水有機物濃度較高的條件下。如果進水的有機物濃度較低，則OSA工藝的污泥產率系數和常規(guī)活性污泥法相差不大。同時，由于OSA法的水力停留時間較長（是常規(guī)活性污泥法的兩倍），使得在較低有機物濃度下的處理和常規(guī)活性污泥法相比在污泥產率方面沒有優(yōu)勢。3.1.4其他解偶聯技術改變溫度也能夠影響微生物的新陳代謝，從而獲得較低的表觀產率系數。在溫度升高后，微生物首先提高的是分解有機物的能力，而在合成代謝方面卻沒有隨之提高到相應水平，分解有機物增多而獲得的能量并沒有完全用于合成自身，從這一點認為微生物發(fā)生了解偶聯生長。在23℃時污泥表觀產率系數是0.35，而當溫度升高到40.8℃時，降為0.01[17]。升高溫度對污泥減量的原因不僅僅是能量解偶聯所引起的，還與升高溫度對細菌的選擇、原生動物等對細菌捕食的增強和微生物自身氧化率提高有關，這些都需要在研究中進行區(qū)分。高鹽濃度下（NaCl濃度10-30g/L）微生物的呼吸速率將受到影響。提高細胞內外Na+濃度差，使得細胞必須提供額外能量用于維持體內Na+濃度水平以滿足正常的生理活動的需要，這就需要消耗部分用于合成的ATP，從而降低污泥的表觀產率系數[18]。但細菌一旦馴化，污泥減量化就會變得不明顯，可以考慮利用NaCl沖擊負荷來防止細菌被馴化[19]。提高供氧，可以使細菌氧化有機物的速度加快，使其產生的ATP的產生量增加。這樣，由于ATP合酶在ATP濃度較高時對ATP進行水解，可能使細菌形成質子的無效循環(huán)，發(fā)生解偶聯[20]。利用微生物氧化磷酸化解偶聯控制污泥的產生，現階段還處于機理研究。從已有的文獻來看，雖然有不少基于化學滲透假說的推測，但說法不一，缺乏有力證據，使得解偶聯劑的投加在現階段離實際利用還有較長的差距。3.2基于隱性生長的污泥減量化技術微生物利用衰亡細胞溶解所產生的二次基質生長的過程叫做隱性生長。它包括：細胞溶解和二次基質被微生物利用兩步，其中細胞溶解為控制步驟。因此，可通過各種溶胞技術強化微生物的隱性生長達到污泥減量的目的。目前報道的溶胞技術有：（1）高溫（40-180℃）；（2）酸、堿處理；（3）施加機械壓力，如利用超聲波、碾磨器、高速攪拌器等產生強大的壓力破碎細胞壁；（4）冰凍和溶化；（5）添加酶制劑；（6）高級氧化和這些溶胞技術的聯合應用，如熱-化學處理、堿-超聲波處理等。3.2.1臭氧日本早在1990年前后就開始了該技術的研究目前已有實際處理裝置建成[21]。據報道，臭氧直接氧化污泥的比例是35%，其余65%是通過回流到曝氣池中被生物利用而降解。臭氧可破壞不容易被生物降解的細胞膜等，使細胞內物質能較快地溶于水中，同時氧化不容易水解的大分子物質，使其更容易為微生物所利用。污泥經臭氧處理后，懸浮固體被溶解，作為二次基質為微生物所利用，溶解的有機物則被礦化為CO2和H2O。臭氧的氧化效果和臭氧濃度及臭氧和污泥接觸反應的時間有關。SakaiY.等人[22]的研究表明，回流速率（回流污泥流量和曝氣池體積之比）為0.3d-1，臭氧濃度在0.02mgO3/mgSS以上時，可以達到污泥的完全減量化。此后，Kamiya等人[23]采用間歇式臭氧處理污泥，以減少臭氧量和控制污泥膨脹，結果表明，間歇式所需臭氧量僅為連續(xù)式的30%，污泥產量減少50%，并能有效改善污泥的沉降性。但是在實際應用中也存在以下不足：（1）臭氧的氧化作用不具有選擇性，能與其他一些還原性物質反應，降低了活性污泥的氧化效率，使一些難降解有機物隨出水流出，從而使得出水中SS的質量濃度稍高于CAS；（2）對氮、磷的去除效果不好；（3）無污泥排放時，污泥中重金屬含量比CAS高；（4）耗氧量大，能耗高。3.2.2氯氣利用氯氣對污泥進行減量的原理和臭氧相同，即利用其氧化性對細胞進行氧化，促進隱性生長。Saby等人[24]研究了氯氣替代臭氧的可行性，結果顯示，當氯氣量為133mg/（gMLSS·d）時，污泥產量減少65%；但污泥的沉降性能差，污泥絮體平均直徑由15μm降低到3μm左右，而且粒徑分布更集中，出水中溶解的CODcr顯著增加。雖然氯氣比臭氧便宜，但氯氣能夠和污泥中的有機物產生反應，生成三氯甲烷（THMs）等氯代有機物，是不容忽視的問題。3.2.3酸、堿酸或堿的作用是在抑制細胞活性的同時，使細胞壁溶解釋放細胞內物質，使其能夠容易被其他活性污泥所利用。不同研究表明[25]，CODcr的釋放分為兩個步驟，第一步比較迅速，第二步則相對較慢。相同pH條件下，H2SO4的溶胞效果要優(yōu)于HCI，NaOH的效果要優(yōu)于KOH；在改變相同pH條件下，堿的效果要好于酸，這可能是由于堿對細胞的磷脂雙分子層的溶解要優(yōu)于酸的緣故。如果將加熱和堿處理相結合（pH=10，60℃，20min）[25]，可以收到較好的溶胞效果。不過該工藝同樣存在明顯的缺點，高溫和熱-化學處理須維持高溫和高pH值，因而對設備具有腐蝕性，對設備材料要求高，從而大大增加了操作成本；此外，熱處理過程會產生大量臭氣，因此很難實現工業(yè)化。3.2.4超聲波超聲波用于水工業(yè)較早。低強度的超聲波通常用于測量流量，而將超聲波用于污泥減量是一個全新的領域。超聲波通過交替的壓縮和擴張作用產生空穴作用，在溶液中這個作用以微氣泡的形成、生長和破裂來體現，以此壓碎細胞壁，釋放出細胞內所含的成分和細胞質，以便進一步降解。超聲波細胞處理器能加快細胞溶解，用于污泥回流系統(tǒng)時，可強化細胞的可降解性，減少了污泥的產量；用于污泥脫水設備時，有利于污泥脫水和污泥減量。污泥經超聲波處理后，溶解性CODcr顯著增加[26]，如果再進入好氧池能大量被微生物降解。Yoon等人[27]用超聲波處理部分MBR的回流污泥，結果顯示，該MBR的操作參數同傳統(tǒng)的MBR和CAS存在很大的差異，其真實有機負荷F/M值顯著高于表觀值。目前，優(yōu)化運行參數、提高超生效率和設計合理的超生反應器是超聲波應用于污泥減量待解決的問題。3.3基于微型動物捕食作用的污泥減量化技術微型動物的概念是一個模糊的界定。在水處理領域，習慣把原生動物和一些體型較小的后生動物（如輪蟲、線蟲、大型無脊椎動物如環(huán)節(jié)綱的蚯蚓和軟體動物等）稱之為微型動物。嚴格地說，微型動物不是生物分類學上的概念而是一種俗稱。從生態(tài)學角度講，系統(tǒng)食物鏈越長，能量損失越多，可用于生物體合成的能量就越少?；钚晕勰嗫煽闯扇嗽焐鷳B(tài)系統(tǒng)，因此，可通過延長食物鏈或強化食物鏈中微型動物的捕食作用而減少污泥的產量。利用微型動物對污泥進行減量可從以下三個方面著手。一是利用微型動物在食物鏈中的捕食作用。從生態(tài)學角度，當系統(tǒng)中食物鏈越長，能量損失越多，可用于合成生物體的能量就越少，最終形成的總的生物量也就越少。因此，延長食物鏈或強化食物鏈中的微型動物的捕食作用均能達到減少剩余污泥產生量的目的。生物膜法與傳統(tǒng)活性污泥法相比，一個重要特點是在生物膜中體型較大營養(yǎng)級較高的微型動物容易繁殖，甚至出現蒼蠅一類的昆蟲，使得食物鏈變長變復雜。生物膜處理系統(tǒng)內產生的污泥量一般要比活性污泥法低1/4。二是直接利用微型動物對污泥的攝食和消化，在減少污泥的容量的同時增加污泥的可溶性。原生動物中的附著型的種類如緣毛類纖毛蟲，以及后生動物中的附著型的輪蟲均有較強的攝食懸浮性固體的能力。而蒼蠅一類的昆蟲的幼蟲和一些軟體動物更能夠直接吞食較大的絮狀活性污泥或生物膜。三是利用微型動物來增強細菌的活性或增加有活性的細菌的數量，從而增強細菌的自身氧化和代謝能力。微型動物和細菌之間的關系，除了捕食者和被捕食者的關系外，還有互利的關系。在污水生物處理系統(tǒng)中，微型動物和細菌可以共存。細菌對微型動物捕食可以形成菌膠團進行抵御，同時，細菌的分泌物能刺激原生動物的生長，反過來原生動物活動產生溶解性有機物質可被細菌再利用，促進細菌的生長。利用微型動物對污泥進行減量，包括在常規(guī)污水處理系統(tǒng)中培養(yǎng)微型動物（如在傳統(tǒng)活性污泥法或膜生物反應器的曝氣池中培養(yǎng)微型動物）和兩段法工藝。所謂兩段法，第一段為分散細菌培養(yǎng)階段（分散培養(yǎng)反應器），促進分散細菌生長的同時達到對污水中有機物的降解。其目的是在細菌高速降解有機物的同時不形成菌膠團，其固體停留時間要小于細菌的世代時間；第二階段為捕食階段（捕食反應器），促進原、后生動物的生長。在第二階段中為了保持一定量的原、后生動物的生長，要求污泥齡長于水力停留時間。該階段可以利用生物膜法工藝或膜生物反應器達到要求。兩階段法中第一階段使細菌能夠在分散的狀態(tài)下更有效地降解有機物。XHuang等人[28]研究了紅斑顠體蟲、蚤狀溞、顫蚓和卷貝四種微型動物對污泥的減量作用，其污泥減量速率分別達到0.8，0.18，0.54和0.1gMLSS/mgMacrofauna·d。不同微型動物對污泥減量的比例與微型動物種類和體型有關，較小體型的微型動物的減量速率相對較高，同時寡毛綱環(huán)節(jié)動物的減量速率相對節(jié)肢動物和軟體動物對污泥的減量比例要高。Ghyoot等人在第二段用膜作為保持微型動物的手段，研究了整個系統(tǒng)對污泥的減量和對污水的處理效果時發(fā)現，污水中80%以上的CODcr在第一階段降低的。雖然在第一階段的污泥產率系數和普通活性污泥法相當，但從整個系統(tǒng)看，污泥的產率系數大大降低[29]。Rensink等人則是在第二階段采用塑料材料制成的填料來保持蠕蟲等微型動物，在對比試驗中，沒有蠕蟲的反應器污泥產率系數是0.4gMLSS/gCODcr，而接種蠕蟲的反應器污泥產率系數是0.16gMLSS/gCODcr，減量效果是明顯的[30]。4結束語面對環(huán)境標準的日益嚴格和污泥量與日俱增的矛盾，應將污泥管理的重心前移到“源頭分流”、“源頭控制”，這將是今后污泥處理發(fā)展的方向。雖然有關污泥減量的必要性在學術上還有爭論（傳統(tǒng)觀點認為污泥是一種生物能量，沒有必要去研究如何降低生物轉化效率），但污泥減量化的研究，適應了污水處理系統(tǒng)實現良性運行、防止污水處理出現二次污染、使污水治理更具環(huán)境效益的需要。在今后較長時間內，污泥減量化的研究還需要從原理、技術等方面進行全面、系統(tǒng)的研究和比較。一旦有所突破，對水處理將是一重大的貢獻。參考文獻[1]YuLiu，etal.Strategyforminimizationofexcesssludgeproductionfromtheactivatedsludgeprocess[J].BiotechnologyAdvances，2001，（19）：97-107[2]陳世和.微生物生理學原理[Ｍ].上海：同濟大學出版社，1992：95-105[3]J.R.Quayletal.Microbialbiochemistry.England：UniversityParkPress，1979：40-42[4]Rocher，M.，etal.Towardsareductioninexcesssludgeproductioninactivatedsludgeprocesses：biomassphysicochemicaltreatmentandbiodegradation[J].Appl.Microbiol.Biotechnol，1999，51（3）：883-890[5]LowEW，ChaseHA.TheUseofChemicalUncouplesforReducingBiomassProductionduringBiodegradation[J].WaterSciTechnol，1998，37（4-5）：399-402[6]LowEW，ChaseHA，MilnerMG，etal.UncouplingofMetabolismtoReduceBiomassProductionintheActivatedSludgeProcess[J].WaterRes，2000，34（12）：3204-3212[7]ChenGH，MoHK，LiuY.UtilizationofaMetabolicUncouple，3，3'，4'，5-Tetrachlorosal-icylanilide（TCS）toReduceSludgeGrowthinActivatedSludgeCulture[J].WaterRes，2002，36（8）：2077-2083[8]StrandSE,HaremGN,StenselHD.Activated-sludgeYieldReductionUsingChemicalUncouples[J].WaterEnvironRes,1999,71(4)：454-458[9]葉芬霞，陳英旭，馮孝善.化學解偶聯劑對活性污泥工藝中污泥產率的影響[J].環(huán)境科學，2003，24（6）：112-115[10]葉芬霞，陳英旭.能量解偶聯代謝對剩余污泥的減量化研究[J].環(huán)境科學于技術，2005，28（4）：4-5[11]LiuY.BioenergeticsInterpretationontheS0/X0RatioinSubstrate-sufficientBatchCulture[J].WaterRes，1996，30（11）：2766-2770[12]LiuY，ChenGH，PaulE.EffectoftheS0/X0RatioonEnergyUncouplinginSubstrate-sufficientBatchCultureofActivatedSludge[J].WaterRes，1998，32（10）：2883-2888[13]LiuY.EffectofChemicalUncoupleontheObservedGrowthYieldinBatchCultureofActivatedSludge[J].WaterRes，2000，34（7）：2025-2030[14]AbbassiB.Dullsteins.，RabigerN.Minimizationofexcesssludgeproductionbyincreaseofoxygenconcentrationinactivatedsludgeflocs：experimentalandtheoreticalapproach[J].Wat.Res.，2000，34（1）：139-146[15]Ch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