摘要：本文從代謝解偶聯(lián)、微型動物捕食作用、微生物隱性生長三個方面介紹了污泥減量化技術的原理和方法。并分析了這些技術在國內(nèi)外的發(fā)展和應用情況。 　　關鍵詞：污泥減量；代謝解偶聯(lián)；微生物；剩余污泥
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　
　　污泥減量化是20世紀90年代提出的對剩余污泥處置的新概念。污泥減量化技術是指通過物理、化學和生物等手段，使整個生物處理系統(tǒng)中污泥產(chǎn)量減少，主要包括圍繞降低細菌合成量的代謝解偶聯(lián)技術、增強微生物隱性生長的各種溶胞技術和強化微型動物捕食細菌的技術。
　　
　　1
　　基于代謝解偶聯(lián)的污泥減量化技術
　　
　　微生物學家認為，正常情況下生物的分解代謝和合成代謝是由腺苷三磷酸(ATP)和腺苷二磷酸(ADP)之間的轉化而聯(lián)系在一起的，細胞產(chǎn)量和分解代謝產(chǎn)生的能量直接相關。但在某些條件下，如存在質(zhì)子載體、重金屬、異常溫度和好氧一厭氧交替循環(huán)時，底物被氧化的同時ATP不大量合成或者合成以后迅速由其它途徑釋放，即分解代謝和合成代謝解偶聯(lián)，從而使細菌在保持正常分解底物的同時，表觀產(chǎn)率系數(shù)降低，污泥產(chǎn)生量減少了。
　　
　　1.1　投加解偶聯(lián)劑
　　在活性污泥工藝中使用代謝解偶聯(lián)劑可以使污泥的合成代謝受到抑制，而分解代謝的能力基本不受影響。該過程中污染物質(zhì)(BOD)主要被氧化成CO2和水，僅有少部分轉化成新細胞。
　　上世紀90年代開始，利用活性污泥解偶聯(lián)代謝來減少污泥產(chǎn)量開始得到人們的關注。近年來國際上的研究熱點主要集中在選擇高效的代謝解偶聯(lián)劑，即在較低濃度下就能抑制污泥的合成代謝，同時又盡量不影響污泥的分解代謝能力。目前研究較多的解偶聯(lián)劑是氯代酚，硝基酚，氨基酚、甲基酚和四氯水楊苯胺。Low、Chen等在實驗室中研究了10多種代謝解偶聯(lián)劑的效果，發(fā)現(xiàn)當對硝基苯酚、三氯苯酚、四氯水楊苯胺(TCS)的濃度分別在100、5和0.8mg／L時，污泥產(chǎn)量分別減少了62％，50％和78％，而污水的處理效果只下降了10％―15％。Yang等報道在鄰氯酚、間氯酚、間硝基苯酚和對硝基苯酚四種化合物中，間硝基苯酚的污泥減量效果最好。國內(nèi)對這方面的研究已開始起步，哈爾濱工業(yè)大學的王寶貞教授，中科院生態(tài)環(huán)境研究中心的魏源送、樊耀波教授也曾詳細研究和探討過解偶聯(lián)代謝技術用于污泥減量化的問題�？傮w而言，國內(nèi)在這方面的研究主要是在污泥減量效果和廢水處理效果兩種情況下來選擇高效解偶聯(lián)劑。
　　解偶聯(lián)劑的優(yōu)勢是不需要對現(xiàn)有污水處理工藝作大的改進，只需增設投藥裝置即可。存在的問題是：①需要更多的氧去氧化未能轉化成污泥的有機物，對氧的需求量增大；②長時間用藥后微生物被馴化，解偶聯(lián)效率變低。應當指出大部分有機質(zhì)子載體是非生物性的，對環(huán)境可能有毒，應當慎重使用。
　　
　　1.2好氧－沉淀－厭氧(OSA)
　　在厭氧、好氧交替改變的環(huán)境下，微生物的表觀產(chǎn)率系數(shù)減少。因為好氧微生物在底物過量的好氧段所產(chǎn)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工藝是在CAS(傳統(tǒng)活性污泥法)工藝的污泥回流過程中進行厭氧消化，為微生物提供了一個好氧、厭氧交替改變的環(huán)境，從而達到降低污泥產(chǎn)量的目的。Westgarth等人首次報道了在高效活性污泥工藝中插入?yún)捬醵慰蓽p少一半的剩余污泥量。此后，Chu－doba等人對OSA工藝進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)OSA工藝的污泥產(chǎn)量從CAS的0.28－0.47kgsS／kg-COD降低到0.13―0.29 kgSS／kgCOD，比污泥產(chǎn)率降低了20％－65％，SVI值也比CAS工藝低，有效地改善了污泥的沉降性能。此外，由于OSA工藝和除磷的工藝流程相似，因而有利于除磷菌的生長，對磷的去除效率高。OSA工藝的優(yōu)越性只能在進水有機物濃度較高時才能體現(xiàn)；若進水有機物濃度較低，則OSA工藝的污泥產(chǎn)率系數(shù)和常規(guī)活性污泥法相差不大。
　　
　　2　基于微型動物捕食作用的污泥減量化技術
　　
　　根據(jù)生態(tài)學理論，物質(zhì)和能量在食物鏈傳遞過程中逐漸遞減，因此，理論上通過延長食物鏈或強化微型動物的捕食作用能夠達到污泥減量的目的。
　　
　　2.1
　　直接接種微型動物
　　現(xiàn)階段國內(nèi)外利用微型動物進行污泥減量的研究主要集中在寡毛綱環(huán)節(jié)動物，如仙女蟲、紅斑瓢體蟲、蚯蚓等體形較大的后生動物。Rensink等人在填料分別為爐渣和塑料的滴濾池中處理污水處理廠的回流污泥，發(fā)現(xiàn)接種顫蚓(Tubificidae)后，污泥減產(chǎn)量分別從未接種的10％～15％和10％增加至10％～50％和10％～45％。同樣，他們在填有塑料填料的CAS中接種顫蚓處理沉淀了的生活污水，結果污泥產(chǎn)量從未接種的0.40gMLSS／gCOD下降到0.15gMLSS／gCOD。直接接種微型動物具有能耗低、資金投入低的優(yōu)點，但由于對微型動物在反應器中長期生長狀況的研究還不多，將其用于實際的污水處理還有待進一步的研究。
　　
　　2.2兩段式工藝
　　兩段式生物反應器的第一段為分散細菌階段，HRT與SRT相等，沒有生物量停留，使得大量分散菌生長；二段為捕食段，具有較長的SRT，以促進食物鏈中主要以細菌為食物的較高等動物如原生動物和微型動物的大量生長。Lee和WelanderTM等人用兩段式工藝處理紙漿和造紙廢水，結果表明該系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量明顯比傳統(tǒng)活性污泥工藝的污泥產(chǎn)率少。GhyoottSJ等人對不同組合的兩段式系統(tǒng)(二段為CAS或一體式MBR)進行了比較研究，由于MBR中原生動物、微型動物數(shù)量比CAS多，在相同的SRT和有機負荷條件下，TS―MBR的污泥產(chǎn)量比TS―CAS少20-30％，但由于TS－MBR中大量微型動物對硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等細菌的過度捕食，使得出水的N、P濃度高。兩段式工藝還處于實驗研究階段，從研究結果來看，其主要的不足是：①微型動物對細菌的捕食會造成營養(yǎng)物質(zhì)(如N、P和可溶性腐殖化COD)的釋放，影響出水水質(zhì)；②需氧量的增加引起曝氣費用的上升。
　　
　　3　基于微生物隱性生長的污泥減量化技術
　　
　　利用衰亡微生物細胞溶解所產(chǎn)生的二次基質(zhì)生長的過程叫做隱性生長。它包括細胞溶解和二次基質(zhì)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以下幾種。
　　
　　3.1熱處理
　　利用加熱可加速細胞溶解。陳健等在膜生物反應器(MBR)處理生活污水的小試驗中加入了一個熱水解處理裝置。研究表明，污泥經(jīng)熱水解處理后(90℃，停留時間3h)大部分細胞被殺死并溶解，促進了微生物的隱性增長，污泥產(chǎn)量減少了60％。
　　
　　3.2超聲波
　　利用超聲波技術降解污水中的污染物是近年來 發(fā)展起來的一種新型水處理技術。在超生波作用下，液體中將產(chǎn)生大量空化氣泡，瞬間破滅時產(chǎn)生極短暫的強壓力脈沖，在氣泡周圍微小空間內(nèi)形成局部熱點，產(chǎn)生高溫(5000K)、高壓(100MPa)和具有強烈沖擊力的微射流，可以破壞污泥絮體結構與微生物細胞壁，溶出細胞內(nèi)含物，加速污泥的水解過程，以實現(xiàn)污泥減量的目的。2000年德國使用超聲波對污泥進行的分解實驗都達到了污泥減量的目標，但其兩步反應――細胞的溶解和溶解物的再氧化所用設備繁多且工藝復雜，能耗大，大規(guī)模應用的經(jīng)濟可行性很小。
　　
　　3.3添加微生物制劑
　　目前使用較多的是多功能復合微生物制劑(MCMP)，它是由高效脫氮除磷菌、氧化分解有機污染物的微生物和極度耐鹽菌等組成。投加MCMP一方面能夠優(yōu)化微生物群落結構，增加了污水處理系統(tǒng)中高效微生物的種類和濃度，抑制不利菌和“無用”菌的生長，改善了污泥性能和代謝活性；另一方面強化了微生物分解代謝能力，因為MCMP中的微生物能分泌大量的胞外水解酶，促進污水中的大分子有機物分解成易被其他微生物進一步分解和利用的小分子物質(zhì)，另外分泌的一些水解酶還可加速對死亡微生物細胞的水解，使之轉化為溶解性的有機物，產(chǎn)生活性污泥的“隱性生長”現(xiàn)象。李俊等在氧化溝的好氧段投加MCMP，當投加頻率為1次／月、每次的投加量為日處理水量的0.005％時，系統(tǒng)運行了6個月而沒有外排剩余污泥。投加MC-MP后不僅能保證污水處理廠的出水水質(zhì)，而且還強化了對氮、磷的去除。
　　
　　3.4高級氧化(臭氧和氯氧化)
　　在污泥的臭氧化過程中，臭氧首先氧化細胞壁、細胞膜成分而導致新陳代謝障礙；繼而穿透膜而破壞膜內(nèi)脂蛋白和脂多糖，導致細胞溶解、死亡，同時還氧化污泥中不容易水解的大分子物質(zhì)。因此，在臭氧－CAS工藝中生化性得到提高的臭氧化污泥回流至曝氣池后，便可作為底物重新被微生物代謝分解為C02、NH3、HxO等無機物，使得污泥減量；另一方面，在污泥臭氧化過程中，約有1／3的污泥被臭氧直接氧化成CO2、NO3、H20等無機物，也使污泥得到減量。臭氧化污泥減量工藝能在不影響系統(tǒng)正常運行的情況下，使曝氣池中沒有明顯的無機物累積和剩余污泥排出。Yasui等首次提出該工藝能實現(xiàn)污泥減量，并利用其對制藥廢水進行了為期10個月的工業(yè)規(guī)模實驗(有機負荷為550kg(BOD5)／d)，沒有剩余污泥排出，運行效果良好。值得關注的是，由于剩余污泥的零排放，污水系統(tǒng)中的磷和重金屬無法去除。因此開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)磷和重金屬回收利用的臭氧化污泥減量工藝很有現(xiàn)實意義。目前關于這方面的研究報道較少。
　　為降低臭氧的運行費用，有人采用氯氣代替臭氧進行了污泥減量化研究，其污泥減量的原理和臭氧相同，都是利用氧化性使微生物細胞壁破裂，促進隱性生長。saby等人研究了氯氣替代臭氧的可行性。結果顯示，當氯氣量為133mg/(giLSS?d)時，污泥產(chǎn)量減少65％；但污泥的沉降性能差，出水中溶解的COD顯著增加，并有三氯甲烷產(chǎn)生。因此，氯氣處理污泥還不能應用于實際污水處理工程。
　　
　　4　結語
　　
　　污泥產(chǎn)量的不斷增加給其后續(xù)處理處置帶來了沉重壓力，不恰當?shù)奶幚磉�會造成二次污染，因此源頭削減是污泥處理的首要原則。新型污泥減量工藝的應用應在保證污水處理效果的前提下大幅減少污泥的產(chǎn)生量。將來還須從降低操作成本、優(yōu)化操作參數(shù)和尋求環(huán)境友好性技術等方面出發(fā)，系統(tǒng)的、全面的對各種污泥減量技術進行研究。

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