摘要：从现阶段国内外污泥处理与处置在环境和经济方面存在的问题出发,阐明了研究污泥减量技术的紧迫性。根据生物处理工艺中影响剩余污泥产生的可能途径,将污泥减量技术分为降低细菌合成量的解偶联技术、增强微生物利用二次基质进行隐性生长的各种溶胞技术、利用食物链作用强化微型动物对细菌捕食的技术,介绍了各种技术的研究现状, 并比较了减量效果和优缺点。
关键词：生物处理 污泥减量 解偶联 隐性生长 微型动物捕食
污水 生物处理中产生的大量的剩余污泥通常含有相当量的有毒有害物质(如寄生虫卵、病原微生物、重金属) 及未稳定化的有机物,如果不进行妥善处理与处置,将会对环境造成直接或潜在的污染。而目前对剩余污泥的处理与处置,存在有效性和经济性两方面的问题:首先,尚无一种可以推而广之同时对环境无污染的有效方法;其次,各种污泥处理处置方法需要的资金巨大,如在欧美,污泥处理基建费用占 污水 处理厂总基建费用的比例高达60 % —70 %[1] 。而另一方面,随着城市生活 污水 处理量和处理率的增加,污泥产生量也将急速增加。目前我国城市 污水 年排放量已经达到414 亿m3 ,二级处理率达到15 %, 污泥产生量大约为1500 万t/ a 左右(按含水率97 % 计) 。按照我国城市 污水 处理厂的建设规划,2010 年,我国城市 污水 的处理量和处理 率都将增加,污泥年产量也将相应增加到现在的5 倍[2] 。显而易见,污泥的处理与处置将成为环境领域的一大难题。污泥减量技术正是在这一背景下应运而生的。所谓污泥减量技术,是指在保证 污水 处理效果的前提下,采用适当的措施使处理相同量的 污水 所产生的污泥量降低的各种技术。
根据生物处理工艺中微生物代谢特性,剩余污泥的产量与微生物利用有机物合成自身的作用、内源呼吸作用以及微型动物对细菌捕食作用有关。前一部分使剩余污泥的量增加,后两部分使剩余污泥的量减少。为此,减少剩余污泥的产量可能通过以下途径来实现: (1) 降低细菌的净合成量; (2) 增加生物体的自身氧化速率; (3) 增强微型动物对细菌的捕食。
以下将对国内外近年来这3 方面的污泥减量技术的研究现状和进展分别进行介绍。
1 降低细菌细胞的合成量
降低细菌细胞的合成量,即降低细菌的产率系数可以通过以下两方面实现: (1) 从物质上对细菌的合成进行抑制,如限制其合成自身所必需物质的供给,但这种方法在 污水 处理中显然不适合; (2) 从能量上对细菌的合成进行抑制,使细菌氧化底物所获得的能量不用于合成细胞本身,即A TP 不随底物被氧化的同时大量合成或者合成以后迅速由其他途径释放而不是用于细胞的合成。正常情况下,生物的分解代谢和合成代谢是由腺苷三磷酸(A TP ,adeno2 dine5’2triphosphate) 和腺苷二磷酸(ADP ,adenosine diphosphate) 之间的转化而联系在一起的(如图1) , 即分解一定的底物,将有一定比例的生物体合成。
图1 分解代谢和合成代谢的关系
但在特殊情况下,底物被氧化的同时A TP 不大量合成或者合成以后迅速由其他途径释放。总体上使得细菌的分解代谢和合成代谢不再由A TP 的合成与分解反应偶联在一起,这样细菌在保持正常分解底物的同时,自身合成速度减慢,表观产率系数降低[3] ,从而达到降低污泥产量的目的,这就是所谓的解偶联。
解偶联(uncoupling) 最开始的定义是:没有磷酸化的呼吸过程,即氧化和磷酸化相互分离,在降解相同基质条件下,微生物的合成量将降低。也有文献将生物体新陈代谢的分离定义为解偶联生长,这样, 就有能量解偶联和物质解偶联两种方式。Sroutamer 提出在以下5 种情况时微生物解偶联生长可能发生[4] :(1) 存在影响A TP 合成的物质(解偶联剂) ; (2) 存在过剩能量,引起能量消耗(高S0/ X0 条件) ; (3) 在过渡时期(非稳态) 生长(OSA 工艺); (4) 在不适宜的温度下生长; (5) 有限制性基质的存在。其中前4 种是通过解除新陈代谢中的能量偶联
达到的,第5 种是通过解除新陈代谢中的物质偶联达到的。
1. 1 投加解偶联剂
解偶联剂(uncoupler or uncoupling agents) 分为人工合成解偶联剂和天然解偶联剂两种。人工合成解偶联剂通常为脂溶性小分子物质,如2 ,42二硝基苯酚(DNP) ,其作用机理是该物质通过与H+ 的结合,降低细胞膜对H+ 的阻力,携带H+ 跨过细胞膜, 使膜两侧的质子梯度降低。降低后的质子梯度不足以驱动A TP 合酶合成ATP , 从而减少了氧化磷酸化作用所合成的A TP 量,氧化过程中所产生的能量最终以热的形式被释放掉[5 —8] 。天然解偶联剂主要是棕色脂肪和其他组织中的解偶联蛋白,由于存在于高等动物线粒体中,所以本文所提解偶联剂主要是人工合成物质[9] 。
研究表明,解偶联剂的投加,对微生物(污泥) 的表观产率系数会产生明显影响。关于解偶联剂对微生物减量的研究,目前主要还是限于机理方面,但不同解偶联剂对微生物的减量效果不同,在各种已报道的文献中,2 ,4 ,52三氯苯酚( TCP) 的减量效果最为明显[10 ] 。
解偶联剂的最大优势是不需要对现有 污水 处理工艺作大的改进,只需增设投药装置即可,但在实际应用中存在以下问题: (1) 所投的药在较长时间后由于微生物的驯化而被降解,从而失去解偶联作用; (2) 当加入解偶联剂后,虽然污泥的产量降低了,但从物质守恒角度看,需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物,从而使得供氧量增加[11] ;(3) 对投加解偶联剂的费用还需要作比较,由于在 污水 中的浓度需要维持在4 —80 mg/L , 用量也是惊人的; (4) 解偶联剂在实际应用中的最大弱点是环境安全性问题。解偶联剂通常是较难生物降解或对生物有较大毒性的化合物,使得生物对解偶联剂的降解不完全, 这将会给水处理带来新的污染。有关氧化2磷酸化解偶联的机理尚有许多不明之处,需要结合生物化学、分子生物学以及毒理学方面的方法和理论作进一步研究[ 12 ] 。
1. 2 高S0/ X0 条件下的解偶联
在高S0/ X0(底物浓度/ 污泥浓度) 条件下,微生物在分解代谢中产生A TP 的速率要大于在合成代谢中消耗的速率。A TP 产生累积后可能引起能量的消散(energy spilling , 即能量以热和功的形式散失到环境中),从而降低微生物产率系数。对在高S0/ X0 条件下解偶联机理(途径) 有两种解释:一是积累的能量通过粒子(如质子、钾离子) 在细胞膜两侧的传递削弱了跨膜电势,随后发生氧化磷酸化解偶联;二是减少了生物体内部分新陈代谢的途径(如甲基乙二酸途径) 而回避了糖酵解这一步[ 13 ] 。对能量的中间传递过程,有文献报道是通过A TP 合酶在高浓度A TP 条件下对A TP 的分解造成无效质子循环[14 ] 。也有人认为,能量的散失主要是通过维持能量(maintenance , 细胞利用外部基质或体内肝糖、PHA 所需的能量) 的增加达到的[15 ] 。
对在高S0/ X0 条件下微生物生长动力学模型已有较深入的研究报道。Liu Yu 等人研究了在基质充裕条件下能量消散的动力学模型[16 —19] ,证明在S0/ X0 增加时,微生物解偶联生长部分增多。
高S0/ X0 条件下解偶联还不能用于实际的 污水 处理,这是由于要求相对高的S0/ X0 值(>8 —10) 远远大于实际活性污泥法处理 污水 时的情况(F/M = 0. 05 —0. 1) 。而且,在高S0/X0 条件下,微生物产生的不完全代谢的产物还可能对整个处理过程产生影响。
1. 3 改变污泥所处环境
通过交替改变污泥所处环境的厌、好氧状态,可以对微生物的生长造成影响,从而减小微生物的总表观产率系数。OSA (oxic2settling anaerobic) 工艺的基本原理是通过在常规活性污泥工艺中的污泥回流中形成一特定的厌氧段,
