投加生物菌劑污泥原位減量技術(shù)的研究與應(yīng)用

鄭海良 肖錚 胡春鳳 姜維

摘要 投加外源微生物菌劑可在不影響污水廠正常運(yùn)行的情況下從源頭控制污泥產(chǎn)量，是近年來逐漸流行的污泥減量新技術(shù)。介紹了菌劑投加污泥原位減量技術(shù)的原理以及國內(nèi)外的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出了選用該技術(shù)需注意的問題。最后從政策、市場和技術(shù)3個方面提出了可行的建議，為污泥減量菌劑產(chǎn)業(yè)的更好發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 微生物菌劑；污泥原位減量；污水處理

中圖分類號 S181.3；X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）26-09101-03

Application Status and Precautions of Bioaugmentation for In-situ Sludge Reduction

ZHENG Hai-liang， JIANG Wei et al （Shenzhen Green Earth Biological Engineering Co. Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518057； Shenzhen Water Group Co.，Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518031）

Abstract Dosing effective microorganisms to the wastewater treatment facility is a prevalent in-situ sludge reduction technology based on its ecofriendly nature， less requirement of inputs， cost and capital. This paper reviews the biomass reduction mechanism of this novel technology， its current research and application status， and matters need attention are also put forward. Finally， the practical recommendations from the policy， the market and technology are proposed in order to facilitate the development of sludge reduction bioaugmentation industry.

Key words Microbial inoculants； In-situ sludge reduction technology； Sewage treatment

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國人環(huán)保意識的增強(qiáng)，我國污水處理事業(yè)近年來快速發(fā)展，大量剩余污泥的處理處置問題也隨之日益顯現(xiàn)，已成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。在保證污水處理效果的前提下，利用物理、化學(xué)或生物手段，從源頭上減少污水處理系統(tǒng)的剩余污泥產(chǎn)量（即污泥原位減量技術(shù)），是一種有前景的污泥處理綠色工藝^[1]。

國內(nèi)外污泥原位減量技術(shù)主要集中在以下3個方面：①解偶聯(lián)技術(shù)；②利用生物捕食作用污泥減量；③促進(jìn)微生物隱性生長^[2]。解偶聯(lián)技術(shù)一般需要新建污泥缺氧/厭氧池或者投加有毒的化學(xué)解偶聯(lián)劑，側(cè)重于基礎(chǔ)研究^[3]。而蚯蚓濾池等生物捕食污泥減量技術(shù)受處理能力的影響僅適用于小規(guī)模污水廠。強(qiáng)化微生物細(xì)胞隱性增殖技術(shù)通常采用物理（如超聲波、微波、加熱等）、化學(xué)（臭氧氧化、加堿）以及生物（投加嗜熱菌、溶菌酶、復(fù)合污泥減量菌）方法，其中投加微生物菌劑具有前期投資省、不新增建設(shè)用地?zé)o需大改大建、不增加或改變原有污水處理工藝和運(yùn)行方式、不影響污水廠正常運(yùn)行、操作簡便易行等優(yōu)點(diǎn)，是近年來不斷發(fā)展完善的污泥原位減量新技術(shù)。筆者就菌劑投加污泥原位減量技術(shù)的原理、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)應(yīng)用時所需注意的問題進(jìn)行分析，并從政策、市場和技術(shù)3個方面提出可行的建議，為污泥減量菌劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 菌劑投加污泥原位減量技術(shù)原理

污泥減量菌劑一般由多種微生物復(fù)配而成，采用分子生物學(xué)技術(shù)對市面上銷售的若干種污泥減量菌劑進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)酵母菌、乳酸菌和芽孢桿菌為主要成分。李明智等對市面上具有代表性的15種水處理微生物菌劑產(chǎn)品進(jìn)行了篩選和鑒定，發(fā)現(xiàn)11種菌劑產(chǎn)品中含有芽孢桿菌，10種菌劑產(chǎn)品中含有酵母菌，與筆者的研究結(jié)果類似^[4]。

酵母菌在環(huán)境污染治理中應(yīng)用廣泛，尤其適于多種工業(yè)廢水的處理^[5]。酵母菌對食品加工廠廢水中高濃度COD和油脂類物質(zhì)具有非常好的去除效果^[6]。Chigusa等篩選出的9株酵母菌對8個碳原子以上的甘油酯和脂肪酸均具有降解活性，且發(fā)現(xiàn)降解底物過程中酵母菌菌株間存在協(xié)同作用^[7]。另外，趙振煥等發(fā)現(xiàn)釀酒酵母能提高特定有機(jī)物的水解發(fā)酵速率^[8]。

乳酸菌也是微生物菌劑中常用的菌種之一，有研究表明乳酸菌對亞硝酸鹽、氨氮具有較好的降解性能^[9]，且能夠抑制有害菌的生長，降解某些特殊的有機(jī)物，減少環(huán)境中氨氣等臭味物質(zhì)的產(chǎn)生^[10]。

此外，芽孢桿菌產(chǎn)生的各種酶對很多有機(jī)物具有良好的降解作用^[11]。這種菌株具有分解有機(jī)質(zhì)強(qiáng)的特點(diǎn)，能將一些其他菌種難分解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)，因而在受污染土壤修復(fù)、河流湖泊底泥疏浚等方面具有很好的應(yīng)用價值^[12]。

菌劑投加污泥原位減量的作用機(jī)理可分為四類：①微生物菌劑一方面可快速分解水中的有機(jī)物獲得能量和增殖，實(shí)現(xiàn)污水的凈化處理；另一方面提升了污泥系統(tǒng)內(nèi)土著微生物內(nèi)源代謝強(qiáng)度，分泌較多的有機(jī)酸、胞外水解酶，促進(jìn)污水中大分子有機(jī)物分解成小分子物質(zhì)，從而容易被其他微生物進(jìn)一步分解和利用，加速對死亡微生物細(xì)胞的水解，促進(jìn)胞外酶維持代謝^[13-14]。②微生物菌劑投加后會與污水處理系統(tǒng)中原有的微生物種群通過選擇性和競爭性生長繁殖，實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)種群關(guān)系的重組，形成新的優(yōu)勢菌群，增加污水處理系統(tǒng)中優(yōu)勢菌群的種類和強(qiáng)度，改善了活性污泥性能和代謝水平，促使活性污泥中微生物根據(jù)新的生存環(huán)境而發(fā)生演替變化^[15]。③為減少菌劑的流失并增強(qiáng)污泥減量效果，投加微生物菌劑時一般要求生化系統(tǒng)內(nèi)的污泥濃度較高，且盡量少排泥^[16]。一方面疊加了高活性污泥濃度條件下的細(xì)胞內(nèi)源呼吸效應(yīng)，同時由于外排泥量的減少延長了污泥齡，強(qiáng)化了生物捕食作用，也有利于污泥的減量化[2，17]。④由于微生物菌劑分解有機(jī)物的能力較為徹底，減少了多糖等胞外聚合物的積累，且在減少污泥產(chǎn)量的同時降低了剩余污泥中的有機(jī)質(zhì)含量，有利于污泥脫水，降低外運(yùn)剩余污泥的含水率，因此可有效減少外運(yùn)污泥的體積和濕污泥量^[18]。

2 研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

由于污水處理菌劑具有強(qiáng)大高效的污染物分解功能，較少的生物量即可達(dá)到污水處理的要求，因此它們一般也同時具有污泥減量的功能。此外，為了達(dá)到不影響污水處理效果的目的，國內(nèi)外的污泥原位減量菌劑均由污水處理菌劑衍生進(jìn)化而來。

污泥原位減量菌劑的研發(fā)一般分為菌種的篩選、發(fā)酵生產(chǎn)工藝研究、市場推廣和工程應(yīng)用優(yōu)化3個階段。得益于先進(jìn)的生物技術(shù)，國外的污泥減量菌劑研究起步較早，已有大量成功應(yīng)用的工程案例^[19-20]。目前國內(nèi)市場中的外資品牌如日本琉球大學(xué)（EM菌）、丹麥諾維信、美國碧沃豐（BZT系列菌）等菌劑針對性強(qiáng)，廣泛用于制藥和化工行業(yè)，污泥減量效果較好，但是由于價格昂貴還未在市政污泥領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用；而國產(chǎn)品牌多以EM菌為基礎(chǔ)與其他菌株復(fù)配，污泥減量效果參差不齊，生產(chǎn)規(guī)模也比較小，多數(shù)處于試驗(yàn)研究或市場推廣應(yīng)用階段，但是發(fā)展十分迅速。污泥處理處置領(lǐng)域的巨大市場加快了國內(nèi)污泥原位減量菌劑的研發(fā)和應(yīng)用推廣速度，目前已有不少成功應(yīng)用的先例。

王艷紅等從活性污泥中篩選出污泥減量優(yōu)勢菌與EM菌復(fù)配，通過正交試驗(yàn)確定了復(fù)配菌群的最佳投加量，并經(jīng)動態(tài)模型進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，根據(jù)污水特點(diǎn)添加不同量的復(fù)配優(yōu)勢菌，不僅有效地減少了剩余污泥的產(chǎn)量，而且提高了污水處理效果^[13]。

MCMP是另一種報道較多的污泥原位減量菌劑，該產(chǎn)品由重慶某公司研制，經(jīng)過小試、中試和生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證不斷發(fā)展完善。王敏等采用該微生物菌劑在重慶長壽污水處理廠進(jìn)行中試，結(jié)果表明，兩個試驗(yàn)組和對照組的污泥增長速率分別為2.0%、1.5%和11.5%，投加處理水量0.005%和0.010%的MCMP可以顯著減少81.76%和89.18%的外排污泥量，且不影響污水處理效果^[21]。李俊等在處理規(guī)模為5 m3/d的CASS反應(yīng)器曝氣池中投加處理水量的0.02%～0.04%的MCMP菌劑，運(yùn)行4個月未排放剩余污泥^[22]。隨后他在三峽庫區(qū)江津德感污水處理廠進(jìn)行了連續(xù)180 d的生產(chǎn)性試驗(yàn)，投加處理水量5/100 000的菌劑后，在沒有排放剩余污泥的情況下，氧化溝內(nèi)污泥總量少于試驗(yàn)前的污泥總量，污泥減量效果非常顯著，且投加MCMP菌劑后的出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18198-2002）一級 B的要求^[15]。

李明智等從不同生態(tài)環(huán)境中篩選、馴化獲得兩組多生境微生物菌劑用于活性污泥的減量化，采用A2/O 工藝進(jìn)行處理生活污水的現(xiàn)場中試。結(jié)果表明，投加MEMA功能菌組較對照組污泥原位減量53.1%，出水COD、NH₃-N、TN 指標(biāo)優(yōu)于對照組，但出水TP 略有升高。MEMA功能菌劑的投加可改善污泥結(jié)構(gòu)，增加污泥脫氫酶活性約20%，提高活性污泥的聚磷能力，可在不影響主要出水指標(biāo)的條件下實(shí)現(xiàn)活性污泥的原位減量^[16]。無錫盧村污水處理廠三期工程（10萬t/d）采用無錫某公司提供的微生物菌劑進(jìn)行污泥減量，運(yùn)行7個月后結(jié)果表明，在好氧段首端按污水處理量的1/100 000投加菌劑可以起到明顯的污泥減量效果^[23]。

宋珍霞研究了3種污泥減量菌劑EM、HBH-Ⅱ和MCMP用于促進(jìn)糞便污泥厭氧消化減量的可行性。當(dāng)3種菌劑的投加量依次為0.01%、0.05%和0.01%時，經(jīng)過20 d的厭氧反應(yīng)，總固體TS和揮發(fā)分固體VS的去除率分別為32.51%、42.34%、36.43%和49.11%、33.74%、46.05%，且累積產(chǎn)氣量分別比對照組高60.74%～214.70%、93.91%～218.83%和50.78%～254.82%。EM、HBH-Ⅱ和 MCMP菌劑在有效減少化糞池污泥產(chǎn)量的同時，增加了厭氧消化的產(chǎn)氣量^[24]。

3 選用該技術(shù)需注意的問題

目前我國市場上的污泥減量菌劑種類繁多，但菌劑生產(chǎn)廠家尚未對污泥減量的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，處于配方保密的目的也不會提供詳盡的成分說明，同時缺乏合適的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，因此需要全面評估微生物進(jìn)入環(huán)境后對人身健康和環(huán)境安全帶來的風(fēng)險后方可采購應(yīng)用。

由于污水和污泥中往往含有泥沙等不可生物降解的組分，而微生物菌劑僅能夠?qū)ζ渲械挠袡C(jī)組分起到減量效果，因此需要結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)和污水廠運(yùn)行參數(shù)對菌劑的投加點(diǎn)，投加量進(jìn)行合理的選取，如視進(jìn)水SS中的有機(jī)物含量確定是否在初沉池前添設(shè)投加點(diǎn)；當(dāng)生化池污泥的有機(jī)組分含量過低時，菌劑的污泥減量效果有限不宜投加等。無錫市盧村污水處理廠10萬t/d規(guī)模的生產(chǎn)性試驗(yàn)也表明，進(jìn)水水質(zhì)水量大幅波動時會影響和破壞污泥減量效果，沉砂池和初沉池運(yùn)行不良時菌劑減量技術(shù)應(yīng)慎用，且該技術(shù)最好與MBBR、MBR等抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)的工藝聯(lián)用^[23]。

考慮到微生物菌劑往往需要較長的作用時間，因此菌劑投加污泥原位減量技術(shù)對污水處理工藝和運(yùn)行工況有一定要求，如對于采用AB法的污水廠而言，A段的水力停留時間較短（一般為30 min）同時產(chǎn)泥量較大，菌劑的作用時間太短會大大降低污泥減量效果；又如為減少菌劑的損耗，一般需要提高污水廠生化池的污泥濃度至3 500 mg/L以上，同時延長污泥齡，因此增加了二沉池的負(fù)荷以及跑泥的可能性，同時也需對電耗情況進(jìn)行評估；另一方面，較高活性污泥濃度和較少外排泥量增加了泥沙等惰性組分在池內(nèi)淤積的可能性及污泥泵等設(shè)備的磨損，需在長期運(yùn)行過程中予以關(guān)注。

污水中的磷只能以含磷污泥的形式排出處理系統(tǒng)，所以選用菌劑投加污泥原位減量工藝時需要格外注意出水磷的超標(biāo)問題，在污泥減量和除磷效果之間達(dá)到較好的平衡。

此外，進(jìn)水水質(zhì)（如含有難降解工業(yè)廢水）、溫度、菌劑投加量與投加方式（連續(xù)投加/間歇式投加）也會對污泥減量菌劑的作用效果產(chǎn)生不同程度的影響，生產(chǎn)性試驗(yàn)之前，最好進(jìn)行相關(guān)的小試或中試試驗(yàn)確定最佳的菌劑投加操作參數(shù)。

4 展望與建議

菌劑投加污泥原位減量技術(shù)可以從源頭控制污泥產(chǎn)量，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。目前，我國的污泥處理市場已逐步成熟壯大，且國務(wù)院印發(fā)的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》也明確提出支持污泥減量化菌劑的開發(fā)和推廣應(yīng)用，因此未來菌劑投加污泥原位減量技術(shù)將會進(jìn)一步發(fā)展并占取一定的市場份額。為更好地促進(jìn)污泥減量菌劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提出如下建議：①面對當(dāng)前混亂的污泥減量菌劑研發(fā)與銷售狀況，相關(guān)政府職能部門應(yīng)盡快制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對市場進(jìn)行有效監(jiān)管，指導(dǎo)廠家對菌劑的生產(chǎn)進(jìn)行質(zhì)量把控，同時也需對菌劑使用單位進(jìn)行必要的科普和推廣宣傳，以利于污泥原位減量菌劑的“產(chǎn)、銷、用”良性發(fā)展。

②菌劑生產(chǎn)廠商需進(jìn)一步加大科技投入，整合科研院所的研究和技術(shù)優(yōu)勢，加快研發(fā)成果的應(yīng)用及推廣，把握良機(jī)占領(lǐng)市場。

③菌劑生產(chǎn)單位應(yīng)根據(jù)各污水廠水質(zhì)特點(diǎn)有針對性地復(fù)配合適的微生物菌株，以提升產(chǎn)品競爭力，避免菌劑投加對污水廠的正常運(yùn)行帶來不利影響。

④采用人工誘變、構(gòu)建基因工程菌、微生物菌劑的固定化、復(fù)合酶制劑等方法進(jìn)一步強(qiáng)化微生物菌劑對目標(biāo)污染物的去除效果，污泥減量的同時提升污水處理效果并控制菌劑的投加成本。

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