基于微生物代謝的活性污泥源頭減量淺析

劉娜

摘? 要：當(dāng)前污泥量急劇增加，關(guān)于污泥處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，污泥處理成本又高，污泥減量化迫在眉睫。該文從污水生物處理中剩余污泥的產(chǎn)生途徑、微生物代謝原理2個方面提出了實現(xiàn)污泥源頭減量的方法，即降低細(xì)菌的凈合成量以及增加微生物的自身氧化速率，具體介紹了解偶聯(lián)技術(shù)、隱性生長技術(shù)、延長污泥齡技術(shù)，并介紹了污泥減量技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：污泥減量;微生物代謝;內(nèi)源代謝;解偶聯(lián);延長污泥齡;隱性生長

中圖分類號：X703? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

傳統(tǒng)的剩余活性污泥處理與處置技術(shù)主要為先進(jìn)行濃縮、穩(wěn)定、脫水等預(yù)處理，之后再進(jìn)行土地利用、填埋和焚燒等最終處置。這類技術(shù)方法初期投資和后期運行費用均較高，而且會帶來二次污染。因此，剩余活性污泥問題應(yīng)該從減少污泥的產(chǎn)生量的角度進(jìn)行解決，而不是污泥產(chǎn)生后再進(jìn)行處理?；钚晕勰嘣搭^減量是在保證污水處理系統(tǒng)的污水處理效果的前提下，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方法，最大程度地減少向外排放的污泥量，從而實現(xiàn)污泥的源頭減量。另外，由于環(huán)境相關(guān)的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)對剩余活性污泥處置的要求越來越嚴(yán)格，因此研究活性污泥減量的方法是十分必要的。

1 活性污泥的組成

活性污泥主要由4個部分組成：①活性微生物群體，該群體具備極強的代謝功能;②微生物內(nèi)源呼吸以及自身氧化過程的殘余物;③吸附在污泥絮體上的難降解有機物;④吸附在污泥絮體上的無機物。活性污泥微生物群體主要為細(xì)菌，也存在真菌、原生動物以及后生動物等。這些微生物共同構(gòu)成了一個相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

2 微生物代謝與活性污泥的產(chǎn)生

微生物代謝是指維持生命和增殖過程進(jìn)行的一系列化學(xué)反應(yīng)過程，分為分解代謝和合成代謝兩類。分解代謝即微生物通過氧化、酶降解等降解大分子有機物的過程;合成代謝即微生物利用營養(yǎng)物和分解代謝中釋放的能量，進(jìn)行還原吸熱和酶的合成，微生物增殖的過程。這2個過程中，1/3可降解的有機物被活性污泥微生物氧化分解，產(chǎn)生無機物并釋放能量，2/3可降解的有機物被微生物用于新細(xì)胞合成和自身增殖。增強維持代謝以及內(nèi)源代謝，能夠減少微生物細(xì)胞的合成和增殖，有利于污泥產(chǎn)量的減少。因此當(dāng)微生物活性增強，微生物維持代謝耗能提高時，細(xì)胞合成量會減少，微生物利用自身細(xì)胞溶解產(chǎn)物進(jìn)行新陳代謝時，污泥的產(chǎn)生量也會減少。微生物這種靠自身溶胞產(chǎn)物生長的方式即為內(nèi)源呼吸代謝，其優(yōu)勢為外源底物最終被氧化生成二氧化碳和水，微生物增值量減少。溶胞除了可以維持微生物自身生長外，產(chǎn)生的基質(zhì)供其他微生物利用，即為隱性生長。

污水的生物處理的實質(zhì)即將微生物利用污水中污染物質(zhì)作為生長的營養(yǎng)物，將其代謝、利用、轉(zhuǎn)化，將高分子有機物降解為簡單的有機物或無機物，從而使污水得到凈化。剩余活性污泥包括微生物的凈增殖、進(jìn)水中的惰性有機物和無機顆粒。

3 基于微生物代謝的污泥減量的方法及原理

根據(jù)微生物代謝特性，生物處理污水過程剩余污泥的產(chǎn)量與合成代謝、內(nèi)源呼吸和微型動物捕食細(xì)菌等有關(guān)。合成代謝使剩余污泥量增加，內(nèi)源呼吸和捕食使剩余污泥的量減少。因此，剩余污泥減量可能通過以下途徑來實現(xiàn)：（1） 降低細(xì)菌的凈合成量;（2） 增加生物體的自身氧化速率。

3.1 降低細(xì)菌的凈合成量

減少細(xì)胞物質(zhì)的合成即增加維持代謝（抑制合成代謝）。細(xì)胞的增殖量與分解代謝產(chǎn)生的能量直接相關(guān)，但在存在質(zhì)子載體、重金屬、溫度異常以及好氧一厭氧交替循環(huán)等情況時，可以實現(xiàn)分解代謝和合成代謝解偶聯(lián)，即氧化底物的同時不大量合成ATP或者ATP在合成之后通過其他途徑迅速釋放，細(xì)菌在正常分解底物的同時，合成量減少，從而實現(xiàn)污泥減量。因此細(xì)胞物質(zhì)合成的減少是通過解偶聯(lián)實現(xiàn)的。

解偶聯(lián)可細(xì)分為物質(zhì)解偶聯(lián)和能量解偶聯(lián)。通常在如下情況下可能發(fā)生微生物解偶聯(lián)：（1） 存在影響ATP合成的物質(zhì);（2） 存在過剩能量;（3） 非穩(wěn)態(tài)生長;（4） 不適宜的溫度下生長;（5） 有限制性基質(zhì)的存在。前面4種是通過能量解偶聯(lián)來實現(xiàn)污泥減量的，最后一種是通過物質(zhì)解偶聯(lián)來實現(xiàn)污泥減量的。因此減少細(xì)胞物質(zhì)的合成可以通過解偶聯(lián)實現(xiàn)的。根據(jù)解偶聯(lián)的發(fā)生條件，有以下技術(shù)可以實現(xiàn)解偶聯(lián)：（1） 投加解偶聯(lián)劑;（2） 好氧—沉淀—厭氧工藝;（3） 高溶解氧工藝;（4） 高底物濃度/污泥濃度條件下的解偶聯(lián)等。

該技術(shù)還存在一些問題：（1）該技術(shù)會影響污泥種群結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響污泥沉降性能;（2）污泥量減少，用于細(xì)胞合成的氮、磷量減少，影響氮磷的去除率;（3）解偶聯(lián)劑會殘留在處理出水中，對水環(huán)境和人體的影響不可低估。

3.2 增加生物體的自身氧化速率

3.2.1 延長污泥齡

內(nèi)源代謝理論是通過延長泥齡和降低污泥負(fù)荷來實現(xiàn)污泥減量的。利用污泥齡的延長進(jìn)行污泥減量的技術(shù)減量效果明顯，而且無需改造現(xiàn)有裝置。污泥表觀產(chǎn)率和停留時間的關(guān)系說明污泥表觀污泥產(chǎn)率系數(shù)與停留時間以及內(nèi)源呼吸的關(guān)系很密切，通過提高污泥停留時間以及內(nèi)源呼吸率可以降低表觀污泥產(chǎn)率，進(jìn)而實現(xiàn)污泥減量。膜生物反應(yīng)器和生物膜法工藝中水力停留時間與污泥停留時間的是分離的，污泥齡提高，實現(xiàn)了污泥減量。傳統(tǒng)的活性污泥法通過延長污泥齡可以實現(xiàn)污泥減量。

該技術(shù)也存在一些問題：（1）污泥量延長，除磷效果變差;（2）污泥齡長，耗氧量增加，成本上升。

3.2.2 通過溶胞強化細(xì)菌自身氧化速率

強化細(xì)菌隱性生長也能夠?qū)崿F(xiàn)污泥減量，隱性生長就是細(xì)菌利用衰亡細(xì)菌形成的二次基質(zhì)進(jìn)行生長的過程，包括了溶胞和生長。通過各種溶胞技術(shù)，使細(xì)菌迅速死亡并分解為基質(zhì)被其他細(xì)菌利用，在污泥減量過程中應(yīng)用廣泛。溶胞的方法有很多種，物理法：（1） 熱處理，通過加熱加速細(xì)胞的溶解;（2） 超聲波，通過超生波的作用，產(chǎn)生大量的空化氣泡，氣泡在破滅瞬間產(chǎn)生極短暫的強壓力脈沖，氣泡周圍微小空間內(nèi)會產(chǎn)生高壓、高溫以及具有強烈沖擊力的微射流，能夠壓碎細(xì)胞壁和釋放胞內(nèi)物;（3） 機械壓力，是將械壓力用于污泥回流系統(tǒng)，壓破細(xì)胞壁，釋放胞內(nèi)物質(zhì)。化學(xué)法：（1） 臭氧氧化;（2） 投加氯氣;（3） 酸堿作用。生物法：主要是投加可以分泌胞外酶的細(xì)菌，或者直接投加酶制劑、抗菌素等對細(xì)菌進(jìn)行溶胞。

該技術(shù)也存在一些問題：（1）成本偏高，溶胞效率不高;（2）系統(tǒng)氮磷負(fù)荷增加;（3）系統(tǒng)內(nèi)不能分解的惰性有機物增加，活性下降。

另外生物捕食也屬于基于隱性生長的污泥減量的范疇，從生態(tài)學(xué)角度來說，系統(tǒng)內(nèi)食物鏈越長，能量損耗越多，能夠用于生物體合成的能量也就越少，因此，通過延長食物鏈、強化食物鏈中微型動物的捕食作用也可以實現(xiàn)污泥減量。

4 結(jié)語

利用微生物進(jìn)行污泥減量，能耗低且不產(chǎn)生二次污染，但從微生物這一微觀角度研究污泥減量還存在很多問題，如果不從根本上解決，就很難采用生物手段同時實現(xiàn)污水達(dá)標(biāo)處理和污泥減量的目標(biāo)。在污泥減量技術(shù)的研究中，應(yīng)深入開展如下方面的研究。

（1）進(jìn)一步研究解偶聯(lián)技術(shù)的機理，研究不影響出水水質(zhì)的解偶聯(lián)技術(shù)。

（2）進(jìn)一步研究微生物內(nèi)源衰減機理。

參考文獻(xiàn)

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