基于微生物新陳代謝過程的污泥原位減量技術進展

＊蔡安蓉

（重慶市渝西水務有限公司 重慶 400000）

引言

目前污泥的處理處置主要通過衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥、好氧消解和厭氧消解來實現(xiàn)，考慮到污泥產量的逐年增加和環(huán)保形勢的嚴峻，這些處理處置方法存在處理效率低、處理費用高、管理困難、且有二次污染等問題。利用微生物自身代謝能夠減少剩余污泥量的產生，從源頭上、低成本的解決污泥處理處置問題。

1.活性污泥微生物的新陳代謝

(1)活性污泥的組成

活性污泥由復雜的微生物群落及大量的有機和無機物質所構成，而活性污泥的微生物群落則主要由原核生物、真核生物和噬菌體等形成一個微生態(tài)系統(tǒng)，這些微生物通過消耗廢水中的有機營養(yǎng)物，進行代謝繁衍，和難降解有機物質、惰性懸浮固體等形成了剩余污泥。

(2)活性污泥微生物的新陳代謝

微生物的新陳代謝，如圖1，是指環(huán)境微生物細胞內維持生命、增殖以及降解基質的一系列化學反應，包括分解代謝和合成代謝。在分解代謝中，有機物大分子在分解代謝酶系催化下，發(fā)生降解，產生三磷酸腺苷；在合成代謝中，微生物則是利用分解代謝過程中釋放的能量和營養(yǎng)物質，通過合成酶系催化，合成細胞物質。而在環(huán)境中營養(yǎng)不足時，微生物通過內源呼吸進行自身氧化分解，獲取生命活動所需的能量。分解代謝和合成代謝相輔相成，微生物通過代謝，不斷增殖和死亡，實現(xiàn)活性污泥中的增殖代謝。

圖1 污泥微生物代謝示意圖

2.利用微生物代謝實現(xiàn)污泥原位減量的技術路線

污泥原位減量技術是通過干涉污水處理過程中微生物的新陳代謝，抑制細胞增殖、強化內源呼吸，實現(xiàn)剩余污泥產生量的削減。根據污泥微生物代謝特性，污泥原位減量可以通過解偶聯(lián)代謝、維持代謝、溶胞隱形生長、生物捕食實現(xiàn)。

(1)解偶聯(lián)代謝減量技術

解偶聯(lián)代謝是指細胞的分解代謝和合成代謝受到干擾，呼吸和合成的偶聯(lián)狀態(tài)被破壞，從而抑制ATP的合成。在抑制性化合物、重金屬、能量來源過剩、溫度異常、營養(yǎng)物質限制等情況下，可以觀察到解耦代謝。解偶聯(lián)代謝減量可以通過投加解偶聯(lián)劑、高S0/X0比值及OSA工藝實現(xiàn)。

投加化學解偶聯(lián)劑可以簡單地實現(xiàn)解偶聯(lián)代謝，2,4-二硝基苯酚（DNP）、對硝基苯酚（pNP）、五氯苯酚（PCP）和3,3',4',5-四氯水楊酰苯胺（TCS）等多被用于解偶聯(lián)研究。CHEN GH[1]等對TCS作為解偶聯(lián)劑的研究，以及Strand[2]等對12種化學解耦劑的研究發(fā)現(xiàn)，TCS效果較好，可以實現(xiàn)50%的污泥減量?；瘜W解偶聯(lián)劑具有操作簡單，效果明顯等優(yōu)勢，但也存在成本高、難降解、具有毒性，影響污泥活性等難點。因此，化學解偶聯(lián)劑的長期應用應當非常謹慎，且需要進一步研究其對環(huán)境的影響。

提高初始底物濃度與初始微生物濃度的比例（S0/X0）可以導致分解、合成速率失衡，產生解偶聯(lián)現(xiàn)象。Liu[3]、謝敏麗[4]的研究表明，基于基質反應平衡的原理，當S0/X0比值達到8以上時，可以實現(xiàn)解偶聯(lián)。但實際污水處理過程，S0/X0的正常范圍為0.01～0.13，因此，高S0/X0減量技術在工程應用中還存在限制。

OSA工藝是在傳統(tǒng)CASS工藝污泥回流上增設厭氧池的改良工藝?；亓魑勰嘟涍^厭氧段再進入好氧段，微生物在厭氧段大量ATP被用于生命活動，再回到好氧段大量ATP被合成，但不會用于細胞合成而是進行儲存，從而實現(xiàn)解偶聯(lián)。鐘賢波等[5]的研究顯示，采用OSA工藝污泥減量率最高可以達到33.24%。由于OSA工藝的減量機理并不明確，且工藝改造需要占地，廣泛推廣還需要時間。

(2)維持能消耗減量技術

微生物用于維持生命活動（細胞物質交換、離子梯度、主動運輸、蛋白質合成等生化反應）的能量稱為維持能，由微生物內源呼吸提供。維持能消耗越大，用于細胞增殖的能量就越少，因此，強化微生物的內源呼吸和維持代謝一直是污泥減量的主要思路之一。提高系統(tǒng)污泥濃度、增加污泥齡可以提高維持能消耗占比，減少好氧廢水處理過程中的污泥產量。

膜生物反應器（MBR）是膜分離技術與生物反應器相結合的工藝，其膜組件將固液進行分離，可以實現(xiàn)污泥高濃度、高泥齡控制，因此較常規(guī)污水處理工藝產泥量減少，有研究表明MBR還可以實現(xiàn)無剩余污泥排放。但在實際運行過程中，污泥濃度過高會導致運行成本增加，膜污染等問題。

(3)溶胞隱形生長減量技術

當活性微生物以其自身為底物進行新陳代謝時，有機物隨著微生物的生長循環(huán)以二氧化碳的形式進入大氣，總碳含量降低，污泥產量減少，這種微生物靠自身為底物的生長方式稱為隱性生長。溶胞-隱性生長技術的主要環(huán)節(jié)在于促進污泥的溶胞，提高污泥水解率，強化隱性生長，實現(xiàn)污泥的減量。主要的溶胞技術可分為：生物、化學和物理溶胞。

生物溶胞以外加可分泌胞外酶的工程菌和酶制劑兩種方法為主。研究發(fā)現(xiàn)嗜熱酶、纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶等酶制劑都可以實現(xiàn)溶胞，其中，水解溶菌酶效果較好，VSS溶解率達52.21%，蛋白酶及纖維素酶在去除EPS后效果較好，VSS溶解率最高可分別達到49.95%和39.85%[6]。生物溶胞不會形成二次污染，但工程菌的長期投入可能改變污泥系統(tǒng)原生的微生物群落構成，而酶制劑的投入也可能使微生物產生依賴。

化學溶胞是指對活性污泥進行氧化處理，常見有臭氧氧化、氯溶胞、酸堿試劑等。一般來說化學氧化劑投加量越大，污泥減量效果越好，但部分化學藥劑容易產生毒害副產物導致二次污染。

物理溶胞則是通過物理手段，如超聲波、機械破碎、加熱等方法破壞細胞結構，使細胞質流出，促進微生物隱性生長。物理溶胞方法不容易產生附產物，但需要在原有工藝的基礎上增加設備或設施。

(4)生物捕食減量技術

能量從低營養(yǎng)級向高營養(yǎng)級轉移的過程中，生物質轉化效率低下而產生能量損失，加強污泥食物鏈中高等微生物對細菌的捕食作用，能有效降低生物固體的產量。創(chuàng)造原生動物、后生動物適宜的生長及捕食環(huán)境是利用生物捕食進行減量的關鍵。目前應用最為廣泛的有兩段活性污泥法和直接接種法。

由于原生動物不以活性污泥中的粘性物質為食，為了促進原生動物的捕食，活性污泥必須形成菌體分散的狀態(tài)。兩段法即將曝氣池分為兩段，在前段采用高負荷運行，促進分散菌體的增殖，鐘蟲、草履蟲等纖毛蟲對分散菌體進行捕食，形成沉降性能良好的活性污泥；前段污泥進入后段，被輪蟲、環(huán)節(jié)動物等微小動物捕食，轉化成為CO2、水和能量，從而實現(xiàn)減量。根據某工程實績，利用兩段法，剩余污泥的產量可較傳統(tǒng)方法減少50%～80%。

直接接種法則是向反應器中接種富含大量寡毛綱環(huán)節(jié)動物等原生動物的污泥。荷蘭某啤酒廢水的活性污泥中接種顫蚓后，剩余污泥量減少了18%～67%[7]。

利用微生物的捕食可以較好的削減剩余污泥的產生量，但微生物生長環(huán)境以及微生物群落的控制仍需要進一步研究和優(yōu)化。

3.其他污泥原位減量技術的開發(fā)和應用

單一的技術很難實現(xiàn)可持續(xù)減量，多技術聯(lián)動的技術開發(fā)具有一定必要性。在污泥回流系統(tǒng)上安裝一臺生物強化反應器，利用反應器的多重氧化電位裂解，回流污泥經過反應器時，菌膠團表面好氧異養(yǎng)細菌被破壁，溶胞細菌隨污泥回流進入生化系統(tǒng)作為底物被二次降解，進而實現(xiàn)污泥原位減量。同時通過接種噬菌類復合菌，促進隱形生長，強化減量能力。經試驗發(fā)現(xiàn)，污泥產量可減少50%。

4.結束語

目前，治理污泥原位減量的方法愈發(fā)多元化，但技術方法存在一定差異。從可持續(xù)發(fā)展層面出發(fā)，污泥原位減量技術仍存在弊端，所以，應在妥善治理污水前提下，盡量降低剩余污泥產量，以此為生態(tài)環(huán)境與社會經濟建設提供保障。