簡介： 介紹了污泥減量工藝的新進展，如基于代謝解耦聯理論的投加解耦聯劑工藝、好氧-沉淀-厭氧工藝以及基于隱性生長理論的回流溶胞工藝，這些工藝可以實現污泥的源減量，將來可能會得到廣泛應用。
關鍵字：污泥減量 解耦聯劑 好氧 沉淀 厭氧工藝
活性污泥法是目前應用最廣泛的污水生物處理工藝，但會產生大量剩余污泥"對普通活性污泥法來說，初沉池產生的污泥量約為污水處理量的0.2%~0.3%(污泥含水率為95%~97%)，二沉池排出的剩余活性污泥量約為污水處理量的1%~2%(污泥含水率為99.4%~99.6%)"從20世紀90年代開始，各種污泥減量化技術得到了迅速發展，目前可能應用于實踐的新型污泥減量工藝主要有兩段式好氧生物反應器[1]、投加解耦聯劑、好氧-沉淀-厭氧工藝、回流污泥溶胞工藝等。
1 投加解耦聯劑
微生物正常情況下的分解代謝和合成代謝通過腺苷三磷酸(ATP)和腺苷二磷酸(ADP)之間的轉化耦聯在一起，即分解一定的底物，將有一定比例的生物體合成。但在特殊情況下，底物被氧化的同時，ATP不大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放，這樣細菌在正常分解底物的同時，自身合成速度減慢"投加解耦聯劑是實現這種代謝解耦聯的方法之一。解耦聯劑通常為脂溶性小分子物質且一般含有酸性基團，其作用機理是通過與H+的結合降低細胞膜對H+的阻力，攜帶H+跨過細胞膜，使膜兩側的質子濃度梯度降低。降低后的質子濃度梯度不足以驅動ATP合成酶合成ATP，從而減少了氧化磷酸化作用所合成的量，氧化過程中所產生的能量最終以熱的形式被釋放掉，從而降低剩余污泥產生量。
Starand等[2]比較了12種解耦聯劑，試驗結果表明三氯苯酚(TCP)最有效。在試驗開始階段，投加的傳統活性污泥工藝中污泥產率是不投加的50%;但80d后隨著反應器內TCP水平的降低，污泥產率增加。Chen等[3]研究了3，3''，4''，5-四氯水楊酰苯胺(TCS)在活性污泥法中的減量效果。當TCS投加量為0.8/時污泥產率減少40%，而且沒有影響底物的去除效率。當達到1.2mg/l時，沒有影響到大腸桿菌個體大小和細胞分裂，但大腸桿菌的ATP含量和干密度有所減少。謝敏麗等[4]比較了4種解耦聯劑(對氯酚、間氯酚、間硝基酚和鄰硝基酚)，結果表明間氯酚在減少污泥產率方面是最有效的，同時對污水的處理效果影響較小，當間氯酚的濃度為20mg/l時污泥產率下降了86.9%，對的去除率下降了13.2%。
投加解耦聯劑減量剩余污泥的最大優勢是不需要對現有污水處理工藝做大的改進，只需增設投藥裝置即可。但有關氧化磷酸化解耦聯的機理還有許多不明之處，需要結合生物化學、分子生物學以及毒理學方面的方法和理論作進一步研究。目前解耦聯劑在實際應用中存在以下問題:①投加的解耦聯劑在較長時間后由于微生物的馴化而被降解，從而失去解耦聯作用;②加入解耦聯劑后雖然污泥的產量降低了，但需要更多的氧去氧化未能轉化成污泥的有機物，從而使供氧量增加;③目前試驗中投加解耦聯劑的量一般在1~100/，用量很大，需要對運行費用作深入分析;④解耦聯劑通常是較難生物降解或對生物有較大毒性的化合物，微生物對解耦聯劑的降解不完全有可能導致潛在的環境安全問題。
2 好氧-沉淀-厭氧工藝
好氧-沉淀-厭氧工藝(OSA，Oxic-Settling-Anaerobic)也是基于代謝解耦聯理論的污泥減量工藝。其基本原理是，在常規活性污泥法的污泥回流過程中設置一個厭氧段，使微生物交替進入好氧和厭氧環境，細菌在好氧階段所獲ATP不能立即用于合成新的細胞，而是在厭氧段作為維持細胞生命活動的能量被消耗。微生物分解和合成代謝相對分離，而不像通常條件下緊密耦聯，從而達到污泥減量的效果。工藝示意圖見圖1。
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Chudoba等[5]發現OSA工藝比傳統活性污泥工藝污泥產率降低20%~65%，SVI值(60ml/g)也比傳統活性污泥工藝的(200ml/g)低，即OSA工藝可改善污泥的沉降性能。同時，由于OSA的流程和除磷工藝流程相似，有利于除磷菌的生長，對磷的去除優于傳統活性污泥法。也有研究者認為OSA系統污泥減量的原因不僅僅是能量解耦聯，Chen等[6]發現在OSA系統中，當厭氧池中氧化還原電位 (ORP)保持在-250mV時，剩余污泥減量50%，對出水沒有影響且污泥的沉降性能更好;他通過試驗比較了能量解耦聯、捕食者生長、微生物促進有機質溶解和污泥腐化破解等因素的影響，認為厭氧池中污泥腐化破解是促進OSA系統污泥產生量減少的主要原因。國內朱振超等[7]采用好氧-沉淀-兼氧活性污泥工藝使上海錦綸廠廢水處理站的剩余污泥達到零排放。
在傳統活性污泥工藝中，污泥產量隨著污泥負荷增加而增加，但在OSA工藝中污泥產量反而下降，而且OSA還可以改善污泥的脫水性能，增加除磷能力，因此OSA工藝可以應用在進水有機物濃度較高的條件下，具有較廣闊的發展前景。OSA工藝的不足是水力停留時間較長(是常規活性污泥法的兩倍)，而且需要設置厭氧段，增加了基建費用和占地面積。
3 回流污泥溶胞工藝
根據污水生物處理工藝中微生物的代謝特性污水中的有機物一部分被微生物分解提供其生命活動的能量，最終代謝為二氧化碳和水分等;另一部分用來增殖，將有機物轉化為新的生物體。如果增長的生物體可以作為微生物的底物并重復上述代謝過程就可以減少污泥的產生量。微生物基于自身細胞溶解形成的二次基質的生長方式稱之為隱性生長(Cryptic growth或Death-regeneration)。隱性生長過程包括溶胞和生長，其中污泥細胞自身的解體是污泥降解的限速步驟，可以利用各種物理、化學和生物方法加速這一步驟。這種方法在工程上便于實現，只要在回流污泥管路上增加溶胞系統即可。
物理溶胞方法主要包括加熱、機械破碎、超聲破解等，其能耗較高，而且需要專門的設備，此外污泥菌體破解后，細胞壁碎片等生物難降解物進入污水中會引起出水中COD、SS有所增加[8]，同時由于系統排泥量減少，如果單位排泥中的氮磷含量保持不變，出水中的氮和磷會增加。
化學溶胞方法包括臭氧溶胞、過氧乙酸溶胞、氯氣溶胞等，其中臭氧研究最多。臭氧可以破壞細胞壁、細胞膜而使蛋白質、多聚糖、脂肪、核酸等從細胞中釋放出來。Kamiya等[9]發現間歇式臭氧氧化效果優于連續式，間歇式操作時臭氧投加量為9.0~11.0mg/(gSSd)即可使污泥減量50%，而要達到同樣的減量效果，連續式操作所需的臭氧投加量為30 mg/(gSSd).金瑞洪等[10]利用SBR和污泥臭氧化及回流裝置組成污水處理系統，在當臭氧投加量為0.0gO3/gSS且污泥回流量為0.4l/(l.d)時，污泥觀測產率可接近零，而且系統COD去除率、污泥沉降性能無明顯變化。利用氯氣對污泥進行減量的原理和臭氧相同，Saby等在氯的投加量為133mg/gMLSS時，污泥產生量減少了65%，但是污泥沉降性能惡化，同時出水含量增加。過氧乙酸(PAA)具有和臭氧相似的強氧化效果，而且價格低廉，產物無毒，易被微生物代謝，0.01%PAA溶液和污泥反應6h后，基本上不殘留PAA和H2O2，其處理后的污泥混合液具有較好的生物可降解性。化學溶胞方法的缺點是:①投藥增加了系統的運行費用，而且對設備有一定的腐蝕作用; ②系統去除氮磷的效果不好，出水SS濃度略高于傳統活性污泥法，污泥沉降性能可能惡化; ③長期無污泥排放時，污泥中重金屬含量和傳統活性污泥法相比有一定增加; ④為了保證曝氣池中生物對回流基質的利用，需要增加曝氣量，相應的動力費用會增加; ⑤溶胞過程有可能產生其他有機污染物，如氯氣能夠和污泥中的有機物產生反應，生成三氯甲烷(THMs)等氯代有機物，這是不容忽視的問題。
生物溶胞方法是通過投加能分泌胞外酶的細菌或酶制劑和抗菌素對細菌進行溶胞。酶一方面能夠溶解細胞，同時還可以使不容易生物降解的大分子有機物分解為小分子物質，有利于細菌對二次基質的利用"投加的細菌可以從消化池中選取，也可以從溶菌酶方面考慮，甚至包括特殊的噬菌體和能分泌溶菌物質的真菌。雖然生物溶胞方法環境友好，但是酶制劑或抗菌素費用昂貴。
4 結語
污泥產生量的不斷增加給其后續處理處置帶來了沉重壓力，而且不恰當的處理還會造成二次污染，因此源削減是污泥處理的首要原則。新型污泥減量工藝的應用可以在保證污水處理效果的前提下大幅減少污泥的產生量，從而實現污水處理的可持續發展。然而這些工藝的機理和參數還有待于進一步研究，出水質量還有待于進一步提高，隨著這些問題的逐步解決，污泥減量工藝將得到更廣泛的應用。來源：《中國給水排水》
