投加生物菌劑污泥原位減量技術的研究與應用

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行的情況下從源頭控制污泥產量，是近年來逐漸流行的污泥減量新技術。介紹了菌劑投加污泥原位減量技術的原理以及國內外的研究與應用現狀，并指出了選用該技術需注意的問題。最后從政策、市場和技術3個方面提出了可行的建議，為污泥減量菌劑產業的更好發展提供參考。

關鍵詞 微生物菌劑；污泥原位減量；污水處理

中圖分類號 S181.3；X703 文獻標識碼

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

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

國內外污泥原位減量技術主要集中在以下3個方面：①解偶聯技術；②利用生物捕食作用污泥減量；③促進微生物隱性生長^[2]。解偶聯技術一般需要新建污泥缺氧/厭氧池或者投加有毒的化學解偶聯劑，側重于基礎研究^[3]。而蚯蚓濾池等生物捕食污泥減量技術受處理能力的影響僅適用于小規模污水廠。強化微生物細胞隱性增殖技術通常采用物理（如超聲波、微波、加熱等）、化學（臭氧氧化、加堿）以及生物（投加嗜熱菌、溶菌酶、復合污泥減量菌）方法，其中投加微生物菌劑具有前期投資省、不新增建設用地無需大改大建、不增加或改變原有污水處理工藝和運行方式、不影響污水廠正常運行、操作簡便易行等優點，是近年來不斷發展完善的污泥原位減量新技術。筆者就菌劑投加污泥原位減量技術的原理、研究與應用現狀及技術應用時所需注意的問題進行分析，并從政策、市場和技術3個方面提出可行的建議，為污泥減量菌劑產業的發展提供參考。

1 菌劑投加污泥原位減量技術原理

污泥減量菌劑一般由多種微生物復配而成，采用分子生物學技術對市面上銷售的若干種污泥減量菌劑進行鑒定，發現酵母菌、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品進行了篩選和鑒定，發現11種菌劑產品中含有芽孢桿菌，10種菌劑產品中含有酵母菌，與筆者的研究結果類似^[4]。

酵母菌在環境污染治理中應用廣泛，尤其適于多種工業廢水的處理^[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，且發現降解底物過程中酵母菌菌株間存在協同作用^[7]。另外，趙振煥等發現釀酒酵母能提高特定有機物的水解發酵速率^[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物，減少環境中氨氣等臭味物質的產生^[10]。

此外，芽孢桿菌產生的各種酶對很多有機物具有良好的降解作用^[11]。這種菌株具有分解有機質強的特點，能將一些其他菌種難分解的大分子物質轉化成小分子物質，因而在受污染土壤修復、河流湖泊底泥疏浚等方面具有很好的應用價值^[12]。

菌劑投加污泥原位減量的作用機理可分為四類：①微生物菌劑一方面可快速分解水中的有機物獲得能量和增殖，實現污水的凈化處理；另一方面提升了污泥系統內土著微生物內源代謝強度，分泌較多的有機酸、胞外水解酶，促進污水中大分子有機物分解成小分子物質，從而容易被其他微生物進一步分解和利用，加速對死亡微生物細胞的水解，促進胞外酶維持代謝^[13-14]。②微生物菌劑投加后會與污水處理系統中原有的微生物種群通過選擇性和競爭性生長繁殖，實現污水處理系統種群關系的重組，形成新的優勢菌群，增加污水處理系統中優勢菌群的種類和強度，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新的生存環境而發生演替變化^[15]。③為減少菌劑的流失并增強污泥減量效果，投加微生物菌劑時一般要求生化系統內的污泥濃度較高，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胞內源呼吸效應，同時由于外排泥量的減少延長了污泥齡，強化了生物捕食作用，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，且在減少污泥產量的同時降低了剩余污泥中的有機質含量，有利于污泥脫水，降低外運剩余污泥的含水率，因此可有效減少外運污泥的體積和濕污泥量^[18]。

2 研究與應用現狀

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

污泥原位減量菌劑的研發一般分為菌種的篩選、發酵生產工藝研究、市場推廣和工程應用優化3個階段。得益于先進的生物技術，國外的污泥減量菌劑研究起步較早，已有大量成功應用的工程案例^[19-20]。目前國內市場中的外資品牌如日本琉球大學（EM菌）、丹麥諾維信、美國碧沃豐（BZT系列菌）等菌劑針對性強，廣泛用于制藥和化工行業，污泥減量效果較好，但是由于價格昂貴還未在市政污泥領域大規模推廣應用；而國產品牌多以EM菌為基礎與其他菌株復配，污泥減量效果參差不齊，生產規模也比較小，多數處于試驗研究或市場推廣應用階段，但是發展十分迅速。污泥處理處置領域的巨大市場加快了國內污泥原位減量菌劑的研發和應用推廣速度，目前已有不少成功應用的先例。

王艷紅等從活性污泥中篩選出污泥減量優勢菌與EM菌復配，通過正交試驗確定了復配菌群的最佳投加量，并經動態模型進一步驗證試驗結果。結果表明，根據污水特點添加不同量的復配優勢菌，不僅有效地減少了剩余污泥的產量，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，該產品由重慶某公司研制，經過小試、中試和生產性試驗驗證不斷發展完善。王敏等采用該微生物菌劑在重慶長壽污水處理廠進行中試，結果表明，兩個試驗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]。李俊等在處理規模為5 m3/d的CASS反應器曝氣池中投加處理水量的0.02%～0.04%的MCMP菌劑，運行4個月未排放剩余污泥^[22]。隨后他在三峽庫區江津德感污水處理廠進行了連續180 d的生產性試驗，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，氧化溝內污泥總量少于試驗前的污泥總量，污泥減量效果非常顯著，且投加MCMP菌劑后的出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18198-2002）一級 B的要求^[15]。

李明智等從不同生態環境中篩選、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 工藝進行處理生活污水的現場中試。結果表明，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 指標優于對照組，但出水TP 略有升高。MEMA功能菌劑的投加可改善污泥結構，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的條件下實現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行污泥減量，運行7個月后結果表明，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用于促進糞便污泥厭氧消化減量的可行性。當3種菌劑的投加量依次為0.01%、0.05%和0.01%時，經過20 d的厭氧反應，總固體TS和揮發分固體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量的同時，增加了厭氧消化的產氣量^[24]。

3 選用該技術需注意的問題

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

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對其中的有機組分起到減量效果，因此需要結合進水水質和污水廠運行參數對菌劑的投加點，投加量進行合理的選取，如視進水SS中的有機物含量確定是否在初沉池前添設投加點；當生化池污泥的有機組分含量過低時，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規模的生產性試驗也表明，進水水質水量大幅波動時會影響和破壞污泥減量效果，沉砂池和初沉池運行不良時菌劑減量技術應慎用，且該技術最好與MBBR、MBR等抗沖擊負荷強的工藝聯用^[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對污水處理工藝和運行工況有一定要求，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荷以及跑泥的可能性，同時也需對電耗情況進行評估；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淤積的可能性及污泥泵等設備的磨損，需在長期運行過程中予以關注。

污水中的磷只能以含磷污泥的形式排出處理系統，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問題，在污泥減量和除磷效果之間達到較好的平衡。

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

4 展望與建議

菌劑投加污泥原位減量技術可以從源頭控制污泥產量，具有較好的經濟、社會和環境效益。目前，我國的污泥處理市場已逐步成熟壯大，且國務院印發的《生物產業發展“十二五”規劃》也明確提出支持污泥減量化菌劑的開發和推廣應用，因此未來菌劑投加污泥原位減量技術將會進一步發展并占取一定的市場份額。為更好地促進污泥減量菌劑產業的發展，提出如下建議：①面對當前混亂的污泥減量菌劑研發與銷售狀況，相關政府職能部門應盡快制定行業標準，對市場進行有效監管，指導廠家對菌劑的生產進行質量把控，同時也需對菌劑使用單位進行必要的科普和推廣宣傳，以利于污泥原位減量菌劑的“產、銷、用”良性發展。

②菌劑生產廠商需進一步加大科技投入，整合科研院所的研究和技術優勢，加快研發成果的應用及推廣，把握良機占領市場。

③菌劑生產單位應根據各污水廠水質特點有針對性地復配合適的微生物菌株，以提升產品競爭力，避免菌劑投加對污水廠的正常運行帶來不利影響。

④采用人工誘變、構建基因工程菌、微生物菌劑的固定化、復合酶制劑等方法進一步強化微生物菌劑對目標污染物的去除效果，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。

參考文獻

[1]劉新文，沈東升.污泥減量化的生物化學技術研究進展[J].中國沼氣，2003，21（3）：18-21.

[2] 張海珍.MCMP-II多功能復合微生物制劑用于城市污水處理廠污泥減量的生產性試驗研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[3] 王敏，熊婭，宋英豪，等.廢水處理中污泥減量技術研究進展[J].環境工程，2010，30（S2）：171-186.

[4] 李明智，喻治平，陳德全，等.國內環保用微生物菌劑的研究應用情況調查[J].工業水處理，2011，31（6）：18-20.

[5] 宋鳳敏.酵母菌在環境污染治理中的應用與進展[J].環境科學與技術，2012，35（5）：71-75.

[6] ZHENG S K，YANG M，LI P R.Seed yeast cultivation for salad oil manufacturing wastewater treatment[J].Journal of Environmental Sciences-China，2002，14（1）：39-43.

[7] CHIUGSA K，HASEGWAA T，YAMMAOTO N.Treatment of wastewater from oil manufacturing plant by yeast[J].Water Science & Technology，1996，34（11）：51-58.

[8] 趙振煥，金春姬，張鵬，等.酵母菌對廚余垃圾厭氧發酵產乙酸的影響[J].環境工程學報，2009，3（10）：1885-1888.

[9] OH C K，OH M C，KIM S H.The Depletion of sodium nitrite by lactic acid bacteria isolated from kimchi[J].Journal of Medicinal Food，2004，7（1）：38-44.

[10] CHEN J H，WANG M L，ZHOU Z H.Isolation of effective microorganisms and the odor elimination tests[J].Chianan Annual Bulletin，2009，35：191-198.

[11] OLIVEIRA P L，DUARTE M C T，PONEZI A N.Use of Bacillus pumilus CBMAI 0008 and Paenibacillus sp.CBMAI 868 for colour removal from paper mill effluent[J].Brazilian Journal of Microbiology，2009，40（2）：354-357.

[12] 陳尚智，胡勇有.枯草芽孢桿菌對微污染水體的凈化作用[J].環境科學學報，2011，31（8）：1594-1601.

[13] 王艷紅，田永淑，孫俊芹.復配優勢菌用于污水處理及污泥減量的研究[J].工業水處理，2007，27（4）：75-77.

[14] NAMSIVYAM S K R，NARENDRAKUMAR G，KUMAR J A.Evaluation of Effective Microorganism （EM） for treatment of domestic sewage[J].Journal of Experimental Sciences，2011，2（7）：30-32.

[15] 李俊.微生物菌劑對污水處理廠污泥減量的影響研究[D].重慶：西南大學，2008.

[16] 李明智，韋彥斐，梅榮武，等.多生境功能菌于生化系統污泥原位減量的中試研究[J].工業水處理，2013，33（2）：35-38.

[17] MASS A，SP RANDIO M，CABASSUD C.Comparison of sludge characteristics and performance of a submerged membrane bioreactor and an activated sludge process at high solids retention time[J].Water Research，2006，40（12）：2405-2415.

[18] HIGA T，CHINEN N.EM treatment of odor，wastewater，and environmental problems[D].Okinawa，Japan：University of Ryukyus，1998.

[19] ZAKARIA Z，GAIROLA S，SHARIFF N M.Effective microorganisms （EM） technology for water quality restoration and potential for sustainable water resources and management[C]//2010 International Congress on Environmental Modelling and Software，Modelling for Environments Sake，Fifth Biennial Meeting.Ottawa，Canada，2010：1-8.

[20] MONAYERI D S E，ATTA N N，MOKADEM S M E，et al.Improvement of anaerobic digesters using pre-selected micro-organisms[J].International Water Technology Journal，2013，3（1）：45-59.

[21] 王敏，王里奧，包亮，等.多功能微生物制劑用于污泥減量的研究[J].中國給水排水，2007，23（7）：16-19.

[22] 李俊，朱臻，朱國政，等.利用MCMP微生物制劑減少剩余污泥產量的研究[J].環境工程學報，2007，1（12）：92-95.

[23] 包立新，李激，蔣鳳嵐，等.城鎮污水處理廠剩余污泥處理與處置技術探討[C]//中國給水排水2012年中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會論文集.大連：中國給水排水雜志社，2012：492-498.

[24] 宋珍霞.城市化糞池糞便污泥微生物減量技術及機理研究[D].重慶：重慶大學，2009.