代謝解偶聯(lián)技術在污泥減量化中的應用研究進展

胡海蘭，方 芳，馮 騫，操家順

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學環(huán)境學院，江蘇南京 210098)

活性污泥法是目前世界上應用最廣泛的廢水生物處理技術，但該工藝在運行過程中產(chǎn)生大量的剩余污泥，而剩余污泥的處理費用占整個污水處理廠運行成本的50%～60%，每年全國剩余污泥的量仍在增加［1-3］。現(xiàn)有的剩余污泥處理與處置方法包括:衛(wèi)生填埋、污泥焚燒、污泥干化和熱處理等［2］，但這些方法由于土地資源占用量大、投資運行成本高、管理復雜、易造成二次污染等問題，使得這些技術的應用受到限制。污泥減量化技術是指在保證整個廢水處理系統(tǒng)處理效能的前提下，采用適當?shù)奈锢怼⒒瘜W和生物方法，使產(chǎn)生的固體生物量達到最小，從而在源頭上實現(xiàn)污泥減量［4］。代謝解偶聯(lián)技術在這一點上具有突出的優(yōu)勢。因此，本文通過微生物代謝偶聯(lián)機制，闡述了代謝解偶聯(lián)污泥減量技術的機理以及不同條件下解偶聯(lián)工藝的優(yōu)缺點及應用進展。

1 基于代謝解偶聯(lián)的污泥減量技術

1.1 原理

微生物的代謝偶聯(lián)是指微生物代謝過程中氧化和磷酸化的偶聯(lián)，其中氧化是底物脫氫或失電子的過程，磷酸化是指二磷酸腺苷(ADP)與磷酸(Pi)合成三磷酸腺苷(ATP)的過程［5］。在正常條件下，氧化和磷酸化緊密地偶聯(lián)，即生物的合成代謝與底物的分解代謝是由ADP與ATP之間的轉化而聯(lián)系在一起的(如圖1)，也即分解一定的底物，將有一定量的生物體合成［6］。

圖1 分解代謝與合成代謝的關系Fig.1 Relationship between Anabolism and Catabolism

不同體系的氧化和磷酸化是如何偶聯(lián)在一起的?對此英國生物化學家Mitchell于1961年提出化學滲透學認為［5，7，8］:電子傳遞鏈是一個 H+泵，電子傳遞的結果是將H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外液體中，由于H+不能自由透過線粒體內(nèi)膜，于是在線粒體內(nèi)膜兩側形成跨膜H+濃度梯度，即產(chǎn)生電位差，從而推動H+穿過ATP合成酶返回基質(zhì)，并將電化學梯度蘊藏的能量轉移至 ATP中，形成ATP，這就是氧化與磷酸化的偶聯(lián)。

解偶聯(lián)代謝則是指在一定條件，如存在影響ATP合成的物質(zhì)、存在過剩能量(高S0/X0條件)、非穩(wěn)態(tài)生長(好氧-沉淀-厭氧(OSA工藝))、在不適宜的溫度下生長等［9］情況下細胞的氧化磷酸化過程被抑制，底物被氧化的同時，ATP不能大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放，這樣使得細菌在保持正常分解底物的同時，自身合成速度減慢，表觀產(chǎn)率系數(shù)降低，從而實現(xiàn)降低污泥產(chǎn)量［10］。

1.2 投加解偶聯(lián)劑

解偶聯(lián)劑一般為脂溶性小分子物質(zhì)，其作用機理是通過與H+結合，降低細胞膜對H+的阻力，使H+越過細胞膜，造成細胞膜兩側的質(zhì)子梯度降低，不足以促使三磷酸腺苷酶合成ATP，氧化過程中所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被釋放，從而降低污泥產(chǎn)量［11］。

1948年，Loomis等［12］首次發(fā)現(xiàn)了一種氧化解偶聯(lián)劑-2，4-二硝基苯酚(DNP)，此后人們不斷發(fā)現(xiàn)新的解偶聯(lián)劑。目前常見的化學解偶聯(lián)劑有硝基酚類化合物，包括DNP、硝基苯酚(pNP)、間硝基苯酚(mNP)、鄰硝基苯酚(oNP);氯酚類化合物，包括2，4，5三氯苯酚(TCP)、間氯苯酚(mCP)、鄰氯苯酚(oCP)、氯苯酚(pCP)、2，4-二氯苯酚(DCP)以及 3，3’，4’，5-四氯水楊酰苯胺(TCS)等。

近年來國內(nèi)外的研究熱點主要集中在選擇高效的代謝解偶聯(lián)劑上，即其在較低濃度下能抑制污泥的合成代謝，同時盡量不影響活性污泥的分解代謝能力。Chen 等［13］、Strand 等［14］在實驗室中研究了10多種代謝解偶聯(lián)劑，發(fā)現(xiàn)當投加的pNP、TCP和TCS濃度分別為100、5和0.8 mg/L時，污泥產(chǎn)量可分別減少62%、50%和78%，而污水中COD去除率僅下降10% ～15%。Yang等［15］利用間歇試驗考察4種解偶聯(lián)劑(pCP、mCP、mNP和oNP)的污泥減量效果，結果表明當投加的4種解偶聯(lián)劑濃度為0～20 mg/L時，四種解偶聯(lián)劑都能夠有效降低活性污泥產(chǎn)率。若綜合考慮污水處理效果的話，mCP最為理想。當投加的mCP濃度為20 mg/L時，污泥產(chǎn)率降低 86.9%，COD去除率僅降低 13.2%。Aragón 等［16］采用燒杯曝氣試驗研究 DNP、TCS、Cu和Zn四種物質(zhì)對活性污泥的減量情況，發(fā)現(xiàn)這四種物質(zhì)均有污泥減量的效果，且TCS的污泥減量效果最明顯，即當投加的TCS濃度為0.8 mg/L時，污泥產(chǎn)率減少30%以上，且底物的去除率僅下降6.8%。葉芬霞等［17］采 用 oCP、mCP、DCP、TCP、mNP、pNP、DNP及TCS等8種解偶聯(lián)劑進行污泥減量化研究，結果表明8種解偶聯(lián)劑都能有效控制污泥產(chǎn)率，而硝基酚類化合物污泥減量化效果更加明顯，其中DNP的污泥減少率可達到89.2%。目前常見解偶聯(lián)劑的污泥減量情況如表1所示。

表1 常見解偶聯(lián)劑的污泥減量效果Tab.1 Effect of Uncouplers on Sludge Reduction

續(xù) 表

另外一些學者也對添加解偶聯(lián)劑的活性污泥系統(tǒng)進行了更深層次的研究。Li等［25］研究投加不同濃度TCS對活性污泥溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的影響。結果表明TCS的投加能增加胞外聚合物(EPS)產(chǎn)生，促進細胞的隱形生長，從而提高SMP尤其是蛋白質(zhì)的含量。Qiao等［26］在序批式活性污泥系統(tǒng)中研究TCP的遷移性和可持續(xù)性，并用Vero細胞評估出水中殘余TCP的細胞毒性。結果表明當進水TCP濃度分別為2、4和6 mg/L時，出水中剩余 TCP濃度分別為 0.5 ～1.0、0.9 ～1.4 和 1.3 ～2.4 mg/L;固相中TCP含量遠高于液相，且隨著系統(tǒng)運行的周期延長，TCP的降解率增加。由于TCP具有毒性，當其含量高于4 mg/L時不適宜于處理市政污水。Tian等［19］在連續(xù)運行90 d的反應器中研究2，6-二氯苯酚(2，6-DCP)對污泥減量及抑制作用，發(fā)現(xiàn)當投加的2，6-DCP濃度為20 mg/L，系統(tǒng)運行40 d后，污泥產(chǎn)量減少近40%;90 d后，污泥減量效果降至(9±2)%，這可能與EPS的保護機制相關。相比于異養(yǎng)微生物，2，6-DCP對自養(yǎng)微生物具有更高毒性。Zhang等［27］發(fā)現(xiàn)反應器運行60 d后，2，6-DCP對活性污泥硝化作用存在抑制，試驗亦表明2，6-DCP對自養(yǎng)微生物的毒性遠高于異養(yǎng)微生物。此外，F(xiàn)eng等［28］研究在SBR反應器里投加兩種解偶聯(lián)劑(TCS和TCP)對污泥減量的影響，并運用響應曲面法尋找兩種解偶聯(lián)劑的最佳投加量。結果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行60 d，兩種解偶聯(lián)劑聯(lián)合能有效實現(xiàn)52%的污泥減量，同時不影響底物的去除。采用三維熒光光譜分析投加不同解偶聯(lián)劑的污泥EPS的變化，發(fā)現(xiàn)EPS中色氨酸、酪氨酸類蛋白等物質(zhì)減少。

還有一些學者利用數(shù)學模型模擬分析投加解偶聯(lián)劑后的污泥產(chǎn)量。Liu［29］提出一種基于能量解偶聯(lián)污泥生長數(shù)學模型，并且用于驗證試驗和其他文獻中的數(shù)據(jù)。結果發(fā)現(xiàn)污泥生長量隨著初始解偶聯(lián)劑濃度/初始底物濃度(Cu/Xo)的增大而減少。Chen等［30］利用模型預測投加了DNP的活性污泥系統(tǒng)。結果表明最大污泥產(chǎn)率(Ymax)和比內(nèi)源呼吸速率(Kd)分別為 0.56 g MLSS/g COD 和 0.056 d-1，在DNP濃度為5 mg/L時，能量解偶聯(lián)系數(shù)是0.29。Xie等［31］同樣用數(shù)學模型闡述了投加解偶聯(lián)劑活性污泥中的能量濺益。目前運用數(shù)學模型描述投加解偶聯(lián)劑活性污泥系統(tǒng)的研究還不多，但這對探究復雜的活性污泥系統(tǒng)十分重要。因此，未來應關注運用數(shù)學模型來分析討論投加解偶聯(lián)劑的活性污泥系統(tǒng)。

在諸多污泥減量方法中，投加解偶聯(lián)劑是最方便、成本最低的方法，因為它具有操作工藝簡單、不需添加額外設備、成本較低、污泥減量效果較好等優(yōu)點。但是化學解偶聯(lián)劑的投加會降低活性污泥系統(tǒng)COD以及營養(yǎng)物質(zhì)的去除，并且影響活性污泥的沉降性能。此外，目前研究較多的高效解偶聯(lián)劑一般為持久性有機物，這類物質(zhì)難以生物降解且具有一定的毒性，會導致活性污泥系統(tǒng)微生物種群結構發(fā)生改變，對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生危害。因此，未來應繼續(xù)找尋更加高效低毒或者無毒的解偶聯(lián)劑。

1.3 解偶聯(lián)劑與其他調(diào)控方法聯(lián)合工藝

1.3.1 溶解氧

解偶聯(lián)劑作用下的活性污泥系統(tǒng)，溶解氧消耗明顯增大，這增加了污水的處理成本，高溶解氧的運行方式會加速物質(zhì)氧化，影響污水的處理效果。因此，低溶解氧或缺氧條件下添加解偶聯(lián)劑的活性污泥工藝是否具有污泥減量效果成為關注的焦點。研究表明在添加解偶聯(lián)劑TCP的活性污泥工藝中保持缺氧或低溶解氧條件，污泥的減量效果依舊明顯［32，33］。胡學斌等［33］研究表明，當投加 TCP 的活性污泥系統(tǒng)溶解氧濃度控制在2 mg/L時，系統(tǒng)脫氮率可達53.2%。雖然這一耦合技術可以降低曝氣成本，提高污水的脫氮除磷性能，但是其對活性污泥沉降性能以及活性污泥系統(tǒng)微生物種群結構的影響，還有待于進一步研究。

1.3.2 重金屬

馬宗凱等［34］在 SBR活性污泥系統(tǒng)中，研究2，6-DCP與Cu2+協(xié)同作用下的污泥減量效果。當2，6-DCP投加量為 20 mg/L、Cu2+投加量為 1 mg/L時，系統(tǒng)連續(xù)運行30 d后，污泥減量達75%，出水COD僅比空白組高7%，同時出水中2，6-DCP質(zhì)量濃度僅為0.28 mg/L，Cu2+的去除率高達90% 以上。這表明Cu2+和2，6-DCP對污泥減量有明顯的協(xié)同作用。田禹等［35］和石先陽等［36］的研究也表明重金屬與解偶聯(lián)劑具有協(xié)同作用，但二者的協(xié)同機理及是否適用所有的重金屬目前還不清楚，有待進一步探究。

1.3.3 納米磁粉

高麗英等［37］在序批式活性污泥工藝中同時添加解偶聯(lián)劑TCP和納米磁粉，分析其協(xié)同作用對活性污泥性能產(chǎn)生的影響。研究發(fā)現(xiàn)TCP單獨作用下污泥減量達41%，但活性污泥基質(zhì)降解性能及沉降性能降低，而納米磁粉與TCP聯(lián)合作用下污泥減量仍達34%，對碳、氮和磷的去除效果和污泥沉降性能均無明顯影響。系統(tǒng)運行31 d后，脫氫酶活性提高10% ～18%，具有一定的時間累積效應;在光學顯微鏡下觀察可發(fā)現(xiàn)污泥絮體結構緊實，原生動物和后生動物種類和數(shù)量增多，但二者的聯(lián)合作用機理尚不清楚，需后期探討。

1.4 好氧-沉淀-厭氧工藝(OSA)

OSA工藝是在傳統(tǒng)活性污泥工藝中，在污泥沉淀回流時引入?yún)捬醴磻鳌SA工藝的基本原理是通過給微生物提供一種交替厭氧、好氧的環(huán)境(如圖2)，使得在好氧階段氧化分解有機物產(chǎn)生的ATP沒有用于細胞合成，而是在厭氧階段作為維持細胞生命活動的能量被耗散。當微生物重新回到底物充足的好氧反應器時，ATP又大量生成，用于維持厭氧段細胞的基本代謝。好氧、厭氧交替循環(huán)使得微生物分解代謝與合成代謝相分離，即發(fā)生解偶聯(lián)，從而達到污泥減量效果［38］。

影響力：普洱市明確提出加快建設特色生物、清潔能源、現(xiàn)代林產(chǎn)業(yè)、休閑度假養(yǎng)生“四大基地”，目前取得了哪些成效?

圖2 OSA工藝流程圖Fig.2 Schematic of OSA Process

Westgarth等［39］首先指出OSA工藝與傳統(tǒng)的活性污泥法相比可以降低污泥產(chǎn)率50%，此后OSA工藝在剩余污泥減量方面得到了廣泛應用。Saby等［40］通過試驗發(fā)現(xiàn)OSA工藝中厭氧池的氧化還原電位(ORP)和污泥產(chǎn)量有關系，ORP從+100 mV降低到-250 mV時，污泥量從23%減少至58%，而且COD的去除率和污泥的沉降性能都有所提高。隨著污泥負荷的增加，OSA工藝的污泥量呈現(xiàn)下降的趨勢，這表明OSA工藝適合處理有機濃度較高的工業(yè)污水。

向OSA工藝添加物質(zhì)或者聯(lián)合其他工藝的研究逐漸興起。Ye［41］向OSA工藝的曝氣池中分別投加0、0.05、0.10 和 0.15 g TCS，形成四組 TCS 和OSA聯(lián)合工藝。當缺氧池的停留時間為6.75 h時，污泥產(chǎn)量減少21% ～56%。連續(xù)運行60 d后，前兩種TCS濃度對氨氮和總磷去除率都無影響，但投加0.15 g TCS會影響總氮的去除效果，即TCS含量過高，生物可能面臨死亡。唐悅恒等［42］建立了一套基于SBR的OSA模型系統(tǒng)(SBR/OSA)，并以普通SBR作為對照，對其污泥性質(zhì)等進行研究。結果發(fā)現(xiàn)溶解性蛋白質(zhì)、多糖和金屬離子(包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+和Al3+)在厭氧反應器中的含量均有所增加，與 Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+結合的一部分胞外聚合物解離，使得污泥主體結構解散，對污泥量的削減有一定貢獻。今后應考慮OSA工藝與其他物質(zhì)聯(lián)合作用，并進一步研究其對污泥減量的機理。

關于OSA工藝機制，一種理論認為其屬于能量解偶聯(lián)代謝即分解代謝與合成代謝發(fā)生解偶聯(lián)，但是也有學者認為其屬于細胞衰亡理論［43］。Chen等［44］的研究發(fā)現(xiàn)58%的污泥減量是由細胞衰亡引起的。Jin等［45］也發(fā)現(xiàn)細胞衰亡會造成66.7%的污泥減量，而由解偶聯(lián)代謝引起的污泥減量只有7.5%。因此，后期應研究OSA工藝污泥減量機理及其能量的轉化。

OSA工藝能使污泥產(chǎn)率低且沉降性能好，但OSA工藝的水力停留時間(HRT)較長，當進水有機物濃度較低時，系統(tǒng)對氮等營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果不好。未來應在縮短OSA工藝的HRT和提高其出水水質(zhì)等方面進行深入研究。此外，OSA工藝減量效果與底物濃度，水力停留時間和反應溫度相關，因此未來應通過活性污泥模型(ASMs)預測OSA工藝復雜的反應機制及最佳運行參數(shù)。

1.5 高 S0/X0工藝

高S0/X0工藝是指底物充裕時，微生物分解代謝中產(chǎn)生ATP的速率遠大于合成代謝中消耗的速率，從而導致能量的濺溢(能量以熱和功的形式散失到環(huán)境中)和微生物產(chǎn)率系數(shù)降低的污泥減量化工藝［46］。

Chudoba等［47］在一個OSA工藝系統(tǒng)中，利用間歇條件培養(yǎng)污泥，發(fā)現(xiàn)Yobs隨S0/X0值的增大而逐漸下降。Chen 等［48］發(fā)現(xiàn)當S0/X0(mg COD/mg MLSS)超過10時，能量濺溢系數(shù)達到0.80，表明80%的底物消耗是由于合成代謝與分解代謝之間的能量分離造成的。

1.6 代謝解偶聯(lián)技術的應用限制

投加解偶聯(lián)劑具有污泥減量效果明顯、不改變原有工藝、占地面積小等優(yōu)點，OSA工藝具有只需在原有工藝基礎上添加厭氧池，不需要再添加其他設備等優(yōu)勢，但代謝解偶聯(lián)技術也存在一定的應用限制。

對于投加化學解偶聯(lián)劑的活性污泥系統(tǒng)可能存在:系統(tǒng)的基質(zhì)去除率(COD和NH4-N)有所下降;污泥的性能發(fā)生改變，沉降、絮凝性變差，長期運行會導致絲狀菌增加，發(fā)生污泥膨脹;系統(tǒng)需氧量增加;生物毒性，大多數(shù)解偶聯(lián)劑是有毒物質(zhì)，對環(huán)境具有潛在毒害。OSA工藝存在水力停留時間太長，厭氧段時間與好氧段時間劃分有待進一步研究(若厭氧段時間過長，外加基質(zhì)不足，系統(tǒng)進入內(nèi)源呼吸階段，導致微生物死亡與細胞分解，從而污泥產(chǎn)率降低)等問題。高S0/X0工藝目前還不能用于實際污水廠，因為其負荷比遠高于實際污水處理廠的要求。

2 總結與展望

本文闡述了用于污泥減量化的解偶聯(lián)技術的三種工藝原理、應用情況及優(yōu)缺點，其中詳細說明了解偶聯(lián)劑的使用情況。對未來相關研究提出幾點看法:

(1)繼續(xù)研發(fā)高效，低毒性或者無毒性的解偶聯(lián)劑，并且運用數(shù)學模型模擬確定其最佳投加量;

(2)應考慮將一些工藝以及物質(zhì)與解偶聯(lián)劑應用聯(lián)合起來，實現(xiàn)污泥的減量化與工藝的提高。

(3)探究解偶聯(lián)劑在污泥系統(tǒng)中的遷移轉化以及對生態(tài)環(huán)境和人類的潛在毒性。

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