代謝解偶聯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教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學環境學院，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］。現有的剩余污泥處理與處置方法包括:衛生填埋、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處理效能的前提下，采用適當的物理、化學和生物方法，使產生的固體生物量達到最小，從而在源頭上實現污泥減量［4］。代謝解偶聯技術在這一點上具有突出的優勢。因此，本文通過微生物代謝偶聯機制，闡述了代謝解偶聯污泥減量技術的機理以及不同條件下解偶聯工藝的優缺點及應用進展。

1 基于代謝解偶聯的污泥減量技術

1.1 原理

微生物的代謝偶聯是指微生物代謝過程中氧化和磷酸化的偶聯，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，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+從線粒體內膜基質泵到膜外液體中，由于H+不能自由透過線粒體內膜，于是在線粒體內膜兩側形成跨膜H+濃度梯度，即產生電位差，從而推動H+穿過ATP合成酶返回基質，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。

解偶聯代謝則是指在一定條件，如存在影響ATP合成的物質、存在過剩能量(高S0/X0條件)、非穩態生長(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，表觀產率系數降低，從而實現降低污泥產量［10］。

1.2 投加解偶聯劑

解偶聯劑一般為脂溶性小分子物質，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，氧化過程中所產生的能量最終以熱的形式被釋放，從而降低污泥產量［11］。

1948年，Loomis等［12］首次發現了一種氧化解偶聯劑-2，4-二硝基苯酚(DNP)，此后人們不斷發現新的解偶聯劑。目前常見的化學解偶聯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。

近年來國內外的研究熱點主要集中在選擇高效的代謝解偶聯劑上，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多種代謝解偶聯劑，發現當投加的pNP、TCP和TCS濃度分別為100、5和0.8 mg/L時，污泥產量可分別減少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種解偶聯劑濃度為0～20 mg/L時，四種解偶聯劑都能夠有效降低活性污泥產率。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四種物質對活性污泥的減量情況，發現這四種物質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種解偶聯劑進行污泥減量化研究，結果表明8種解偶聯劑都能有效控制污泥產率，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%。目前常見解偶聯劑的污泥減量情況如表1所示。

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

續 表

另外一些學者也對添加解偶聯劑的活性污泥系統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物(SMP)的影響。結果表明TCS的投加能增加胞外聚合物(EPS)產生，促進細胞的隱形生長，從而提高SMP尤其是蛋白質的含量。Qiao等［26］在序批式活性污泥系統中研究TCP的遷移性和可持續性，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，發現當投加的2，6-DCP濃度為20 mg/L，系統運行40 d后，污泥產量減少近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。相比于異養微生物，2，6-DCP對自養微生物具有更高毒性。Zhang等［27］發現反應器運行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對自養微生物的毒性遠高于異養微生物。此外，Feng等［28］研究在SBR反應器里投加兩種解偶聯劑(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劑的最佳投加量。結果發現系統運行60 d，兩種解偶聯劑聯合能有效實現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劑的污泥EPS的變化，發現EPS中色氨酸、酪氨酸類蛋白等物質減少。

還有一些學者利用數學模型模擬分析投加解偶聯劑后的污泥產量。Liu［29］提出一種基于能量解偶聯污泥生長數學模型，并且用于驗證試驗和其他文獻中的數據。結果發現污泥生長量隨著初始解偶聯劑濃度/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。結果表明最大污泥產率(Ymax)和比內源呼吸速率(Kd)分別為 0.56 g MLSS/g COD 和 0.056 d-1，在DNP濃度為5 mg/L時，能量解偶聯系數是0.29。Xie等［31］同樣用數學模型闡述了投加解偶聯劑活性污泥中的能量濺益。目前運用數學模型描述投加解偶聯劑活性污泥系統的研究還不多，但這對探究復雜的活性污泥系統十分重要。因此，未來應關注運用數學模型來分析討論投加解偶聯劑的活性污泥系統。

在諸多污泥減量方法中，投加解偶聯劑是最方便、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點。但是化學解偶聯劑的投加會降低活性污泥系統COD以及營養物質的去除，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劑一般為持久性有機物，這類物質難以生物降解且具有一定的毒性，會導致活性污泥系統微生物種群結構發生改變，對環境和人類健康產生危害。因此，未來應繼續找尋更加高效低毒或者無毒的解偶聯劑。

1.3 解偶聯劑與其他調控方法聯合工藝

1.3.1 溶解氧

解偶聯劑作用下的活性污泥系統，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 的活性污泥系統溶解氧濃度控制在2 mg/L時，系統脫氮率可達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活性污泥系統中，研究2，6-DCP與Cu2+協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，系統連續運行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劑具有協同作用，但二者的協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劑TCP和納米磁粉，分析其協同作用對活性污泥性能產生的影響。研究發現TCP單獨作用下污泥減量達41%，但活性污泥基質降解性能及沉降性能降低，而納米磁粉與TCP聯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現污泥絮體結構緊實，原生動物和后生動物種類和數量增多，但二者的聯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工藝是在傳統活性污泥工藝中，在污泥沉淀回流時引入厭氧反應器。OSA工藝的基本原理是通過給微生物提供一種交替厭氧、好氧的環境(如圖2)，使得在好氧階段氧化分解有機物產生的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、厭氧交替循環使得微生物分解代謝與合成代謝相分離，即發生解偶聯，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、現代林產業、休閑度假養生“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工藝與傳統的活性污泥法相比可以降低污泥產率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］通過試驗發現OSA工藝中厭氧池的氧化還原電位(ORP)和污泥產量有關系，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工藝的污泥量呈現下降的趨勢，這表明OSA工藝適合處理有機濃度較高的工業污水。

向OSA工藝添加物質或者聯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聯合工藝。當缺氧池的停留時間為6.75 h時，污泥產量減少21% ～56%。連續運行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(SBR/OSA)，并以普通SBR作為對照，對其污泥性質等進行研究。結果發現溶解性蛋白質、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工藝與其他物質聯合作用，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代謝即分解代謝與合成代謝發生解偶聯，但是也有學者認為其屬于細胞衰亡理論［43］。Chen等［44］的研究發現58%的污泥減量是由細胞衰亡引起的。Jin等［45］也發現細胞衰亡會造成66.7%的污泥減量，而由解偶聯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，系統對氮等營養物質的去除效果不好。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。

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境中)和微生物產率系數降低的污泥減量化工藝［46］。

Chudoba等［47］在一個OSA工藝系統中，利用間歇條件培養污泥，發現Yobs隨S0/X0值的增大而逐漸下降。Chen 等［48］發現當S0/X0(mg COD/mg MLSS)超過10時，能量濺溢系數達到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 代謝解偶聯技術的應用限制

投加解偶聯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勢，但代謝解偶聯技術也存在一定的應用限制。

對于投加化學解偶聯劑的活性污泥系統可能存在:系統的基質去除率(COD和NH4-N)有所下降;污泥的性能發生改變，沉降、絮凝性變差，長期運行會導致絲狀菌增加，發生污泥膨脹;系統需氧量增加;生物毒性，大多數解偶聯劑是有毒物質，對環境具有潛在毒害。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，外加基質不足，系統進入內源呼吸階段，導致微生物死亡與細胞分解，從而污泥產率降低)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技術的三種工藝原理、應用情況及優缺點，其中詳細說明了解偶聯劑的使用情況。對未來相關研究提出幾點看法:

(1)繼續研發高效，低毒性或者無毒性的解偶聯劑，并且運用數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與解偶聯劑應用聯合起來，實現污泥的減量化與工藝的提高。

(3)探究解偶聯劑在污泥系統中的遷移轉化以及對生態環境和人類的潛在毒性。

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