基于微生物代謝的活性污泥源頭減量淺析

劉娜

摘? 要：當前污泥量急劇增加，關于污泥處理的相關標準日益嚴格，污泥處理成本又高，污泥減量化迫在眉睫。該文從污水生物處理中剩余污泥的產生途徑、微生物代謝原理2個方面提出了實現污泥源頭減量的方法，即降低細菌的凈合成量以及增加微生物的自身氧化速率，具體介紹了解偶聯技術、隱性生長技術、延長污泥齡技術，并介紹了污泥減量技術的發展。

關鍵詞：污泥減量;微生物代謝;內源代謝;解偶聯;延長污泥齡;隱性生長

中圖分類號：X703? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

傳統的剩余活性污泥處理與處置技術主要為先進行濃縮、穩定、脫水等預處理，之后再進行土地利用、填埋和焚燒等最終處置。這類技術方法初期投資和后期運行費用均較高，而且會帶來二次污染。因此，剩余活性污泥問題應該從減少污泥的產生量的角度進行解決，而不是污泥產生后再進行處理。活性污泥源頭減量是在保證污水處理系統的污水處理效果的前提下，通過適當的技術方法，最大程度地減少向外排放的污泥量，從而實現污泥的源頭減量。另外，由于環境相關的法律、法規、標準對剩余活性污泥處置的要求越來越嚴格，因此研究活性污泥減量的方法是十分必要的。

1 活性污泥的組成

活性污泥主要由4個部分組成：①活性微生物群體，該群體具備極強的代謝功能;②微生物內源呼吸以及自身氧化過程的殘余物;③吸附在污泥絮體上的難降解有機物;④吸附在污泥絮體上的無機物。活性污泥微生物群體主要為細菌，也存在真菌、原生動物以及后生動物等。這些微生物共同構成了一個相對穩定的生態系統。

2 微生物代謝與活性污泥的產生

微生物代謝是指維持生命和增殖過程進行的一系列化學反應過程，分為分解代謝和合成代謝兩類。分解代謝即微生物通過氧化、酶降解等降解大分子有機物的過程;合成代謝即微生物利用營養物和分解代謝中釋放的能量，進行還原吸熱和酶的合成，微生物增殖的過程。這2個過程中，1/3可降解的有機物被活性污泥微生物氧化分解，產生無機物并釋放能量，2/3可降解的有機物被微生物用于新細胞合成和自身增殖。增強維持代謝以及內源代謝，能夠減少微生物細胞的合成和增殖，有利于污泥產量的減少。因此當微生物活性增強，微生物維持代謝耗能提高時，細胞合成量會減少，微生物利用自身細胞溶解產物進行新陳代謝時，污泥的產生量也會減少。微生物這種靠自身溶胞產物生長的方式即為內源呼吸代謝，其優勢為外源底物最終被氧化生成二氧化碳和水，微生物增值量減少。溶胞除了可以維持微生物自身生長外，產生的基質供其他微生物利用，即為隱性生長。

污水的生物處理的實質即將微生物利用污水中污染物質作為生長的營養物，將其代謝、利用、轉化，將高分子有機物降解為簡單的有機物或無機物，從而使污水得到凈化。剩余活性污泥包括微生物的凈增殖、進水中的惰性有機物和無機顆粒。

3 基于微生物代謝的污泥減量的方法及原理

根據微生物代謝特性，生物處理污水過程剩余污泥的產量與合成代謝、內源呼吸和微型動物捕食細菌等有關。合成代謝使剩余污泥量增加，內源呼吸和捕食使剩余污泥的量減少。因此，剩余污泥減量可能通過以下途徑來實現：（1） 降低細菌的凈合成量;（2） 增加生物體的自身氧化速率。

3.1 降低細菌的凈合成量

減少細胞物質的合成即增加維持代謝（抑制合成代謝）。細胞的增殖量與分解代謝產生的能量直接相關，但在存在質子載體、重金屬、溫度異常以及好氧一厭氧交替循環等情況時，可以實現分解代謝和合成代謝解偶聯，即氧化底物的同時不大量合成ATP或者ATP在合成之后通過其他途徑迅速釋放，細菌在正常分解底物的同時，合成量減少，從而實現污泥減量。因此細胞物質合成的減少是通過解偶聯實現的。

解偶聯可細分為物質解偶聯和能量解偶聯。通常在如下情況下可能發生微生物解偶聯：（1） 存在影響ATP合成的物質;（2） 存在過剩能量;（3） 非穩態生長;（4） 不適宜的溫度下生長;（5） 有限制性基質的存在。前面4種是通過能量解偶聯來實現污泥減量的，最后一種是通過物質解偶聯來實現污泥減量的。因此減少細胞物質的合成可以通過解偶聯實現的。根據解偶聯的發生條件，有以下技術可以實現解偶聯：（1） 投加解偶聯劑;（2） 好氧—沉淀—厭氧工藝;（3） 高溶解氧工藝;（4） 高底物濃度/污泥濃度條件下的解偶聯等。

該技術還存在一些問題：（1）該技術會影響污泥種群結構，進而影響污泥沉降性能;（2）污泥量減少，用于細胞合成的氮、磷量減少，影響氮磷的去除率;（3）解偶聯劑會殘留在處理出水中，對水環境和人體的影響不可低估。

3.2 增加生物體的自身氧化速率

3.2.1 延長污泥齡

內源代謝理論是通過延長泥齡和降低污泥負荷來實現污泥減量的。利用污泥齡的延長進行污泥減量的技術減量效果明顯，而且無需改造現有裝置。污泥表觀產率和停留時間的關系說明污泥表觀污泥產率系數與停留時間以及內源呼吸的關系很密切，通過提高污泥停留時間以及內源呼吸率可以降低表觀污泥產率，進而實現污泥減量。膜生物反應器和生物膜法工藝中水力停留時間與污泥停留時間的是分離的，污泥齡提高，實現了污泥減量。傳統的活性污泥法通過延長污泥齡可以實現污泥減量。

該技術也存在一些問題：（1）污泥量延長，除磷效果變差;（2）污泥齡長，耗氧量增加，成本上升。

3.2.2 通過溶胞強化細菌自身氧化速率

強化細菌隱性生長也能夠實現污泥減量，隱性生長就是細菌利用衰亡細菌形成的二次基質進行生長的過程，包括了溶胞和生長。通過各種溶胞技術，使細菌迅速死亡并分解為基質被其他細菌利用，在污泥減量過程中應用廣泛。溶胞的方法有很多種，物理法：（1） 熱處理，通過加熱加速細胞的溶解;（2） 超聲波，通過超生波的作用，產生大量的空化氣泡，氣泡在破滅瞬間產生極短暫的強壓力脈沖，氣泡周圍微小空間內會產生高壓、高溫以及具有強烈沖擊力的微射流，能夠壓碎細胞壁和釋放胞內物;（3） 機械壓力，是將械壓力用于污泥回流系統，壓破細胞壁，釋放胞內物質。化學法：（1） 臭氧氧化;（2） 投加氯氣;（3） 酸堿作用。生物法：主要是投加可以分泌胞外酶的細菌，或者直接投加酶制劑、抗菌素等對細菌進行溶胞。

該技術也存在一些問題：（1）成本偏高，溶胞效率不高;（2）系統氮磷負荷增加;（3）系統內不能分解的惰性有機物增加，活性下降。

另外生物捕食也屬于基于隱性生長的污泥減量的范疇，從生態學角度來說，系統內食物鏈越長，能量損耗越多，能夠用于生物體合成的能量也就越少，因此，通過延長食物鏈、強化食物鏈中微型動物的捕食作用也可以實現污泥減量。

4 結語

利用微生物進行污泥減量，能耗低且不產生二次污染，但從微生物這一微觀角度研究污泥減量還存在很多問題，如果不從根本上解決，就很難采用生物手段同時實現污水達標處理和污泥減量的目標。在污泥減量技術的研究中，應深入開展如下方面的研究。

（1）進一步研究解偶聯技術的機理，研究不影響出水水質的解偶聯技術。

（2）進一步研究微生物內源衰減機理。

參考文獻

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