基于微生物新陳代謝過程的污泥原位減量技術進展

＊蔡安蓉

（重慶市渝西水務有限公司 重慶 400000）

引言

目前污泥的處理處置主要通過衛生填埋、焚燒、堆肥、好氧消解和厭氧消解來實現，考慮到污泥產量的逐年增加和環保形勢的嚴峻，這些處理處置方法存在處理效率低、處理費用高、管理困難、且有二次污染等問題。利用微生物自身代謝能夠減少剩余污泥量的產生，從源頭上、低成本的解決污泥處理處置問題。

1.活性污泥微生物的新陳代謝

(1)活性污泥的組成

活性污泥由復雜的微生物群落及大量的有機和無機物質所構成，而活性污泥的微生物群落則主要由原核生物、真核生物和噬菌體等形成一個微生態系統，這些微生物通過消耗廢水中的有機營養物，進行代謝繁衍，和難降解有機物質、惰性懸浮固體等形成了剩余污泥。

(2)活性污泥微生物的新陳代謝

微生物的新陳代謝，如圖1，是指環境微生物細胞內維持生命、增殖以及降解基質的一系列化學反應，包括分解代謝和合成代謝。在分解代謝中，有機物大分子在分解代謝酶系催化下，發生降解，產生三磷酸腺苷；在合成代謝中，微生物則是利用分解代謝過程中釋放的能量和營養物質，通過合成酶系催化，合成細胞物質。而在環境中營養不足時，微生物通過內源呼吸進行自身氧化分解，獲取生命活動所需的能量。分解代謝和合成代謝相輔相成，微生物通過代謝，不斷增殖和死亡，實現活性污泥中的增殖代謝。

圖1 污泥微生物代謝示意圖

2.利用微生物代謝實現污泥原位減量的技術路線

污泥原位減量技術是通過干涉污水處理過程中微生物的新陳代謝，抑制細胞增殖、強化內源呼吸，實現剩余污泥產生量的削減。根據污泥微生物代謝特性，污泥原位減量可以通過解偶聯代謝、維持代謝、溶胞隱形生長、生物捕食實現。

(1)解偶聯代謝減量技術

解偶聯代謝是指細胞的分解代謝和合成代謝受到干擾，呼吸和合成的偶聯狀態被破壞，從而抑制ATP的合成。在抑制性化合物、重金屬、能量來源過剩、溫度異常、營養物質限制等情況下，可以觀察到解耦代謝。解偶聯代謝減量可以通過投加解偶聯劑、高S0/X0比值及OSA工藝實現。

投加化學解偶聯劑可以簡單地實現解偶聯代謝，2,4-二硝基苯酚（DNP）、對硝基苯酚（pNP）、五氯苯酚（PCP）和3,3',4',5-四氯水楊酰苯胺（TCS）等多被用于解偶聯研究。CHEN GH[1]等對TCS作為解偶聯劑的研究，以及Strand[2]等對12種化學解耦劑的研究發現，TCS效果較好，可以實現50%的污泥減量。化學解偶聯劑具有操作簡單，效果明顯等優勢，但也存在成本高、難降解、具有毒性，影響污泥活性等難點。因此，化學解偶聯劑的長期應用應當非常謹慎，且需要進一步研究其對環境的影響。

提高初始底物濃度與初始微生物濃度的比例（S0/X0）可以導致分解、合成速率失衡，產生解偶聯現象。Liu[3]、謝敏麗[4]的研究表明，基于基質反應平衡的原理，當S0/X0比值達到8以上時，可以實現解偶聯。但實際污水處理過程，S0/X0的正常范圍為0.01～0.13，因此，高S0/X0減量技術在工程應用中還存在限制。

OSA工藝是在傳統CASS工藝污泥回流上增設厭氧池的改良工藝。回流污泥經過厭氧段再進入好氧段，微生物在厭氧段大量ATP被用于生命活動，再回到好氧段大量ATP被合成，但不會用于細胞合成而是進行儲存，從而實現解偶聯。鐘賢波等[5]的研究顯示，采用OSA工藝污泥減量率最高可以達到33.24%。由于OSA工藝的減量機理并不明確，且工藝改造需要占地，廣泛推廣還需要時間。

(2)維持能消耗減量技術

微生物用于維持生命活動（細胞物質交換、離子梯度、主動運輸、蛋白質合成等生化反應）的能量稱為維持能，由微生物內源呼吸提供。維持能消耗越大，用于細胞增殖的能量就越少，因此，強化微生物的內源呼吸和維持代謝一直是污泥減量的主要思路之一。提高系統污泥濃度、增加污泥齡可以提高維持能消耗占比，減少好氧廢水處理過程中的污泥產量。

膜生物反應器（MBR）是膜分離技術與生物反應器相結合的工藝，其膜組件將固液進行分離，可以實現污泥高濃度、高泥齡控制，因此較常規污水處理工藝產泥量減少，有研究表明MBR還可以實現無剩余污泥排放。但在實際運行過程中，污泥濃度過高會導致運行成本增加，膜污染等問題。

(3)溶胞隱形生長減量技術

當活性微生物以其自身為底物進行新陳代謝時，有機物隨著微生物的生長循環以二氧化碳的形式進入大氣，總碳含量降低，污泥產量減少，這種微生物靠自身為底物的生長方式稱為隱性生長。溶胞-隱性生長技術的主要環節在于促進污泥的溶胞，提高污泥水解率，強化隱性生長，實現污泥的減量。主要的溶胞技術可分為：生物、化學和物理溶胞。

生物溶胞以外加可分泌胞外酶的工程菌和酶制劑兩種方法為主。研究發現嗜熱酶、纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶等酶制劑都可以實現溶胞，其中，水解溶菌酶效果較好，VSS溶解率達52.21%，蛋白酶及纖維素酶在去除EPS后效果較好，VSS溶解率最高可分別達到49.95%和39.85%[6]。生物溶胞不會形成二次污染，但工程菌的長期投入可能改變污泥系統原生的微生物群落構成，而酶制劑的投入也可能使微生物產生依賴。

化學溶胞是指對活性污泥進行氧化處理，常見有臭氧氧化、氯溶胞、酸堿試劑等。一般來說化學氧化劑投加量越大，污泥減量效果越好，但部分化學藥劑容易產生毒害副產物導致二次污染。

物理溶胞則是通過物理手段，如超聲波、機械破碎、加熱等方法破壞細胞結構，使細胞質流出，促進微生物隱性生長。物理溶胞方法不容易產生附產物，但需要在原有工藝的基礎上增加設備或設施。

(4)生物捕食減量技術

能量從低營養級向高營養級轉移的過程中，生物質轉化效率低下而產生能量損失，加強污泥食物鏈中高等微生物對細菌的捕食作用，能有效降低生物固體的產量。創造原生動物、后生動物適宜的生長及捕食環境是利用生物捕食進行減量的關鍵。目前應用最為廣泛的有兩段活性污泥法和直接接種法。

由于原生動物不以活性污泥中的粘性物質為食，為了促進原生動物的捕食，活性污泥必須形成菌體分散的狀態。兩段法即將曝氣池分為兩段，在前段采用高負荷運行，促進分散菌體的增殖，鐘蟲、草履蟲等纖毛蟲對分散菌體進行捕食，形成沉降性能良好的活性污泥；前段污泥進入后段，被輪蟲、環節動物等微小動物捕食，轉化成為CO2、水和能量，從而實現減量。根據某工程實績，利用兩段法，剩余污泥的產量可較傳統方法減少50%～80%。

直接接種法則是向反應器中接種富含大量寡毛綱環節動物等原生動物的污泥。荷蘭某啤酒廢水的活性污泥中接種顫蚓后，剩余污泥量減少了18%～67%[7]。

利用微生物的捕食可以較好的削減剩余污泥的產生量，但微生物生長環境以及微生物群落的控制仍需要進一步研究和優化。

3.其他污泥原位減量技術的開發和應用

單一的技術很難實現可持續減量，多技術聯動的技術開發具有一定必要性。在污泥回流系統上安裝一臺生物強化反應器，利用反應器的多重氧化電位裂解，回流污泥經過反應器時，菌膠團表面好氧異養細菌被破壁，溶胞細菌隨污泥回流進入生化系統作為底物被二次降解，進而實現污泥原位減量。同時通過接種噬菌類復合菌，促進隱形生長，強化減量能力。經試驗發現，污泥產量可減少50%。

4.結束語

目前，治理污泥原位減量的方法愈發多元化，但技術方法存在一定差異。從可持續發展層面出發，污泥原位減量技術仍存在弊端，所以，應在妥善治理污水前提下，盡量降低剩余污泥產量，以此為生態環境與社會經濟建設提供保障。