【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 sludge production based on these mechanisms: uncoupling metabolism, lysiscryptic growth, predation on bacteria, thermal treatment, activated sludge ozonation process, anoxicsettlinganaerobic(OSA),and so on..Suitable engineering of the physical conditions and strategic process operation may result in environments in which biomass production may be employing any strategy for reducing sludge production may have an impact on microbial munity in biological wastewater treatment processes and reduced biomass production may result in an increased nitrogen concentration in the word: sludge reduction, waste water treatment, activated sludge 前言 目前世界上80％以上的污水處理廠應(yīng)用的是活性污泥法處理污水，它最大的弊端就是處理污水的同時(shí)產(chǎn)生驚人的大量剩余污泥。污泥中的固體有的是截留下來的懸浮物質(zhì),有的是由生物處理系統(tǒng)排出的生物污泥,有的則是因投加藥劑而形成的化學(xué)泥， % —1 %左右。污泥的處理和處置,就是要通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施,使污泥得到再利用或以某種不損害環(huán)境的形式重新返回到自然環(huán)境中。這些污泥一般富含有機(jī)物、病菌等,若不加處理隨意堆放,將對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生新的污染。對(duì)這些污泥處理方法主要有：農(nóng)用、填海、焚燒、埋地。但這些方法都無一例外地存在弊端。如污泥中重金屬的含量通常超過農(nóng)用污泥重金屬最高限量的規(guī)定。此外,污泥中還含有病原體、寄生蟲卵等, 如農(nóng)業(yè)利用不當(dāng),將對(duì)人類的健康造成嚴(yán)重的危害。填埋處置容易對(duì)地下水造成污染,同時(shí)大量占用土地。焚燒處置雖可使污泥體積大幅減小,且可滅菌,但焚燒設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用都比較大。投放遠(yuǎn)洋雖可在短期內(nèi)避免海岸線及近海受到污染,但其長期危害可能非常嚴(yán)重,因此,已被界上大多數(shù)國家所禁用。一般每去除1kg的 就產(chǎn)生15~100L活性污泥，這些污泥含水率達(dá)到。95％以上，剩余污泥處理的成本高昂,約占污水廠運(yùn)行費(fèi)用的歐洲國家每年用于處理剩余污泥的費(fèi)用就高達(dá)28億人民幣。顯而易見，任何有利于減少剩余污泥的措施都將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。污泥減量化的理論基礎(chǔ) 維持代謝和內(nèi)源代謝1965 年P(guān)irt 把微生物用于維持其生活功能的這部分能量稱為維持代謝能量,一般認(rèn)為,維持代謝包括細(xì)胞物質(zhì)的周轉(zhuǎn)、活性運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)等,這部分基質(zhì)消耗不用來合成新的細(xì)胞物質(zhì),因此,污泥的產(chǎn)量和維持代謝的活性呈負(fù)相關(guān)。Herbert 在1956 年提出,維持能量可通過內(nèi)源代謝來提供,部分細(xì)胞被氧化而產(chǎn)生維持能量。從環(huán)境工程角度看,內(nèi)源呼吸通常指生物量的自我消化,在連續(xù)培養(yǎng)生長時(shí)可同時(shí)發(fā)生內(nèi)源代謝。內(nèi)源代謝的主要優(yōu)勢(shì)在于進(jìn)入的基質(zhì)最終被呼吸成為二氧化碳和水,使生物量下降。因此,在廢水處理工藝中,內(nèi)源呼吸的控制比微生物生長控制和基質(zhì)去除控制更為重要。 解偶聯(lián)代謝代謝是生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的總稱,分為分解代謝和合成代謝。微生物學(xué)家認(rèn)為,細(xì)胞產(chǎn)量和分解代謝產(chǎn)生的能量直接相關(guān),但在某些條件下,如存在質(zhì)子載體、重金屬、異常溫度和好氧—厭氧交替循環(huán)時(shí),呼吸超過了ATP 產(chǎn)量,即分解代謝和合成代謝解偶聯(lián) Russell ,此時(shí)微生物能過量消耗底物,底物的消耗速率很高。Cook 和報(bào)道,在完全停止生長時(shí)細(xì)菌利用能源的速率比對(duì)數(shù)生長期的高三分之一,這表明細(xì)胞能通過消耗膜電勢(shì)、ATP 水解和無效循環(huán)處置其胞內(nèi)能量。在解偶聯(lián)條件下,大部分底物被氧化為二氧化碳,產(chǎn)生的能量用于驅(qū)動(dòng)無效循環(huán),但對(duì)底物的去除率不會(huì)產(chǎn)生重大影響。能量解偶聯(lián)的特殊性在于它是微生物對(duì)底物的分解和再生,而沒有細(xì)胞質(zhì)量的相應(yīng)變化。從環(huán)境工程意義上講,能量解偶聯(lián)可用于解釋底物消耗速率高于生長和維持所需之現(xiàn)象。因此,在能量解偶聯(lián)條件下活性污泥的產(chǎn)率下降,污泥產(chǎn)量也隨之降低。通過控制微生物的代謝狀態(tài),最大程度地分離合成代謝和分解代謝,在剩余污泥減量化上將是一個(gè)很有發(fā)展前景的技術(shù)途徑。目前污泥減量化的方法 解偶聯(lián)機(jī)理：三磷酸腺苷(ATP)是鍵能轉(zhuǎn)移的主要途徑,是能量轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中心，微生物的合成代謝通過呼吸與底物的分解代謝進(jìn)行偶聯(lián),當(dāng)呼吸控制不存在,生物合成速率成為速率控制因素時(shí),解偶聯(lián)新陳代謝就會(huì)發(fā)生,并且在微生物新陳代謝過程中產(chǎn)生的剩余能量沒有被用來合成生物體。在能量解偶聯(lián)條件下活性污泥的產(chǎn)率下降,污泥產(chǎn)量也隨之降低。微生物學(xué)家認(rèn)為,細(xì)胞產(chǎn)量和分解代謝產(chǎn)生的能量直接相關(guān),但在某些條件下,如存在質(zhì)子載體、重金屬、異常溫度和好氧—厭氧交替循環(huán)時(shí),呼吸超過了ATP 產(chǎn)量,即分解代謝和合成代謝解偶聯(lián) ,此時(shí)微生物能過量消耗底物,底物的消耗速率很高。在完全停止生長時(shí)細(xì)菌利用能源的速率比對(duì)數(shù)生長期的高1/3,這表明細(xì)胞能通過消耗膜電勢(shì)、ATP 水解和無效循環(huán)處置其胞內(nèi)能量。能量解偶聯(lián)的特殊性在于它是微生物對(duì)底物的分解和再生,而沒有細(xì)胞質(zhì)量的相應(yīng)變化。通過控制微生物的代謝狀態(tài),最大程度地分離合成代謝和分解代謝,在剩余污泥減量化上將是一個(gè)很有發(fā)展前景的技術(shù)途徑。 投加解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑能起到解偶聯(lián)氧化磷酸化作用,限制細(xì)胞捕獲能量,從而抑制細(xì)胞的生長,故能減少污泥產(chǎn)量。解偶聯(lián)劑其作用機(jī)理是該物質(zhì)通過與H+ 的結(jié)合,降低細(xì)胞膜對(duì)H+ 的阻力,攜帶H+ 跨過細(xì)胞膜,使膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度降低，降低后的質(zhì)子梯度不足以驅(qū)動(dòng)ATP 合酶合成ATP ,從而減少了氧化磷酸化作用所合成的ATP 量。如: TCS解偶聯(lián)劑(3 ,3′,4′,5－四氯水楊酰苯胺)能有效降低剩余污泥產(chǎn)量,只要在反應(yīng)器中保持TCS 一定的濃度,就能降低剩余污泥的產(chǎn)率。TCS 能有效地降低活性污泥分批培養(yǎng)物中的污泥產(chǎn)率,隨進(jìn)水中TCS 濃度的提高, 去除能力并未受影響,出水中的NH+42N 和TN 含量也和對(duì)照相當(dāng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)污泥的SOUR 值和DHA 提高,說明化學(xué)解耦聯(lián)劑對(duì)微生物有激活作用，微生物的種群結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，經(jīng)過40d 的運(yùn)行后,添加TCS的反應(yīng)器污泥中絲狀菌很少,雖然污泥較疏松,但污泥的沉降性能未見有影響。上述結(jié)果表明,采用化學(xué)解耦聯(lián)劑來降低活性污泥工藝中的剩余污泥產(chǎn)量,以降低污泥的處理與處置費(fèi)用這種方法有發(fā)展前景,值得進(jìn)一步地深入研究。但是，解偶聯(lián)劑的對(duì)現(xiàn)有污水處理應(yīng)用中存在以下問題:(1)所投的藥在較長時(shí)間后由于微生物的馴化而被降解,從而失去解偶聯(lián)作用。(2)當(dāng)加入解偶聯(lián)劑后,需要更多的氧去氧化未能轉(zhuǎn)化成污泥的有機(jī)物,從而使得供氧量增加。(3)對(duì)投加解偶聯(lián)劑的費(fèi)用還需要作比較,由于在污水中的濃度需要維持在4—80 mg/ L ,用量大。(4)解偶聯(lián)劑在實(shí)際應(yīng)用中的最大弊端是環(huán)境問題，解偶聯(lián)劑通常是難降解的有毒物，可能發(fā)生二次污染。 高S0/X0(底物濃度/污泥濃度)條件下的解偶聯(lián) 簡(jiǎn)單的說就是，細(xì)胞分解能量大于合成能量，從而細(xì)胞的分解數(shù)量就大于合成數(shù)量，最終降低微生物產(chǎn)率系數(shù)。解偶聯(lián)機(jī)理有兩種解釋:一是積累的能量通過粒子(如質(zhì)子、鉀離子)在細(xì)胞膜兩側(cè)的傳遞削弱了跨膜電勢(shì),隨后發(fā)氧化磷酸化解偶聯(lián)。二是減少了生物體內(nèi)部分新陳代謝的途徑(如甲基乙二酸途徑)而回避了糖酵解這一步。高S0/X0條件下解偶聯(lián)還不能用于實(shí)際的污水處理, 微生物產(chǎn)生的不完全代謝的產(chǎn)物還可能對(duì)整個(gè)處理過程產(chǎn)生影響，而且要求相對(duì)高的S0/X0值(8—10)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際活性污泥法處理污水時(shí)的情況(F/M=—)。 高濃度溶解氧有很多研究表明,細(xì)胞表面的疏水性、微生物活性和胞外多聚物的產(chǎn)生都和反應(yīng)器中的溶解氧水平有關(guān),這預(yù)示著溶解氧對(duì)活性污泥的能量代謝有一定的影響,進(jìn)而影響碳在分解代謝和合成代謝中的分布。高溶解氧活性污泥工藝能有效地抑制絲狀菌的發(fā)展，純氧活性污泥工藝即使在高污泥負(fù)荷率下,也可比傳統(tǒng)的空氣活性污泥工藝減少污泥量54 %。和傳統(tǒng)空氣曝氣工藝相比, 純氧工藝能使曝氣池中維持高濃度MLSS ,污泥沉降和濃縮性能好、污泥產(chǎn)量低、氧氣轉(zhuǎn)移效率高、運(yùn)行穩(wěn)定。Abbassi等人 最近報(bào)道，當(dāng)小試規(guī)模的傳統(tǒng)活性污泥反應(yīng)器的溶解氧從 。由此可見，高溶解氧工藝在剩余污泥減量化和工藝運(yùn)行效能的提高方面有很大潛力。 好氧—沉淀—厭氧(OSA)工藝在污泥的回流過程中插入一級(jí)厭氧生物反應(yīng)器，這種工藝已經(jīng)用來成功地抑制污泥的絲狀膨脹的發(fā)生，可減少一半的剩余污泥產(chǎn)量，好氧—厭氧循環(huán)方法被用于活性污泥工藝中剩余污泥的減量化。其機(jī)理就是，好氧微生物從外源有機(jī)底物的氧化中獲得ATP ,當(dāng)這些微生物突然進(jìn)入沒有食物供應(yīng)的厭氧環(huán)境時(shí),就不能產(chǎn)生能量,不得不利用自身的ATP庫作為能源，在厭氧饑餓階段,沒有一定量的細(xì)胞內(nèi)ATP 就不能進(jìn)行細(xì)胞合成，因而,微生物通過細(xì)胞的異化作用,消耗基質(zhì)來滿足自身對(duì)能量的需求，交替的好氧－厭氧處理引起的能量解偶聯(lián)就為OSA 處理技術(shù)奠定了污泥減量化的理論基礎(chǔ)。Chudoba 等人 比較了OSA工藝和傳統(tǒng)活性污泥工藝的污泥產(chǎn)量,發(fā)OSA工藝的比污泥產(chǎn)率降低了20 %～65 % , S V I 值也比傳統(tǒng)活性污泥工藝低。例如：上海錦綸廠廢水處理站的剩余污泥達(dá)到零排放是運(yùn)用了朱振超和劉振鴻等人 的好氧—沉淀—兼氧活性污泥工藝使。還有張全等人 采用好氧—沉淀—微氧活性污泥工藝使污泥量由80 %減少為15 %～20 % ,系統(tǒng)基本上可做到無污泥排放。所以，OSA工藝在污泥減量化上是相當(dāng)可行的。 溶解細(xì)胞法在傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程中的污泥回流線上增加相關(guān)處理裝置，通過溶胞強(qiáng)化細(xì)菌的自身氧化，增強(qiáng)細(xì)菌的隱性生長。所謂隱性生長是指細(xì)菌利用衰亡細(xì)菌所形成的二次基質(zhì)生長,整個(gè)過程包含了溶胞和生長。利用各種溶胞技術(shù),使細(xì)菌能夠迅速死亡并分解成為基質(zhì)再次被其他細(xì)菌所利用,是在污泥減量過程中廣為應(yīng)用的手段。 臭 氧原理是:曝氣池中部分活性污泥在臭氧反應(yīng)器中被臭氧氧化,大部分活性污泥微生物在臭氧反應(yīng)器中被殺滅或被氧化為有機(jī)質(zhì),而這些由污泥臭氧氧化而來的有機(jī)質(zhì)在隨后的生物處理中被降解，臭氧可破壞不容易被生物降解的細(xì)胞膜等,使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)能較快地溶于水中,同時(shí)氧化不容易水解的大分子物質(zhì),使其更容易為微生物所利用。Kamiya 和Hirotsuji 的研究表明,當(dāng)曝氣池中的臭氧劑量為10 mg/(gMLSSd)時(shí)可使剩余污泥產(chǎn)量減少50 % ,而高至20 mg/(gMLSSd)時(shí)則無剩余污泥產(chǎn)生。其中，間斷式臭氧氧化要優(yōu)于連續(xù)式,在間歇式反應(yīng)器中,臭氧每天平均接觸時(shí)間在3 h 左右就可以達(dá)到減量40 % —60 %。但是,臭氧濃度較高會(huì)使SVI(污泥體積指數(shù))值迅速下降到開始的40 % ,影響污泥的沉降性能。在當(dāng)前的活性污泥理論中,污泥停留時(shí)間(θc)被定義為單位生物量在處理系統(tǒng)中的平均滯留時(shí)間。許多研究表明，θc 在活性污泥工藝中是最重要的運(yùn)行參數(shù)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng),θc 和比生長速率呈負(fù)相關(guān),污泥產(chǎn)率(Yobs)和污泥停留時(shí)間的關(guān)系可用下式表示: 1/Yobs = 1/Ymax +θcKd /Ymax(1)式中 Ymax ———真正生長速率Kd ———比內(nèi)源代謝速率式(1)表明,在穩(wěn)態(tài)活性污泥工藝中污泥停留時(shí)間和內(nèi)源代謝速率呈負(fù)相關(guān),可以通過調(diào)節(jié)θc 來控制污泥產(chǎn)量?？梢娫谙鄬?duì)長的θc下的純氧曝氣工藝有利于減少剩余污泥量。臭氧聯(lián)合活性污泥工藝將是一種能夠減少剩余污泥產(chǎn)量且進(jìn)一步改善污泥沉降性能的有效技術(shù),今后的研究將著重于臭氧劑量和投加方式的最優(yōu)化方面。 氯 氣和臭氧相同,利用其氧化性對(duì)細(xì)胞進(jìn)行氧化,促進(jìn)溶胞。雖然氯氣比臭氧便宜,但氯氣能夠和污泥中的有機(jī)物產(chǎn)生反應(yīng),生成三氯甲烷(THMs)等氯代有機(jī)物,是不容忽視的問題。 酸、堿酸堿可以使細(xì)胞壁溶解釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，相同pH 條件下, H SO4 的溶胞效果要優(yōu)于HCl ,NaOH 的效果要優(yōu)于KOH。在改變相同pH 條件下,堿的效果要好于酸,這可能是由于堿對(duì)細(xì)胞的磷脂雙分子層的溶解要優(yōu)于酸的緣故。 物理溶胞技術(shù)加 熱 不同溫度下,細(xì)胞被破壞的部位不同。在45 —65 ℃時(shí),細(xì)胞膜破裂, rRNA 被破壞。50 —70 ℃時(shí)DNA 被破壞。在65 —90 ℃時(shí)細(xì)胞壁被破壞。70 —95 ℃時(shí)蛋白質(zhì)變性。不同的溫度使細(xì)胞釋放的物質(zhì)也不同,在溫度從80 ℃上升到100 ℃時(shí), TOC和多糖釋放的量增加,而蛋白質(zhì)的量減少。超聲波超聲波處理(如240 W ,20 kHz ,800 s)只是從物理角度對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎,和投加堿相比,在短時(shí)間內(nèi)有迅速釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的優(yōu)勢(shì),但在促進(jìn)細(xì)胞破碎后固