关于污泥减量若干问题的探讨

摘要：对于现在污泥处理处置过程中的环境问题和经济问题，从解偶联、生物膜法、生微物捕食等方面阐述了污泥减量化水处理技术的研究进展及相关工艺的原理和特点，并指出了其研究发展方向和应用前景。

关键词：污泥减量；解偶联；生物工艺；负效应

0 引言

活性污泥法是当前应用最广泛的污水处理工艺， 但处理过程中产生的大量剩余污泥通常含有许多病源微生物和有毒有害物质及未稳定化的有机物，如果不进行妥善的处理与处置，将会对生态环境造成直接或潜在的危害。 大量的污泥已成为污水处理厂的沉重负担和对环境的极大威胁， 而目前对剩余污泥的处理与处置，存在经济性和有效性两方面的问题：首先，各种污泥处理与处置方法需要的资金巨大，如在欧美各国，污泥处理基建费用占污水处理厂总基建费用的比例高达 60% ~ 70%。 其次，随着污水处理设施的进一步普及、处理量的增加、处理标准的提高和处理功能的拓展， 污泥产生量也将急速增加，也就相对地反映出我国污泥处理率较低。显而易见，污泥的处理与处置将成为环境领域的一大难题。 污泥减量技术也是在这一背景下于 20 世纪 90年代应运而生的。

污泥的减量化技术是指在保证污水处理效果的前提下， 通过适当的措施减少污水处理系统向外排放生物固体的质量，是从实质上减少污泥量。 污泥减量方法的分类方式有，可分为污水处理之后的污泥减量(后置污泥处理)和污水处理过程中的污泥减量(也叫原位污泥减量或污泥的前置减量)，各种污泥减量技术可实现不同程度的污泥减量， 但还存在若干问题，需进一步研究加以解决。

1 污泥减量化理论基础

微生物生命活动的过程中，分解代谢和合成代谢之间偶联的关键纽带就是腺苷三磷酸(ATP)，它既是能量的传递体，也是磷酸基团的载体。1961 年 P.Mitchell 提出化学渗透偶联说，表明有机底物作为电子供体，经过一系列电子传递的过程，造成内膜的细胞质侧和基质侧质子浓度梯度，这种质子浓度的跨膜梯度积蓄了电子传递过程所释放的能量，成为腺苷二磷酸(ADP)和无机磷酸合成 ATP 的推动力。“解偶联代谢”即为细菌的分解代谢和合成代谢不再由ATP的合成与分解反应偶联在一起，从而降低了微生物的合成量。Sroutamer 提出在以下 5 种情况时微生物解偶联生长可能发生：①存在影响 ATP 合成的物质，例如解偶联剂；②存在过剩的能量，引起能量消耗，例如在高 S0/X0(底物浓度 / 污泥浓度)的条件下；③在过渡时期(非稳态)生长；④在不适宜的温度下生长；⑤有限制性基质存在的情况。其中前 4 种是通过解除新陈代谢中的能量偶联达到的，第 5 种是通过解除新陈代谢中的物质偶联达到的。

根据细胞的代谢和增殖机制，底物的消耗主要用于生物体增长及生物能量的产生。维持代谢为维持细菌基本生命活动提供能量，其消耗的底物不用于产生新的生物量，因此，维持代谢的活性越高，污泥产量越少。另一方面，微生物可以通过内源呼吸获得所需的维持能，进而导致微生物表观产率的降低。在内源呼吸条件下，外源底物被完全氧化为 CO2和H2O，故内源呼吸通常被称为生物量的自身消化。

2 基于解偶联代谢的污泥减量技术

通常，微生物的分解代谢和合成代谢是由腺苷三磷酸（ATP）和腺苷二磷酸（ADP）之间的转化而联系在一起的，即底物分解所产生的能量将部分用于微生物体合成。但在某些特殊情况下，底物氧化所产生的能量并没有用于 ATP 的合成，而是通过其他途径释放，这使得微生物的分解代谢与合成代谢不再偶联在一起。此时，微生物仍能正常分解底物，但其自身合成速度将减慢，表观微生物的产率系数降低，污泥产量减少。基于目前对解偶联代谢的研究，通过以下方式可以实现解偶联污泥减量。

2.1 投加解偶联剂

解偶联剂不抑制呼吸链传递氢或电子的过程，但能使氧化产生的能量不用于ADP的磷酸化。正常情况下细菌氧化外源有机底物时，细胞膜两侧会产生H+浓度梯度，驱动发生氧化磷酸化作用合成ATP。解偶联剂通常为氢离子载体，加入解偶联剂可增大线粒体内膜对H+的通透性，从而使 H+跨膜梯度消除，造成氧化过程释放的能量不能用于 ATP 的合成反应，并以热的形式散发，起到解偶联氧化磷酸化作用，从而减少污泥产量。Xue 等在污水生物处理系统中对间氯酚、对氯酚、间硝基酚和邻硝基酚四种解偶联剂进行了污泥减量试验，发现间氯酚的效果最好，当其浓度为20mg/L 时污泥减量约80%。

2.2 高 S0/X0条件下的解偶联

根据S0/X0（初始底物浓度与初始微生物浓度比），微生物间歇培养可分为底物限制和底物充裕。在高 S0/X0条件下，微生物在分解代谢中产生 ATP 的速率要大于在合成代谢中消耗的速率。ATP产生累积后导致能量的溢出(energy spilling，即能量以热能的形式散失到环境中)，从而降低了微生物的产率系数。目前关于高 S0/X0条件发生代谢解偶联的解释有两种：①在高 S0/X0条件下，一些离子(如 H+或 K+)能穿过细胞质膜，降低跨膜电位，引起能量溢出；②在高 S0/X0条件下，微生物的代谢途径发生了改变，绕过了能量储存的糖酵解途径，引起代谢解偶联。高S0/X0条件污泥减量还不能应用于实际污水的处理过程，这是因为城市生活污水的实际S0/X0值多为0.01~0.13，而要实现解偶联需要的S0/X0值约为8~10。因此，在高的 S0/X0条件下要使出水水质达标，将会大大增加投资和处理成本，并且对处理过程产生不利影响。

2.3 好氧－沉淀－厌氧工艺

改变污泥所处的环境（例如：交替好氧、厌氧），可以对细菌生长产生影响，从而减少污泥产量。好氧菌从外源底物的氧化中获得ATP，当它们突然进入没有底物供应的厌氧环境时，不能产生能量，导致细菌在好氧环境获得的 ATP 不能立即用于新细胞的合成，而是在厌氧环境下作用维持细胞生命活动的能量被消耗。好氧 / 厌氧的交替循环可促进分解代谢活性，使细菌分解代谢和合成代谢相分离，从而达到污泥减量的效果。

2.4 其他解偶联技术

不适宜的温度能够影响细菌的新陈代谢，从而降低微生物表观产率。温度升高后，细菌分解有机物的能力提高，而在合成代谢方面却没有随之提高，因此分解有机物获得的能量没有全部用于合成自身，产生了能量解偶联，使污泥减量。提高供氧，可以使细菌氧化有机物的速度加快，使其产生的ATP 的产生量增加。这样，由于酶在ATP 浓度较高时对 ATP 进行水解，可能使细菌形成质子的无效循环，发生解偶联。

3 生物工艺

3.1 生物膜法

生物膜法是利用微生物来去除废水中有机物。微生物附着在载体表面，污水在流经载体表面过程中，进行有机营养物的吸附，氧向生物膜内部扩散并在膜中发生生物氧化等作用，对污染物进行分解，使污水得到净化，微生物也得到繁衍增殖的方法。生物膜法采用的固定式的载体填料，能延长微生物停留时间，形成好氧-厌氧反复耦合的过程来实现污泥减量，但该法对氮磷的去除效果不明显。

3.2 生物捕食法

生物捕食法利用原生动物和后生动物等微型动物对细菌的捕食作用实现污泥减量化。利用微型后生动物进行污泥减量，可在现有的污水处理工艺直接投加后生动物，也可制作适应后生动物生长进行污泥减量的反应器。杨健等将蚯蚓生物滤池与普通生物滤池相比对，结果显示蚯蚓生物滤池中污泥的处理效果明显改善，蚯蚓生物滤池在实现污泥减量化和稳定化的同时，对污泥的沉降、脱水性能均有一定程度的改善。

4 剩余污泥减量的负效应

剩余污泥减量技术可降低污泥的处理与处置费用、提高运行效率、降低环境负荷,但同时也会带来运行、环境方面的影响和费用，必须加以考虑。①污染物去除效果。污泥产量的减少使得污水中氮类物质的去除率降低，同时生物代谢也会向污水中释放氮，因此污泥减量会使氮类物质的去除效果降低，影响出水水质。②污泥性状。污泥减量技术会对物种的生长产生影响，改变污泥的形状，如：引起絮凝性差、丝状菌繁殖、污泥膨胀等使污泥沉降性能变差，因此，水质和污泥产量二者的平衡问题值得考虑。③耗氧量。对污染物的降解需要消耗氧，而污泥减量技术在减少污泥量的同时对氧气的消耗量增加了，因此能耗也有所上升。

5 结语

污泥产量的不断增加给其后续处理处置带来了沉重压力，污泥的减量化是解决污泥出路的最佳处置方法。污泥的产生是多种复杂过程综合的结果，各种技术途径各有其优缺点，综合考虑这些技术方法以及其相互作用，多种方法的联合处理可能是最适宜的。目前这些污泥减量化技术的机理和参数还需要进一步研究，出水质量还有待提高，随着这些问题的逐步解决，污泥减量工艺将得到更广泛的应用。