基于微生物代谢的活性污泥源头减量浅析
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摘 要：当前污泥量急剧增加，关于污泥处理的相关标准日益严格，污泥处理成本又高，污泥减量化迫在眉睫。该文从污水生物处理中剩余污泥的产生途径、微生物代谢原理2个方面提出了实现污泥源头减量的方法，即降低细菌的净合成量以及增加微生物的自身氧化速率，具体介绍了解偶联技术、隐性生长技术、延长污泥龄技术，并介绍了污泥减量技术的发展。
关键词：污泥减量;微生物代谢;内源代谢;解偶联;延长污泥龄;隐性生长
中图分类号：X703 文献标志码：A
0 引言
传统的剩余活性污泥处理与处置技术主要为先进行浓缩、稳定、脱水等预处理，之后再进行土地利用、填埋和焚烧等最终处置。这类技术方法初期投资和后期运行费用均较高，而且会带来二次污染。因此，剩余活性污泥问题应该从减少污泥的产生量的角度进行解决，而不是污泥产生后再进行处理。活性污泥源头减量是在保证污水处理系统的污水处理效果的前提下，通过适当的技术方法，最大程度地减少向外排放的污泥量，从而实现污泥的源头减量。另外，由于环境相关的法律、法规、标准对剩余活性污泥处置的要求越来越严格，因此研究活性污泥减量的方法是十分必要的。
1 活性污泥的组成
活性污泥主要由4个部分组成：①活性微生物群体，该群体具备极强的代谢功能;②微生物内源呼吸以及自身氧化过程的残余物;③吸附在污泥絮体上的难降解有机物;④吸附在污泥絮体上的无机物。活性污泥微生物群体主要为细菌，也存在真菌、原生动物以及后生动物等。这些微生物共同构成了一个相对稳定的生态系统。
2 微生物代谢与活性污泥的产生
微生物代谢是指维持生命和增殖过程进行的一系列化学反应过程，分为分解代谢和合成代谢两类。分解代谢即微生物通过氧化、酶降解等降解大分子有机物的过程;合成代谢即微生物利用营养物和分解代谢中释放的能量，进行还原吸热和酶的合成，微生物增殖的过程。这2个过程中，1/3可降解的有机物被活性污泥微生物氧化分解，产生无机物并释放能量，2/3可降解的有机物被微生物用于新细胞合成和自身增殖。增强维持代谢以及内源代谢，能够减少微生物细胞的合成和增殖，有利于污泥产量的减少。因此当微生物活性增强，微生物维持代谢耗能提高时，细胞合成量会减少，微生物利用自身细胞溶解产物进行新陈代谢时，污泥的产生量也会减少。微生物这种靠自身溶胞产物生长的方式即为内源呼吸代谢，其优势为外源底物最终被氧化生成二氧化碳和水，微生物增值量减少。溶胞除了可以维持微生物自身生长外，产生的基质供其他微生物利用，即为隐性生长。
污水的生物处理的实质即将微生物利用污水中污染物质作为生长的营养物，将其代谢、利用、转化，将高分子有机物降解为简单的有机物或无机物，从而使污水得到净化。剩余活性污泥包括微生物的净增殖、进水中的惰性有机物和无机颗粒。
3 基于微生物代谢的污泥减量的方法及原理
根据微生物代谢特性，生物处理污水过程剩余污泥的产量与合成代谢、内源呼吸和微型动物捕食细菌等有关。合成代谢使剩余污泥量增加，内源呼吸和捕食使剩余污泥的量减少。因此，剩余污泥减量可能通过以下途径来实现：（1） 降低细菌的净合成量;（2） 增加生物体的自身氧化速率。
3.1 降低细菌的净合成量
减少细胞物质的合成即增加维持代谢（抑制合成代谢）。细胞的增殖量与分解代谢产生的能量直接相关，但在存在质子载体、重金属、温度异常以及好氧一厌氧交替循环等情况时，可以实现分解代谢和合成代谢解偶联，即氧化底物的同时不大量合成ATP或者ATP在合成之后通过其他途径迅速释放，细菌在正常分解底物的同时，合成量减少，从而实现污泥减量。因此细胞物质合成的减少是通过解偶联实现的。
解偶联可细分为物质解偶联和能量解偶联。通常在如下情况下可能发生微生物解偶联：（1） 存在影响ATP合成的物质;（2） 存在过剩能量;（3） 非稳态生长;（4） 不适宜的温度下生长;（5） 有限制性基质的存在。前面4种是通过能量解偶联来实现污泥减量的，最后一种是通过物质解偶联来实现污泥减量的。因此减少细胞物质的合成可以通过解偶联实现的。根据解偶联的发生条件，有以下技术可以实现解偶联：（1） 投加解偶联剂;（2） 好氧—沉淀—厌氧工艺;（3） 高溶解氧工艺;（4） 高底物浓度/污泥浓度条件下的解偶联等。
该技术还存在一些问题：（1）该技术会影响污泥种群结构，进而影响污泥沉降性能;（2）污泥量减少，用于细胞合成的氮、磷量减少，影响氮磷的去除率;（3）解偶联剂会残留在处理出水中，对水环境和人体的影响不可低估。
3.2 增加生物体的自身氧化速率
3.2.1 延长污泥龄
内源代谢理论是通过延长泥龄和降低污泥负荷来实现污泥减量的。利用污泥龄的延长进行污泥减量的技术减量效果明显，而且无需改造现有装置。污泥表观产率和停留时间的关系说明污泥表观污泥产率系数与停留时间以及内源呼吸的关系很密切，通过提高污泥停留时间以及内源呼吸率可以降低表观污泥产率，进而实现污泥减量。膜生物反应器和生物膜法工艺中水力停留时间与污泥停留时间的是分离的，污泥龄提高，实现了污泥减量。传统的活性污泥法通过延长污泥龄可以实现污泥减量。
该技术也存在一些问题：（1）污泥量延长，除磷效果变差;（2）污泥龄长，耗氧量增加，成本上升。
3.2.2 通过溶胞强化细菌自身氧化速率
强化细菌隐性生长也能够实现污泥减量，隐性生长就是细菌利用衰亡细菌形成的二次基质进行生长的过程，包括了溶胞和生长。通过各种溶胞技术，使细菌迅速死亡并分解为基质被其他细菌利用，在污泥减量过程中应用广泛。溶胞的方法有很多种，物理法：（1） 热处理，通过加热加速细胞的溶解;（2） 超声波，通过超生波的作用，产生大量的空化气泡，气泡在破灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲，气泡周围微小空间内会产生高压、高温以及具有强烈冲击力的微射流，能够压碎细胞壁和釋放胞内物;（3） 机械压力，是将械压力用于污泥回流系统，压破细胞壁，释放胞内物质。化学法：（1） 臭氧氧化;（2） 投加氯气;（3） 酸碱作用。生物法：主要是投加可以分泌胞外酶的细菌，或者直接投加酶制剂、抗菌素等对细菌进行溶胞。
该技术也存在一些问题：（1）成本偏高，溶胞效率不高;（2）系统氮磷负荷增加;（3）系统内不能分解的惰性有机物增加，活性下降。
另外生物捕食也属于基于隐性生长的污泥减量的范畴，从生态学角度来说，系统内食物链越长，能量损耗越多，能够用于生物体合成的能量也就越少，因此，通过延长食物链、强化食物链中微型动物的捕食作用也可以实现污泥减量。
4 结语
利用微生物进行污泥减量，能耗低且不产生二次污染，但从微生物这一微观角度研究污泥减量还存在很多问题，如果不从根本上解决，就很难采用生物手段同时实现污水达标处理和污泥减量的目标。在污泥减量技术的研究中，应深入开展如下方面的研究。
（1）进一步研究解偶联技术的机理，研究不影响出水水质的解偶联技术。
（2）进一步研究微生物内源衰减机理。
参考文献
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