（市政工程专业论文）解偶联用于污泥减量化的技术与机理研究.pdf

解偶联用于污泥减量化的技术与机理研究 摘要 活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，但该法存在的 最大弊端就是在净化污水的同时会产生数量惊人的剩余污泥。另一方面，采用 填埋或焚烧的方法处置剩余污泥会引起诸多的二次污染问题。因此，解决这个 问题的根本途径不是在污泥大量产生后进行处理，而是从源头治理的思想出发， 在污水处理过程中最大限度的降低污泥产率，即采用各种污泥减量化技术。 “能量溅溢”理论表明，在某些特殊条件下，微生物会产生新陈代谢解偶 联，即分解代谢产生的能量不是完全用于合成代谢，而是有一部分发生溅溢， 从而用于合成代谢的能量减少，微生物产率大幅下降。本文对解偶联产生的条 件进行了总结分类，并选择向原有运行工艺中投加抑制剂和解偶联剂两种解偶 联方法进行污泥减量化的间歇性与连续性试验研究。 间歇性试验结果表明，在适当的投加量下，抑制剂c u 、z n 和解偶联剂d n p ( 2 , 4 一二硝基酚) 都能够有效地降低污泥的产率，但抑制剂对污水处理效果的 影响要远远大于解偶联剂。抑制性模型显示其抑制系数分别为l ，k 。= o - 3 9 1 k i z n = o 1 3 ，1 k i 、d n p = 0 0 5 ( 投加量小于8m g l ) ，1 k i 1( 投加量大于8 。连续性试验结果表明，能够在几乎, f l n 不p = 影0 响4 m g l ) 5m g ld n p s b r 处理效果的 情况下有效降低剩余污泥的产量，且在长期运行条件下没有失效迹象，为污水 处理厂剩余污泥的解决提供了新途径、新方法。 关键词：活性污泥，能量溅溢，抑制，解偶联，污泥减量化 m i n i m i z a t i o no fe x c e s ss l u d g ep r o d u c t i o nb y m e t a b o l i s m u n c o u p l i n g a b s t r a c t a e t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sh a sb e e nw i d e l ya d a p t e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w h i c ha l s o g e n e r a t e sal a r g eq u a n t i t yo f e x c e s ss l u d g ed a i l ya sab y p r o d u c t f u r t h e r m o r e ，t h eu l t i m a t e d i s p o s a l o fe x c e s s s l u d g eb y l a n d f i l lo ri n c i n e r a t i o n m a y c r e a t es e v e r e s e c o n d a r y e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n s oh o wt od e a lw i t ht h ee x c e s ss l u d g eh a sb e c o m ea l lu r g e n t p r o b l e m t ob es o l v e d i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m a ni d e a ls o l u t i o nm a yb et om i n i m i z et h ee x c e s ss l u d g e p r o d u c t i o nd u r i n g t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t i nl i g h to fan e w l yd e v e l o p e dt h e o r yo f m e t a b o l i s mu n c o u p l i n g ，e a t a b o l i s mc o u l db eu n c o u p l e dw i t ha n a b o l i s mu n d e rp a r t i c u l a r c o n d i t i o n s ，t h e r e b yr e s u l t i n gi ne n e r g ys p i l l i n g t h ed i s s i p a t e de n e r g yc a l ln o tb ea v a i l a b l e f o ra n a b o l i s ms ot h a tt h es l u d g eg r o w t hw i l lb e1 i m i t e d t h em e t h o d sd e v e l o p e df r o mt h e m e t a b o l i s mu n c o u p l i n gh a v eb e e nc o n c l u d e di nt h i s p a r ) e l i nv i e wo ft h ee n g i n e e r i n g f e a s i b i l i t yo f t h e s em e t h o d s ，t h eu t i l i z a t i o no f r e a g e n tp r o v i d e sap r o m i s i n gw a y t od e c r e a s e t h ea m o u n to f e x c e s ss l u d g e t w o t y p e so f r e a g e n tw e r es e l e c t e d ，o n ew a si n h i b i t o r ，a n dt h e o t h e rw a s u n c o u p l e r i n h i b i t o rc u z n - a n du n c o u p l e r2 ，4 - d i n i t r o p h e n o l ( d n p ) c o n t a i n i n gs h o r t t e r mb a t c h e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e yb o t hc a nr e d u c et h es l u d g ey i e l de f f e c t i v e l y b u tt h ei n v e r s e e f f e c tt ot h ee f f l u e n to fi n h i b i t o rw a sm u c hg r e a t e rt h a n u n c o u p l e r t h e i r t h i b i t o r t o e f f i c i e n t sw e r e1 k i ，c f o 3 9 ，1 k i ，z n = o 1 3 ，1 k i 。d s p = o 0 5 ( c o n c e n t r a t i o nl e s st h a n8 m g l ) ， 1 k i d n p = 0 1 4 ( c o n c e n t r a t i o nm o r et h a n8r a g l ) ，r e s p e c t i v e l y t h e7 0 d a y o p e r a t i o no f s b rw i t h5m g ld n pa d d i t i o ns h o w e dt h a tt h ee x c e s ss l u d g ep r o d u c t i o nc o u l db eg r e a t l y d e c r e a s e da n dt b ee 衄u e n tw a sa f f e c t e ds l i 曲f l y k e y w o r d s a c t i v a t e 81 l u d g e ，e n e r g ys p i l l i n g , i n h i b i t i o n ，m e t a b o l i s mu n c o u p l i n g ，s l u d g e m l n l m l z a t l o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 主席：仑k 奔聿围料孛书苦磁荪撂 委员： m 习吲铀眵以参乎蝴 ，孕兹撤易六参酬教覆 导师：7 豸f 吆 插图清单 图1 1臭氧污泥减量技术的工艺流程图 图1 2 臭氧作用下生物分解原理图 图l 一3 延时曝气活性污泥工艺流程示意图 图1 4 嗜热菌污泥减量技术的工艺流程图 图1 5两段式活性污泥法工艺流程图 图2 1 微生物新陈代谢示意图 图2 2a t p 和a d p 相互转化示意图 图2 3 微生物新陈代谢能量流动示意图 图3 ，1间歇实验反应装置示意图 图3 2 不同浓度的c u 2 + 作用下c o d 随时间的变化趋势 图3 3c o d 去除率与c u 2 十浓度的关系 图3 - 4 p o 、q q o 与c u 2 + 浓度的关系 图3 - 5 污泥产率与c u ”浓度的关系 图3 - 6 不同浓度z n 2 + 作用下c o d 随时间的变化趋势 图3 7c o d 去除率与z n 2 + 浓度的关系 图3 - 8 叭l o 、q q o 与z n 2 + 浓度的关系 图3 - 9 污泥产率与z n ”浓度的关系 图3 - 1 0 不同的d n p 投加量下c 0 1 9 随时间的变化趋势 图3 11c o d 去除率随d n p 浓度增加的变化趋势 图3 - 1 2 d n p 浓度对t o 、q q o 的影响 图3 1 3 污泥产率随d n p 浓度增加的变化趋势 图4 - lc u ”和z n ”的抑制常数 图4 2d n p 的抑制常数 图4 3 m o 、q q o 综合比较分析图 图4 - 4 三种药剂作用下的微生物解偶联系数 图5 - 1s b r 反应器装置示意图 图5 2 o u r 测定装置示意图 图5 3lm g ld n p 作用下s b r 反应器r l 、r 2 的剩余污泥累积量 图5 41m g ld n p 作用下r l 和r 2 反应器的处理效果对比图 图5 5 r 1 、r 2 反应器的污泥活性及沉降性能 图5 - 6 5 m g ld n p 作用下s b r 反应器r 1 、r 2 的剩余污泥累积量 图5 75m g ld n p 作用下r 1 和r 2 反应器的处理效果对比图 图5 - 85m g l d n p 作用下r l 、r 2 反应器的污泥活性及沉降性能 图5 9 投加d n p 反应器中菌胶团及钟虫的显微镜照片卫卫一一他”侈如烈丝砣抖m西巧引弛弭”拍”粥钏私甜 表格清单 表3 1人工配制培养用水的组分与浓度 表4 一l 铜、锌及d n p 的c i ，5 0 值的比较 表5 一l 1 m g ld n p 作用下污泥减量化效果的长效性分析 表5 - 2 5 m g ld n p 作用下污泥减量化效果的长效性分析 1 7 3 2 4 l 4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方乡卜，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒胆兰些太堂 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：务鹏鸬签字日期：解彳月，目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些本堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阕。本人授权盒毽王些鑫堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：磊冲岛伪 签字日期：如劣年审月r 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位二 通讯地址： 导师签名：稚礴 签字目期：、o 年午月j 日 电话： 邮编： 致谢 在将近三年的学习生活中，作者在导师徐得潜教授的悉心指导和帮助下， 各方面都取得了很大的进步。导师扎实深厚的理论知识t 严谨求实的治学态度， 诲人不倦的良好风范，将深深的影响作者一生。在对学 - - j 和科研严格要求的同 时，徐老师对学生生活的其他方面也给予了无微不至的关怀和照顾，在此，作 者表示深深的感谢。 本论文的完成得到了中国科学技术大学环境工程实验室俞汉青老师的大力 支持和帮助。从论文的选题到实验环境的提供，俞老师都给予了很大的帮助， 在此作者对俞老师也表示深深的感谢。 另外论文的完成还得到了土木建筑工程学院陈慧老师、何燕萍老师的大力 支持和帮助，感谢她们细致耐心的指导。 此外，要深深的感谢师姐陈国炜，本论文的所有试验都是和她共同完成的， 感谢她给予我亲如姐妹般的关怀和照顾。 感谢所有支持和帮助我的朋友及家人! 作者：席鹏鸽 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 污泥减量化研究的意义和目的 活性污泥法广泛地应用于城市污水和生活污水的处理中，目前世界上有 8 0 的城市污水处理厂使用这种方法，而在我国采用活性污泥法的占到8 5 以 上。但是，这种工艺的最大弊端就是在净化污水的同时会产生数量惊人的剩 余污泥，其数量一般约占处理水量的o 3 0 5 左右( 体积百分比) ，如果进行 深度处理，污泥量还将增加0 5 1 0 倍1 2 】。对于一个污水处理厂而言，它的全部 基建费用中，用于污泥处理的约占2 0 5 0 ，有的甚至高达7 0 口j 。在传统活 性污泥法中，每降解1 k g b o d 5 会产生大约1 5 1 0 0l 的剩余污泥，用于处理或 处置剩余污泥的费用约占污水处理总费用的2 5 - 6 5 【j j 。而随着一些新环境法 的颁布和实施，对污水处理要求的深度和广度都大幅增加，必然会导致剩余污 泥的产量越来越大，如：新欧洲联盟法的颁布和实施将直接导致欧洲2 0 0 5 年的 污泥产量达到2 0 0 3 年污泥产量的一倍之多【4 】。目前世界上年产污泥量已达到 1 o x l 0 8 t ，我国也已达到了9 o 1 0 6 t 【“。这些污泥一般富含有机物、病菌等，若 不加处理随意堆放，将对周围环境产生新的污染。因此，无论从污染物净化的 完善程度废水处理技术开发中的重要性及投资比例，污泥处理都占有十分重 要的地位。 污泥的处理和处置，就是要通过适当的技术措施，使污泥得到再利用或以 某种不损害环境的形式重新返回到自然环境中。常用的污泥处置方法有：农业 利用、填埋、焚烧和投放远洋等1 6 】，但这些处置方法无一例外地都存在弊端。 如污泥中重金属的含量通常超过农用污泥重金属最高限量的规定，尤其是现代 工业的快速发展，使污泥中重金属含量和有毒有害物质增加，大大降低了农用 的可能f 6 j 。此外，污泥中还含有病原体、寄生虫卵等，如果农业利用不当，将 对人类的健康造成严重的危害。填埋处置容易对地下水造成污染，同时大量占 用土地。焚烧处置虽然可以使污泥体积大幅减小，且可灭菌，但焚烧设备的投 资和运行费用都比较大【7 】。投放远洋虽然在短期内可以避免海岸线及近海受到 污染，但其长期危害可能非常严重，因此，已被世界上大多数国家所禁用【3 。 近年来，人们正在寻找新的方法阻解决污泥的处置问题，如草地利用1 5 等。而 且随着人们环保意识的增强，世界各国对于污泥排放所制定的标准越来越严格， 这也将进一步加大污泥的处置费用和难度。 剩余污泥的处理和处置不仅给污水处理厂带来沉重的负担，而且也成为各 国政府和民众密切关注的问题。因此，解决剩余污泥问题已迫在眉睫。这个f o l 题的解决无非有两条途径，是为污泥提供更多的出路，但这只是治标，并且 随着污泥量的迅速增加，污泥的产出与处置间的矛盾会日益尖锐，所以并非长 远之策。另一途径则是从源头治理的思想出发，采用污泥减量化技术，即在污 水处理的过程中最大限度减少剩余污泥的产生量，这才是治本之策。显而易见， 研究污泥减量化技术，在不降低污水处理效果的同时产生最少量的剩余污泥， 有着非常显著的社会效益和经济效益。 1 2 污泥减量化技术概述 目前用于污泥减量化的技术主要有：( 1 ) 通过溶胞强化细菌自身的氧化速 率，从而使整个系统的剩余污泥量得以削减，如臭氧联合活性污泥工艺、加氯、 加碱等【7j i ”；( 2 ) 利用微生物的表观增长率与污泥龄成反比的关系，采用延时 曝气等方法来降低污泥产率【9 】；( 3 ) 采用生物法来减少剩余污泥的产生量，如 微型动物捕食法等口0 1 。这些方法都有各自的优缺点，现将其代表工艺简介如下： 1 臭氧联合活性污泥工艺 8 】。臭氧联合活性污泥工艺的原理是在普通活性 污泥法处理工艺中增设臭氧氧化池，回流污泥在臭氧氧化池中，由于臭氧的作 用使其液化，污泥量减少。液化物返回到曝气池成为微生物的基质，一部分矿 化，整个处理系统的剩余污泥量得以削减。工艺流程如图1 1 。 原废水 图l - 1 臭氧污泥减量技术的工艺流程图 处理水 由臭氧提高污泥生物分解性的概念如图i - 2 。用臭氧对污泥进行处理，细 菌被杀死，细胞壁被破坏，细胞质溶出，菌体内的多糖类及细胞质成分被转化 成特别容易生物降解的分子【引。 图i - 2 臭氧作用下生物分解原理图 目前的研究表明，增加臭氧氧化对出水的水质没有明显的影响，但是可以 有效的改善污泥的沉降性能，因此臭氧联合活性污泥工艺是一种能够减少剩余 污泥产量并且改善污泥沉淀性能的有效技术。但研究也同时表明，污泥的减少 量与臭氧的投加量成正比，臭氧发生器不仅价格昂贵，而且电力消耗也比较大， 2 这一点无疑增大了污水处理的费用。臭氧投加量的增加在减少污泥量的同时， 也影响了污泥活性，尤其是消化活性，试验表明，当臭氧投加量大于2 0 m g g m l v s s 时，污泥消化活性明显下降，处理水的溶解性t o c 和c o d 也有所 增加【2 1 。因此，既要减少剩余污泥产量，又要维持处理系统高的净化度，同时 还要考虑经济因素，就必须根据实际情况严格控制臭氧的投加量。 2 延时曝气活性污泥法【9 1 。又名完全氧化活性污泥法，是4 0 年代末期为 了解决剩余污泥的处置问题而发展起来的一种新型工艺。由于它剩余污泥量少， 而且出水水质稳定，5 0 年代初便在美国得到广泛应用。基本工艺流程同传统活 性污泥法类似( 如图】一3 ) ，只是曝气池的体积更大。 延时曝气活性污泥法的基本原理是根据微生物的表观增长率与污泥龄呈反 比关系，采用延时曝气工艺提高污泥龄，使污泥在曝气池内长期处于内源呼吸 期，从而达到降低污泥产率的目的【7 】。 延时曝气活性污泥法中的污泥在曝气池内长期处于内源呼吸期，剩余污泥 量少且稳定，无需再进行厌氧消化处理，因此，也可以说这种工艺是废水、污 泥综合处理设备。此外，本工艺还具有处理水质稳定性较高，对原污水水质、 水量变化有较强的适应性，无需设初次沉淀池等优点。但是该工艺也有着无法 克服的缺点，由于该工艺的曝气反应时间长，一般多在2 4 h 以上，所以耗氧量 增大，池容大，基建费和运行费用都较高，并且占用大量的土地面积，经济性 较差。 原废水 沉淀池 图1 3延时曝气活性污泥工艺流程示意图 处理水 3 生物 n 0 9 减量技术8 l f 9 】【10 1 。污泥生物法减量技术中，目前研究最多也最 有实用价值的是利用嗜热性细菌或微型动物( 如：麋生动物、后生动物等) 来 减少剩余污泥量。以下是这两种技术的简介： ( 1 ) 利用嗜热性细菌的污泥生物法减量技术【8 1 。该法是将一部分回流污 泥流入消化池，消化池的温度维持在6 5 。c 左右，使嗜热菌大量繁殖。由于嗜 热菌能分泌胞外酶，使一部分污泥液化( 可溶化) ，一部分污泥无机化，然后再 回流到曝气池中成为活性污泥的基质，从而降低剩余污泥的产量。工艺流程如 图1 4 。 原废水 图1 4 嗜热菌污泥减量技术的工艺流程图 处理水 利用嗜热菌降低污泥产量，b o d 5 、t n 、t p 的去除效率没有明显变化，但 处理水中溶解性t o c 比标准活性污泥法有所增加，原因是污泥经可溶化处理 后，生成了一部分难生物降解的物质。而且本法与标准活性污泥法相比，需要 增加维持消化池温度的能耗和曝气动力。 ( 2 ) 利用微型动物的生物法污泥减量化技术【9 j 【m j 。该法是根据生态学的 理论，即食物链越长，能量在传递过程中被消耗的比例就越大，最终在系统中 存在的生物量就越少。将该理论应用于活性污泥法，便产生了两段式活性污泥 工艺】，它由第一阶段的分散培养反应器r 1 和第二阶段的捕食反应器r 2 组成。 r 1 中无回流污泥且停留时间较短，利用污水中丰富的有机物刺激细菌的快速增 长繁殖，此反应器中细菌呈分散而不是菌胶团状。r 2 反应器专为捕食设计，此 段污泥龄较长，有着适合微型动物增值的环境条件，且分散状的细菌为微型动 物的生长提供了更适宜韵条件。工艺流程如图1 5 。 该工艺除了利用分散细菌去除有机物的能力外，大量原生动物对细菌的捕 食有利于提高出永水质，并可减少污泥量。但必须严格控制反应条件，才能培 养更多的微型动物，有效减少剩余污泥量，而且由于捕食器中微型动物的新陈 代谢，大量的硝酸盐和磷酸盐被释放出来，从而降低了处理水的水质，此外， 研究还发现该工艺需要较高的溶解氧，增加了能耗。 进水 名文。妙弋 f 。 l 分散培养反应器 捕食反应器 图l - 5 两段式活性污泥法工艺流程图 出水 除此之外，还有利用高纯氧曝气等各种污泥减量化方法，虽然这些方法都 能在一定程度上减少剩余污泥量，但也都存在各种缺点，或需要大量的能量供 4 给，或需要严格的条件控制，或需要改造原有的运行工艺，因此在一定程度上 限制了它们的推广和应用。同以上各种方法相比，在“能量溅溢”理论基础上 发展起来的解偶联方法 3 】【1 2 1 展示了诱人的经济前景和工程可行性，引起了人们 的关注和研究。 1 3 解偶联用于活性污泥减量化的发展概述 解偶联从根本上说是通过化学药剂或外界环境的作用使微生物分解代谢和 合成代谢的能量分离，分解代谢产生的能量在传递过程中产生溅溢，不能完全 用于合成代谢，从而降低污泥的产量，实现污泥减量化的目的。 最初，人们认为合成代谢和分解代谢是偶联的【1 ”，分解代谢产生的能量全 部用于合成代谢，即微生物是没有其他能量需求的，合成代谢的能量也就是初 始基质中的有效能量与所形成的细胞物质中的能量之差【i “。因此，根据理论推 算，每消耗3 0 0 0 1 t m o l 的a t p ( a d e n o s i n et r i p h o s p h a t e ，三磷酸腺苷，分解代谢 的能量贮存在其中) 会生成1 0 0m g 干细胞，但实际观察到的产量却明显低于 理论估计值1 5 1 。 1 9 6 5 年，p i r t 提出了维持能理论i l6 】来解释这一现象。根据维持能理论，微 生物不仅将分解代谢产生的能量用于合成代谢，而且还会将部分分解代谢产生 的能量用于维持微生物生命功能。微生物所需的与生长无关的能量被归结为微 生物自身的维持作用，包括细胞物质的周转、活性运输、运动等【 l 。这部分基 质消耗产生的能量不用于合成新的细胞物质，因此污泥的产量和维持代谢的活 性呈负相关。 但是，近年来大量研究表明，在底物充足条件下，污泥产率随着底物浓度 的增加而减少1 8 1 19 1 ，维持能理论对此无法给出合理解释 2 0 1 2 1 1 。1 9 9 0 年t s a i 等 引入了底物过度利用的概念来分析这种现象1 2 2 】。c o o k 等也于1 9 9 5 年发现在氯 霉素作用下的链球菌并不生长，但是对葡萄糖的降解量仍然能够维持在其对数 生长期所消耗能量的1 1 3 左右，而维持能理论同样不能够合理解释丢失的能量， 从而推断微生物存在其他机理来消耗能量，并将这部分能量消耗称为能量溅溢， 还进步指出非生长相关的能量溅溢是维持能的1 0 倍1 23 1 。通常情况下，溅溢 的能量用于热量散失、其他途径代谢、其他多聚物或分泌物的生成 2 。正是这 部分溅溢的能量使得微生物的分解代谢和合成代谢之间发生解偶联，从而大幅 减少了微生物的产量。 能量溅溢理论的发现，使人们找到了一条新的实现微生物减量的途径，从 而引起了人们的广泛关注和研究。已有研究证实，在某些特殊条件下，纯种的 微生物如大肠杆菌等会产生新陈代谢解偶联，由于解偶联而导致的能量散失甚 至高达1 9 2 5 0 8 1 2 卅【2 ”。但是，活性污泥作为一个由多种细菌、真菌、原生动 物和后生动物组成的复杂微生物群体，在同样的特殊条件作用下连续培养是否 会具有类似的效果，就必须通过试验加以研究和证明。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题在能量溅溢理论的基础上，分析总结了微生物新陈代谢解偶联产生 的机理和条件，并通过试验验证了投加解偶联剂对活性污泥运行工艺的减量化 效果。主要内容包括： ( 1 ) 研究两种不同类型解偶联作用的污泥减量化效果。包括对污泥产率的 降低程度和对活性污泥工艺去除效率的影响。在此基础上筛选出相对有效的解 偶联剂种类，并确定了最佳的投加量。 ( 2 ) 探讨解偶联剂对活性污泥工艺的长效性影响。在间歇性试验研究的基 础上，选择最有效的解偶联剂进行对s b r 工艺的长效性影响研究。包括长期运 行条件下解偶联剂对系统的污泥减量效果和处理效果的影响以及活性污泥微 生物对解偶联荆的适应性与驯化性研究。 ( 3 ) 分析解偶联作用的机理和对生物的抑制性。在m o n o d 方程的基础上， 分析研究了解偶联作用对活性污泥微生物生长动力学的影响，推导了活性污泥 微生物生长抑制性动力学模型，并计算了不同药剂对活性污泥微生物的抑制系 数。建立解偶联作用的定量评价标准解偶联系数e u 。 6 第二章解偶联用于污泥减量化的机理研究 2 1 微生物的新陈代谢 微生物在生命活动中，从外界环境中摄取营养物质，通过生物酶催化的 系列复杂的生物化学反应提供能量，并不断进行着生长繁殖和自我更新，同时 向外界环境排泄废物。这个过程简称为微生物的新陈代谢。新陈代谢大体上分 为两大类：分解代谢和合成代谒严”。 分解代谢，或称异化作用，是新陈代谢的基础。生物体从外界周围环境中 摄取营养物质进入体内后，通过分解代谢活动，一方面使得复杂的高分子物质 或高能化合物( 如大分子有机物) 降解为简单的低分子物质或低能化合物；另 一方面，在代谢过程中，将高能化合物中所含的能量逐级释放出来。因此，分 解代谢是指微生物降解有机物并释放能量的过程【2 7 】。合成代谢，或称同化作用， 是微生物利用分解代谢产生的能量和有机小分子合成微生物细胞的过程 2 ”。这 个过程生物体需要吸收能量，为吸能反应。这两种代谢在生命体的生命活动中， 不是单独进行的，而是相互依赖，密切配合，共同进行，分解代谢为合成代谢 提供物质基础和能量，而合成代谢为进一步的分解代谢提供条件，从而构成了 一个有机结合的新陈代谢体系 2 ”。概括如图： 物质分解反应一一将营养物 质和细胞物质等分解的过程 释放能量 物质合成反应一一将营养物 质等转变为机体组分的过程 吸收能量 图2 1微生物新陈代谢示意图 2 1 1 新陈代谢的营养物质 新陈代谢的第一步是摄取营养物。所需营养物的种类和数量需要根据微生 物的化学组成、元素比例及生理特性而定。现在普遍认为，活性污泥中微生物 的代表性分子式为c s h t 0 2 n 【i 引。所以说，微生物所需的营养物质最主要的是碳 源、氮源以及生命活动必不可少的水分，此外，还有p 、s 、k 、n a 等常量元素 和一些微量元素，有些微生物还需要提供生长因子。其中，碳源和氮源不仅是 微生物细胞组成的原料，更是微生物生命活动所需能量的来源。 2 1 2 新陈代谢中的能量代谢 微生物的新陈代谢要正常进行，除了上述所必需的营养物质之外，还需要 合成细胞组分及维持生命活动所需要的能量。生命体系最基本的特征之一是能 够转变能量和利用能量。微生物细胞的各项运动，如物质运输、基团转位、促 进扩散、细胞分裂和鞭毛运动等都要利用能量f 2 引。热力学笫一定律指出，能量 既不能创生，也不能消灭，只能从一种形式转变成另种形式。微生物生命活 动所需要的化学能是由微生物对环境所提供的能源( 或本身储存的能源) 进行 能量形式的转变而获得的。微生物体内的这种能量转变过程称为微生物的能量 代谢f 2 引。 1 、微生物的能量代谢。微生物的能量代谢是通过微生物体内的生物氧化反 应来实现的。生物氧化不同于普通的氧化反应【2 ”。首先，它们是一系列酶在温 和的条件下按一定次序催化；第二，氧化反应放能是分段逐级进行的：第三， 氧化反应释放的能量一部分以化学能的形式储存在能量载体内。一般而言，不 管各类微生物用哪种方式获得能量，它们都是先将这些能量转换成a t p 。当需 要能量时，a t p 分子上的高能键水解，将储存在高能键上的能量释放出来。这 些能量既可用来参与许多合成反应，又可用于克服渗透压的障碍及物质运输等 方面，几乎是生物组织细胞能够直接利用的唯一能源【28 1 ，因此a t p 对于微生物 的生命活动具有重大的意义。生物体能量代谢的实质主要就是a t p 的生成和利 用问题。 2 、a t p 的生成与利用。a t p 是由二磷酸腺菅a d p ( a d e n o s i n ed i p h o s p h a t e ) 与分解代谢所产生的能量以及一个磷酸根结合而生成的【29 1 ，即： 分解代谢释放的能量+ a d p + p i _ a t p( 2 1 ) 微生物将a d p 合成a t p 的方式有两种：一是底物水平磷酸化( s u b s t r a t e 1 e v e l p h o s p h o r y l a t i o n ) 3 0 1 。底物分子中的能量直接以高能键形式转移给a d p 生成 a t p ，这个过程称为底物水平磷酸化，只有少量a t p 通过这种方式生成。二是 氧化磷酸化( o x i d a t i v ep h o s p h o r y a t i o n ) ，又称电予传递磷酸化 3 0 l 。在微生物体内 的生物氧化反应中，电子由底物通过一系列的电子载体被转给分子氧或其他有 机分子，当电子从一个电子载体转移到下一个电子载体时，能量被释放，这些 被释放的能量与a d p 结合生成a t p ，这就是氧化磷酸化。其中，氧化和磷酸化 是两个不同的概念。氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指a d p 与 p i 合成a t p 的过程。大量a t p 是在氧化磷酸化过程中产生的。 当a t p 提供能量时，会发生上述反应( 2 1 ) 的逆反应【29 1 ，即： a t p _ 合成代谢所需的能量+ a d p + p i( 2 2 ) 当发生此反应时，a t p 分子远端的磷酸基团水解成为无机磷酸分子，a t p 分子 失掉一个磷酸基团而变为a d p 。a d p 在捕获能量的前提下，再与无机磷酸结合 形成a t p 。正是a t p 和a d p 的往复循环完成了能量在细胞内的储存和利用。 a t p 作为生物体内能量的贮存中心，处于动态平衡的不断周转之中，如图所示 a d p a t p 能量 h a p 0 4 ( p 0 图2 - 2a t p 和a d p 相互转化示意图 2 2 微生物的能量消耗 2 2 1合成代谢的能量消耗 如上所述，合成代谢是微生物利用分解代谢产生的能量和有机小分子合成 新的微生物细胞，实现自我繁殖和生长的过程。合成所用的能量代表了微生物 合成新细胞物质所需要的能量。在没有其他能量需求时，合成所用能量就是初 始基质中的有效能量与所形成的细胞物质中的能量之差，即可以表示为初始基 质的c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d 化学需氧量) 与所形成的细胞c o d 之 差【1 4 】。也就是说，微生物分解代谢所产生的能量全部用于合成代谢。因此，理 想状态下，初始基质中的有效能量与细胞的增长是密切相关的，并可以通过热 力学理论预测两者之间的关系。 当所有可用的能量都用于合成时，去除单位基质所生成的细胞物质的量称 之为理论生长比率，并可| ：i 表示为去除单位基质c o d 所产生的细胞c o d i h j 。 而在生物处理中，单位基质实际生成的生物量，称为实际生长比率。理论生长 比率通常远远大于实际生长比率。因为合成所用能量并不是微生物唯一的能量 需求，它们也需要维持能。 2 2 2 维持能的消耗 细胞过程，不论是机械的还是化学的，都需要能量来实现。除非提供有效 的能量供给，否则这些必不可少的过程就会停止，细胞就会瓦解和死亡。机械 过程包括游动、渗透调节、分子迁移、离子梯度的维持和一些真核生物的胞质 流动1 2 “。尽管对于微生物是否能够游动存在争论，但是这种争论不是针对所有 微生物，因为有些微生物需要游动去寻找食物。渗透调节对所有细胞都是颇为 重要的，甚至对那些受硬质胞壁保护的细胞。微生物细胞存在泵机理，例如伸 缩泡，能够抵消渗透压作用，迫使水进入细胞内。细胞膜对于许多小分子例如 9 氨基酸都是渗透性的，因为在细胞内部浓度高，这些小分子就会趋向扩散到介 质中去，主动运输机理将这些分子带进细胞，抵消浓度梯度。类似的机理对于 维持细胞膜内外离子梯度也是必不可少的，这种梯度与负责合成a t p 的质子传 递动力密切相连。维持这种离子梯度被认为是维持能的主要消耗所在。最后， 真核生物内的胞质流动和物质运动往往是发挥其正常功能所要求的，也需要能 量。 化学因素也需要维持能。微生物细胞代表着化学组织，细胞内的许多成分 与形成他们的原始基质相比具有更高的自由能。一般情况下，由于这种组织， 必定需要能量以克服正常的无序趋势，也就是要克服熵。需要维持能的化学过 程是那些包括诸如细胞壁、鞭毛、细胞膜以及分解代谢结构等的再合成过程口。 那么微生物用什么能源供给维持能呢? 这个问题的答案在于微生物的生长 条件。假如有外部能量供给，微生物会将分解代谢的一部分能量首先用于满足 对维持能的需求，其余的能量将用于合成。当熊量供给速率降低时，可用于合 成的有效能量会越来越少，微生物的生长比率也随之减少。当能量供给速率和 必须的维持能正好达到平衡时，则不再有净生长，因为所有的有效能量都用于 维持现状。如果能量供给速率进一步降低，则供给速率和维持能所需求之差将 由细胞内部有效能源的降解来满足，既由内源代谢来满足。这将会导致细胞质 量发生衰减。最后，假如没有外部能源可以利用，所有维持能需求必须由内源 代谢来满足。当全部内源能量都被耗尽时，细胞就会退化和死亡，或进入休眠 状态。 维持能消耗越多，用于合成的能量就越少，降解单位基质所形成的微生物 量就越少。当然，其他因素也会造成这种差异，如捕食作用的影响、溶胞、死 亡。这些被统称为“微生物衰减”【1 4 】。 2 2 3能量溅溢与解偶联 在正常情况下，微生物的分解代谢、合成代谢以及能量代谢中的氧化磷酸 化是对立统一、相互耦合的【l 引。微生物通过分解代谢氧化底物，释放的能量通 过磷酸化作用贮存在a t p 中，然后a t p 的能量用于合成代谢和维持能。所以 维持能消耗越多，用于合成的能量就越少，降解单位基质所形成的微生物量就 越少。正是维持能的提出很好地解释了为什么实际观察到的微生物增长量明显 低于理论估计值。但是，近年来大量研究表明，在些特殊情况下，如高负荷、 不适宜的温度、投加化学解偶联剂等，微生物的增长量与底物浓度的关系用维 持能理论也无法台理的解释。1 9 9 0 年t s a i 等引入了底物过度利用的概念来分析 这种现象1 2 。c o o k 等也于1 9 9 5 年发现在氯霉素作用下的链球菌并不生长，但 是对葡萄糖的降解量仍然能够维持在其对数生长期所消耗能量的i 3 左右，而 维持能理论同样不能够合理解释丢失的能量，从而推断微生物存在其他机理来 o 消耗能量，并将这部分能量消耗称为“能量溅溢”，还进一步指出非生长帽关的 能量溅溢是维持能的1 0 倍f ”1 。通常情况下，溅溢的能量用于热量散失、其他 途径代谢、其他多聚物或分泌物的生成等【m 1 。正是这部分溅溢的能量使得微生 物的增长量大幅减少，导致维持能无法解释其底物降解与微生物增长量的关系。 “能量溅溢”理论认为微生物之所以在异常条件下发生能量溅溢，是由于 微生物产生了新陈代谢解偶联，即微生物的合成代谢和分解代谢产生解偶联。 进一步的研究分析表明，在某些特殊情况下，如：投加化学解偶联剂等，新陈 代谢解偶联的本质是使能量传递中的氧化磷酸化产生了解偶联，从而使氧化释 放的能量没有完全用于磷酸化去合成a t p ，而是部分产生溅溢，从而导致合成 代谢可以利用的能量减少，微生物增长量减少。 正常情况下，氧化与磷酸化是紧密地偶联在一起的，其偶联机理是目前广 为认可的英国生化学家m i t c h e l l 于1 9 6 1 年提出的化学渗透学说( c h e m i o s m o t i c h y p o t h e s i s ) 。根据“化学渗透学”观点【3 ”，生成a t p 的氧化与磷酸化之间起偶 联作用的因素是h + 的跨膜梯度。即在微生物体内，氧化过程中释放的能量不断 地将细胞内的h + 逆浓度梯度泵出细胞膜，而由于细胞膜的选择性，h + 不能自由 透过细胞膜，于是在细胞膜两侧形成一个质子跨膜梯度。细胞膜外的h + 只有通 过一个特异的质子通道才能顺着h + 浓度梯度进入细胞内，h + 顺浓度梯度方向运 动所释放的自由能使a d p 和p i 结合生成a t p ，所以说，生成a t p 的氧化与磷 酸化之间起偶联作用的因素是h + 的跨膜梯度。解偶联剂可以增强细胞膜对h + 的通透性，促进h + 被动扩散通过细胞膜，消除细胞膜两侧的质子梯度，所以不 能再合成a t p 。即氧化和磷酸化之间存在的偶联关系，可以通过投加解偶联剂 使其脱偶联，氧化反应仍可以进行，而磷酸化反应不能进行，从而导致合成代 谢无法进行，所以微生物产率大幅度减小。 微生物的能量代谢和利用的基本途径如下图所示： 图2 - 3 微生物新陈代谢能量流动示意图 2 3 污泥减量化与解偶联 2 3 1污泥减量化的评价和分析 活性污泥作为活性污泥法处理系统的工作主体，是指由细菌、微型动物为 主的微生物和其他的悬浮物质、胶体物质混合在一起的具有良好沉降性能的絮 状体。从本质上说，活性污泥法处理废水主要是利用活性污泥微生物的新陈代 谢功能，即活性污泥微生物以废水中的污染物质作为生长的碳源和( 或) 能源t 将污染物质从废水中去除，将其转化c 0 2 和其他无毒形式，而自身也形成新的 细胞物质。因此。适用于纯种微生物的能量溅溢解偶联降低产率的方法，从理 论上分析也可以用于活性污泥微生物，使污水处理实现污泥减量化的目标。 根据2 2 节微生物新陈代谢的能量分析表明，活性污泥法中被降解的基质 ( 心) 可以分为三部分：一部分基质用于细胞生长( a s ) ；一部分基质用于 维持能( 鼠，) ；而在解偶联的情况下，还有一部分基质被用于产生能量溅溢， 以热量的形式散失( ) 3 2 】【3 3 1 。可用下式表示： 醚= a s + 蜗m 七蝎； ( 2 3 1 从( 2 3 ) 式可以看出，如果用于维持能和能量溅溢的能量增加，那么在总的基 质一定的情况下，用于细胞生长的基质将减少。( 2 3 ) 式反映了底物中的能量 分配情况。 根据l i u 的理论口2 【33 1 ，我们可以假设微生物的表观增量为a x ，本质上， 如果基质降解的能量全部用于微生物生长，则微生物的理论增量为a x ，而实 际中由于维持能导致微生物衰减部分为) ( 。，由于能量溅溢导致微生物生长量 减少的部分为a x 。所以： 娃= 馘 一娃m 一娃s t 2 4 ) 同( 2 3 ) 式相类似，( 2 4 ) 式中如果由于维持能和能量溅溢导致微生物衰减的 部分增加，则在基质一定，生长条件一定的情况下，特定微生物的理论增量应 该也保持一定，所以此时我们会得到明显降低的表观增量x 。 在方程( 2 4 ) 的两侧分别除以定的基质降解量( a s ) ，则得到： 等= 警+ 告+ 告 s ， 缝醛龉出 根据微生物生长速率的概念，微生物的产率应该为消耗单位基质所产生的 细胞增长量。所以有如下定义： 表观产率( k 。) ： z = 百 ( 2 6 ) 理论产率_苫叻吕一 料k 似，不同的是z n 作用下c o d 去除率的上升阶段要持续到8r a g l ；当投加量大 于5m g l 时，去除率开始下降。如：d n p 的浓度为2m g l 和2 0 m g l 时，c o d 的去除率分别为9 1 和5 3 ，而空白为8 9 。 一 e o o u 图3 - 1 0 不同的d n p 投加量下c o d 随时问的变化趋