（环境工程专业论文）水蚯蚓—微生物共生系统脱氮特性及群落结构分析.pdf

浙江工商大学硕士学位论文 水蚯n - 微生物共生系统脱氮特性及生物群落结构分析 摘要 近年来，我国城市污水处理带来的剩余污泥的处理与处置问题日 益严峻，经济有效的污泥减量化研究受到了广泛关注。因具有环保节 能等优点，水蚯蚓污泥减量化技术已成为研究热点。然而，水蚯蚓在 污泥减量的同时会影响到污水生物处理系统的稳定性，到目前为止， 关于水蚯蚓对污水处理的影响缺乏深入、系统的研究。 基于此，本文选取污泥减量研究中广泛应用的颤蚓( 水蚯蚓的一 种) 为研究对象，通过宏观指标结合荧光原位杂交( f i s h ) 、聚合酶链 反应一变性梯度凝胶电泳( p c r - d g g e ) 技术初步考察了水蚯蚓对生物 硝化作用、生物反硝化作用及其相应生物群落结构变化的影响机制， 以期为今后水蚯蚓污泥减量工艺的推广应用提供可靠的理论基础和 有效的科学指导。 主要研究成果如下： ( 1 ) 以活性污泥为底物，批量培养试验考察了不同氨氮浓度对水 蚯蚓的生长及污泥减量的影响。结果表明，水蚯蚓的生长趋势符合 g u a s s 增长规律，高氨氮浓度对水蚯蚓的比生长速率及污泥减量率均 呈现出极度的抑制性，单从氨氮因子考虑，水蚯蚓污泥减量工艺适用 于处理氨氮浓度低于4 5m g l 的污水。 i 浙江工商大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过富集培养硝化污泥，利用填料挂载方式向s b r 反应器直 接接种水蚯蚓，初步考察了水蚯蚓对s b r 系统硝化性能及硝化微生 物群落结构的影响。研究得出，s b r 反应器挂载水蚯蚓后，s b r 系 统的硝化速率降低了t 6 6 5 ，n 0 2 - n 氧化率减少量约为2 4 。通过一 对s b r 系统单一周期各形态氮素浓度变化规律考察，发现投加水蚯 蚓的试验组具有明显的n 0 2 - n 积累现象，延长硝化时间有助于消除 n 0 2 - n 累积现象。深入研究表明，水蚯蚓对硝化菌的影响要大于对 亚硝化菌的影响，水蚯蚓的存在可能会对硝化细菌的活性产生抑制作 用。利用p c r - d g g e 技术结合f i s h 技术探析硝化系统中硝化细菌 数量及群落结构动态变化的规律发现，随着水蚯蚓的加入，硝化系统 中微生物数量和种群多样性降低，后者更为明显，一些在系统运行初 期存在的优势种群在水蚯蚓的作用下逐渐消失，而一些能与水蚯蚓协 同共生的种群在水蚯蚓的诱导下会逐渐生成。d g g e 测序结果分析显 示，在所检测到的2 7 个菌种中，1 4 的微生物为u n c u l t u r e db a c t e r i u m ， 此外的大部分菌群归属于不可培养的亚硝化螺菌属( n i t r o s o s p i r a ) 和 变形菌类群( p r o t e o b a c t e r i a ) ，少许菌群归属于拟杆菌类群 ( b a c t e r o i d e t e s ) 、厚壁菌类群( f i m i c u t e s ) 、累枝虫属( e p i s t y t i su r c e o l a t a ) 和不可培养的绿色非硫菌( u n c u l t u r e dc h l o r o f l e x ib a c t e r i u m ) 。这些菌 群是硝化系统中生物硝化作用的主要承担者，水蚯蚓通过影响功能菌 群的群落结构进而影响系统的硝化性能。 ( 3 ) 通过富集培养反硝化污泥，初步考察了水蚯蚓对生物反硝化 作用的影响。研究发现，水蚯蚓的存在有助于提升污水处理效果，强 t i 浙江_ 商人学硕十学位论文 化t n 、c o d 等的去除率，提高系统的稳定性。利用p c r d g g e 技 术探析水蚯蚓对反硝化微生物群落结构动态变化的影响规律，发现所 检测的菌种绝大部分为不可培养的细菌( u n c u l t u r e db a c t e r i u m ) ，反硝 化系统中水蚯蚓的存在反而会丰富微生物的群落多样性，强化系统的 脱氮效率。 关键词：水蚯蚓；生物硝化；生物反硝化；荧光原位杂交；聚合酶链 反应变性梯度凝胶电泳；群落结构 i i i 浙江t 商人学硕+ 学位论文 _ 一一 a n a l y s i s o fd e n i t r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n dm i c r o b i a lc o m m u n i t yc h a n g e so f s y m b i o t i cs y s t e mc o n s i s t i n go f a q u a t i c w o r m sa n dm i c r 0 0 r g a n i s m a bs t r a c t r e c e n t l y , t h ep r o b l e mo fs e w a g es l u d g et r e a t m e n ti n c u s e db yw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t s ( w w t p s ) i sb e c o m i n g s e v e r e l y , t h i sh a sl e dt oa ni n c r e a s e di n t e r e s t i nt e c h n i q u e st h a te c o n o m i ca n de f f e c t i v et or e d u c es l u d g e w i t ha d v a n t a g e ss u c h 嬲 l o wc o s ta n dn o s e c o n d a r yp o l l u t i o n ，t h i s t e c h n o l o g yw h i c hu s i n g a q u a t i c w o r m s p r e d a t i o nt or e d u c ee x c e s ss l u d g eh a sr e c e n t l yr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o nb y s o m er e s e a r c h e r s h o w e v e r , t h ee f f e c to fb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tm a yb e i n f l u e n c e db ya q u a t i cw o r m s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na q u a t i cw o r m sa n dw a s t e t r e a t m e n ti st h e r e f o r en e e d e dt ob ei n v e s t i g a t e d t h u s ，i nt h i ss t u d y ，t h ee f f e c to fb i o n i t r i f i c a t i o na n db i o d e n i t r i f l c a t i o nw a s s y s t e m a t i c a l i n v e s t e d b yi n c o l u a t i n ga q u a t i cw o r m st h a tw i d e l yu s e di n s l u d g e r e d u c t i o n r e s e a r c h e s t h e n ，f i s h ( f l u o r e s c e n c e i n s i t u h y b r i d i z a t i o n ) a n d p e r - d g g e ( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s ) w e r eu s e dt o i n d a g a t em i c r o b i a lc o m m u n i t yo fs l u d g es a m p l e se x t r a c t e df r o m n i t r i f y i n gs y s t e ma n dd e n i t r i f i c a t i o ns y s t e m ，a i m e dt of i n do u tt h ei n f l u e n c i n g m e c h a n i s mo fa q u t i cw o r m so nb i o - n i t r i f i c a t i o na n db i o d e n i t r i f i c a t i o n 。w h i c hc a n p r o v i dr e l i a b l er a t i o n a l ea n du s e f u is c i e n t i f i cj n s t r u c t i o ni nf u r t h e r i v 浙江t 商火学硕十学位论文 t h ep r i n c i p a lc o n c l u t i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ee f f e c to fd i f f e r e n tn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o n so nt h eg r o w t ha n ds l u d g e r e d u c t i o no fa q u a t i cw o r m sw a si n v e s t i g a t e db y c u l t i v a t i n gw i t hf r e s ha c t i v a t e d s l u d g ei nb a t c ht e s t r e s u l ts h o w e dt h a ta q u a t i cw o r m s c o u l dg r o wf r o mj u v e n i l et o a d u l tn o r m a l l ya tl o wn i - h + nc o n c e n t r a t i o n s ，a n dt h eg r o w t hf i e n di na c c o r d a n c et o g u a s sc u r v e ，h o w e v e r , t h eg r o w t ho fa q u a t i cw o r m sw a sr e s t r i c t e da th i g hn h 4 + - n c o n c e n t r a t i o n s t h ea p p l i c a t i o no fs l u d g er e d u c t i o nb ya q u a t i cw o r m sw a ss u i t a b l ef o r l o wn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o n s ( 2 ) s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r s ) s e e d e dw i t ha c t i v i t ys l u d g ew e r es t a r t e du p t oe n r i c hn i t r i f i e r sa n dt h e i rn i t r i f y i n ge f f i c i e n c i e s 、m i c r o b i a lc o m m u n i t yw e r es t u d i e d b ya d d i n ga q u a t i cw o r m s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r e s e n c eo fa q u a t i cw o r m sc a u s e d al6 6 5 d e c r e a s ei nn i t r i f i c a t i o nr a t e sa n da2 4 d e c r e a s ei nn 0 2 - no x i d a t i o nr a t e s c o m p a r e dt ot h et e s tg r o u p s ( n o ta d d e da q u a t i cw o r m s ) w h e ni n v e s t i g a t e dt h e v a r i a t i o nr u l eo fnc o n c e n t r a t i o ni ns i n g l e c y c l e ，t h e r ew a sas i g n i f i c a n ta c c u m u l a t i o n o fn 0 2 。- ni nt h et e s tg r o u p sa n dt h ep h e n o m e n o nc o u l db ee l i m i n a t e db ye x t e n d i n g t h en i t r i f y i n gt i m e t h eo x y g e nu p t a k er a t e s ( o u r s ) o fn i t r i f i e r sw e r ea l s oi m p li e d t h a tt h ea c t i v i t i e so fn i t r i f i e r sc o u l db ei n h i b i t e db yt h ea q u a t i cw o r m s w h a t m o r e ， d e e p e rr e s e a r c hf i n dt h a ta q u a t i cw o r m sm a yd e c r e a s et h ep o p u l a t i o nd i v e r s i t yo f m i c r o o r g a n i s mb yf i s ha n dp c r - d g g et e c h n o l o g i e s ，a tt h es a m et i m e ，s o m e n i t r i f i e r sm a yb ei n d u c e de n r i c h m e n tb ya q u a t i cw o r m s ，s e q u e n c er e s u l t so fd i f f e r e n t d g g eb a n d si n d i c a t e dt h a t1 4m i c r o o r g a n i s mw a su n c u l t u r e db a c t e r i u m ，a n dt h e d o m i n a t em i c r o b i a lw a su n c u l t u r e dn i t r o s o s p i r a ，w h i c hw a sat y p i c a ln i t r i f i e r s m o r e o v e r , t h em i c r o o r g a n i s m si n s b r sa l s oi n c l u d i n gu n c u l t u r e dp r o t e o b a c t e r i a ， u n c u l t u r e db a c t e r o i d e t e s ，u n c u l t u r e df i m i c u t e s ，e p f s o ,u r c e o l a t aa n du n c u l t u r e d c h l o r o f l e x ib a c t e r i u m ( 3 ) s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r s ) s e e d e dw i t ha c t i v i t ys l u d g ew e r es t a r t e du p t oe n r i c hd e n i t r i f i e r su n d e ra n e r o b i cc o n d i t i o na n dt h e i rn i t r i f y i n ge f f i c i e n c i e s m i c r o b i a lc o m m u n i t yw e r es t u d i e db ya d d i n ga q u a t i cw o r m s r e s u l t ss h o w e dt h a t a q u a t i cw o r m sc o u l dh e l pp r o m o t e inr e m o v a la n dc o dr e m o v a l ，i m p r o v i n gt h e v 浙江工商大学硕十学位论文 s t a b i l i t yo ft h ed e n i t r i f y i n gs y s t e m i na d d i t i o n ，a q u a t i cw o r m sc o u l da l s oe n h a n c et h e p o p u l a t i o nd i v e r s i t yo fm i c r o o r g a n i s mb ya n a l y s i n go fd g g ep r o f i l e ，r e s u l t so f d i f f e r e n td g g eb a n d ss h o w e dt h a tm o s tm i c r o o r g a n i s m sw a su n c u l t u r e db a c t e r i u m k e yw o r d s ：g r o w t hk i n e t i c s ；b i o n i t r i f i c a t i o n ；b i o - d e n i t r i f i c a t i o n ；f i s h ；p c r - d g g e ； m i c r o b i a lc o m m u n i t y v i 浙江t 商人学硕十学位论文 第一章引言 1 1 国内外污泥产生及处理处置现状 1 1 1 国内外污泥产量发展现状 随着城市化进程的加快、人口的急剧增加、市政服务设施的不断完善与提高， 世界各国的污水排放量与日俱增，污水处理厂也如雨后春笋般地在世界各地相继 建成并投产运营。生物法是目前全世界污水处理厂使用最为广泛的生物处理技 术，其原理是利用微生物的新陈代谢功能去除污水中呈溶解和胶体状态的有机污 染物，使废水得以净化。该方法具有基建投资省、处理效果好等优点，但存在的 一个弊端就是在废水生物处理过程中会产生人量的污泥。庞大的污泥产量已经成 为污水处理厂的沉重负担。 自2 0 世纪8 0 年代以来，欧美等发达国家由于污水处理技术先进、处理程度 较高，所以城市生活污水处理污泥产生量大增。目前，美国干污泥产量为8 0 0 万吨年，欧盟为9 0 0 万吨年1 1 1 。就中国而言，2 0 世纪9 0 年代以后，城市污水处 理厂发展迅速，随着污水处理率的提高，作为污水厂附属产物的污泥产生量也随 之增加1 2 】。截止2 0 0 9 年底，全国投运城镇污水处理厂1 9 9 2 座，处理污水量2 8 0 亿立方米，产生含水率8 0 左右的污泥2 0 0 5 万吨。随着在建的2 0 0 0 多座污水处 理厂陆续投入运行，全国年污泥总产生量将很快突破3 0 0 0 万吨【3 1 。 1 1 2 国内外污泥处理处置与利用的现状 污泥的产量巨大，大多数含有重金属离子、病原微生物、寄生虫卵等有毒有 害物质，成分以有机物为主，若不加以合适有效地处理处置，必将对整个生态环 境造成恶劣的影响。此外，污泥的处理与处置费用占污水处理厂总运行费用的 2 0 - - - 4 0 ，甚至高达6 0 ，已成为污水处理厂日益严峻的挑战【4 1 。因此，如何将 产量巨大、增长迅速、处理成本昂贵的污泥进行妥善安全地处理与处置，使其减 量化、无害化、资源化，已受到国内外相关政府部门和环境界学者的高度重视。 浙江t 商大学硕七学位论文 污泥处理与处置的口的主要是减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理 及最终处置的费用：通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步 降解，从而避免产生- 次污染；达到污泥的无害化与卫生化；在处理污泥的同时 达到变害为利、综合利用、保护环境的目的。目前，国内外污泥最终处置方法包 括：污泥农用( 作为肥料返回土地利用) 、卫生填埋、污泥焚烧、污泥干化和热处 理( 回收利用沼气、热能、燃料、建筑材料等能源) 、海洋倾倒。在大多数国家中， 特别是发展中国家土地利用和填埋仍是污泥处置的主要途径，据美国环保署估 计，美国城市污水处理厂，4 5 的污泥用于农林业，2 1 进行填埋，3 0 用于投 弃海洋。焚烧法由于能耗高，只占3 。日本5 5 的污泥进行焚烧，3 5 的污泥 进行填埋，约9 的污泥进行农田利用。污泥排海处置，许多国家已停止使用。 污泥焚烧在日本、德国、奥地利等国占的比例较高，一般大型污水厂污泥通过无 害化焚烧，回收利用产生的热能，污泥减容减量化程度很高，但焚烧投资巨大， 操作管理复杂。能耗和运行费均很高。我国的污水处理业起步比较晚，污水处理 量和处理率虽然不高( 4 5 ) ，但每年排放的污泥量很大，( 干重) 大约为9 0 0 万吨， 占我国总固体废物的3 2 ，且年增长率大于1 0 。日前，污泥处理处置常用的 方法有以下几种【5 j ： ( 1 ) 污泥卫生填埋处理。根据1 9 9 6 年的资料报道，发达国家在过去大约3 8 的剩余污泥采用卫生填埋的手段来处理，在我国，土地填埋也是剩余污泥处珲的 方法之一6 1 。然而，污泥卫生填埋对填埋场建造的要求较高，并且还应配备渗滤 液收集和处理装置，容易引发地下水污染及臭气散逸等二次污染问题。因此，从 长远看，常规填埋是一种不可循环的处置方式。其应用比例应当逐渐减少。 ( 2 ) 污泥焚烧处理。发达国家在过去大约1 0 5 的剩余污泥采用焚烧法的手 段来处理【7 1 。而我国污泥焚烧技术目前还处在尝试阶段，应用得并不多，且该方 法投资和运行费用高，易造成严重的大气污染。因而，污泥焚烧处理在我国的应 用有待于进一步研究。 ( 3 ) 污泥的资源化利用。资源化利用应成为将来处理污泥的主要手段。一是 污泥消化后农用。国内约3 0 的污水处理厂把污泥进行消化、脱水后农用，一方 面可以产生部分能源回用，另一方面可以减少污泥中的部分有害细菌，增加污泥 的稳定性。二是污泥与化肥制作复混肥。复混肥在盆栽试验中比化肥增产效果好， 2 浙江t 商人学硕士学位论文 在水稻与小麦的田问试验i f i 增产效果相同。三是污泥制作饲料。污泥经过灭菌等 过程，制成饲料，将成为养殖业的丰富的饲料来源。此外，污泥还可以做建筑材 料，如制砖和纤维板材。 1 2 污泥减量技术 1 2 1 污泥减量技术的简介 解决污泥处理与处置的首要原则是污泥减量化，相应的技术为污泥减量技 术。所谓污泥减量技术，是指在保证污水处理效果的前提下，采用适当的措施使 处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术【4 1 。 当前，用于污泥减量化的技术主要有三类，一类是基于细胞溶解( 或分解卜 隐性生长的污泥减量技术：第二类是采用化学或生物方法促进解偶联代谢，造成 能量泄漏，从而使生物生长效率下降。还有一类是增加系统中细菌捕食者的数量， 是模拟自然生态系统中的食物链原理进行的污泥减量化技术【8 1 。 ( 1 ) 基于隐性生长的污泥减量化技术 所谓隐性生长是指微生物以衰亡微生物为底物进行生长，采用各种溶胞技术 使微生物能够迅速死亡并分解，有机代谢过程同时产生增殖污泥和c 0 2 ，同化为 污泥的有机碳可作为基质再被代谢利用。这样，碳的重复代谢导致污泥产量降低， 从而实现污泥减量。目前报道的溶胞技术主要包括：臭氧溶胞、氯气溶胞、热、 酸、碱处理、超声处理及采用水解酸化工艺等。 1 ) 臭氧 臭氧可破坏污泥的结构及细胞壁，使污泥絮体结构发生变化，胞内物质流出 溶入水中，同时可氧化难降解的固体性物质，使其变为易降解的溶解性物质为微 生物所利用，这样，微生物就可以通过生化反应，降解由破解细菌产生的b o d ， 从而达到减少污泥产量的目的。日本早在1 9 9 0 年前后就率先提出了臭氧与传统 活性污泥工艺结合的污泥减量技术。y a s u ih 等人【9 1 通过对大规模的污水处理厂 为期1 0 个月的试验，结果表明当有机负荷为5 5 0k g d ，臭氧剂量浓度为0 0 2 k g k g s s 时，基本上可实现剩余污泥零排放，且无明显的无机质积累。臭氧溶胞 技术虽然能较好的实现污泥减量，但其投资和能耗都很大，因此，该技术的- t 程 浙江t 商人学硕十学位论文 应用存在很大的局限性。 2 ) 氯气 类似臭氧溶胞技术，利用氯气实现污泥减量的原理同样是利用其氧化性使微 生物细胞破裂，促进隐性生长。s a b y 等研究了氯气代替臭氧的可行性，当污 泥中氯气量为1 3 3m g ( g d ) 时，可使污泥减量6 5 。虽然氯气比臭氧廉价，但氯 气能够和污泥中的有机物反应生成三氯甲烷等氯代有机毒物，而且会使污泥沉降 性能恶化。 3 ) 热化学法 酸或碱的作用是在抑制细胞活性的同时，使细胞壁溶解释放胞内物质为其他 微生物所利用。r o c h e r 纠1 1 】研究发现，碱热处理污泥( p h 为l o ，6 0 ( 3 ，2 0m i n ) ， 细胞溶解最稳定，污泥量是常规活性污泥法的3 8 - - - 4 3 。热化学法的缺点就是工 艺的运行及化学物质容易对设备产生腐蚀，并且需要耗费大量酸碱与能量来调整 p h 值和温度。 4 ) 超声波技术 超声波技术于1 9 9 3 年被引入污泥减量的研究中【t 2 1 。超声波技术能够破解污 泥絮体物、分解细胞、释放细胞物质和胞外聚合物，是破解污泥有效的方法。在 利用超声波技术对污泥处理方面，德国在这方面走在世界各国前面，他们的研究 集中在利用超声波对剩余污泥进行分解来提高厌氧消化能力，而我国还处于研究 起步阶段。h a r r i s o n 3 】证实超声降解是一种破碎细胞壁的好方法，并且认为分子 量超过4 0 0 0 0 的高分子物质可以被由超声空化引起的强大的水力剪切力所分解。 g r o n r o o s “1 4 1 等研究表明，超声波强度、污泥干重、温度及处理时间等对细胞破 碎效果有较大的影响。低频和高强度的超声波预处理有利于污泥絮体和细胞的破 碎。超声波溶胞技术具有无污染、能量密度高、分解速度快等特点，与投加碱相 比，在短时间内有迅速释放细胞内物质的优势，但在促进细胞破碎后固体碎屑的 水解却不如添加碱和加热。 ( 2 ) 基于偶联生长的剩余污泥减量化技术 微生物的分解代谢过程能够分解复杂的有机物产生能量，合成代谢则利用这 些能量合成细胞需要的物质，其中能量转化是以a t p 的形式来实现的。对于大 4 浙江工商人学硕士学位论文 部分好氧微生物，a t p 是由氧化磷酸化产生的，在这个过程r f 1 电子通过电子转换 系统从电子供体( 底物) 转换到电子受体( 0 2 ) ，通过限制呼吸速率将细菌的分解代 谢和合成代谢偶联在一起。然而，若呼吸作用的控制不存在，生物合成速率成为 速率控制因素时，解偶联新陈代谢就会发生，并且在微生物新陈代谢过程中产生 的剩余能量没有被用来合成生物体。因此，这种现象成为解偶联生长【1 6 1 。解偶 联有能量解偶联和物质解偶联两种方式。当能量解偶联发生时，就会出现生物增 长量的减少，即表现为污泥减量。目前，微生物解偶联生长用于污泥减量的技术 主要有4 种：解偶联剂解偶联、高s o ) ( o 条件下的解偶联、非稳定生长解偶联和 温度升高解偶联。 解偶联剂解偶联的作用机理是通过与h + 的结合降低细胞膜对h + 的阻力，使 膜两侧的质子浓度梯度降低，降低后的质子浓度梯度不足以驱动a t p 合成酶合 成a t p ，从而减少了氧化磷酸化作用合成的a t p 量，氧化过程中产生的能量最 终以热的形式被释放，从而降低污泥的产量【1 6 1 。l o w 等【1 7 1 报道，当p h 在7 7 时， 通过在实验室规模的活性污泥系统中加入对硝基苯酚( p n p ) 后，系统中生物量可 减少4 9 ，当p n p 浓度达1 2 0m g l 时，几乎无剩余污泥产生。由于大多解偶联 剂难降解且有毒性，对环境存在潜在的危害性，同时还会降低c o d 的去除率， 另外，微生物在污水处理系统中有可能被驯化使得解偶联剂失效，因而解偶联剂 的实际使用存在一定的局限性。 高s d x o 条件下的解偶联是指在高s o ) ( o ( 底物浓度污泥浓度) 条件下，底物过 剩会引起合成代谢和分解代谢的解偶联，微生物的生长速率小于其在低s o x o 条 件下的生长速率，微生物分解代谢中产生a t p 的速率大于合成代谢中消耗的速 率。微生物胞内a t p 产生后引起能量消散，从而降低微生物产率。然而，高s o x o 是特指s o x o 值8 - - - 1 0g c o d ( g m l s s d ) 的情况，该比值已远大于实际城市污水生 物处理系统所给予的污泥负荷值，显然，以高s d x o 条件下的解偶联技术还不能 用于实际的污水处理。 非稳定生长解偶联指改变微牛物所处的环境使微生物的新陈代谢解偶联，如 o s a ( o x i c s e t t l i n g a n a e r o b i c ) 活性污泥工艺。o s a 工艺是一种改进的活性污泥 法，它在传统活性污泥工艺的污泥叫流过程中嵌入厌氧段，给微生物提供一个交 替好氧和厌氧的环境，使微牛物在好氧段所获a t p 不能立即用于合成新细胞， 浙江t 商人学硕十学位论文 而是在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗。微生物分解和合成代谢相对 分离，从而实现污泥减量【1 8 】。s a b y a 等【9 】研究了o s a 工艺中缺氧池的氧化还原 电位( o r p ) 和污泥产量的关系，结果发现，当o r p 控制在2 5 0m v 时，与传统活 性污泥工艺相比，o s a 工艺的剩余污泥产量可降低5 8 。 温度升高解偶联是指通过改变微生物的生长温度来影响微生物的新陈代谢一一 从而获得较低的表观产率系数。在温度升高后，微生物分解有机物的能力相应提 高，而在合成代谢方面却没有随之提i 锸到相应水平，分解有机物所获得的额外能 ， 量并没有完全用于合成自身的生物量，由此，可认为微生物发生了解偶联生长。 然而，在实际污水处理中，提高温度所需的能量较大，因此，温度升高解偶联可 行性不高。 ( 3 ) 基于微型动物捕食的剩余污泥减量技术 微型动物捕食法污泥减量技术是依据生态学理论，基于物质和能量在食物链 传递过程中逐级递减的原理，利用原、后生动物捕食细菌，减少剩余污泥产生量 的技术。活性污泥处理过程是水体自净过程的模拟与人工强化，是一个人工生态 系统，其中一般包括细菌、原生动物和轮虫、线虫、寡毛类、昆虫幼虫等后生动 物【1 5 】。污水中的溶解性有机污染物首先被细菌消耗，处于不同状态的细菌，又 被不同种类的微型动物所捕食，形成复杂的食物链( 细菌一原生动物一后生动物) 关系。在原有的污水处理系统中引入微型动物并强化其对细菌的捕食作用，延长 了食物链，由于微型动物的捕食，增加了系统总体上的呼吸过程，由此可以降低 剩余污泥的产量。利用微型动物的捕食进行污泥减量的手段主要包括两段法工艺 和直接投加微型动物两种2 0 1 。 两段法工艺由分散细菌阶段和捕食者阶段构成。在第一阶段，分散细菌通过 摄食污水中丰富的有机污染物快速生长，此阶段的目的是促进分散细菌快速生长 的同时实现有机污染物的有效降解，其固体停留时间要小于细菌的世代时间；在 第二阶段，原生动物和后生动物通过捕食细菌实现污泥减量，此阶段的目的是创 造利于原生动物和后生动物生长繁殖的环境条件，促进其生长繁殖，以实现污泥 减量。 6 浙江t 商人学硕士学位论文 1 2 2 水蚯蚓污泥减量技术研究进展 水蚯蚓是环节动物f - j ( a n n e l i d a ) 寡毛纲( o l i g o c h a e t a ) 蠕虫的通称，是淡水底栖 动物群的主要成员。目前，应用于污泥减量方面研究的主要为游离型蠕虫，如红 斑颗体虫似h e m p r i c h o 、仙女虫属( n a i ss p ) 和吻盲虫( p r i s t i n aa e q u i s e t a ) 等；附着 型蠕虫，如颤蚓科( t u b i f i c i d a e ) 和带丝蚓属( l u m b r i c u l u ss p ) 等。由于游离型蠕虫 生长难以控制，出没无规律可循，且污泥减量效果不稳定，而附着型蠕虫生长稳 定，污泥减量效果明显，且易于从市场上购得，近来，水蚯蚓污泥减量方面的研 究多以附着型蠕虫为主。 1 2 2 1 水蚯蚓生长和繁殖规律 ( 1 ) 水蚯蚓的生长规律 利用水蚯蚓捕食污泥来减少污泥产生量被认为是一种经济有效且具有广泛 应用价值的新方法【2 l 】。水蚯蚓在活性污泥中的生长和种群密度的变化直接影响 着污泥减量的效果。由此，清楚认识水蚯蚓在活性污泥系统中的生长规律，维持 水蚯蚓的稳定存在是保证污泥减量效果和效率的重要前提。 水蚯蚓个体的生长速率和生命周期是影响水蚯蚓种群生长和密度的重要因 素，在早期的研究中，人们对水蚯蚓的生长速率( 或生长速率方程) 、生命周期和 生命长度等指标进行了观测，并研究了相关的影响因素。然而，这方面的研究大 多通过野外观测或在实验室条件下喂以面粉、莴苣等淀粉、纤维素类食物考察获 得。为了进一步考察是水蚯蚓以活性污泥为基质时的生长规律，诸晖等考察 了颤蚓在2 0 和2 5 温度条件下以活性污泥为底物的生长规律，研究表明，经 过1 6 周的批量培养，颤蚓在活性污泥中的生长较好地符合l o g i s t i c 曲线；颤蚓 个体在2 5 。c 下体重和体长的增长速率分别是0 0 5m 趴条d ) 和0 1 9m g ( 条d ) ，与 其它底物相比，颤蚓在以活性污泥为底物时的生长并无明显差别，由此可见，就 食物而言，水蚯蚓能够通过摄食活性污泥获得正常的生长。 ( 2 ) 水蚯蚓的繁殖规律 水蚯蚓的繁殖方式因种类而异，主要有无性繁殖和有性繁殖两类【2 5 1 。游离 型水蚯蚓通常以无性繁殖为主，且倍增时间较短。熊贞晟等【2 6 】以剩余污泥为培 养基，观测了红斑颗体虫的无性繁殖情况，结果表明，红斑颗体虫的无性繁殖以 7 浙江t 商人学硕+ 学位论文 横裂方式进行，分裂后形成母体和子体，母体又可以继续长出牙节，分裂出新的 子体，2 5 时母体和子体的平均连续繁殖世代时间为1 5 4h 和4 2 0h ，红斑颞体 虫的平均倍增时间为1 1 2h 。e l i s s e n 等2 7 1 研究发现，红斑颗体虫的平均倍增时间 为1 4d ，仙女虫属的倍增时问为2 2 3d 。当然，游离型水蚯蚓的繁殖方式并不 唯- 相关研究表明发现在环境条件恶劣的情况下( 如低温、干燥) ，原本无性繁一 殖的仙女虫科( n a i d i d a e ) 和颓体虫科( a e o i o s o m a t i d a e ) 蠕虫会依据季节不同，交替 发生有性和无性繁殖【2 8 】。有性繁殖在水蚯蚓中更加普遍( 如颤蚓科) ，有性繁殖需 经过异体受精，形成受精卵并发育成幼体。李仁熙等r 2 9 】在实验室饲养的条件下， 研究了正颤蚓在1 5 、2 0 和2 5 水温的繁殖过程，结果表明，正颤蚓繁殖过 程包括受精卵在蚓茧内发育，孵出生长、产卵三个阶段，且随温度的升高，其生 长发育的时间逐渐缩短。清楚地认识水蚯蚓的繁殖规律有助于控制水蚯蚓在活性 污泥中的增长和密度，从而可以进一步提高水蚯蚓污泥减量的效果和效率。 1 2 2 2 水蚯蚓生长和繁殖的影响因素 水蚯蚓生长、繁殖的影响迭i 素主要有底物性质和环境凶子两大类。底物可为 水蚯蚓的生长、繁殖活动提供物质基础和能量来源，水蚯蚓捕食、消化能力的大 小是其污泥减量的前提和保证。环境因子不仅影响水蚯蚓的生长、繁殖及其在活 性污泥中的种群密度，还影响其污泥减量的效果和效率。 ( 1 ) 底物性质 水蚯蚓对底物的捕获具有选择性。捕食选择性主要表现存水蚯蚓对底物颗粒 大小，有机质含量、细菌种类的偏好上。b o w k e r 等【3 0 1 发现n a i se l i g u i s 的食道形 状和尺寸决定了其可吞食食物的最大尺寸。梁鹏等【3 l 】以红斑颗体虫为实验对象， 考察了其在不同颗粒粒径条件下的生长情况，结果表明，污泥絮体颗粒粒径越小， 越容易为红斑颞体虫所摄食。除了颗粒粒径，水蚯蚓对底物的捕食亦表现在对有 机质含量的偏好上。f i n o g e n o v a 等3 2 1 以正颤蚓为研究对象，以活性污泥( 富含有 机质) 和自然水体中的淤泥( 贫有机质) 为底物，观测了正颤蚓在烧杯中的生长和繁 殖情况，结果表明，正颤蚓以活性污泥为底物时的生长速率是以淤泥为底物时的 2 倍，且每条颤蚓每1 0 0d 的产卵数分别是以淤泥为食时的2 5 倍和以莴苣为食 时的5 倍。吴敏等【3 3 】研究表明，水蚯蚓生物反应器的滤出液，与进水相比，v s s 浙江t 商人学硕+ 学位论文 减少量是s s 减少量的6 8 4 0 o - - 7 8 6 ( 平均7 3 9 ) ，且v s s 降解效果优于厌氧消 化和好氧消化工艺。然而，人们并未对水蚯蚓的分布和丰度与底物有机质含量的 关系达成共识。水蚯蚓捕食的选择性同样表现在对细菌的偏好上。c o l e r 等川首 次利用水蚯蚓对细菌的偏好将其混合种群区分开来，m c m u r t r y 等【3 5 】发现水蚯蚓 的捕食与底物中异养好氧菌数量之间存在着显著的相关性。另有研究表明水蚯蚓 肠道对细菌的群体结构及生物活性具有调节作用。w a v r e 掣3 6 发现大部分( 大约 7 0 ) 异养菌经水蚯蚓肠道运输时被杀死，而水蚯蚓排泄物中却富含另一种单一 种群的细菌。形成这种单一种群细菌的原因被认为是在经肠道运输、消化后仍存 活的细菌由于适宜肠道内环境而大量繁殖，肠道内的某些环境因素促进了这类细 菌的快速生长，张宝贵【3 刀的研究也证实了这一点，他发现生长缓慢的细菌通过 蚯蚓消化道后群体下降，而生长快的细菌由于在消化道内迅速繁殖，在蚯蚓排泄 物中的群体数量甚至会超过进入蚯蚓体内时的数量。有关水蚯蚓与细菌的相互关 系有待深入研究。 ( 2 ) 环境因子 水蚯蚓易受周围环境的影响，影响水蚯蚓生长和繁殖的重要环境因子有温 度、p h 值、溶解氧和氨浓度。a s t o n 3 8 1 以活性污泥为底物培养苏氏尾鳃蚓时发现， 苏氏尾鳃蚓的最大生长速率和繁殖速率均发生在2 1 2 9 ，2 5 ( 2 下种群的倍增 时间为1 4 8 周。同时，他发现最适宜未成熟水蚯蚓生长和成熟水蚯蚓产卵的温 度也是2 5 左右；而性成熟水蚯蚓的最适生长温度却较低，般在1 0 1 5 。 r a y n o l d s o n 等例在对英国湖泊中水蚯蚓的研究中发现，颤蚓和霍夫水丝蚓在 1 0 1 3 便能生长，但最适宜这两种水蚯蚓个体发育和繁殖的温度是2 0 2 5 。 水蚯蚓的生理活动与环境的p h 值密切相关。p h 值过高或者过低都会影响 水蚯蚓的呼吸作用以及其对营养物质的代谢功能，且高浓度的p h 值会导致水蚯 蚓体表蛋白质和核酸水解而变性。张恒等【4 0 1 考察了p h 值对颤蚓生长的影响，结 果表明，适宜颤蚓正常生存的p h 值为5 5 8 5 ，他认为颤蚓处于过高或过低的 p h 值条件下，其体表平衡发生改变，体内酶活性减弱，颤蚓正常的生理活动及 其从外界摄入营养的功能受阻，致使颤蚓逐渐死亡。 水蚯蚓的生长与环境中的溶解氧浓度也息息相关。f a m i n e 纠4 。1 发现t t u b i f e x 能在缺氧恒化器中生存、生长和繁殖，其生存状态至少能持续1 0 个月以卜，由 9 浙江- t 商人学硕十学位论文 此可认为，t t u b i f e x 具有较强的耐缺氧能力。r e y n o l d s o n 4 2 1 在实验室条件下考察 了溶解氧对zt u b i f e x 、三h o f f m e i s t e r i 和上t e m p l e t o n 生长繁殖的影响，结果发现 除了上t e m p l e t o n 在缺氧环境中存活4 岗后死亡，zt u b i f e x 、l h o f f m e i s t e r i 都表现 出较强的耐缺氧环境的能力，它们能在缺氧环境中牛存的时问分别为1 6 周和l o 一周，然而它们的生长出现停止。r a t s a k 4 3 1 研究表明溶解氧是仙女虫在活性污泥中一 出现的决定性因素。然而，不同种类的水蚯蚓其个体大小及其所需的生长条件不