（市政工程专业论文）两种微型动物减量污泥的初步研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 两种微型动物减量污泥的初步研究 专业：市政工程 硕士生：白润英 导师：王宝泉教授 联合指导教师：黄霞教授 捅要 随着城市污水厂越来越多剩余污泥的产生，以及有关剩余污泥处理的立法和相 关法规的严格化，处理大量剩余污泥的费用也越来越高。利用微型动物的捕食作用 减量活性污泥，虽然减量程度有限，减量的稳定性有待加强，但由于能耗低，不产 生二次污染，作为一种生态工程技术近年受到关注。 本文建立了用特定系统中非固态碳增加速率来表征微型动物减量速率的方法， 并通过连续运行活性污泥系统证明了此方法是可信的。 本文在连续运行活性污泥系统中导入了曝气池中常见的寡毛纲环节动物门的红 斑颡体虫和腹足纲淡水螺类的卷贝两种微型动物，考察了它们对污泥的减量效果： 活性污泥产量与微型动物密度呈负相关。当红斑颞体虫密度超过5 0 i n d m l ，污泥产 生量是没有虫子时的污泥量的2 0 3 0 ：卷贝5 i n d 1 左右时，污泥产生量是没有虫 子时的污泥量的8 一1 6 。并将摇瓶试验结果带入连续运行系统中进行了印证。 进一步考察了两种微型动物对水处理效果的影响：一定密度下，红斑霸体虫和 卷贝对出水中的c o d 、氨氮和总磷的影响不大；同时，红斑颡体虫的存在有利于污泥 沉降性能的改善，卷贝对污泥沉降性能几乎没有影响。 由于两种微型动物的加入，利用醌指纹法一基于新的多样性指标( d q ) 和种的 均匀性指标( e q ) ，考察了微型动物对活性污泥中的微生物群落的影响：试验期间内， 两种微型动物对活性污泥中微生物多样性及微生物种的均匀性没有明显影响：同时 对醌指纹法应用高效液相色谱仪时的实验条件进行初步探讨。 本论文类型：应用基础。 关键词：污泥减量、红斑颞体虫、卷贝、活性污泥、醌指纹 t h e p r i m a r ys t u d y f o re x c e s s s l u d g e r e d u c t i o n o ft w oo fm i c r o f a u n a s p e e i a l i t y ：m i n i e i p a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：b a ir u n y i n g a d v i s o r ：p r o f w a n gb a o q u a n a n d p r o f h u a n gx i a a b s t r a c t w i t ht h e m o r ea n dm o r ee x c e s s s l u d g e a n dt h ee n v i r o n m e n t a la n d l e g i s l a t i v e r e q u i r e m e n t s ，t h e c o s to fe x c e s s s l u d g ed i s p o s a l b e c o m e s h i g h e r a n d h i g h e r n e w t e c h n o l o g i e sf o r e x c e s s s l u d g e r e d u c t i o na r et h u si na u r g e n tn e e d a so n eo fe c o l o g i c a l a p p r o a c h e s ，r e d u c t i o no f e x c e s ss l u d g et h r o u g hp r e d a t i o no fm i c r of a u n a lh a sb e e np a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o ns i n c ei t r e q u i r e sai i t t l ee n e r g ya n db r i n g sn os e c o n dp o l l u t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ep e r f o r m a n c eo fs l u d g er e d u c t i o ni n f lc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s sw h e r ea e o l o s o m ah e m p f i c h i c i i ( o n es p e c i e so fo l i g o c h a e t a ) a n dp h y s aa c u t a ( o u e s p e c i e so fg a s t r o p o d a ) w e r ei n d u c e da st h et w o o fm i c r of a u n a l ，w h o s ee f f e c t so nt h es l u d g e r e d u c t i o n ，a tt h es a m et i m e ，w e r ei n v e s t i g a t e d t h es l u d g ey i e l dw a se x p e r i m e n t a l l yf o u n dt o b ei na n e g a t i v ec o r r e l a t i o nt o t h ed e n s i t yo fa e o l o s o m ah e m p f i e h i c i ia n dp h y s ai nt h e a c t i v a t e d s l u d g e r e a c t o r ，i nt h e r u n n i n g a c t i v a t e d s l u d g es y s t e m ，w h e n t h e d e n s i t y o f ae o l o s o m ah e m p f i e h i e i iw a su p5 0i n d m l ，t h e s l u d g er e d u c t i o nb ya e o l o s o m ah e m p f i c h i c i i w a s2 0 - 3 0 ；w h e r e a sw h e n p h y s aw a sa b o u t 5 i n d 1 t h es l u d g er e d u c t i o nw a s8 - 1 6 m o r ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h et w oo fm i c r of a u n a lh a v en os i d e e f f e c t so n w a s t e w a t e r d i s p o s a l i n g i v e nd e n s i t y o ft h em i c r of a u n a l t h ee x i s t e n c eo fa e o l o s o m a h e m p f i c h i c i i a n dp h y s ad i dn o ta f f e c t c o d ，n h 4 + na n dpr e m o v a l s i nt h e p r o c e s s a e o l o s o m a h e m p f i c h i c i ic o u l di m p r o v eb u tp h y s a w a si n d e p e n d e n to ft h es l u d g es e t t l e m e n t t h em e t h o do f q u i n o n ep r o f i l e s ，s i n c e t h et w oo fm i c r of a u n a lw e r ei n d u c e di na a c t i v a t e ds l u d g er e a c t o r ，w a su s e dt oe v a l u a t et h ec h a n g e si nm i c r o b i a ld i v e r s i t yb a s e do nt h e n e wd i v e r s i t yi n d e xo ft h er e s p i r a t o r yq u i n i n e s ( d q ) a n da ni n d e xo f e q u i t a b i l i t y o ft h e d i s t r i b u t i o no f q u i n i n es p e c i e s ( e q ) ，a n d t h e c h a n g e si n t h em i c r o b i a lc o m m u n i t yw e r e a n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dm i c r o b i a ld i v e r s i t ya n de q u i t a b i l i t y o ft h ed i s t r i b u t i o no f i i m i c r o b i a l s p e c i e sw e r en o tb o t hc h a n g e do b v i o u s l yi nr e s p o n s et ot h et w oo fm i c r of a u n a l m o r e o v e r ，t h eh p l c se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r eb r i e f l yd is c u s s e d t h e s t u d yi s ab a s i sf o ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s l u d g er e d u c t i o n ，a e o l o s o m ah e m p f i c h i c i i ，p h y s a ，a c t i v a t e ds l u d g e ， q u i n o n ep r o f i l e s i i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 一 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：囟 闰袅日期： 2 嘶f 矗7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：臼j 闺炎导师签名：窖芬黎日期：妒舻， 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 污水生物处理中产生的大量的剩余污泥通常含有相当量的有毒有害物质( 如寄生 虫卵、病源微生物、重金属) 及未稳定化的有机物，如果不进行妥善的处理与处置， 将会对环境造成直接或潜在的污染。而目前对剩余污泥的处理与处置，存在有效性和 经济性两方面的问题：首先，尚无一种可以推而广之同时对环境无污染的有效方法； 其次，各种污泥处理与处置方法需要的资金巨大，如在欧美，污泥处理基建费用占污 水处理厂总基建费用的比例高达6 0 7 0 lj 1 。而另一方面，随着城市生活污水处理量 和处理率的增加，污泥产生量也将急速增加。目前我国城市污水年排放量已经达到4 1 4 亿m 3 ，二级处理率达到l5 ，按含水率9 7 计污泥产生量约1 5 0 0 万吨年。按照我国 城市污水处理厂的建设规划，2 0 1 0 年我国城市污水的处理量和处理率都将增加，污泥 年产量也将相应增加到现在的5 倍【2 1 。显而易见，污泥的处理与处置将成为环境领域 的一大难题。污泥减量技术正是在这一背景下应运而生的i j j 。 影响污泥产生的因素很多，如细胞溶解、隐性生长、生物捕食和解偶联等，根据这 些影响因素进行适宜的工程设计可以极大地影响微生物的新陈代谢过程，从而降低剩 余污泥的产量“1 。污泥减量化是剩余污泥处置的新概念，是在对剩余污泥资源化基础上 进一步提出的要求。污泥的减量化与以往污泥处理与处置中的减容化有着本质的区别。 减容化是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的体积，而污泥中生物固体( b i o m a s s ) 量几 乎得不到减少。污泥减量化则是通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统在 保证污水处理效果前提下，采用适当的措施使处理相同量的污泥所产生的污泥量达到 最少，主要是依靠降低微生物产率或加速微生物自身内源呼吸等代谢过程使其氧化分 解等，所以污泥减量化是从根本上减少污泥量。现有关于减少剩余污泥的技术有：降低 细菌细胞的合成量、增加生物体细胞的自身氧化率、增强微型动物对细菌的捕食。 1 1 污泥减量技术综述 减少污泥的产量可以从以下方面达到：l 降低细菌的净合成量。2 增加生物体的自身 氧化速率。3 增加微型动物对细菌的捕食”1 。对应技术包括：通过能量解偶联、内源呼吸、 细胞的物理化学溶解、微型动物捕食来减少剩余活性污泥的产量，已经开发的工艺主要有 o x i es e t t l i n ga n a e r o b i cs y s t e r m ( o s a ) 工艺，高浓度溶解氧工艺，解偶联活性污泥工艺， 臭氧联合活性污泥工艺。此外，利用臭氧氧化进行污泥减量已有实际工程应用。研究发 西安建筑科技大学硕士学位论文 现，在各种污泥减量方法中，臭氧氧化法具有效率高的特点，并能完全实现污水处理厂的污 泥零排放，而且曝气池中也没有惰性物质的过量累积，可使m l v s s m l s s 值从运行初期的 o 8 7 降到0 8 1 ”1 。利用微型动物对剩余活性污泥减量的研究目前国内外尚处于起步研究 阶段。 1 1 ，1 降低活性污泥中细菌的合成量 降低活性污泥中细菌的合成量，使细菌的产率系数y 降低，可以从以下两方面得 到：1 控制细菌合成细胞的必须物质( 如核酸，氨基酸) ，及限制细菌蛋白质的合成( 如投 加氯霉素等) ，这种方法在污水处理中显然不适合。2 考虑氧化底物的能量如何不用于 合成a t p 或迅速降低已经合成的a t p 的浓度，即使微生物处于解偶联生长状态。所谓 解偶联生长。从生物化学来讲是合成代谢与分解代谢在一定程度上的分离( 也就是氧化 和磷酸化过程的分离) 。 对解偶联机理( 途径) 研究的甚少。对此有两种解释：一是能量通过细胞膜削弱了跨 膜电势而泄漏给粒子：如质子、钾离子，随后氧化磷酸化解偶联：二是生物体减少了新陈 代谢的途径( 如甲基乙二酸途径) 而回避了糖酵解这一步。1 。 微生物解偶联生长有以下五种情况可能发生：( 括号内是可以采取的技术手段) ”1 影响生长的物质存在( 投加化学物质如解偶联剂等) 、过剩能量存在( 高s o x o 情况下) 、 在过渡时期生长( 非稳态) ( o s a 工艺) 、在不适宜的温度下生长( 提高温度) 、有限制性 基质( 生长因予限制：如氮源的限制) 。以下分别加以叙述； ( 1 ) 投加解偶联剂( u n c o u p l e r ) 解偶联剂( u n c o u p l e ro ru n c o u p l i n ga g e n t s ) 通过和h + 结合后使h + 能顺利通过膜( 解 偶联剂成为h + 的载体“1 ) ，降低质子梯度，使质子梯度不足以驱动a t p 合成酶合成a t p 。 解偶联剂通常是脂溶性的小分子如2 ，4 一二硝基苯酚( d n p ) ，和h + 结合使h + 容易跨过膜， 虽然电子通过电子传递链的传递使h + 仍然被泵出膜外，但由于解偶联剂同时又将h + 运 回膜内，降低了质子梯度的形成，也就降低了氧化磷酸化作用所合成的a t p 的量，电子传 递产生的能量以热被释放掉”。8 1 。 研究表明，解偶联剂的投加，对微生物的( 污泥) 的表观产率系数会产生明显的影响 “”。关于解偶联剂对微生物减量的研究，目前主要还是限于机理方面，不同解偶联剂对 微生物减量效果不同，在各种已报道文献中，2 ，4 ，5 - 三氯苯酚( t c p ) 减量效果最为明显 to 解偶联剂的最大优势是不需要对现有污水处理工艺作太大改进，只需投药装置即可， 但用解偶联剂解偶联在实际应用中存在以下方面的问题： 所投加的药在较长时间后由于微生物的驯化而被降解，从而失去解偶联的作用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 较高氧的利用速度：当加入解偶联剂后，表观产率系数y 0 b 。从0 4 3 m g v s s m g c o d 降 到0 2 2 m g v s s m g c o d ，虽然污泥的产量降低了，但却需要更多的氧去氧化未能转化 成污泥的有机物，从而使氧的利用速度从8 m g d o m g v s s d 上升到 2 0 m g d 0 ，m g v s s d 1 ”。 解偶联剂在费用方面还存在比较工作，据推测解偶联剂本身的成本大多不高( t c p 大 约在卜2 $ k g ) ，但由于在污水中的浓度需要维持在4 - 8 0 m g 1 ，如果仅按4 m g 1 计算， 在污水中的用量也是惊人的。 解偶联剂在实际应用中的最大问题是存在环境安全性问题，由于解偶联剂通常是较 难生物降解或对生物具有较大毒性的化合物，使得生物对解偶联剂的降解不完全，这 将会给水处理带来额外的污染。当然，生物会对解偶联剂适应后有一定程度的降解， 利用阶段式或活塞流型反应器可以克服完全混合式反应器的缺点，使出水中的解偶 联剂浓度降低，或者在投药方式上采取间歇式投入。 ( 2 ) 高s o x o 条件下的解偶联 在高s o x o ( 底物浓度污泥浓度) 条件下，分解代谢所产生a t p 的速率要大于微生物 在合成代谢中所消耗的速率( 由于其它的营养物相对缺乏) 。随之而来的是能量的消散 ( e n e r g ys p i l l i n g ) ，即能量以热和功的形式散失到环境中) 和微生物产率系数( y ) 的降 低。在通常情况下，有机碳在污水处理中是限制因素，工程中过量的碳源可通过提高 f ，m 达到。 对于高s o x o 条件下的能量最终是转化成热能散失是没有问题的，但是对能量中间 传递过程还有一定的争议。有文献报道在高s o ，x o 条件下，能量主要通过无效质子循环， 从而达到能量的散失，而无效质子循环可能由a t p 合酶对高浓度a t p 时的分解造成“。 在高浓度a t p 条件下，a t p 可以自发转化成a d p ，其中得能量用于重新形成质子梯度， 当质子梯度高到一定程度以后，通过其他途径( 尚无文献证实) 穿过细胞膜，能量得以耗 散掉。也有人认为能量的散失主要通过维持能量( m a i n t e n a n c e ，细胞利用外部基质或体 内肝糖、p h a 所需的能量) 的增加达到的“”。 同时，高s 。x 。条件下解偶联还不能用于实际的污水处理，这是由于s 。x 。相对高的 要求( f m 8 - - 1 0 ) 远远大于实际活性污泥法处理污水( f m = 0 0 5 1 ) 。而且，在高s 。x 。 条件下所产生的微生物不完全代谢产物还将使出水有机物浓度增加，使整个处理过程 不能满足城市污水厂出水的要求。 ( 3 ) 改变污泥所处环境( o s a ) 由于环境的改变，特别是溶解氧的改变，可对微生物的生长造成影响，从而减小微 生物的总表观产率系数。0 s a 工艺的基本原理是利用细菌在好氧条件下储存能量，而在 缺氧条件下被迫大量利用细胞内的a t p 作为基本生理活动的能量，当细胞又回到食物充 西安建筑科技大学硕士学位论文 裕的好氧段时，可供利用的能量增多，a t p 又大量生成。o s a 工艺给微生物提供了一个交 替好氧和厌氧的环境( 如图1 1 ) ，使得在好氧段所得的a t p 并末立即大量用来合成新的 细胞，而是在厌氧段作为维持细胞的能量而被消耗。这样使得微生物的分解代谢和合成 代谢相对分离，不再象通常条件下紧密偶联，从而达到污泥减量的效果。实验中污泥减 量效果比较明显：污泥龄为5 天时，表观产率系数由0 2 8 0 4 7 减少到0 ，1 3 - 0 2 9 ，减少 5 0 左右。污泥在经过厌氧段后的a t p 量是未经厌氧时a t p 产量的6 0 一7 0 左右。而 o s a 与常规活性污泥处理系统相比，污泥产率系数在0 1 2 - 0 2 8 ，而常规活性污泥处理 工艺的污泥产率系数在0 2 9 0 4 7 。同时，由于o s a 的流程与除磷的流程相似，有利于 除磷菌的生长，对磷的去除优于传统活性污泥法“”“ 和常规活性污泥法相比，o s a 工艺虽然可以使污泥的表观产率系数降低，但其优越 性是体现在进水有机物浓度较高的条件下的，如果进水有机物的浓度较低，则o s a 工艺 的污泥产率系数和常规活性污泥法相差不大。同时，由于o s a 法的水力停留时间较长 ( 是常规活性污泥法的两倍) ，使得在有机物浓度较低下的处理和常规活性污泥法相比 没有优势，如图卜1 所示。 图1 - 10 s a 工艺 沉淀池 ( 4 ) 提高温度 改变微生物生长的温度也能够影响微生物的新陈代谢，从而获得较低的表观产率系 数。温度升高，使得污水处理系统中有机碳含量降低，但氮的相对含量增加，说明在一定 程度上升高温度，可以使细菌新陈代谢加快，对有机碳的氧化增加，但对合成自身所需 的氮的利用却没有增加，表明细菌此时的合成代谢没有增加。这表明在温度升高后微 生物首先提高的是分解有机物的能力，而在合成代谢方面却没有随之提高到相应水平， 分解有机物增多而获得的能量并没有完全用于合成自身，从这一点看是微生物生长解 偶联。h u n t e r 等人证明提高温度对污泥减量的效果和延时曝气的效果一样。s e n z e 等人 实验得到在2 3 。c 时污泥表观产率系数是0 3 5 。而当温度升高到4 0 8 c 时，污泥的表观 产率系数降为0 0 1 “”。 由于污水处理系统的复杂性，升高温度对污泥减量的原因不仅仅是能量解偶鞋引起 的，还与升高温度对细菌的选择、原生动物等对细菌的捕食等有关。同时升高温度也使 西安建筑科技大学硕士学位论文 得微生物自身氧化率提高，这些都需要在研究中区分。在实际污水处理中，提高温度使 得污泥减量的不可行性也是明显的：提高温度所需要的能量较大。 ( 5 ) 在高盐浓度下 在高盐浓度下( n a c l 浓度l o 3 0 9 1 ) 微生物的呼吸速率将受到影响，有关解释是从 微生物在高盐浓度下细胞内外n a + 浓度差异导致细胞为了维持自身代谢所需要的n a + 浓 度，抵抗由于内外n a + 浓度差升高引起渗透压增高，这样，需要细胞提供部分能量用于转 移n a + ，消耗了部分用于合成的a t p ，也就降低了污泥的表观产率系数。“8 3 但值得一提的是，细胞对n a c l 还有适应过程，一旦长期处于一定浓度的n a c l 溶液中， 细菌将被驯化，使得能在高n a c l 浓度下能够生存的细菌占主要，这部分细菌消耗用于合 成的a t p 的量较少，使得污泥减量不明显，所以有人认为为了防止细菌对n a c l 的适应， 可以考虑利用n a c l 冲击负荷对细菌新陈代谢造成影响要好于持续浓度的n a c l 的影响 tg o ( 6 ) 提高供氧 提高供氧，一方面可以增加细菌氧化底物的速度，另一方面也可咀增加细菌氧化自 身细胞( 类似于延时曝气) 的速度。总之，可以使得细菌在氧化有机物的速度上加快，使 其产生的a t p 的量增加，这样，也可能使得细菌由于a t p 合成酶在a t p 浓度较高时对 a t p 进行水解，形成质子的无效循环，使得解偶联发生。 溶解氧从2 m g l 增加到6 m g 1 ，污泥产量将减少2 2 。( 在不同污泥符合条件下，f m 在0 5 到1 7 ) 。但是，其中有1 0 的作用是由于增大曝气量而使得污泥絮体变小从而使 得氧的传质速率增高的结果。这样，由于氧的浓度的增加使微生物生长解偶联而使污泥 产量减少就只有1 2 阳“。提高氧的浓度，同时也能强化对底物的氧化。 利用微生物氧化磷酸化解偶联是从生物降解一开始就控制污泥产量的方法，现阶段 的研究还处于机理研究方面，从已有的文献来看，虽然有不少基于化学渗透假说的有关 机理的推测，但说法不一，缺乏相应的证据。在投加解偶联剂的研究中甚至有文献将解 偶联剂和氧化磷酸化抑制剂混为一谈。虽然解偶联剂的投加在现阶段离实际应用还有 较长的差距，但对微生物氧化磷酸化的机理研究却有着不可替代的作用，一旦机理研究 有所突破，再寻求相应的工艺和技术，就比较容易。 1 1 2 强化微生物细胞再利用技术 隐性生长的原理 隐性生长( c r y p t i cg r o w t h 或d e a t h r e g e n e r a t i o n ) 是指细菌利用衰亡细菌所形成的二 次基质生长，整个过程包括了溶胞和生长“。这就需要利用各种溶胞技术，使细菌迅速 死亡并分解为基质再次被其他细菌所利用，是现在广为应用的手段。如图卜2 所示，左 西安建筑科技大学硕士学位论文 边表示传统的细胞衰减模式，右边表示细胞衰减的溶解再生长模式。如右图所示，如果 在提高细胞死亡量的同时促进细胞破裂并水解，将形成二次基质，而细胞残留物将减 少。事实上，在水处理中实际情况如右图所示。而内源呼吸( e n d o g e n o u sr e s p i r a t i o n ) 则 是指细胞利用体内物质进行的呼吸。 促进细胞溶解，在传统模型中，可以认为是增大了细胞衰减速率，这样可以降低剩余 污泥的产量。另一方面，人为强化细胞死亡、破裂、水解过程，还可以提高污泥中有活 性微生物所占比例，使得水处理效果得以加强。 c o d 去除c o d 去除 图i - 2 细胞衰减传统模式( 左) 和溶解再生长模式( 右) 示意图 通常的溶胞作用包括各种化学、物理、生物及其相互联合的作用。 三方面的溶胞技术( 物理、化学、生物) 并不是截然分离的，还可以联合应用。如： 将热处理和生物溶菌作用联合在日本已经处于实际工程应用阶段，而碱+ 热处理则能提 高处理效率。“。溶胞技术的应用，绝大多数是利用污泥回流过程中强化对细胞的溶解。 从污泥回流段入手有如下优点： 技术实现简单，只需在回流阶段增加处理设施。 对曝气池和初沉池的污泥分别对待，有利于高有机含量的污泥被生物再次利用。 可以充分利用曝气池中的溶解氧，增加的曝气量不大。 1 1 3 利用微型动物对污泥减量化的研究 微型动物( m i e r o f a u n a ) 的概念是一个模糊的界定，并不象分类生物学中有严密定 义和科学考证的概念。在水生生物学中，主要指原生动物和部分在显微镜下才能看到 的后生动物。本研究所指的微型动物是指在水处理过程中能够摄食细菌、有机颗粒物 的原生动物和部分体型较小的后生动物( 如轮虫、线虫、大型无脊椎动物如环节纲的 蚯蚓和软体动物等) 。 利用微型动物对污泥进行减量的出发点是保持污水处理这一人工生态系统的平衡， 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 使能量流动和物质循环能保持稳定。在污水生物处理中建立相对稳定的生态平衡系统， 有利于物质和能量的正常转化。充分利用微型动物在污水处理生态系统中对细菌的捕 食作用，防止物质在整个食物链中的某一部分过度累积，从而达到减少剩余污泥产量 的目的。如果在食物金字塔中每一级生物对物质的利用率是6 0 ，则通过三次捕食活动， 物质只为最初的1 5 左右。 在传统的活性污泥法处理污水过程中，存在较为复杂的食物链关系。细菌在利用有 机物以后，将通过食物金字塔不同等级的微型动物进行捕食消化，从而降低剩余污泥 的产量。从生态学角度看，当系统中食物链越长，能量损失越多，可用于合成生物体 的能量就越少，最终形成的总的生物量就越少。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。 传统活性污泥法和生物膜法的对比可以证明利用食物链原理对污泥进行减量的有 效性。利用生物膜法处理污水比用传统活性污泥法处理污水产生的污泥量要少的多， 其中最主要的原因就是生物膜法中更窑易生长微型动物，甚至苍蝇一类的昆虫，由于 食物链较长而且较为复杂，使得生物膜处理系统内产生的污泥量要比活性污泥法低 1 4 。单就纤毛虫而言，b a r k e r 等人早在1 9 4 3 年就观察到在生物膜法中纤毛虫3 5 种， 而活性污泥法中纤毛虫则只有1 3 种。 利用微型动物对污泥进行减量的可行性如下”： 微型动物较大的捕食速度：如四膜虫种群在指数生长期，每个四膜虫的掠菌速度 为5 0 0 6 0 0 个h 一，在种群相对稳定期，每个四膜虫的掠菌速度为1 0 0 2 0 0 个h 。较 大的纤毛虫则每小时可以消耗掉几千个细菌，每小时消耗的细菌总量为自身体重的 1 1 2 。 微型动物的捕食可能对细菌的生长进行选择：由于微型动物对细菌的捕食，使得 大多菌种保持在对数生长期，防止细菌种群的退化。 微型动物能对絮状活性污泥的沉降性产生影响：微型动物容易捕食游离的细菌， 同时由于水生态系中的原生动物可以有选择性地摄取高碳水化合物低矿物的碎屑，这 样减少了絮状污泥中的有机物的量，使得在出水中污泥的沉降性变好。 在污水处理中原生动物和细菌的关系有：掠食关系、絮凝作用和共生关系三种姐“。 掠食关系：原生动物在食物链中处于捕食细菌的地位。原生动物通过对细菌的捕食， 能促进细菌的生长，使细菌的生长维持在对数生长期，防止种群的衰老，提高细菌的 活力。 絮凝作用：细菌生长到一定程度后就凝结成絮状物。这种絮状物为原生动物提供了 着生的环境，反过来由于絮状物上的原生动物能够分泌粘液等物质，可加速絮凝过程。 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 共生关系：微型动物与微生物的关系还包括共生，细菌的分泌物能刺激原生动物的 生长，原生动物活动产生溶解性有机物质( d o m ) 可被细菌再利用，促进细菌的生长。 影响微型动物繁殖的条件较多，最主要的是温度和食物。原生动物生长的温度范 围是很宽的，但其最适温度却很窄( 大多数在2 5 3 2 ，2 6 2 9 ) ，偏离了最适温度 其繁殖速率就会明显下降停止甚至死亡”。相对而言后生动物在对温度的适应上要强 于原生动物。食物的影响则表现在当食物( 细菌) 浓度较低时，摄食速度与食物浓度 成正比，但当食物浓度到了一定程度后，食物浓度再提高，摄食速度也不再增加( 当 细菌的浓度达到8 0 1 0 0 m g 1 后，纤毛虫的摄食速度不再增加) 。 影响微型动物繁殖的其它条件还有盐度、p h 、e h 、0 2 、c 0 2 、n h 3 、n h 4 + 、h 2 s 等。 在污水处理中，b o d 。负荷量是决定原生动物种群数量变化的重要因子”1 。 微型动物导致的污泥减量化还与降解的基质有关。在其它参数相同的情况下，在比 较了分别以甲醇和乙酸作为碳源的两阶段系统后发现，甲醇作为碳源的表观污泥系数 为0 0 5 9 t s s g c o d ，而已酸作为碳源的污泥系数为0 1 7g t s s g c o d 。主要原因是以 甲醇作为碳源时，在第二阶段的分散细菌更容易为微型动物所捕食，而以乙酸作为碳源 时，细菌更容易形成菌胶团，不利于微型动物的捕食”“。还有文献认为在菌胶团的形成 上，氮源作为生长的限制因素可能使得菌胶团更容易形成”“。 对微型动物的研究分为原生动物和后生动物两部分。 原生动物( p r o t o z o a ) 是最原始最简单的单细胞( u n i c e l l u l a r ) 动物。活性污泥是一 种絮状结构，絮状体的中央为菌胶团，在其周围有着生或爬行的原生动物“。和其它的 后生动物相比，原生动物最大的优势就是数量大，生长速度快。原生动物在活性污泥 中的含量5 0 0 0 0 个l ，干重约为5 。“，7 0 左右为纤毛虫。纤毛虫在污水中主要分为两 大类：游泳型纤毛虫和附着型纤毛虫。游泳型纤毛虫对水质净化等方面没有显著贡献， 主要是附着型纤毛虫起主要作用。在活性污泥中纤毛虫的种群数量主要和游离细菌有 关，而与絮状污泥的数量并不直接相关，这是由于纤毛虫等原生动物的摄食是吞咽式 的，只能吃相对较小的细菌和有机颗粒物，对体积较大的污泥絮体，没有特定的器官 去啃咬，副食，使得污泥絮体限制了纤毛虫的索食活动和生长速度。固着型纤毛虫及 吸管虫等还可以分泌粘液，使之附着在絮凝体上生长，从而有利于絮凝体的形成。因 此在活性污泥培养初期，一旦在系统中发现固着型钟虫，随后即可看到污泥絮体己开 始形成并逐渐增多。固着型纤毛虫类主要指钟虫类原生动物。在活性污泥中最多、最 为常见的一类微型动物。原生动物在活性污泥中的作用主要有：l 指示污水厂的运转效 能2 分泌生长因子和降解胞外聚合物3 原生动物的捕食作用“”在调查污水处理厂曝气 池发现，纤毛虫在生活污水中的含量最多，在1 0 0 0 0 个l ，m a d o n i 发现在活性污泥法 中的纤毛虫占可挥发性固体的9 ，而在生物膜法则达1 2 1 9 ，而且发现在活性污泥 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 法中纤毛虫密度和活性污泥浓度成正比，生物膜法中纤毛虫密度和生物膜量成正比 ”1 。无论是实验观察还是数学模型都证明了原生动物尤其是纤毛纲原生动物，促进了 污水的净化，提高了出水水质。对细菌的捕食作用是曝气池中的原生动物促进污水净化 的主要机制。原生动物的捕食减少了1 2 4 3 的细菌生物量，从而减少了污泥生成量 ”“。纤毛虫在活性污泥法中除了捕食游离细菌、净化水质、分泌多糖类物质、促进颗 粒物和细菌凝聚成团、加强沉淀效果外，还能控制丝状菌的生长，从而防止污泥膨胀。 后生动物主要常见的是轮虫、线虫、红斑颗体虫。在常规活性污泥法中和生物滤池 中，常见的后生动物多为轮虫和线虫，其它的如寡毛纲的环节动物则相对较少，但生 物滤池的生物量则要多于常规活性污泥法。在膜生物反应器中，经过接种，寡毛纲环 节动物是可以大量繁殖的。 轮虫( r o t i f e r ) ：轮虫是但轮动物门( t r o c h e l m i n t h e s ) 轮虫纲( r o t i f e r a ) 的微小动物， 因它有初生体腔，新的分类把轮虫归入原腔动物门( a s c h e l m i n t h e s ) ”。在污水处理 中报道的主要是蛭态目和单巢目，单巢类轮虫主要是腔轮虫。与原生动物纤毛虫相比， 在污水处理中的数量不多，但由于体形相对较大，构造相对复杂，特别是具有肌肉质 发达的咽喉，高度硬化了的咀嚼器以及具有消化腺的胃，可以较为灵活的移动，从污 泥减量化角度更具主动性。而且，在显微镜下经常能看到部分轮虫还能撕扯污泥絮体 的碎片。轮虫个体消耗大量的细菌和固体颗粒物可以补偿由于其数量不足的劣势。在 活性污泥中的轮虫数量，据报道可达4 5 0 0 i n d m l n 4 1 “。同时轮虫还可以作为鱼类等高 等水生生物的饵料，在水产研究中具有经济价值。轮虫在系统正常运行时期、有机物 含量较低、出水水质良好时才会出现，故轮虫的存在说明处理效果较好。然而有时处 理系统因污泥龄较长、负荷较低、污泥因缺乏营养而老化解絮，这时轮虫可因污泥碎 屑增多而大量增殖，数量可多至i m l 中近万个。这时，为污泥老化解絮的标志。污泥 中常见的有玫瑰旋轮虫和猪吻轮虫。 线虫( n e m a t o d a ) ：线虫也属于原腔动物门，喜欢在各种水体的碎屑中钻洞挖掘， 前端口器发达。线虫身体圆形，似打足气的轮胎，可吞噬细小的污泥絮粒，在膜生长 较厚的生物膜处理系统中常会大量出现。w o o m b s 等人在研究了生物滤池中线虫的饲养 能量摄食生长繁殖和呼吸后，发现线虫的需氧量仅占活性污泥中总生物需氧量的 o 0 3 2 7 ，对活性污泥的直接影响较小轴”。w o o m b s 在研究氧化沟中线虫的能量贡献 后发现线虫对细菌的捕食和分解是可以忽略不计的。线虫的卵能抵抗常规处理，如延 时曝气、污泥消化、堆肥。线虫在活性污泥法中不常见的原因有二：悬浮并搅动的污 泥絮体使得线虫的雌体和雄体的接合不容易：线虫的生长周期是污水中常见后生动物 的两倍。这就使得线虫的培养需要在有载体的条件下进行。”。 关于寡毛纲环节动物( a n n e l i d a ) ：寡毛纲环节动物是具有体腔和体节的蠕虫，属环 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 节动物门。张绍园、魏源送以及r a s t a k 等人对寡毛纲中的颞体虫科( a e o l s o m a t i d a e ) 和 仙女虫科( n a i d i d a e ) 等进行了研究。蠕虫每天的食量是自身重量的几倍。r a s t a k 对蠕虫 的数量、大小与污泥减量的关系进行研究，每毫升污泥中蠕虫的数量高于2 0 3 0 条时， 污泥发生明显的减量。当污泥减量达5 0 时并不对水处理效果产生明显的负面影响 口”1 。张绍园在重力淹没式膜生物反应器中引入蠕虫，发现当蠕虫数量在1 0 0 条m l 时，污泥产率为0 1k g t s s k g c o d ，为常规污泥产率的四分之一。而关于蠕虫中究 竟哪一种是主要的，有文献报道是a e o l s o m a t i d a e ，也有报道是n a i d i d a e 。同时在比较 第二阶段究竟是膜生物反应器还是传统活性污泥法能有效维持一定量的蠕虫也存在争 论。因为如果只考虑膜的截留作用，膜生物反应器要优于普通生物反应器，但由于膜 生物反应器可截留部分对蠕虫产生不良影响的代谢产物，反而引起蠕虫的减少。 颗体虫身体分节、节间有刚毛伸出，以污泥碎屑、有机物颗粒为食料。在生活污水 处理厂中出水水质良好时亦可出现。出现在废水生物处理中的颥体虫( a e o l o s o m a ) 几 乎都是红斑颗体虫( a h e m p r i c h i ) ，本属的形态描述如下：形态上本属是属于油蚯蚓科， 长约l m m ，皮下含有红色黄色绿色等油滴。在体节上的背腹各有2 对刚毛，以无性横 分裂增殖，在生物处理中出现的a h e m p r i c h i 油滴呈红色。生态上食物来源以摄食细菌 类微小动物为主。已有资料说明，本属主要生长在长时间曝气的活性污泥或生物膜中， 其单寄生培养的比生长速率常数在适当条件下是0 3 o 4d - 1 ，最适当温度是3 3 ，能在 p h 值6 8 的范围内增殖。在某些细菌下无法增殖，是狭食性寡毛类。处理设备的细菌 左右着颞体虫的出现。里优势化则污泥呈红色。在红斑颓体虫与细菌的单寄生培养下， 上清液呈白浊状，若与其它微小动物共存可以获得良好水质h 。 蚯蚓( e a r t h w o r m ) 首先在处理城市垃圾方面得到应用，在处理生活污水方面，近 年来在法国和智利发展起来的一项针对生活污水的处理技术一生活污水的蚯蚓过滤处 理，这项技术是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机物质的分解转化等生 态学功能而设计的。由于蚯蚓体内具有丰富的酶系统，使得被吞食的物质经过2 3 小 时体内酶的作用就形成了高度融合的有机无机复合肥一蚓粪“。蚯蚓食量较强，每天 至少吞食和排泄相当于体重l 2 倍甚至高达1 0 倍。国内利用蚯蚓处理生活污水方面 的研究主要集中在蚯蚓生态滤池的研究上。近年来，该工艺在上海成功的进行了中型 实验和生产性规模的应用。蚯蚓养殖污水土地处理还能显著提高土壤对n h t + 的吸附能 力，蚯蚓负荷越大，吸附能力就越强，达到了在提高污水脱氮效果的同时，增加了土 壤肥效1 。 软体动物，如腹足纲( g a s t r o p o d a ) 中淡水螺类( p h y s a a c u t a ) 也可以利用污泥作 为食物。至于是否可以利用作为污泥减量，本文将作初步研究。 s a m b a n i s 等人则发现，在细菌和原生动物( 纤毛虫) 共存的条件下，细菌利用基质 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 生长是影响共存的重要因素。同时在细菌和原生动物共存系统中，除了有细菌自发形 成菌胶团以抵御原生动物捕食外，还必须注意在反应器壁上的细菌，这一部分细菌不 能被原生动物捕食，从而导致系统不会崩溃，在做细菌和原生动物基础研究时不可忽 视这种作用“”“1 。 污泥减量所利用的微型动物包括原生动物中的纡毛虫类和后生动物中的寡毛纲类， 由于纤毛虫的个体较小，对其计数不便，而且其摄食的主要是游离细菌，对污泥直接 减量效果不明显。现阶段国内外利用微型动物减量污泥的研究主要集中在寡毛纲环节 动物的仙女虫、红斑颞体虫、颤蚓等体型较大的后生动物 5 有关微型动物污泥减量工艺的研究 在研究微小微型动物对污泥减量化中，多采用两段法：第一段为分散细菌培养阶段 ( 分散培养反应器) ，促进分散细菌的生长同时达到污水中有机物的降解。其目的是在细 菌高速降解有机物的同时不形成菌胶团，其固体停留时间要小于细菌的时代时间：第 二阶段为捕食阶段( 捕食反应器) ，促进原、后生动物的生长。在第二阶段中，必须保 持一定量的原、后生动物的生长，这就要使污泥龄长于水力停留时间“”。该阶段可利 用生物膜或膜生物反应器达到要求。两阶段法利用反应器运行参数( 固体停留时间) 将细菌对有机物的降解和原生动物对细菌的捕食分开，在第一阶段使细菌能够在分散 状态下能够更有效的降解有机物，而不会由于有原生动物的捕食而聚集成菌胶团；在 第二阶段，刚进入反应器的细菌还是游离态的，有利于原生动物的捕食，使原生动物 能维持在较高的水平，对污泥减量更有利。 g