四种微型动物对污泥减量的比较

四种微型动物对污泥减量的比较摘要：根据食物链中C元素形态的改变，通过测量特定系统中非固态C（气态和液态）的增加速率来确定微型动物对污泥的减量速率。利用污水处理过程中可能出现的四种微型动物（红斑顠体虫、蚤状溞、颤蚓和卷贝）摄食污泥，通过非固态C增加速率试验得到四种微型动物对污泥的减量速率分别为0.8、0.18、0.54、0.1mg-sludge/(mg-Microfauna.d)。对于体型较大的微型动物（颤蚓和卷贝），该方法所得结果与直接称量法的结果吻合，对于体型较小的微型动物（红斑顠体虫），该方法所得结果与连续反应器中表观减量速率一致，均说明该方法结果可信。

关键字：污泥减量速率微型动物摄食1前言利用微型动物对生物污泥进行减量，虽然减量程度有限、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受到关注[1-3]。目前有关利用微型动物对污泥进行减量的研究存在两个争论：一个是微型动物在城市污水处理中对污泥减量效果是否明显[4-7]，另一个是具体哪些微型动物对污泥具有显著的减量效果[8-10]。这两个争论均源于缺乏微型动物对污泥的摄食速率这一关键数据。而测量微型动物对污泥减量速率的困难在于体型较小的微型动物摄食量微小，实验室常用的万分之一天平不能达到精确称量的要求，同时微型动物和污泥分离困难，而利用放射性元素进行示踪试验比较复杂，因此，需要建立一种简单准确的微型动物对污泥减量速率的测量方法。本文从微型动物对污泥减量的原理出发，提出非固态C产生速率法并用目前相关研究中采用的直接测量法和间接测量法进行佐证。2试验原理与试验方法2.1试验原理所谓污泥减量，从物质形态来看，是将系统中的固态物质转化为气体和液体，从物质形态上达到减量目的。考察污泥中所占比例最大的C元素（50％）形态的转变，，作为固态的活性污泥被微型动物摄食后，一部分转化为微型动物自身（固态的C），另一部分则由于微型动物排泄、呼吸作用，形成溶解在水中的液态C和气态C，从而达到污泥减量的效果。在相对封闭系统中微型动物摄食灭菌污泥（防止活菌代谢产生非固态C干扰），导致污泥中固态C向非固态C的转化，通过测量非固体C转化速率得到微型动物对污泥减量速率。预备试验验证，红斑顠体虫等微型动物对活菌并没有选择性摄食。2.2试验方法试验流程如图2，从活性污泥曝气池中分离并经过消毒（包括0.4％NaCl催吐、0.005％NaOCl和0.1％青霉素和链霉素消毒）的不同数量的微型动物置于已经消毒的安瓿瓶中（装置见图3），其中约1/3是灭菌污泥，其余是气体（如图3中左图）。通过气相色谱（TC-14,SHIMADZU,中国）测定安瓿瓶中的CO2；VOC分析仪（VOCdetector,PGM7240,RAESystem,Sunnyvale,美国）测定气体中VOC（由于VOC测定仪是在线检测，所以在测定VOC时使用的装置如图3中右图，其中瓶体积为500ml，远远大于连接管路的体积，忽略由于连接管路体积带来的误差，干燥剂可以防止水分对VOC测定的影响），同时用TOC仪（TOC-5000A,SHIMADZU,KYOTO,日本）测定水中TOC。图2实验流程图3实验装2.3污泥减量计算方法微型动物对污泥减量速率RS计算如等式（1），RS=RNS-C/0.5=(RIC+ROC)/0.5=(RIC-G+RIC-S+ROC-G+ROC-S)/0.5,(1)其中，RS单位：mg-VSS/(mg-microfauna.d)，RNS-C为系统中非固态C增加速率，单位mg-C/(mg-microfauna.d)，RNS-C分为非固态无机C增加速率RIC和非固态有机C增加速率ROC，其中RIC和ROC又各分别包括气体和液体中C的增加速率：RIC-G、RIC-S、ROC-G、ROC-S。系统中RIC的确定系统内气体中无机C（即CO2）和污泥中无机C（包括H2CO3、HCO3-和CO32-）满足Henry定律，如图4，虽然当CO2在浓度较低时在水中和污泥溶液中有一些差异，但在浓度较高(>5000ppm)呈线性关系，且相对斜率非常接近，这主要是由于CO2浓度较低时，污泥溶液类似于缓冲溶液，可以通过污泥絮体过量吸附CO2，而当这类吸附达到饱和以后CO2和液体中的无机C就满足Henry定律。这样就可以只测量气体中CO2的增加速率，而后通过Henry常数得到无机C增加速率，即RIC=RIC-G/0.555。图4污泥中无机C平衡系统中ROC的确定系统中气体有机C的增加即是VOC的增加，如图3中右图装置，在线测量系统中CO2浓度的同时测量其中VOC的浓度，当CO2的浓度从1000增加到20000ppm时，VOC的浓度仅从400增加到700ppb，其浓度以及增加速率均不及CO2的0.1%，完全可以忽略系统中由于微型动物摄食导致VOC增加部分，即ROC≈ROC-S，ROC-S可以通过测量污泥溶液中TOC得到。这样，微型动物对污泥减量速率可以如下公式计算：RS=(RIC-G/0.56+ROC-S)/0.5(2)3试验结果与讨论3.1通过CO2测定确定微型动物代谢产生无机C速率以颤蚓为例，每隔一段时间（12h）测定含有不同数量（1－12ind）颤蚓瓶中气体的CO2浓度。图5CO2随时间和颤蚓数量而改变如图5，随着时间和颤蚓数量的增加，气体中CO2浓度随之增加。由图5数据可以计算得到CO2的增加速率RCO2=275.87ppm/(ind-Tubifex.h)RIC=RCO2/1000000/24.5×18×12×24/0.5/0.555RIC的单位是mg-C/(mg-Tubifex.d).上式中，24.5是25oC时的理想气体常数，18为安瓿瓶体积(ml),12为C原子量,24表示每天24小时，0.5表示每条颤蚓干重为0.5mg（为了便于比较不同微型动物，单位统一为干重，mg）。得到颤蚓对无机C增加速率RIC=0.23mg-C/(mg-Tubifex.d)。同样试验还做过4次，当颤蚓条数增加到20条时，试验用瓶的体积为35ml。计算得到RIC的范围是0.2286-0.2522mg-C/(mg-Tubifex.d)，标准偏差为0.0095mg-C/(mg-Tubifex.d).3.2通过测定TOC确定微型动物导致水中溶解性有机C增加速率测量试验前后上清液（经过0.45μm过滤）中TOC浓度的变化，TOC浓度的增加和颤蚓数量成正比（时间是试验整个试验过程），直线拟合计算得到的斜率0.0157mg-DOC/(ind-Tubifex.d)算得ROC=0.0157/0.5=0.0314mg-DOC/(mg-Tubifex.d)。将以上两种速率相加，可以得到由于颤蚓的摄食，经过自身对C的代谢导致非固态C增加的速率，进而可以确定出微型动物对污泥减量的速率RS=(RIC-G/0.555+ROC-S)/0.5=(0.23+0.0314)/0.5=0.5228mg-sludge/(mg-Tubifex.d)。3.3直接测量颤蚓减量速率由于颤蚓体型较大，相对容易与污泥分离，所以通过测量不同数量颤蚓摄食以后污泥干重来确定颤蚓对污泥减量的比例。每组不同数量的颤蚓做7组平行试验，取其平均值，计算得到的标准偏差作为误差限。图中部分标准偏差较大，而且16条颤蚓对污泥的减量速率反而高于20条颤蚓的结果，说明即便颤蚓体型较大，和污泥分离相对容易，但直接秤量还是存在较大误差。试验持续一天，通过直线拟合得到斜率为-0.32mg-sludge/(ind-Tubifex.d)，换算得到颤蚓的直接污泥减量速率为0.64mg-sludge/(mg-Tubifex.d)。前面通过计算非固态C增加速率得到的污泥减量速率是0.52mg-sludge/(mg-Tubifex.d)。这表明利用食物链中C形态变化计算得到的污泥减量速率的方法和直接测量的结果相同。在卷贝试验中也又类似结论。3.4间接测量红斑顠体虫对污泥的减量速率前面提到，在确定微型动物对污泥减量中使用的间接表观减量，其计算过程如下：首先计算得到系统产率系数Y（如等式3）。对于红斑顠体虫和在不同条件下连续运行的CAS反应V：反应器体积(L)；X：反应器中污泥浓度(mg-VSS/L)；Q：流速(L/d)；C：COD浓度(mg/L)。下标i，e，和w分别代表进水、出水可以看出无论是去除负荷还是污泥龄的改变，污泥产率系数Y都和红斑顠体虫密度呈负相关。尽管Y可以受到其他因素的影响，可以粗略地将Y和红斑顠体虫密度进行线性拟合，得到的斜率为ΔY。表观减量速率RS可以通过等式（4）计算得到，结果列在表2中。RS=ΔY×ΔF/M/0.0005(4)ΔF/M：去除负荷（mg-COD/mg-VSS.d）；RS：表观减量速率（mg-VSS/(mg-A.hemprichi..d)），单条红斑顠体虫干重为0.0005mg。RS的范围在0.53-6.32mg-VSS/(mg-A.hemprichi.d)，该值受到影响的因素较多，而通过食物链中C形态变化得到的红斑顠体虫减量速率为0.8mg-VSS/(mg-A.hemprichi.d)，和RS相比较不容忽略，说明由于红斑顠体虫的摄食在活性污泥系统具有污泥减量的作用。3.5四种微型动物对污泥的减量速率由于四种微型动物中颤蚓和卷贝体型较大，也相对易于与污泥分离，所以有直接测量的结果。这两种微型动物直接测量结果和通过食物链中C形态变化得到的减量速率相近。说明通过食物链中C形态变化得到的减量速率的试验方法可信，可以尝试对比红斑顠体虫体型更小的微型动物进行测试。微型动物对污泥减量速率的大小和微型动物的门或属有关，寡毛纲环节动物要比节肢动物门甲壳纲和软体动物门腹足纲动物对污泥的减量速率要高。推测可能和微型动物身体形状有关，寡毛纲环节动物呈线形，在相同体积下，表面积要大于球体，使得其代谢更快。虽然，在实际试验中卷贝每日摄食量达到其自身体重的数倍，但由于所排遗的粪便量也大，所以其减量效果有限。不同种属的微型动物，由于摄食导致固态C向液态和气态C转变的比例也不完全相同，如卷贝对污泥的减量速率中对液态和气态C转变比例相近，而其他三种动物都是气态C要大于液态C。在同一种属中也可能由于体型大小不同而导致污泥减量速率不同。红斑顠体虫减量速率要略高于颤蚓，主要的原因是红斑顠体虫较小，比表面积较颤蚓大，所耗散的能量高，对污泥的减量速率高。4结论1)通过测量特定系统非固态C增加速率确定微