污泥減量化技術(shù)的進(jìn)展

污泥減量化技術(shù)的研究進(jìn)展摘要：從現(xiàn)階段國內(nèi)外污泥處理與處置在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面存在的問題出發(fā),闡明了研究污泥減量技術(shù)的緊迫性。根據(jù)生物處理工藝中影響剩余污泥產(chǎn)生的可能途徑,將污泥減量技術(shù)分為降低細(xì)菌合成量的解偶聯(lián)技術(shù)、增強(qiáng)微生物利用二次基質(zhì)進(jìn)行隱性生長的各種溶胞技術(shù)、利用食物鏈作用強(qiáng)化微型動(dòng)物對細(xì)菌捕食的技術(shù),介紹了各種技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并比較了減量效果和優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵字：生物處理污泥減量解偶聯(lián)隱性生長微型動(dòng)物捕食污水生物處理中產(chǎn)生的大量的剩余污泥通常含有相當(dāng)量的有毒有害物質(zhì)(如寄生蟲卵、病原微生物、重金屬)及未穩(wěn)定化的有機(jī)物,如果不進(jìn)行妥善處理與處置,將會對環(huán)境造成直接或潛在的污染。而目前對剩余污泥的處理與處置,存在有效性和經(jīng)濟(jì)性兩方面的問題:首先,尚無一種可以推而廣之同時(shí)對環(huán)境無污染的有效方法;其次,各種污泥處理處置方法需要的資金巨大,如在歐美,污泥處理基建費(fèi)用占污水處理廠總基建費(fèi)用的比例高達(dá)60%—70%[1]。而另一方面,隨著城市生活污水處理量和處理率的增加,污泥產(chǎn)生量也將急速增加。目前我國城市污水年排放量已經(jīng)達(dá)到414億m3,二級處理率達(dá)到15%,污泥產(chǎn)生量大約為1500萬t/a左右(按含水率97%計(jì))。按照我國城市污水處理廠的建設(shè)規(guī)劃,2010年,我國城市污水的處理量和處理率都將增加,污泥年產(chǎn)量也將相應(yīng)增加到現(xiàn)在的5倍[2]。顯而易見,污泥的處理與處置將成為環(huán)境領(lǐng)域的一大難題。污泥減量技術(shù)正是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的。所謂污泥減量技術(shù),是指在保證污水處理效果的前提下,采用適當(dāng)?shù)拇胧┦固幚硐嗤康奈鬯a(chǎn)生的污泥量降低的各種技術(shù)。根據(jù)生物處理工藝中微生物代謝特性,剩余污泥的產(chǎn)量與微生物利用有機(jī)物合成自身的作用、內(nèi)源呼吸作用以及微型動(dòng)物對細(xì)菌捕食作用有關(guān)。前一部分使剩余污泥的量增加,后兩部分使剩余污泥的量減少。為此,減少剩余污泥的產(chǎn)量可能通過以下途徑來實(shí)現(xiàn):(1)降低細(xì)菌的凈合成量;(2)增加生物體的自身氧化速率;(3)增強(qiáng)微型動(dòng)物對細(xì)菌的捕食。以下將對國內(nèi)外近年來這3方面的污泥減量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展分別進(jìn)行介紹。1降低細(xì)菌細(xì)胞的合成量降低細(xì)菌細(xì)胞的合成量,即降低細(xì)菌的產(chǎn)率系數(shù)可以通過以下兩方面實(shí)現(xiàn):(1)從物質(zhì)上對細(xì)菌的合成進(jìn)行抑制,如限制其合成自身所必需物質(zhì)的供給,但這種方法在污水處理中顯然不適合;(2)從能量上對細(xì)菌的合成進(jìn)行抑制,使細(xì)菌氧化底物所獲得的能量不用于合成細(xì)胞本身,即ATP不隨底物被氧化的同時(shí)大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放而不是用于細(xì)胞的合成。正常情況下,生物的分解代謝和合成代謝是由腺苷三磷酸(ATP,adeno2dine5’2triphosphate)和腺苷二磷酸(ADP,adenosinediphosphate)之間的轉(zhuǎn)化而聯(lián)系在一起的,即分解一定的底物,將有一定比例的生物體合成。但在特殊情況下,底物被氧化的同時(shí)ATP不大量合成或者合成以后迅速由其他途徑釋放?？傮w上使得細(xì)菌的分解代謝和合成代謝不再由ATP的合成與分解反應(yīng)偶聯(lián)在一起,這樣細(xì)菌在保持正常分解底物的同時(shí),自身合成速度減慢,表觀產(chǎn)率系數(shù)降低[3],從而達(dá)到降低污泥產(chǎn)量的目的,這就是所謂的解偶聯(lián)。解偶聯(lián)(uncoupling)最開始的定義是:沒有磷酸化的呼吸過程,即氧化和磷酸化相互分離,在降解相同基質(zhì)條件下,微生物的合成量將降低。也有文獻(xiàn)將生物體新陳代謝的分離定義為解偶聯(lián)生長,這樣,就有能量解偶聯(lián)和物質(zhì)解偶聯(lián)兩種方式。Sroutamer提出在以下5種情況時(shí)微生物解偶聯(lián)生長可能發(fā)生[4]:(1)存在影響ATP合成的物質(zhì)(解偶聯(lián)劑);(2)存在過剩能量,引起能量消耗(高S0/X0條件);(3)在過渡時(shí)期(非穩(wěn)態(tài))生長(OSA工藝);(4)在不適宜的溫度下生長;(5)有限制性基質(zhì)的存在。其中前4種是通過解除新陳代謝中的能量偶聯(lián)達(dá)到的,第5種是通過解除新陳代謝中的物質(zhì)偶聯(lián)達(dá)到的。1.1投加解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑(uncoupleroruncouplingagents)分為人工合成解偶聯(lián)劑和天然解偶聯(lián)劑兩種。人工合成解偶聯(lián)劑通常為脂溶性小分子物質(zhì),如2,42二硝基苯酚(DNP),其作用機(jī)理是該物質(zhì)通過與H+的結(jié)合,降低細(xì)胞膜對H+的阻力,攜帶H+跨過細(xì)胞膜,使膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度降低。降低后的質(zhì)子梯度不足以驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成ATP,從而減少了氧化磷酸化作用所合成的ATP量,氧化過程中所產(chǎn)生的能量最終以熱的形式被釋放掉[5—8]。天然解偶聯(lián)劑主要是棕色脂肪和其他組織中的解偶聯(lián)蛋白,由于存在于高等動(dòng)物線粒體中,所以本文所提解偶聯(lián)劑主要是人工合成物質(zhì)[9]。研究表明,解偶聯(lián)劑的投加,對微生物(污泥)的表觀產(chǎn)率系數(shù)會產(chǎn)生明顯影響。關(guān)于解偶聯(lián)劑對微生物減量的研究,目前主要還是限于機(jī)理方面,但不同解偶聯(lián)劑對微生物的減量效果不同,在各種已報(bào)道的文獻(xiàn)中,2,4,52三氯苯酚(TCP)的減量效果最為明顯[10]。解偶聯(lián)劑的最大優(yōu)勢是不需要對現(xiàn)有污水處理工藝作大的改進(jìn),只需增設(shè)投藥裝置即可,但在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問題:(1)所投的藥在較長時(shí)間后由于微生物的馴化而被降解,從而失去解偶聯(lián)作用;(2)當(dāng)加入解偶聯(lián)劑后,雖然污泥的產(chǎn)量降低了,但從物質(zhì)守恒角度看,需要更多的氧去氧化未能轉(zhuǎn)化成污泥的有機(jī)物,從而使得供氧量增加[11];(3)對投加解偶聯(lián)劑的費(fèi)用還需要作比較,由于在污水中的濃度需要維持在4—80mg/L,用量也是驚人的;(4)解偶聯(lián)劑在實(shí)際應(yīng)用中的最大弱點(diǎn)是環(huán)境安全性問題。解偶聯(lián)劑通常是較難生物降解或?qū)ι镉休^大毒性的化合物,使得生物對解偶聯(lián)劑的降解不完全,這將會給水處理帶來新的污染。有關(guān)氧化2磷酸化解偶聯(lián)的機(jī)理尚有許多不明之處,需要結(jié)合生物化學(xué)、分子生物學(xué)以及毒理學(xué)方面的方法和理論作進(jìn)一步研究[12]。1.2高S0/X0條件下的解偶聯(lián)在高S0/X0(底物濃度/污泥濃度)條件下,微生物在分解代謝中產(chǎn)生ATP的速率要大于在合成代謝中消耗的速率。ATP產(chǎn)生累積后可能引起能量的消散(energyspilling,即能量以熱和功的形式散失到環(huán)境中),從而降低微生物產(chǎn)率系數(shù)。對在高S0/X0條件下解偶聯(lián)機(jī)理(途徑)有兩種解釋:一是積累的能量通過粒子(如質(zhì)子、鉀離子)在細(xì)胞膜兩側(cè)的傳遞削弱了跨膜電勢,隨后發(fā)生氧化磷酸化解偶聯(lián);二是減少了生物體內(nèi)部分新陳代謝的途徑(如甲基乙二酸途徑)而回避了糖酵解這一步[13]。對能量的中間傳遞過程,有文獻(xiàn)報(bào)道是通過ATP合酶在高濃度ATP條件下對ATP的分解造成無效質(zhì)子循環(huán)[14]。也有人認(rèn)為,能量的散失主要是通過維持能量(maintenance,細(xì)胞利用外部基質(zhì)或體內(nèi)肝糖、PHA所需的能量)的增加達(dá)到的[15]。對在高S0/X0條件下微生物生長動(dòng)力學(xué)模型已有較深入的研究報(bào)道。LiuYu等人研究了在基質(zhì)充裕條件下能量消散的動(dòng)力學(xué)模型[16—19],證明在S0/X0增加時(shí),微生物解偶聯(lián)生長部分增多。高S0/X0條件下解偶聯(lián)還不能用于實(shí)際的污水處理,這是由于要求相對高的S0/X0值(>8—10)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際活性污泥法處理污水時(shí)的情況(F/M=0.05—0.1)。而且,在高S0/X0條件下,微生物產(chǎn)生的不完全代謝的產(chǎn)物還可能對整個(gè)處理過程產(chǎn)生影響。1.3改變污泥所處環(huán)境通過交替改變污泥所處環(huán)境的厭、好氧狀態(tài),可以對微生物的生長造成影響,從而減小微生物的總表觀產(chǎn)率系數(shù)。OSA(oxic2settlinganaerobic)工藝的基本原理是通過在常規(guī)活性污泥工藝中的污泥回流中形成一特定的厭氧段,從而給微生物提供了一個(gè)交替好氧和厭氧的環(huán)境,使細(xì)菌在好氧階段所獲ATP不能立即用于合成新的細(xì)胞,而是在厭氧段作為維持細(xì)胞生命活動(dòng)的能量被消耗。微生物分解和合成代謝相對分離,而不像通常條件下緊密偶聯(lián),從而達(dá)到污泥減量的效果。試驗(yàn)中污泥減量效果比較明顯:污泥齡為5d時(shí),表觀產(chǎn)率系數(shù)降低50%左右。同時(shí),由于OSA的流程和除磷的流程相似,有利于除磷菌的生長,對磷的去除優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥法[20—22]。OSA工藝主要應(yīng)用在進(jìn)水有機(jī)物濃度較高的條件下。如果進(jìn)水的有機(jī)物濃度較低,則OSA工藝的污泥產(chǎn)率系數(shù)和常規(guī)活性污泥法相差不大。同時(shí),由于OSA法的水力停留時(shí)間較長(是常規(guī)活性污泥法的兩倍),使得在較低有機(jī)物濃度下的處理和常規(guī)活性污泥法相比在污泥產(chǎn)率方面沒有優(yōu)勢。1.4其他解偶聯(lián)技術(shù)其他使微生物分解代謝和合成代謝解偶聯(lián)的技術(shù)有升高溫度、提高鹽濃度和氧量等。改變溫度也能夠影響微生物的新陳代謝,從而獲得較低的表觀產(chǎn)率系數(shù)。在溫度升高后,微生物首先提高的是分解有機(jī)物的能力,而在合成代謝方面卻沒有隨之提高到相應(yīng)水平,分解有機(jī)物增多而獲得的能量并沒有完全用于合成自身,從這一點(diǎn)認(rèn)為微生物發(fā)生了解偶聯(lián)生長。在23℃時(shí)污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)是0.35,而當(dāng)溫度升高到40.8℃時(shí),降為0.01[23]。升高溫度對污泥減量的原因不僅僅是能量解偶聯(lián)所引起的,還與升高溫度對細(xì)菌的選擇、原生動(dòng)物等對細(xì)菌捕食的增強(qiáng)和微生物自身氧化率提高有關(guān),這些都需要在研究中進(jìn)行區(qū)分。高鹽濃度下(NaCl濃度10—30g/L)微生物的呼吸速率將受到影響。提高細(xì)胞內(nèi)外Na+濃度差,使得細(xì)胞必須提供額外能量用于維持體內(nèi)Na+濃度水平以滿足正常的生理活動(dòng)的需要,這就需要消耗部分用于合成的ATP,從而降低污泥的表觀產(chǎn)率系數(shù)[24]。但細(xì)菌一旦馴化,污泥減量化就會變得不明顯,可以考慮利用NaCl沖擊負(fù)荷來防止細(xì)菌被馴化[25]。提高供氧,可以使細(xì)菌氧化有機(jī)物的速度加快,使其產(chǎn)生的ATP的產(chǎn)生量增加。這樣,由于ATP合酶在ATP濃度較高時(shí)對ATP進(jìn)行水解,可能使細(xì)菌形成質(zhì)子的無效循環(huán),發(fā)生解偶聯(lián)[26]。利用微生物氧化磷酸化解偶聯(lián)控制污泥的產(chǎn)生,現(xiàn)階段還處于機(jī)理研究。從已有的文獻(xiàn)來看,雖然有不少基于化學(xué)滲透假說的推測,但說法不一,缺乏有力證據(jù),使得解偶聯(lián)劑的投加在現(xiàn)階段離實(shí)際利用還有較長的差距。2通過溶胞強(qiáng)化細(xì)菌自身氧化速率通過強(qiáng)化細(xì)菌的隱性生長(crypticgrowthordeath2regeneration)也可以達(dá)到污泥減量的目的。所謂隱性生長是指細(xì)菌利用衰亡細(xì)菌所形成的二次基質(zhì)生長,整個(gè)過程包含了溶胞和生長[27]。利用各種溶胞技術(shù),使細(xì)菌能夠迅速死亡并分解成為基質(zhì)再次被其他細(xì)菌所利用,是在污泥減量過程中廣為應(yīng)用的手段。促進(jìn)細(xì)胞溶解,在傳統(tǒng)模型中可以認(rèn)為是增大了細(xì)胞衰減速率,這樣可以降低剩余污泥的產(chǎn)量。通常的溶胞作用包括各種化學(xué)、物理、生物及其相互聯(lián)合的作用。通過溶胞強(qiáng)化細(xì)菌的自身氧化在工程應(yīng)用上極為容易實(shí)現(xiàn)。通常可在傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程中的污泥回流線上增加相關(guān)處理裝置2.1化學(xué)溶胞作用2.1.1臭氧日本早在1990年前后就開始了該技術(shù)的研究,目前已有實(shí)際處理裝置建成[28]。據(jù)報(bào)道,臭氧直接氧化污泥的比例是35%,其余65%是通過回流到曝氣池中被生物利用而降解。臭氧可破壞不容易被生物降解的細(xì)胞膜等,使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)能較快地溶于水中,同時(shí)氧化不容易水解的大分子物質(zhì),使其更容易為微生物所利用。臭氧氧化的效果和臭氧濃度及臭氧和污泥接觸反應(yīng)的時(shí)間(污泥循環(huán)速度)有關(guān),SakaiY.等人的研究表明,回流速率(回流污泥流量和曝氣池體積之比)為0.3d-1,臭氧濃度在0.02mgO3/mgSS以上時(shí),可以達(dá)到污泥的完全減量化[29]。LimH.等人在中試研究中發(fā)現(xiàn),間斷式臭氧氧化要優(yōu)于連續(xù)式,在間歇式反應(yīng)器中,臭氧每天平均接觸時(shí)間在3h左右就可以達(dá)到減量40%—60%[30]。在實(shí)際處理中,臭氧濃度和污泥回流速度關(guān)系到曝氣池中微生物的活性,LimH.等人對10種不同來源的污水進(jìn)行了試驗(yàn),長時(shí)間運(yùn)行(300d)發(fā)現(xiàn)在曝氣池中MLVSS/MLSS由開始的85%下降到75%并保持穩(wěn)定。同時(shí),臭氧濃度較高會使SVI(污泥體積指數(shù))值迅速下降到開始的40%[30],影響污泥的沉降性能。雖然臭氧發(fā)生需要耗費(fèi)能量而且需要增加曝氣量以滿足曝氣池中由于細(xì)胞溶解增加的二次基質(zhì)的氧化,但從污水處理和污泥處理的總費(fèi)用衡量,臭氧對污泥減量(100%)時(shí)的總費(fèi)用僅占活性污泥法+污泥焚燒處理總費(fèi)用的47%[31,32]。但利用臭氧處理回流污泥可能存在以下問題:(1)氮和磷的去除效果不好;(2)出水SS濃度要稍高于傳統(tǒng)活性污泥法(約2—15mg/L);(3)不排泥條件下,污泥中重金屬的含量和傳統(tǒng)活性污泥法相比,有一定增加[33];(4)為了保證曝氣池中生物對二次基質(zhì)的利用,需要增加曝氣量。2.1.2氯氣利用氯氣對污泥進(jìn)行減量的原理和臭氧相同,即利用其氧化性對細(xì)胞進(jìn)行氧化,促進(jìn)溶胞。Saby等人在氯的投加量為0.066gCl2/gMLSS,接觸時(shí)間為1—10min條件下處理污泥,通過35d的連續(xù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)由于氯氣的氧化,曝氣池中的MLSS在TS中的比例略有降低(降低5%—10%左右),污泥絮體平均直徑由15μm降低到3μm左右,而且粒徑分布更集中,氯化后污泥減量65%左右,但還不能象臭氧那樣達(dá)到100%減量。雖然氯氣比臭氧便宜,但氯氣能夠和污泥中的有機(jī)物產(chǎn)生反應(yīng),生成三氯甲烷(THMs)等氯代有機(jī)物,是不容忽視的問題[34]。2.1.3酸、堿酸或堿的作用是在抑制細(xì)胞活性的同時(shí),使細(xì)胞壁溶解釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì),使其能夠容易被其他活性污泥所利用。不同研究表明[35],COD的釋放分為兩個(gè)步驟,第一步比較迅速,第二步則相對較慢。相同pH條件下,H2SO4的溶胞效果要優(yōu)于HCl,NaOH的效果要優(yōu)于KOH;在改變相同pH條件下,堿的效果要好于酸,這可能是由于堿對細(xì)胞的磷脂雙分子層的溶解要優(yōu)于酸的緣故。如果將加熱和堿處理相結(jié)合(pH=10,60℃,20min)[35],可以收到較好的溶胞效果。2.2物理溶胞技術(shù)2.2.1加熱利用加熱加速細(xì)胞溶解的研究,目前已經(jīng)開展的包括和膜2生物反應(yīng)器相結(jié)合的工藝(中試)[36]。對其中污泥活性、產(chǎn)率系數(shù)、溶胞產(chǎn)物及其消耗,細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、不同溫度下對細(xì)菌的殺滅速率等方面的研究都有所涉及。不同溫度下,細(xì)胞被破壞的部位不同。在45—65℃時(shí),細(xì)胞膜破裂,rRNA被破壞;50—70℃時(shí)DNA被破壞;在65—90℃時(shí)細(xì)胞壁被破壞;70—95℃時(shí)蛋白質(zhì)變性[37]。不同的溫度使細(xì)胞釋放的物質(zhì)也不同,在溫度從80℃上升到100℃時(shí),TOC和多糖釋放的量增加,而蛋白質(zhì)的量減少。可以將細(xì)胞在加熱條件下釋放的物質(zhì)分為兩類:低分子量的C2-C5羧酸碎片和其他溶解的有機(jī)碳,前者可以被生物迅速利用,而后者的生物降解性則要低得多(性質(zhì)類似于腐殖質(zhì))。2.2.2超聲波超聲波25—30kHz通過交替的壓縮和擴(kuò)張產(chǎn)生空穴作用,以微氣泡的形成、擴(kuò)張和破裂達(dá)到壓碎細(xì)胞壁、釋放細(xì)胞內(nèi)含物的目的[38]。超聲波處理(如240W,20kHz,800s)只是從物理角度對細(xì)胞進(jìn)行破碎,和投加堿相比,在短時(shí)間內(nèi)有迅速釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的優(yōu)勢,但在促進(jìn)細(xì)胞破碎后固體碎屑的水解卻不如投加堿和加熱?？傮w來說,超聲波不如投加堿和加熱處理相結(jié)合(pH=10,60℃,20min)使細(xì)胞釋放的溶解性有機(jī)物水平高[39]。同時(shí),超聲波的作用受到液體的許多參數(shù)(溫度、粘度、表面張力等)和超聲波發(fā)生設(shè)備的影響,在短時(shí)間內(nèi)還不可能投入實(shí)用。2.2.3壓力利用壓力溶胞的原理類似于超聲波,主要作用是使細(xì)菌的細(xì)胞壁在機(jī)械壓力的作用下破碎,從而使細(xì)胞內(nèi)含物溶于水中[38]。此外,還可以利用滲透壓由高到低的改變造成水大量進(jìn)入細(xì)胞,導(dǎo)致細(xì)胞破裂[40]。2.3生物溶胞生物溶胞技術(shù),可以投加能分泌胞外酶的細(xì)菌,也可以直接投加酶制劑或抗菌素對細(xì)菌進(jìn)行溶胞。酶一方面能夠溶解細(xì)菌的細(xì)胞,同時(shí)還可以使不容易生物降解的大分子有機(jī)物分解為小分子物質(zhì),有利于細(xì)菌利用二次基質(zhì)。投加的細(xì)菌可以從消化池中選取,也可以從溶菌酶方面考慮,甚至包括特殊的噬菌體和能分泌溶菌物質(zhì)的真菌。但是在污水處理中投加酶制劑或是抗菌素在經(jīng)費(fèi)上不太現(xiàn)實(shí)。以上三種溶胞技術(shù)(物理、化學(xué)、生物)并不是截然分離的,可以聯(lián)合應(yīng)用。如:將熱處理和生物溶菌作用聯(lián)合在日本已經(jīng)處于現(xiàn)場試驗(yàn)階段,而堿+熱處理則能提高處理效率。溶胞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單,只需要在回流階段增加處理設(shè)施;(2)對曝氣池和初沉池的污泥分別對待,有利于高有機(jī)含量的污泥被生物再次利用;(3)可以充分利用曝氣池中的溶解氧分解二次基質(zhì),所需增加的曝氣量不大。3利用微型動(dòng)物對污泥減量化的研究3.1微型動(dòng)物對污泥減量的原理微型動(dòng)物的概念是一個(gè)模糊的界定。在水處理領(lǐng)域,習(xí)慣把原生動(dòng)物和一些體型較小的后生動(dòng)物(如輪蟲、線蟲、大型無脊椎動(dòng)物如環(huán)節(jié)綱的蚯蚓和軟體動(dòng)物等)稱之為微型動(dòng)物。嚴(yán)格地說,微型動(dòng)物不是生物分類學(xué)上的概念而是一種俗稱。利用微型動(dòng)物對污泥進(jìn)行減量可從以下三個(gè)方面著手。一是利用微型動(dòng)物在食物鏈中的捕食作用。從生態(tài)學(xué)角度,當(dāng)系統(tǒng)中食物鏈越長,能量損失越多,可用于合成生物體的能量就越少,最終形成的總的生物量也就越少。因此,延長食物鏈或強(qiáng)化食物鏈中的微型動(dòng)物的捕食作用均能達(dá)到減少剩余污泥產(chǎn)生量的目的。生物膜法與傳統(tǒng)活性污泥法相比,一個(gè)重要特點(diǎn)是在生物膜中體型較大營養(yǎng)級較高的微型動(dòng)物容易繁殖,甚至出現(xiàn)蒼蠅一類的昆蟲,使得食物鏈變長變復(fù)雜。生物膜處理系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的污泥量一般要比活性污泥法低1/4。二是直接利用微型動(dòng)物對污泥的攝食和消化,在減少污泥的容量的同時(shí)增加污泥的可溶性。原生動(dòng)物中的附著型的種類如緣毛類纖毛蟲,以及后生動(dòng)物中的附著型的輪蟲均有較強(qiáng)的攝食懸浮性固體的能力。而蒼蠅一類的昆蟲的幼蟲和一些軟體動(dòng)物更能夠直接吞食較大的絮狀活性污泥或生物膜。三是利用微型動(dòng)物來增強(qiáng)細(xì)菌的活性或增加有活性的細(xì)菌的數(shù)量,從而增強(qiáng)細(xì)菌的自身氧化和代謝能力。微型動(dòng)物和細(xì)菌之間的關(guān)系,除了捕食者和被捕食者的關(guān)系外,還有互利的關(guān)系。在污水生物處理系統(tǒng)中,微型動(dòng)物和細(xì)菌可以共存。細(xì)菌對微型動(dòng)物捕食可以形成菌膠團(tuán)進(jìn)行抵御,同時(shí),細(xì)菌的分泌物能刺激原生動(dòng)物的生長,反過來原生動(dòng)物活動(dòng)產(chǎn)生溶解性有機(jī)物質(zhì)可被細(xì)菌再利用,促進(jìn)細(xì)菌的生長。3.2污泥減量中的微型動(dòng)物的種類微型動(dòng)物的污泥減量作用的大小與微型動(dòng)物的種類以及微型動(dòng)物所處的環(huán)境密切有關(guān)。據(jù)不同文獻(xiàn)報(bào)道,微型動(dòng)物對污泥的減量可以從10%—90%不等[41]。原生動(dòng)物門(protozoa):和后生動(dòng)物相比,原生動(dòng)物最大的優(yōu)勢就是數(shù)量大,生長速度快。原生動(dòng)物在活性污泥中的密度可達(dá)50000個(gè)/L,其中70%左右為纖毛蟲[42,43]。原生動(dòng)物的干重約為活性污泥5%[44]。在活性污泥中纖毛蟲每6—12h繁殖一代[45],其繁殖速度要比付著型輪蟲快10倍左右?？梢罁?jù)纖毛蟲的生息習(xí)性把纖毛蟲分成:(1)捕食游離細(xì)菌的自由游泳型;(2)在污泥或生物膜表面生息的匍匐型;(3)用柄或腳附著在污泥或生物膜表面上的附著型等3種類型。一般,自由游泳型的纖毛蟲的生長速度較快,但附著型纖毛蟲的捕食細(xì)菌能力較強(qiáng)。匍匐型的四膜蟲在指數(shù)生長期對細(xì)菌的捕食速度為500—600個(gè)/h[46,47]。附著型纖毛蟲則每小時(shí)可以消耗幾千個(gè)細(xì)菌,每小時(shí)消耗的細(xì)菌重量為自身體重的11.2%。原腔動(dòng)物門(protocoelomata)輪蟲綱(rotifera):輪蟲的特征是頭部有由一圈纖毛組成的圓盤,圓盤是輪蟲游泳和攝食的主要器官。在污水處理中出現(xiàn)的輪蟲可分成自由游泳型和附著型兩種。自由游泳型輪蟲的個(gè)體較小,一般僅在40—200μm之間[48]。而附著型輪蟲的個(gè)體較大,一般在200—900μm之間。與自由游泳型輪蟲相比,附著型輪蟲不僅體形較大,而且攝食能力更強(qiáng)。從污泥減量化角度講使用價(jià)值更高。在活性污泥中的輪蟲的數(shù)量可達(dá)4500個(gè)/mL[49,50]。在生物膜中,可高達(dá)10000個(gè)/cm3填料。原腔動(dòng)物門線蟲綱(nematoda):線蟲的身體圓而細(xì)長,前端口器發(fā)達(dá)。在污水生物處理系統(tǒng)中出現(xiàn)的線蟲屬于自由生活型,體長在600—1000μm之間。線蟲的繁殖速度要比附著型輪蟲快一倍,但在污水生物處理中的出現(xiàn)頻率和密度卻很小,因此從污泥減量的角度看意義不大。另外,Woombs等人發(fā)現(xiàn)線蟲的需氧量僅占活性污泥中總生物需氧量的0.03—2.7%,對活性污泥的直接影響也較小[51]。環(huán)節(jié)動(dòng)物門(annelida)寡毛綱(oligochaeta):寡毛綱約有3000種蚯蚓,但只有少部分為淡水生。蚯蚓的體呈長圓筒形,由若干體節(jié)組成。由于蚯蚓體內(nèi)具有豐富的酶系統(tǒng),使得被吞食的物質(zhì)經(jīng)過2—3h體內(nèi)酶的作用就形成了高度融合的有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥——蚓糞[52]。蚯蚓食量較強(qiáng),每天至少能吞食和排泄相當(dāng)于體重1—2倍甚至高達(dá)10倍。張紹園[53]對寡毛綱中的體蟲科(aeolsomatidae)和仙女蟲科(naididae)等進(jìn)行了研究。張紹園在重力淹沒式膜2生物反應(yīng)器中引入蠕蟲,發(fā)現(xiàn)當(dāng)蠕蟲數(shù)量在100個(gè)/mL時(shí),污泥產(chǎn)率為0.1kgSS/kgCOD,為常規(guī)污泥產(chǎn)率的四分之一。Ratsak等發(fā)現(xiàn)每毫升污泥中蠕蟲高于20—30個(gè)時(shí),污泥發(fā)生明顯的減量,當(dāng)污泥減量達(dá)50%時(shí)并不對水處理效果產(chǎn)生明顯負(fù)面影響[54,55],在上海成功地進(jìn)行了蚯蚓生態(tài)濾池的中試和生產(chǎn)性規(guī)模的應(yīng)用。蚯蚓養(yǎng)殖污水土地處理還能顯著提高土壤對NH4+的吸附能力,達(dá)到了在提高污水處理脫氮效果的同時(shí),增加了土壤肥效[56]。節(jié)肢動(dòng)物門(arthropoda)甲殼綱(crustacea):甲殼綱動(dòng)物的主要特征是頭部和胸部程度不同地愈合成頭胸部,背面有大甲殼。污水生物處理中常見的甲殼綱動(dòng)物有浮游生活的水蚤屬(Daphnia)和劍水蚤屬(Cyclops)。這類動(dòng)物以攝食活性污泥為生,但其攝食污泥的能力以及利用來減少剩余污泥的研究尚無報(bào)道[57]。3.3影響微型動(dòng)物繁殖的環(huán)境條件影響微型動(dòng)物繁殖的環(huán)境條件較多,最主要的是溫度和食物?？蛇m合微型動(dòng)物生存的溫度范圍是很寬的(0—60℃),但適合其生長的最適溫度范圍卻很窄(大多數(shù)在25—32℃),偏離了最適溫度,其繁殖速率就會明顯下降、停止甚至死亡[58]。相對而言,微型動(dòng)物的最適溫度要低于細(xì)菌。食物的影響則表現(xiàn)在當(dāng)食物(細(xì)菌)濃度低時(shí),繁殖速率與食物濃度成正比,但當(dāng)食物濃度到了一定程度后,食物濃度再提高,繁殖速率也不再增加,如當(dāng)細(xì)菌的濃度達(dá)到80—100mg/L后,纖毛蟲的攝食速度不再增加。而當(dāng)食物濃度太高時(shí),繁殖速率反而會下降。微型動(dòng)物導(dǎo)致的污泥減量化還與降解的基質(zhì)有關(guān)。在其他參數(shù)相同條件下,比較了分別以甲醇和乙酸作為碳源的兩階段系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn),甲醇作為碳源時(shí)的表觀污泥系數(shù)為0.05gTSS/gCOD,而乙酸作為碳源時(shí)的表觀污泥系數(shù)為0.17gTSS/gCOD。主要原因是以甲醇作為碳源時(shí),在第二階段中的分散細(xì)菌更容易為微型動(dòng)物所捕