投加生物菌剂污泥原位减量技术的研究与应用

郑海良 肖铮 胡春凤 姜维

摘要 投加外源微生物菌剂可在不影响污水厂正常运行的情况下从源头控制污泥产量，是近年来逐渐流行的污泥减量新技术。介绍了菌剂投加污泥原位减量技术的原理以及国内外的研究与应用现状，并指出了选用该技术需注意的问题。最后从政策、市场和技术3个方面提出了可行的建议，为污泥减量菌剂产业的更好发展提供参考。

关键词 微生物菌剂；污泥原位减量；污水处理

中图分类号 S181.3；X703 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）26-09101-03

Application Status and Precautions of Bioaugmentation for In-situ Sludge Reduction

ZHENG Hai-liang， JIANG Wei et al （Shenzhen Green Earth Biological Engineering Co. Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518057； Shenzhen Water Group Co.，Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518031）

Abstract Dosing effective microorganisms to the wastewater treatment facility is a prevalent in-situ sludge reduction technology based on its ecofriendly nature， less requirement of inputs， cost and capital. This paper reviews the biomass reduction mechanism of this novel technology， its current research and application status， and matters need attention are also put forward. Finally， the practical recommendations from the policy， the market and technology are proposed in order to facilitate the development of sludge reduction bioaugmentation industry.

Key words Microbial inoculants； In-situ sludge reduction technology； Sewage treatment

随着经济的发展和国人环保意识的增强，我国污水处理事业近年来快速发展，大量剩余污泥的处理处置问题也随之日益显现，已成为社会关注的焦点。在保证污水处理效果的前提下，利用物理、化学或生物手段，从源头上减少污水处理系统的剩余污泥产量（即污泥原位减量技术），是一种有前景的污泥处理绿色工艺^[1]。

国内外污泥原位减量技术主要集中在以下3个方面：①解偶联技术；②利用生物捕食作用污泥减量；③促进微生物隐性生长^[2]。解偶联技术一般需要新建污泥缺氧/厌氧池或者投加有毒的化学解偶联剂，侧重于基础研究^[3]。而蚯蚓滤池等生物捕食污泥减量技术受处理能力的影响仅适用于小规模污水厂。强化微生物细胞隐性增殖技术通常采用物理（如超声波、微波、加热等）、化学（臭氧氧化、加碱）以及生物（投加嗜热菌、溶菌酶、复合污泥减量菌）方法，其中投加微生物菌剂具有前期投资省、不新增建设用地无需大改大建、不增加或改变原有污水处理工艺和运行方式、不影响污水厂正常运行、操作简便易行等优点，是近年来不断发展完善的污泥原位减量新技术。笔者就菌剂投加污泥原位减量技术的原理、研究与应用现状及技术应用时所需注意的问题进行分析，并从政策、市场和技术3个方面提出可行的建议，为污泥减量菌剂产业的发展提供参考。

1 菌剂投加污泥原位减量技术原理

污泥减量菌剂一般由多种微生物复配而成，采用分子生物学技术对市面上销售的若干种污泥减量菌剂进行鉴定，发现酵母菌、乳酸菌和芽孢杆菌为主要成分。李明智等对市面上具有代表性的15种水处理微生物菌剂产品进行了筛选和鉴定，发现11种菌剂产品中含有芽孢杆菌，10种菌剂产品中含有酵母菌，与笔者的研究结果类似^[4]。

酵母菌在环境污染治理中应用广泛，尤其适于多种工业废水的处理^[5]。酵母菌对食品加工厂废水中高浓度COD和油脂类物质具有非常好的去除效果^[6]。Chigusa等筛选出的9株酵母菌对8个碳原子以上的甘油酯和脂肪酸均具有降解活性，且发现降解底物过程中酵母菌菌株间存在协同作用^[7]。另外，赵振焕等发现酿酒酵母能提高特定有机物的水解发酵速率^[8]。

乳酸菌也是微生物菌剂中常用的菌种之一，有研究表明乳酸菌对亚硝酸盐、氨氮具有较好的降解性能^[9]，且能够抑制有害菌的生长，降解某些特殊的有机物，减少环境中氨气等臭味物质的产生^[10]。

此外，芽孢杆菌产生的各种酶对很多有机物具有良好的降解作用^[11]。这种菌株具有分解有机质强的特点，能将一些其他菌种难分解的大分子物质转化成小分子物质，因而在受污染土壤修复、河流湖泊底泥疏浚等方面具有很好的应用价值^[12]。

菌剂投加污泥原位减量的作用机理可分为四类：①微生物菌剂一方面可快速分解水中的有机物获得能量和增殖，实现污水的净化处理；另一方面提升了污泥系统内土著微生物内源代谢强度，分泌较多的有机酸、胞外水解酶，促进污水中大分子有机物分解成小分子物质，从而容易被其他微生物进一步分解和利用，加速对死亡微生物细胞的水解，促进胞外酶维持代谢^[13-14]。②微生物菌剂投加后会与污水处理系统中原有的微生物种群通过选择性和竞争性生长繁殖，实现污水处理系统种群关系的重组，形成新的优势菌群，增加污水处理系统中优势菌群的种类和强度，改善了活性污泥性能和代谢水平，促使活性污泥中微生物根据新的生存环境而发生演替变化^[15]。③为减少菌剂的流失并增强污泥减量效果，投加微生物菌剂时一般要求生化系统内的污泥浓度较高，且尽量少排泥^[16]。一方面叠加了高活性污泥浓度条件下的细胞内源呼吸效应，同时由于外排泥量的减少延长了污泥龄，强化了生物捕食作用，也有利于污泥的减量化[2，17]。④由于微生物菌劑分解有机物的能力较为彻底，减少了多糖等胞外聚合物的积累，且在减少污泥产量的同时降低了剩余污泥中的有机质含量，有利于污泥脱水，降低外运剩余污泥的含水率，因此可有效减少外运污泥的体积和湿污泥量^[18]。

2 研究与应用现状

由于污水处理菌剂具有强大高效的污染物分解功能，较少的生物量即可达到污水处理的要求，因此它们一般也同时具有污泥减量的功能。此外，为了达到不影响污水处理效果的目的，国内外的污泥原位减量菌剂均由污水处理菌剂衍生进化而来。

污泥原位减量菌剂的研发一般分为菌种的筛选、发酵生产工艺研究、市场推广和工程应用优化3个阶段。得益于先进的生物技术，国外的污泥减量菌剂研究起步较早，已有大量成功应用的工程案例^[19-20]。目前国内市场中的外资品牌如日本琉球大学（EM菌）、丹麦诺维信、美国碧沃丰（BZT系列菌）等菌剂针对性强，广泛用于制药和化工行业，污泥减量效果较好，但是由于价格昂贵还未在市政污泥领域大规模推广应用；而国产品牌多以EM菌为基础与其他菌株复配，污泥减量效果参差不齐，生产规模也比较小，多数处于试验研究或市场推广应用阶段，但是发展十分迅速。污泥处理处置领域的巨大市场加快了国内污泥原位减量菌剂的研发和应用推广速度，目前已有不少成功应用的先例。

王艳红等从活性污泥中筛选出污泥减量优势菌与EM菌复配，通过正交试验确定了复配菌群的最佳投加量，并经动态模型进一步验证试验结果。结果表明，根据污水特点添加不同量的复配优势菌，不仅有效地减少了剩余污泥的产量，而且提高了污水处理效果^[13]。

MCMP是另一种报道较多的污泥原位减量菌剂，该产品由重庆某公司研制，经过小试、中试和生产性试验验证不断发展完善。王敏等采用该微生物菌剂在重庆长寿污水处理厂进行中试，结果表明，两个试验组和对照组的污泥增长速率分别为2.0%、1.5%和11.5%，投加处理水量0.005%和0.010%的MCMP可以显著减少81.76%和89.18%的外排污泥量，且不影响污水处理效果^[21]。李俊等在处理规模为5 m3/d的CASS反应器曝气池中投加处理水量的0.02%～0.04%的MCMP菌剂，运行4个月未排放剩余污泥^[22]。随后他在三峡库区江津德感污水处理厂进行了连续180 d的生产性试验，投加处理水量5/100 000的菌剂后，在没有排放剩余污泥的情况下，氧化沟内污泥总量少于试验前的污泥总量，污泥减量效果非常显著，且投加MCMP菌剂后的出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18198-2002）一级 B的要求^[15]。

李明智等从不同生态环境中筛选、驯化获得两组多生境微生物菌剂用于活性污泥的减量化，采用A2/O 工艺进行处理生活污水的现场中试。结果表明，投加MEMA功能菌组较对照组污泥原位减量53.1%，出水COD、NH₃-N、TN 指标优于对照组，但出水TP 略有升高。MEMA功能菌剂的投加可改善污泥结构，增加污泥脱氢酶活性约20%，提高活性污泥的聚磷能力，可在不影响主要出水指标的条件下实现活性污泥的原位减量^[16]。无锡卢村污水处理厂三期工程（10万t/d）采用无锡某公司提供的微生物菌剂进行污泥减量，运行7个月后结果表明，在好氧段首端按污水处理量的1/100 000投加菌剂可以起到明显的污泥减量效果^[23]。

宋珍霞研究了3种污泥减量菌剂EM、HBH-Ⅱ和MCMP用于促进粪便污泥厌氧消化减量的可行性。当3种菌剂的投加量依次为0.01%、0.05%和0.01%时，经过20 d的厌氧反应，总固体TS和挥发分固体VS的去除率分别为32.51%、42.34%、36.43%和49.11%、33.74%、46.05%，且累积产气量分别比对照组高60.74%～214.70%、93.91%～218.83%和50.78%～254.82%。EM、HBH-Ⅱ和 MCMP菌剂在有效减少化粪池污泥产量的同时，增加了厌氧消化的产气量^[24]。

3 选用该技术需注意的问题

目前我国市场上的污泥减量菌剂种类繁多，但菌剂生产厂家尚未对污泥减量的作用机理进行深入研究，处于配方保密的目的也不会提供详尽的成分说明，同时缺乏合适的产品标准，因此需要全面评估微生物进入环境后对人身健康和环境安全带来的风险后方可采购应用。

由于污水和污泥中往往含有泥沙等不可生物降解的组分，而微生物菌剂仅能够对其中的有机组分起到减量效果，因此需要结合进水水质和污水厂运行参数对菌剂的投加点，投加量进行合理的选取，如视进水SS中的有机物含量确定是否在初沉池前添设投加点；当生化池污泥的有机组分含量过低时，菌剂的污泥减量效果有限不宜投加等。无锡市卢村污水处理厂10万t/d规模的生产性试验也表明，进水水质水量大幅波动时会影响和破坏污泥减量效果，沉砂池和初沉池运行不良时菌剂减量技术应慎用，且该技术最好与MBBR、MBR等抗冲击负荷强的工艺联用^[23]。

考虑到微生物菌剂往往需要较长的作用时间，因此菌剂投加污泥原位减量技术对污水处理工艺和运行工况有一定要求，如对于采用AB法的污水厂而言，A段的水力停留时间较短（一般为30 min）同时产泥量较大，菌剂的作用时间太短会大大降低污泥减量效果；又如为减少菌剂的损耗，一般需要提高污水厂生化池的污泥浓度至3 500 mg/L以上，同时延长污泥龄，因此增加了二沉池的负荷以及跑泥的可能性，同时也需对电耗情况进行评估；另一方面，较高活性污泥浓度和较少外排泥量增加了泥沙等惰性组分在池内淤积的可能性及污泥泵等设备的磨损，需在长期运行过程中予以关注。

污水中的磷只能以含磷污泥的形式排出处理系统，所以选用菌剂投加污泥原位减量工艺时需要格外注意出水磷的超标问题，在污泥减量和除磷效果之间达到较好的平衡。

此外，进水水质（如含有難降解工业废水）、温度、菌剂投加量与投加方式（连续投加/间歇式投加）也会对污泥减量菌剂的作用效果产生不同程度的影响，生产性试验之前，最好进行相关的小试或中试试验确定最佳的菌剂投加操作参数。

4 展望与建议

菌剂投加污泥原位减量技术可以从源头控制污泥产量，具有较好的经济、社会和环境效益。目前，我国的污泥处理市场已逐步成熟壮大，且国务院印发的《生物产业发展“十二五”规划》也明确提出支持污泥减量化菌剂的开发和推广应用，因此未来菌剂投加污泥原位减量技术将会进一步发展并占取一定的市场份额。为更好地促进污泥减量菌剂产业的发展，提出如下建议：①面对当前混乱的污泥减量菌剂研发与销售状况，相关政府职能部门应尽快制定行业标准，对市场进行有效监管，指导厂家对菌剂的生产进行质量把控，同时也需对菌剂使用单位进行必要的科普和推广宣传，以利于污泥原位减量菌剂的“产、销、用”良性发展。

②菌剂生产厂商需进一步加大科技投入，整合科研院所的研究和技术优势，加快研发成果的应用及推广，把握良机占领市场。

③菌剂生产单位应根据各污水厂水质特点有针对性地复配合适的微生物菌株，以提升产品竞争力，避免菌剂投加对污水厂的正常运行带来不利影响。

④采用人工诱变、构建基因工程菌、微生物菌剂的固定化、复合酶制剂等方法进一步强化微生物菌剂对目标污染物的去除效果，污泥减量的同时提升污水处理效果并控制菌剂的投加成本。

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