代谢解偶联技术在污泥减量化中的应用研究进展

胡海兰，方 芳，冯 骞，操家顺

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学环境学院，江苏南京 210098)

活性污泥法是目前世界上应用最广泛的废水生物处理技术，但该工艺在运行过程中产生大量的剩余污泥，而剩余污泥的处理费用占整个污水处理厂运行成本的50%～60%，每年全国剩余污泥的量仍在增加［1-3］。现有的剩余污泥处理与处置方法包括:卫生填埋、污泥焚烧、污泥干化和热处理等［2］，但这些方法由于土地资源占用量大、投资运行成本高、管理复杂、易造成二次污染等问题，使得这些技术的应用受到限制。污泥减量化技术是指在保证整个废水处理系统处理效能的前提下，采用适当的物理、化学和生物方法，使产生的固体生物量达到最小，从而在源头上实现污泥减量［4］。代谢解偶联技术在这一点上具有突出的优势。因此，本文通过微生物代谢偶联机制，阐述了代谢解偶联污泥减量技术的机理以及不同条件下解偶联工艺的优缺点及应用进展。

1 基于代谢解偶联的污泥减量技术

1.1 原理

微生物的代谢偶联是指微生物代谢过程中氧化和磷酸化的偶联，其中氧化是底物脱氢或失电子的过程，磷酸化是指二磷酸腺苷(ADP)与磷酸(Pi)合成三磷酸腺苷(ATP)的过程［5］。在正常条件下，氧化和磷酸化紧密地偶联，即生物的合成代谢与底物的分解代谢是由ADP与ATP之间的转化而联系在一起的(如图1)，也即分解一定的底物，将有一定量的生物体合成［6］。

图1 分解代谢与合成代谢的关系Fig.1 Relationship between Anabolism and Catabolism

不同体系的氧化和磷酸化是如何偶联在一起的?对此英国生物化学家Mitchell于1961年提出化学渗透学认为［5，7，8］:电子传递链是一个 H+泵，电子传递的结果是将H+从线粒体内膜基质泵到膜外液体中，由于H+不能自由透过线粒体内膜，于是在线粒体内膜两侧形成跨膜H+浓度梯度，即产生电位差，从而推动H+穿过ATP合成酶返回基质，并将电化学梯度蕴藏的能量转移至 ATP中，形成ATP，这就是氧化与磷酸化的偶联。

解偶联代谢则是指在一定条件，如存在影响ATP合成的物质、存在过剩能量(高S0/X0条件)、非稳态生长(好氧-沉淀-厌氧(OSA工艺))、在不适宜的温度下生长等［9］情况下细胞的氧化磷酸化过程被抑制，底物被氧化的同时，ATP不能大量合成或者合成以后迅速由其他途径释放，这样使得细菌在保持正常分解底物的同时，自身合成速度减慢，表观产率系数降低，从而实现降低污泥产量［10］。

1.2 投加解偶联剂

解偶联剂一般为脂溶性小分子物质，其作用机理是通过与H+结合，降低细胞膜对H+的阻力，使H+越过细胞膜，造成细胞膜两侧的质子梯度降低，不足以促使三磷酸腺苷酶合成ATP，氧化过程中所产生的能量最终以热的形式被释放，从而降低污泥产量［11］。

1948年，Loomis等［12］首次发现了一种氧化解偶联剂-2，4-二硝基苯酚(DNP)，此后人们不断发现新的解偶联剂。目前常见的化学解偶联剂有硝基酚类化合物，包括DNP、硝基苯酚(pNP)、间硝基苯酚(mNP)、邻硝基苯酚(oNP);氯酚类化合物，包括2，4，5三氯苯酚(TCP)、间氯苯酚(mCP)、邻氯苯酚(oCP)、氯苯酚(pCP)、2，4-二氯苯酚(DCP)以及 3，3’，4’，5-四氯水杨酰苯胺(TCS)等。

近年来国内外的研究热点主要集中在选择高效的代谢解偶联剂上，即其在较低浓度下能抑制污泥的合成代谢，同时尽量不影响活性污泥的分解代谢能力。Chen 等［13］、Strand 等［14］在实验室中研究了10多种代谢解偶联剂，发现当投加的pNP、TCP和TCS浓度分别为100、5和0.8 mg/L时，污泥产量可分别减少62%、50%和78%，而污水中COD去除率仅下降10% ～15%。Yang等［15］利用间歇试验考察4种解偶联剂(pCP、mCP、mNP和oNP)的污泥减量效果，结果表明当投加的4种解偶联剂浓度为0～20 mg/L时，四种解偶联剂都能够有效降低活性污泥产率。若综合考虑污水处理效果的话，mCP最为理想。当投加的mCP浓度为20 mg/L时，污泥产率降低 86.9%，COD去除率仅降低 13.2%。Aragón 等［16］采用烧杯曝气试验研究 DNP、TCS、Cu和Zn四种物质对活性污泥的减量情况，发现这四种物质均有污泥减量的效果，且TCS的污泥减量效果最明显，即当投加的TCS浓度为0.8 mg/L时，污泥产率减少30%以上，且底物的去除率仅下降6.8%。叶芬霞等［17］采 用 oCP、mCP、DCP、TCP、mNP、pNP、DNP及TCS等8种解偶联剂进行污泥减量化研究，结果表明8种解偶联剂都能有效控制污泥产率，而硝基酚类化合物污泥减量化效果更加明显，其中DNP的污泥减少率可达到89.2%。目前常见解偶联剂的污泥减量情况如表1所示。

表1 常见解偶联剂的污泥减量效果Tab.1 Effect of Uncouplers on Sludge Reduction

续 表

另外一些学者也对添加解偶联剂的活性污泥系统进行了更深层次的研究。Li等［25］研究投加不同浓度TCS对活性污泥溶解性微生物产物(SMP)的影响。结果表明TCS的投加能增加胞外聚合物(EPS)产生，促进细胞的隐形生长，从而提高SMP尤其是蛋白质的含量。Qiao等［26］在序批式活性污泥系统中研究TCP的迁移性和可持续性，并用Vero细胞评估出水中残余TCP的细胞毒性。结果表明当进水TCP浓度分别为2、4和6 mg/L时，出水中剩余 TCP浓度分别为 0.5 ～1.0、0.9 ～1.4 和 1.3 ～2.4 mg/L;固相中TCP含量远高于液相，且随着系统运行的周期延长，TCP的降解率增加。由于TCP具有毒性，当其含量高于4 mg/L时不适宜于处理市政污水。Tian等［19］在连续运行90 d的反应器中研究2，6-二氯苯酚(2，6-DCP)对污泥减量及抑制作用，发现当投加的2，6-DCP浓度为20 mg/L，系统运行40 d后，污泥产量减少近40%;90 d后，污泥减量效果降至(9±2)%，这可能与EPS的保护机制相关。相比于异养微生物，2，6-DCP对自养微生物具有更高毒性。Zhang等［27］发现反应器运行60 d后，2，6-DCP对活性污泥硝化作用存在抑制，试验亦表明2，6-DCP对自养微生物的毒性远高于异养微生物。此外，Feng等［28］研究在SBR反应器里投加两种解偶联剂(TCS和TCP)对污泥减量的影响，并运用响应曲面法寻找两种解偶联剂的最佳投加量。结果发现系统运行60 d，两种解偶联剂联合能有效实现52%的污泥减量，同时不影响底物的去除。采用三维荧光光谱分析投加不同解偶联剂的污泥EPS的变化，发现EPS中色氨酸、酪氨酸类蛋白等物质减少。

还有一些学者利用数学模型模拟分析投加解偶联剂后的污泥产量。Liu［29］提出一种基于能量解偶联污泥生长数学模型，并且用于验证试验和其他文献中的数据。结果发现污泥生长量随着初始解偶联剂浓度/初始底物浓度(Cu/Xo)的增大而减少。Chen等［30］利用模型预测投加了DNP的活性污泥系统。结果表明最大污泥产率(Ymax)和比内源呼吸速率(Kd)分别为 0.56 g MLSS/g COD 和 0.056 d-1，在DNP浓度为5 mg/L时，能量解偶联系数是0.29。Xie等［31］同样用数学模型阐述了投加解偶联剂活性污泥中的能量溅益。目前运用数学模型描述投加解偶联剂活性污泥系统的研究还不多，但这对探究复杂的活性污泥系统十分重要。因此，未来应关注运用数学模型来分析讨论投加解偶联剂的活性污泥系统。

在诸多污泥减量方法中，投加解偶联剂是最方便、成本最低的方法，因为它具有操作工艺简单、不需添加额外设备、成本较低、污泥减量效果较好等优点。但是化学解偶联剂的投加会降低活性污泥系统COD以及营养物质的去除，并且影响活性污泥的沉降性能。此外，目前研究较多的高效解偶联剂一般为持久性有机物，这类物质难以生物降解且具有一定的毒性，会导致活性污泥系统微生物种群结构发生改变，对环境和人类健康产生危害。因此，未来应继续找寻更加高效低毒或者无毒的解偶联剂。

1.3 解偶联剂与其他调控方法联合工艺

1.3.1 溶解氧

解偶联剂作用下的活性污泥系统，溶解氧消耗明显增大，这增加了污水的处理成本，高溶解氧的运行方式会加速物质氧化，影响污水的处理效果。因此，低溶解氧或缺氧条件下添加解偶联剂的活性污泥工艺是否具有污泥减量效果成为关注的焦点。研究表明在添加解偶联剂TCP的活性污泥工艺中保持缺氧或低溶解氧条件，污泥的减量效果依旧明显［32，33］。胡学斌等［33］研究表明，当投加 TCP 的活性污泥系统溶解氧浓度控制在2 mg/L时，系统脱氮率可达53.2%。虽然这一耦合技术可以降低曝气成本，提高污水的脱氮除磷性能，但是其对活性污泥沉降性能以及活性污泥系统微生物种群结构的影响，还有待于进一步研究。

1.3.2 重金属

马宗凯等［34］在 SBR活性污泥系统中，研究2，6-DCP与Cu2+协同作用下的污泥减量效果。当2，6-DCP投加量为 20 mg/L、Cu2+投加量为 1 mg/L时，系统连续运行30 d后，污泥减量达75%，出水COD仅比空白组高7%，同时出水中2，6-DCP质量浓度仅为0.28 mg/L，Cu2+的去除率高达90% 以上。这表明Cu2+和2，6-DCP对污泥减量有明显的协同作用。田禹等［35］和石先阳等［36］的研究也表明重金属与解偶联剂具有协同作用，但二者的协同机理及是否适用所有的重金属目前还不清楚，有待进一步探究。

1.3.3 纳米磁粉

高丽英等［37］在序批式活性污泥工艺中同时添加解偶联剂TCP和纳米磁粉，分析其协同作用对活性污泥性能产生的影响。研究发现TCP单独作用下污泥减量达41%，但活性污泥基质降解性能及沉降性能降低，而纳米磁粉与TCP联合作用下污泥减量仍达34%，对碳、氮和磷的去除效果和污泥沉降性能均无明显影响。系统运行31 d后，脱氢酶活性提高10% ～18%，具有一定的时间累积效应;在光学显微镜下观察可发现污泥絮体结构紧实，原生动物和后生动物种类和数量增多，但二者的联合作用机理尚不清楚，需后期探讨。

1.4 好氧-沉淀-厌氧工艺(OSA)

OSA工艺是在传统活性污泥工艺中，在污泥沉淀回流时引入厌氧反应器。OSA工艺的基本原理是通过给微生物提供一种交替厌氧、好氧的环境(如图2)，使得在好氧阶段氧化分解有机物产生的ATP没有用于细胞合成，而是在厌氧阶段作为维持细胞生命活动的能量被耗散。当微生物重新回到底物充足的好氧反应器时，ATP又大量生成，用于维持厌氧段细胞的基本代谢。好氧、厌氧交替循环使得微生物分解代谢与合成代谢相分离，即发生解偶联，从而达到污泥减量效果［38］。

影响力：普洱市明确提出加快建设特色生物、清洁能源、现代林产业、休闲度假养生“四大基地”，目前取得了哪些成效?

图2 OSA工艺流程图Fig.2 Schematic of OSA Process

Westgarth等［39］首先指出OSA工艺与传统的活性污泥法相比可以降低污泥产率50%，此后OSA工艺在剩余污泥减量方面得到了广泛应用。Saby等［40］通过试验发现OSA工艺中厌氧池的氧化还原电位(ORP)和污泥产量有关系，ORP从+100 mV降低到-250 mV时，污泥量从23%减少至58%，而且COD的去除率和污泥的沉降性能都有所提高。随着污泥负荷的增加，OSA工艺的污泥量呈现下降的趋势，这表明OSA工艺适合处理有机浓度较高的工业污水。

向OSA工艺添加物质或者联合其他工艺的研究逐渐兴起。Ye［41］向OSA工艺的曝气池中分别投加0、0.05、0.10 和 0.15 g TCS，形成四组 TCS 和OSA联合工艺。当缺氧池的停留时间为6.75 h时，污泥产量减少21% ～56%。连续运行60 d后，前两种TCS浓度对氨氮和总磷去除率都无影响，但投加0.15 g TCS会影响总氮的去除效果，即TCS含量过高，生物可能面临死亡。唐悦恒等［42］建立了一套基于SBR的OSA模型系统(SBR/OSA)，并以普通SBR作为对照，对其污泥性质等进行研究。结果发现溶解性蛋白质、多糖和金属离子(包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+和Al3+)在厌氧反应器中的含量均有所增加，与 Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+结合的一部分胞外聚合物解离，使得污泥主体结构解散，对污泥量的削减有一定贡献。今后应考虑OSA工艺与其他物质联合作用，并进一步研究其对污泥减量的机理。

关于OSA工艺机制，一种理论认为其属于能量解偶联代谢即分解代谢与合成代谢发生解偶联，但是也有学者认为其属于细胞衰亡理论［43］。Chen等［44］的研究发现58%的污泥减量是由细胞衰亡引起的。Jin等［45］也发现细胞衰亡会造成66.7%的污泥减量，而由解偶联代谢引起的污泥减量只有7.5%。因此，后期应研究OSA工艺污泥减量机理及其能量的转化。

OSA工艺能使污泥产率低且沉降性能好，但OSA工艺的水力停留时间(HRT)较长，当进水有机物浓度较低时，系统对氮等营养物质的去除效果不好。未来应在缩短OSA工艺的HRT和提高其出水水质等方面进行深入研究。此外，OSA工艺减量效果与底物浓度，水力停留时间和反应温度相关，因此未来应通过活性污泥模型(ASMs)预测OSA工艺复杂的反应机制及最佳运行参数。

1.5 高 S0/X0工艺

高S0/X0工艺是指底物充裕时，微生物分解代谢中产生ATP的速率远大于合成代谢中消耗的速率，从而导致能量的溅溢(能量以热和功的形式散失到环境中)和微生物产率系数降低的污泥减量化工艺［46］。

Chudoba等［47］在一个OSA工艺系统中，利用间歇条件培养污泥，发现Yobs随S0/X0值的增大而逐渐下降。Chen 等［48］发现当S0/X0(mg COD/mg MLSS)超过10时，能量溅溢系数达到0.80，表明80%的底物消耗是由于合成代谢与分解代谢之间的能量分离造成的。

1.6 代谢解偶联技术的应用限制

投加解偶联剂具有污泥减量效果明显、不改变原有工艺、占地面积小等优点，OSA工艺具有只需在原有工艺基础上添加厌氧池，不需要再添加其他设备等优势，但代谢解偶联技术也存在一定的应用限制。

对于投加化学解偶联剂的活性污泥系统可能存在:系统的基质去除率(COD和NH4-N)有所下降;污泥的性能发生改变，沉降、絮凝性变差，长期运行会导致丝状菌增加，发生污泥膨胀;系统需氧量增加;生物毒性，大多数解偶联剂是有毒物质，对环境具有潜在毒害。OSA工艺存在水力停留时间太长，厌氧段时间与好氧段时间划分有待进一步研究(若厌氧段时间过长，外加基质不足，系统进入内源呼吸阶段，导致微生物死亡与细胞分解，从而污泥产率降低)等问题。高S0/X0工艺目前还不能用于实际污水厂，因为其负荷比远高于实际污水处理厂的要求。

2 总结与展望

本文阐述了用于污泥减量化的解偶联技术的三种工艺原理、应用情况及优缺点，其中详细说明了解偶联剂的使用情况。对未来相关研究提出几点看法:

(1)继续研发高效，低毒性或者无毒性的解偶联剂，并且运用数学模型模拟确定其最佳投加量;

(2)应考虑将一些工艺以及物质与解偶联剂应用联合起来，实现污泥的减量化与工艺的提高。

(3)探究解偶联剂在污泥系统中的迁移转化以及对生态环境和人类的潜在毒性。

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