解偶聯(lián)劑對(duì)活性污泥產(chǎn)率的影響及機(jī)理研究

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簡(jiǎn)介： 以2，4_二硝基酚(dNP)為解偶聯(lián)劑，采用序批式實(shí)驗(yàn)分析研究了投加解偶聯(lián)劑dNP對(duì)活性污泥法處理效果和污泥產(chǎn)率的影響， 并闡述了這種影響產(chǎn)生的機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)表明， 當(dāng)污泥濃度ρ(MLVSS)為1800mg／L，ρ(CODCr)為1700mg／L，dNP投加量為5mg／L時(shí)污泥產(chǎn)率降低達(dá)19％，處理效果僅降低1％， 實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明dNP經(jīng)濟(jì)有效的投加量為1～5mg／L。
關(guān)鍵字：污水處理 活性污泥 產(chǎn)率 解偶聯(lián)劑 2,4_二硝基酚

Efiects of Uncoupler on Yield of Activated Sludge and
Mechanism Thereof
XI Peng-ge，CHEN Guo-wei，XU De-qian
(Department of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

　　Abstract：The effects of an uncoupler (DNP) on the result of the treatment by activated sludge process　and the yield of sludge were analyzed and studied using batch-sequential test method with 2，4-dinitrophenol　(DNP)as the uncoupler，and the mechanism of the generation of such effects was expounded.It was shown by　the tests that when the concentration of sludge，ρ(MLVSS)，was 1800mg／L，the ρ(CODCr) was 1700mg／L and　the dosage of DNP was 5 mg／L, the yield of sludge decreased by 19％ while the efficiency of the treatment decreased by 1％ only.The tests also showed that the economic effective dosage of DNP was l～5 mg／L.
　　Key words：wastewater treatment；activated sludge；sludge yield；uncoupler；DNP

　　活性污泥法廣泛應(yīng)用于污水處理工藝中，但是，無論是城市污水還是工業(yè)廢水，在處理的過程中都將產(chǎn)生大量的污泥，用于處理或處置剩余污泥的費(fèi)用約占污水處理費(fèi)用的50％^[l]，因此迫切需要尋找解決的途徑。而最根本的方法是在活性污泥處理的過程中，最大幅度降低污泥產(chǎn)率。
　　目前，常用的降低污泥產(chǎn)率的方法主要有延時(shí)曝氣法^[2]、純氧曝氣法^[3]、生物捕食法^[4-5]、改變反應(yīng)溫度^[6]或者pH值法^[7]以及常用的厭氧硝化法等，但都存在著一定的不足，如：能耗高、經(jīng)濟(jì)性差、 反應(yīng)條件難控制等。同以上各種方法相比，在污水處理過程中投加解偶聯(lián)劑能在不明顯降低處理效果的情況下大幅度降低污泥產(chǎn)率，展示了誘人的前景和工程可行性，具有發(fā)展推廣的潛力。

1 解偶聯(lián)劑削減污泥產(chǎn)率的理論基礎(chǔ)

　　從根本上說，活性污泥法即微生物以廢水中的污染物質(zhì)(基質(zhì))作為生長(zhǎng)的碳源和能源，將污染物從廢水中去除，并將其轉(zhuǎn)化為新細(xì)胞物質(zhì)和CO2或者其他形式。寫成化學(xué)計(jì)量方程如下^[8]：
　　碳源+能源+電子受體+營(yíng)養(yǎng)物--→細(xì)胞生成量+CO₂+還原后受體+最終產(chǎn)物　　　(1)
　　在大多數(shù)情況下，生長(zhǎng)是平衡的，即微生物生長(zhǎng)與基質(zhì)利用是相關(guān)的，那么，去除1個(gè)單位基質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生Y單位微生物量。
　　從上述計(jì)量方程可看出，生物合成反應(yīng)除了物質(zhì)反應(yīng)外，還需要能夠與之相耦合的能量以形成新的細(xì)胞，這種能量主要由三磷酸腺苷(ATP)提供。
　　基質(zhì)+ATP →細(xì)胞物質(zhì)+ADP+PO₄^3-+廢棄產(chǎn)物 　　　　　　(2)
　　其中，ADP(二磷酸腺苷)是ATP脫去一個(gè)磷酸后形成的，其間釋放大量能量，用于細(xì)胞物質(zhì)的合成。所以說，微生物產(chǎn)率的大小與ADP的量密切相關(guān)^[9]。
　　而ATP則主要是微生物分解代謝過程中通過ADP的氧化和磷酸化生成。

　　正常情況下，氧化反應(yīng)(3)和磷酸化反應(yīng)(4)是偶聯(lián)的，即生物將物質(zhì)氧化的過程中同時(shí)伴隨著ADP轉(zhuǎn)化成ATP的磷酸化過程。
　　根據(jù)英國(guó)生化學(xué)家P.Michell于1961年提出的“化學(xué)滲透學(xué)”觀點(diǎn)^[10]，生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的因素是H⁺的跨膜梯度。即在微生物體內(nèi)，氧化過程中釋放的能量不斷地將細(xì)，胞內(nèi)的H+逆濃度梯度泵出細(xì)胞膜；而由于細(xì)胞膜的選擇性，H⁺不能自由透過細(xì)胞膜，于是在細(xì)胞膜兩側(cè)形成一個(gè)質(zhì)子跨膜梯度。細(xì)胞膜外的H⁺只有通過一個(gè)特異的質(zhì)子通道才能順著H⁺濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，H⁺順濃度梯度方向運(yùn)動(dòng)所釋放的自由能使ADP和PO₄^3-結(jié)合生成ATP，所以說，生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的因素是H⁺的跨膜梯度。而解偶聯(lián)劑可以增強(qiáng)細(xì)胞膜對(duì)H+的通透性，促進(jìn)H+被動(dòng)擴(kuò)散通過細(xì)胞膜，消除細(xì)胞兩側(cè)的質(zhì)子梯度，所以不能再合成ATP。即氧化和磷酸化之間存在的偶聯(lián)關(guān)系，可以通過投加解偶聯(lián)劑使其脫偶聯(lián)，氧化反應(yīng)(3)仍可以進(jìn)行，而磷酸化反應(yīng)(4)不能進(jìn)行，從而導(dǎo)致合成反應(yīng)(2)無法進(jìn)行，所以微生物產(chǎn)率大幅度減小。
　　目前，用作解偶聯(lián)劑的有2，4_二硝基酚(2，4-dinitrophenol dNP)，羰基-氰-對(duì)-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，雙香豆素(dicoumarin)等，本文通過3h序批實(shí)驗(yàn)對(duì)dNP在活性污泥中的解偶聯(lián)劑作用進(jìn)行了分析研究。

2 dNP對(duì)活性污泥產(chǎn)率和處理效果的影響

2.1 污泥來源及配水方案
　　污泥采用合肥某生活小區(qū)污水處理廠污泥，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。污泥培養(yǎng)用水和試驗(yàn)用水由實(shí)驗(yàn)室配制。配水用蔗糖作為碳源，CODCr的質(zhì)量濃度為1 700me／L用NaHCO3作為緩沖溶液，使溶液pH值處于7.0左右；氮源由NH4Cl提供，無機(jī)氮的質(zhì)量濃度為52 mg／L； 磷源由KH2PO4和Na2HPO4提供，總磷的質(zhì)量濃度為25mg／L；同時(shí)還提供鎂、鐵、鈣等細(xì)胞生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他微量元素及生長(zhǎng)因子。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
　　實(shí)驗(yàn)裝置采用3L反應(yīng)器，反應(yīng)過程中采用飽和NaHCO3溶液來調(diào)節(jié)pH值，使其始終保持在7.0左右；用曝氣頭進(jìn)行充氧曝氣，DO值始終控制在4.0 mg／L左右，同時(shí)起到攪拌作用；反應(yīng)在室溫(約22oC)下進(jìn)行。
　　為減少內(nèi)源呼吸對(duì)微生物產(chǎn)率的影響，實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行3h。通過固定污泥濃度ρ(MLVSS)=1800mg／L和有機(jī)物負(fù)荷ρ(COD_Cr)=1 700mg／L，而改變dNP的投加量，來測(cè)定dNP隨著其投加量從0mg／L增加到20mg／L的變化對(duì)活性污泥產(chǎn)率和處理效果的影響。
2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.3.1 dNP投加量對(duì)污泥產(chǎn)率的影響
　　通過實(shí)驗(yàn)所得到的CODCr和MLVSS值，可得到dNP不同投加量下活性污泥的表觀產(chǎn)率Yobs，見圖1。投加dNP后，Yobs，呈明顯下降趨勢(shì)，證明投加解偶聯(lián)劑確實(shí)可以有效降低污泥產(chǎn)率。當(dāng)投加量?jī)H為1 mg／L時(shí)，Yobs就降低了16％，表明少量dNP即可對(duì)污泥產(chǎn)生明顯的解偶作用；當(dāng)dNP投加量為10mS／L時(shí)，Yobs忽然大幅度下降，表明此投加量對(duì)污泥的解偶作用可能產(chǎn)生了質(zhì)的變化。

2.3.2 dNP投加量對(duì)處理效果的影響
　　dNP對(duì)活性污泥處理效果的影響主要通過考察COD_Cr的變化來分析。圖2中可以看出COD_Cr的去除率(在dNP投加3h后測(cè)定)隨著不同dNP投加量的變化趨勢(shì)。當(dāng)投加量控制在5 mg／L以內(nèi)時(shí)，dNP能夠在不影響處理效果的情況下有效降低活性污泥的產(chǎn)率。

2.3.3 機(jī)理分析
　　為了進(jìn)一步分析這種變化產(chǎn)生的原因，從3h的序批實(shí)驗(yàn)中，以沒有投加dNP的空白試驗(yàn)為基礎(chǔ)，繪制了微生物相對(duì)增長(zhǎng)速率(ui／u0)和底物相對(duì)去除速率(qi／q0)曲線，見圖3。其中ui與qi代表沒有投加dNP的空白試驗(yàn)中微生物的增長(zhǎng)速率和底物的去除速率。

　　根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為當(dāng)dNP的投加量為0時(shí)，微生物的氧化反應(yīng)和磷酸化反應(yīng)處于耦合狀態(tài)，即分解代謝產(chǎn)生的能量完全用于生物合成，此時(shí)微生物增長(zhǎng)速率和底物消耗速率相關(guān)聯(lián)，如圖3所示，兩條線的起點(diǎn)相重合；投加dNP后，微生物相對(duì)增長(zhǎng)速率立刻與底物相對(duì)去除速率分離，且下降程度遠(yuǎn)大于底物相對(duì)去除速率，充分證明了微生物的增長(zhǎng)速率和底物消耗速率已經(jīng)不再處于完全耦合狀態(tài)，而是發(fā)生一定程度的解偶，即分解代謝產(chǎn)生的能量已經(jīng)不是完全用于生物合成，而是有一定程度的能量被濺溢掉；隨著投加量的增加，微生物相對(duì)增長(zhǎng)速率下降程度越來越大于底物相對(duì)去降速率，兩條曲線的分離程度越采越明顯，顯示出解偶聯(lián)劑作用在逐漸增強(qiáng)，當(dāng)dNP投加量為10mg／L時(shí)，污泥相對(duì)增長(zhǎng)速率下降程度達(dá)到底物相對(duì)去除速率程度的近兩倍之多，但此時(shí)底物相對(duì)去除速率也大大下降，說明解偶聯(lián)劑開始對(duì)微生物產(chǎn)生較大的毒害作用。

3 結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)證明投加解偶聯(lián)劑dNP可以在不明顯影響處理效果的情況下有效降低活性污泥的產(chǎn)率，且經(jīng)濟(jì)有效的投加量為重1～5mg／L。而且，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以明確分析到微生物細(xì)胞合成代謝和分解代謝之間的能量解偶聯(lián)。
　　實(shí)驗(yàn)證明投加解偶聯(lián)劑是一種有效的降低污泥產(chǎn)率的方法，但是由于這些研究尚處于起步階段，要將這些觀念和方法應(yīng)用于具體的工程實(shí)踐，仍有很多問題需要解決，例如，解偶聯(lián)劑大多為有毒物質(zhì)，投加解偶聯(lián)劑可能會(huì)引起其他的副作用等。

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作者簡(jiǎn)介：席鵬鴿(1980—)，女，山西運(yùn)城人，合肥工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院市政工程專業(yè)2002級(jí)在讀碩士研究生，電話(0551)2907692。