化學解偶聯劑污泥減量技術

中國污水處理工程網時間：2015-3-20 9:35:43

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污泥是污水生物處理過程中產生的一種副產物，是一種重要的固體有機廢棄物。污水生物處理過程中會產生大量污泥，據估計，實際運行的污水處理廠污泥產率可達0.52～1.22 kg/kg，截止到2011年底，我國的污泥產量已達到3.48×107 t（含水率80%）〔1〕。由于污水中很多污染物在污水生物處理過程中會最終轉移到污泥中，因此污泥必須得到妥善處理處置。然而由于污泥處理的投資和運行費用巨大〔2, 3〕，污泥處理處置已成為污水處理廠所面臨的沉重負擔和難題，減少污泥量十分必要。

化學解偶聯劑污泥減量技術是一種以“源頭控制”為目標的污泥減量技術。這種技術操作方便、技術實施簡單、投資較少、易在原有工藝中實現且減量效果好，是目前污泥減量技術的研究熱點之一〔2, 3, 4, 5〕。然而由于這種技術還有一些不足，目前仍然處于實驗室研究階段，離實際應用還有一定距離。筆者對其機理、研究現狀與進展、存在問題和發展方向等進行總結和歸納，以期推動該技術的發展和應用。

1 化學解偶聯劑污泥減量技術的機理

微生物的代謝偶聯是指微生物代謝過程中，分解代謝（氧化作用）和合成代謝（磷酸化作用）的偶聯，其中分解代謝是底物脫氫或失電子的過程，而合成代謝是指二磷酸腺苷與磷酸合成三磷酸腺苷（ATP）的過程〔6, 7〕。在正常生理條件下分解代謝和合成代謝緊密地偶聯，而合成ATP的決定因素是H+的跨膜梯度。化學解偶聯劑可以消除細胞膜之間的質子梯度，從而抑制ATP的合成。值得注意的是，解偶聯劑只消除膜兩邊的質子或電位梯度，不但不會抑制呼吸鏈的電子傳遞，反而加速電子傳遞，促進呼吸底物和分子氧的消耗，產生的能量以熱量的形式散發而不合成ATP。化學解偶聯劑污泥減量的機理就在于在污水生物處理過程中利用化學解偶聯劑使污泥微生物的分解代謝和合成代謝脫偶聯，分解代謝遠大于合成代謝，從而使污染物大部分氧化分解成CO2和水，而較少合成新的污泥〔3, 4, 5〕。

2 化學解偶聯劑的種類及特性

從1948年W. F. Loomis等〔8〕首次發現2，4-二硝基苯酚可作為化學解偶聯劑起，經過幾十年的研究，已經發現了10多種可用于有效減量污泥的化學解偶聯劑〔9, 10, 11〕。目前研究的化學解偶聯劑包括硝基酚類：2，4-二硝基苯酚（DNP）、對硝基苯酚（p-NP）、間硝基苯酚（m-NP）、鄰硝基苯酚（o-NP）等；氯酚類：如鄰氯苯酚（o-CP）、對氯苯酚（p-CP）、間氯苯酚（m-CP）、三氯苯酚（TCP），2，4-二氯苯酚（2，4-DCP）、2，6-二氯苯酚（2，6-DCP）、五氯苯酚（PCP），3，3’，4’，5-四氯水楊酰苯胺（TCS）等；季銨鹽類：如芐基季銨鹽；季磷鹽類：四羥四甲基硫酸磷（THPS），氯化四羥甲基磷（THPC）；氨基酚：如鄰氨基酚（AP）、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）和氨基酸等。

現有文獻表明大部分化學解偶聯劑具有弱酸性，且為脂溶性。弱酸性使其在不同pH環境下均可結合H+或釋放H+，通常解偶聯劑的酸度越低，污泥減量效果越好，但解偶聯劑的污泥減量效果還受到許多其他因素的影響。而脂溶性則使其能自由透過磷脂雙分子層，將膜外的H+轉移到膜內，從而消除質子梯度。但最新發現的一種水溶性有化合物THPS具有解偶聯效果〔10〕，說明非脂溶性物質也可以作為化學解偶聯劑。在污水處理過程中，化學解偶聯劑的脂溶性會導致其在水中溶解度不高，降解慢，這可能是化學解偶聯劑應用于污水處理中的不足。

3 化學解偶聯劑的污泥減量效果

文獻表明化學解偶聯劑的污泥減量可達到 21%~87%,不同化學解偶聯劑的污泥減量效果如表 1所示。

由表 1可見，化學解偶聯劑的污泥減量效果受到化學解偶聯劑的種類、添加量和污水處理規模等的影響。不同化學解偶聯劑對污泥減量的效果不相同，Zebo Liu通過批量試驗研究了3種化學解偶聯劑（TCS、p-NP、THPS）的污泥減量效果，結果表明，添加質量濃度分別為0.5、20、0.02 mg/L時，其污泥減量率可分別達到18%、28%、30%〔28〕。C. Aragóna 等〔29〕的研究發現，添加30 mg/L的 DNP時，污泥產率可降低14%，而添加40 mg/L的TCS 時，污泥產率降低率可達49%。化學解偶聯劑的添加量明顯影響其污泥減量效果〔12, 13〕。化學解偶聯劑的添加位置也會影響其污泥減量效果。S. Rho等〔12〕比較了在好氧系統和缺氧系統中添加TCS時，污泥產率的變化，發現好氧系統污泥對TCS的敏感性要比缺氧系統中更高。另外，化學解偶聯劑的污泥減量效果還受到試驗規模的影響：Zebo Liu的研究結果表明〔28〕THPS在小試試驗中的污泥減量效果可達 30%，而筆者研究組的研究結果〔14〕表明，在中試試驗中的污泥減量效果為22.5%。

4 化學解偶聯劑對污水處理過程的影響

化學解偶聯劑的添加會影響污水處理，包括對污水處理效果的影響、對污泥性質的影響、污泥微生物菌群結構的影響等。部分化學解偶聯劑對污泥處理過程的影響如表 2所示。

4.1 化學解偶聯劑對污水處理效果的影響

解偶聯劑在減少污泥產量的同時，還會可能帶來一些負面影響，最嚴重的影響是會升高出水 COD，導致出水水質變差，由于污泥產量減少，出水中 N、P 濃度可能也會升高。

來一些負面影響，最嚴重的影響是會升高出水COD，導致出水水質變差，由于污泥產量減少，出水中N、P濃度可能也會升高。目前對由于化學解偶聯劑的添加影響污水處理過程COD去除的研究結果并不一致。C. Aragóna等〔29〕發現隨著TCS的添加質量濃度從0升高到0.8 mg/L，COD的去除率從52.16%升高到58.92%；而一些研究〔12, 13, 33〕則表明，COD的去除率有一定降低，謝敏麗〔34〕甚至發現當氨基酚投加量為20 mg/L時，COD去除率會下降56%。不同化學解偶劑對COD去除率的影響不同，且不同投加量的同一化學解偶聯劑的影響也不同。另外，投加方式也會影響其效果。例如，一次性投加TCS減量化效果要好于多次投加，并且隨著投加量的增大，COD去除率降低〔35〕。由于添加化學解偶聯劑后污水的COD去除率仍較高，因此大部分研究者認為化學解偶聯劑對COD去除率的影響可以忽略。G. H. Chen等〔13〕的研究表明：添加0.5、1.0 mg/L的TCS后，COD的去除率分別從95.4%降低到95.3%、94.7%。化學解偶聯劑降低COD去降率的可能原因是目前應用的化學解偶聯劑為異體物質，對微生物有一定毒害作用，導致一部分微生物死亡，形成出水中的COD〔27〕。

部分研究者研究了化學解偶聯劑對氨氮和總氮去除的影響。例如，葉芬霞等〔36〕發現TCS的添加會升高出水氨氮和總氮的濃度，從而降低氨氮和總氮的去除率，且隨著TCS添加量增加，氨氮和總氮去除率呈下降趨勢，但降低量較少。原因可能是化學解偶聯劑減少的那部分剩余污泥中的氮會釋放到出水中，從而會提高出水的氨氮和總氮水平、降低氨氮和總氮的去除率〔37〕。研究表明選擇合適的工藝可以降低這種影響，例如葉芬霞等〔36〕采用連續曝氣繼而沉淀的SBR運行方式發現TCS的加入對出水的氨氮和總氮的去除沒有影響。

由于生物除磷主要通過排除剩余污泥來實現，剩余污泥量的減少勢必增加出水的TP、降低TP的去除效率。例如葉成全〔38〕研究了4種化學解偶聯劑（TCP、DNP、m-CP和TCS）對A2/O工藝的影響，發現加入這些解偶聯劑后出水磷酸鹽和總磷的濃度均略微升高。王濤等〔32〕比較不同化學解偶聯劑對 A2/O工藝的影響，發現試驗的4種化學解偶聯劑（DNP、m-CP、TCP和TCS）均會導致出水磷濃度升高。但也有研究結果表明，TP的去除基本不受化學解偶聯劑添加的影響。例如，Fenxia Ye 等〔33〕的研究表明，TCS添加量分別為0.05、0.10、0.15 g時，好氧-沉淀-厭氧（OSA）系統出水TP的平均值分別為3.1、 2.9 、3.1 mg/L，而作為對照的好氧-沉淀系統出水TP的平均值為3.5 mg/L，這可能是因為試驗系統與對照系統相比增加了厭氧部分所造成的。

4.2 化學解偶聯劑對污泥性質的影響

化學解偶聯劑的投加會影響污泥性質，這些性質包括沉降性能（SVI）、活性（SOUR）、絮體結構和微生物菌群結構等。

G. H. Chen等〔13〕研究結果表明當向污水處理系統中添加0.5、1.0 mg/L TCS時，污泥的SOUR從62.3 mg/（g·h）分別提高到78.8、94.6 mg/（g·h）。而葉芬霞等〔30〕研究TCS對活性污泥工藝中污泥活性的影響時，也發現TCS能使污泥SOUR從2.29 mg/（mg·d）升高到2.93 mg/（mg·d）。化學解偶聯劑的種類、投加量和投加方式等會影響其效果，例如，葉芬霞等〔36〕的研究表明污泥SOUR隨TCS投加量的增加而增加，葉成全〔38〕比較了兩種TCP投加方式（每天投加120 mg和每兩天投加240 mg）對污泥SOUR的影響，結果發現兩者均能提高污泥的SOUR。添加化學解偶聯劑能夠使氧化磷酸化過程脫偶聯，抑制ATP的合成，促進污泥微生物的呼吸作用，使得其呼吸速率提高，從而提高污泥的SOUR。但也有研究表明，化學解偶聯劑的投加會導致污泥SOUR的降低，如Y. Tian等〔16〕的研究表明，加入2，6-DCP后與對照組相比，呼吸作用明顯受到抑制；并且受抑程度與投加濃度成正比，在投加質量濃度為1 g/L時，呼吸抑制速率達到83%。

目前，大部分化學解偶聯劑污泥減量的研究都表明，解偶聯劑會造成SVI升高。化學解偶聯劑對污泥SVI的影響主要是通過改變其微生物菌群結構來實現的，添加化學解偶聯劑后，污泥中絲狀菌增加，從而導致其SVI升高。葉芬霞等〔30〕的研究表明，TCS的添加會使污泥的平均SVI從82.81升高到95.22。不同化學解偶聯劑對污泥SVI的影響是不一致的。例如G. H. Zheng等〔11〕的研究表明，添加2，4，6-trichlorophenol僅會短期影響污泥的SVI，很快（1~2周）即可恢復，而另一種化學解偶聯劑——丙二酸則會導致污泥SVI迅速急劇增加，最終導致系統崩潰。

通過顯微鏡觀察、掃描電鏡觀察和變性梯度凝膠電泳（DGGE）分析等可以發現，化學解偶聯劑的添加會使污泥的部分原有微生物消失、新的微生物出現、生物多樣性降低、微生物菌落結構的相似性變大、優勢種群發生改變、原、后生物的種類和數量減少、絲狀菌增多、污泥變松散等。G. H. Zheng 等〔11〕運用DGGE分析發現，添加解偶聯劑后的活性污泥DNA圖譜中出現了新的條帶，說明污泥中出現了新的微生物；還通過掃描電鏡觀察到，加入TCP后的污泥絮體結構發生變化，污泥絮體主要由球菌及短桿菌組成，結構松散、絮體較小、原生動物及后生動物種類和數量減少。葉芬霞等〔30〕的研究也表明，TCS的添加會使污泥原、后生物的種類和數量均減少，且活性降低，污泥中絲狀菌增加，污泥變松散。

另外，化學解偶聯劑還可能會影響污泥的胞外聚合物（EPS）、醌和酶活等性質。例如Y. Tian等〔16〕發現加入2，6-DCP后，污泥EPS含量及其蛋白質/多糖含量比均高于對照組，這說明添加2，6-DCP后污泥釋放了更多的EPS。

5 存在的不足及其發展的方向

盡管化學解偶聯劑在污泥減量方面的效果明顯，但是在實際應用上還存在一些不足。首先，隨著污泥產率的下降，污水中的COD及N、P去除率也隨之下降。其次，污泥沉降性能發生變化，活性污泥中優勢種群發生變化，原生、后生動物減少，沉降性降低。再次，需氧量增加，系統曝氣量增加，使得運行成本升高。最后，解偶聯劑使用的主要問題仍然是毒性問題，因為解偶聯劑是環境異體物質，通常為難降解物質，為了避免污泥產生抗性也會選擇較難降解的物質，所以在水中一定會有殘留，會在動、植物以致人類體內積累，危害人類健康。另一方面，在長期運行過程中，活性污泥可能會對解偶聯劑產生抗性，從而影響減量效果。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。

目前的研究大都致力于解偶聯劑最佳投放濃度的研究，在保證減量效果同時，減小對出水水質的影響，或者通過其他物質與解偶聯劑協同作用〔31〕。由于解偶聯劑的污泥減量機制以及降低出水基質去除率的原因都尚未明確，因此，探尋解偶聯劑減量機理以及影響處理效果的原因，仍會是以后研究的難題和熱點。針對現在使用的解偶聯劑均是環境異體物質，對環境及人類健康都有一定危害的情況，目前有很多篩選低毒、高效解偶聯劑的研究，但僅僅是在現存解偶聯劑中選擇毒性相對較低的幾種，并不能百分百地確定其使用的安全性。因此研發及尋求高效、安全的解偶聯劑是未來研究的一個重點方向。同時為了避免活性污泥對解偶聯劑產生抗性，保證添加解偶聯劑污水處理工藝具有長期的運行效果，研究解偶聯劑在污水處理過程中的轉移轉化途徑是解偶聯污泥減量技術投入實際應用的關鍵之一。最后，由于目前化學解偶聯劑減量污泥的研究工作均是小試試驗，為了促進這種技術的實際應用，進行中試試驗和現場試驗研究也是未來的重要方向。