化學(xué)解偶聯(lián)劑在活性污泥工藝中的污泥減量作用研究進(jìn)展

1、化學(xué)解偶聯(lián)劑在活性污泥工藝中的污泥減量作用研究進(jìn)展摘要 ：微生物的新陳代謝是生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的總和，它包括相關(guān)的分解代謝和合成代謝。在活性污泥培養(yǎng)中，化學(xué)解偶聯(lián)劑能夠?qū)⒑铣纱x和分解代謝解離，抑制合成代謝，從而達(dá)到剩余污泥減量化的目的。本文闡述了用化學(xué)解偶聯(lián)劑減少剩余污泥產(chǎn)量的作用機(jī)理；結(jié)合國內(nèi)外 研究 現(xiàn)狀，分別介紹了幾種常用的化學(xué)解偶聯(lián)劑及其作用效果；并提出了在活性污泥工藝中加入化學(xué)解偶聯(lián)劑存在的 問題 以及將來的研究方向。關(guān)鍵詞 ：活性污泥 化學(xué)解偶聯(lián)劑 污泥減量 質(zhì)子載體1.緒論 活性污泥法是 目前 城市污水處理廠 應(yīng)用 最廣泛的污水生物處理技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計6，世界上超過90的城市污水處理都采

2、用活性污泥法。雖然該工藝有很多的優(yōu)點(diǎn)，如基建投資少，處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定等，但是，它也存在一個最大的缺點(diǎn)：在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的剩余污泥，而且剩余污泥的處理成本相當(dāng)高，占到了污水廠運(yùn)行總費(fèi)用的25656,15.在我國有大量的剩余污泥不經(jīng)處理就直接堆放獲簡單填埋，這樣對環(huán)境造成了嚴(yán)重的二次污染。因此，現(xiàn)在亟待解決的問題是最大程度的處理與處置剩余污泥和最大程度的降低剩余污泥的產(chǎn)率。雖然當(dāng)前有很多剩余污泥減量化的 方法 ，但是，這些方法都存在一些不足。最近，在活性污泥工藝中投加適量的化學(xué)解偶聯(lián)劑來減少剩余污泥產(chǎn)率的可行性已經(jīng)得到了證明。該工藝相對以上各種方法而言，具有用量少，效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，顯示出很

3、強(qiáng)的工程應(yīng)用前景，具有 發(fā)展 推廣的潛力。2.作用機(jī)理探討 2.1新陳代謝機(jī)理新陳代謝是生物體與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換與能量交換的全過程。它包括生物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用。合成與分解是既對立又統(tǒng)一的關(guān)系。微生物正常情況下的分解代謝和合成代謝通過ATP（三磷酸腺苷）和ADP（二磷酸腺苷）之間的轉(zhuǎn)化偶聯(lián)在一起，如圖1所示6.圖1.分解代謝和合成代謝的關(guān)系Fig. 1 The relation of catabolic metabolism and anabolismATP是細(xì)胞內(nèi)的主要磷酸載體，它作為細(xì)胞的主要供能物質(zhì)參與體內(nèi)的許多代謝反應(yīng)。微生物體內(nèi)ATP的生成方式有兩種1：作用物（底物）

4、水平磷酸化和氧化磷酸化。通過作用物（底物）水平磷酸化生成的ATP在體內(nèi)所占比例很小，大部分ATP都是以氧化磷酸化的形式生成的。在活性污泥系統(tǒng)中，ATP的形成主要也是以氧化磷酸化作用為主。代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水，同時逐步釋放能量，使ADP磷酸化生成ATP，這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的過程稱為氧化磷酸化。氧化過程為放能反應(yīng)或稱分解代謝，磷酸化則為吸能反應(yīng)或稱合成代謝，所以體內(nèi)的吸能與放能反應(yīng)總是偶聯(lián)進(jìn)行的，一個吸能反應(yīng)無法獨(dú)立進(jìn)行。在活性污泥工藝中， 電子 通過電子傳輸系統(tǒng)（ETS），電子從高能量水平的電子源（底物）轉(zhuǎn)移到終端電子受體（氧氣）3.微生物以廢水中的污染物（基質(zhì)）作為生長的碳

5、源和能源，將污染物從廢水中去除，并將其轉(zhuǎn)化為新細(xì)胞質(zhì)和CO2或其他形式。用化學(xué)計量方程表示如下4：碳源能源電子受體營養(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，生長是平衡的，即微生物生長與基質(zhì)利用是相關(guān)的，那么，去除1個單位基質(zhì)就會產(chǎn)生Y單位微生物量。基質(zhì)ATP細(xì)胞物質(zhì)ADPPO43-廢棄產(chǎn)物 （2）在正常情況下，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)氧化的過程中同時伴隨著ADP轉(zhuǎn)化成ATP的磷酸化過程。2.2代謝解偶聯(lián)機(jī)理2.2.1 氧化磷酸化目前，關(guān)于氧化磷酸化作用是如何偶聯(lián)的機(jī)理尚不清楚，主要有三種學(xué)說，即化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說、結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學(xué)說和化學(xué)滲透學(xué)說。其中得

6、到較多支持的是化學(xué)滲透學(xué)說，是英國生化學(xué)家P.Michell于1961年提出的，其主要論點(diǎn)1是從呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜之上，當(dāng)氧化進(jìn)行時，呼吸鏈起質(zhì)子泵作用，質(zhì)子被泵出線粒體內(nèi)膜之外側(cè)，造成了膜內(nèi)外兩側(cè)間跨膜的化學(xué)電位差，這就是跨膜電位。它與內(nèi)膜兩側(cè)形成的pH梯度（pH）共同構(gòu)成了質(zhì)子動力勢P，那么三者的關(guān)系可用下式表示：P=-59pH （2）后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP與Pi合成ATP（如圖2所示）。圖2電子傳遞與質(zhì)子傳遞偶聯(lián)（注：復(fù)合物未顯示）Fig. 2 Electron transfer and proton transfer coupling根據(jù)化學(xué)滲透學(xué)說，在生成ATP的

7、氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的因素是H+的跨膜梯度。氧化磷酸化的抑制劑分為兩大類1：一類是電子傳遞抑制劑（呼吸鏈阻斷劑）可抑制呼吸鏈的不同部位，使作用物氧化過程（電子傳遞）受阻，偶聯(lián)磷酸化也就無法進(jìn)行，ATP生成也就隨之減少；另一類是有機(jī)質(zhì)子載體，有很強(qiáng)的解偶聯(lián)能力，可使氧化與磷酸化脫節(jié)，以致氧化過程照常進(jìn)行，但不能生成ATP.2.2.2解偶聯(lián)代謝（uncoupling metabolize）微生物消耗基質(zhì)形成的各種中間代謝物和能量（ATP）被用于生物量生成、維持和產(chǎn)物生成，但在某些條件下，能量泄漏和跨膜的質(zhì)子的無效循環(huán)也可以消耗代謝物和ATP，使分解代謝ATP產(chǎn)生速率與合成（生成）利用ATP速

8、率不一致，在代謝物的氧化過程中不伴有ADP磷酸化的過程。這樣就不會生成新的ATP，從生物化學(xué)角度來講1，在該過程 就被稱為氧化磷酸化解偶聯(lián)。從環(huán)境工程的角度而言2，解偶聯(lián)的概念是指基質(zhì)消耗產(chǎn)生的能量大于生長和維持正常生命活動的能量需求，但過剩的能量并未被貯存，而是以無效的熱能形式釋放到環(huán)境中，導(dǎo)致了污泥的表觀產(chǎn)率大大減少。然而，Russel等6對解偶聯(lián)的定義是，化學(xué)滲透氧化磷酸化不能產(chǎn)生以ATP形式存在的最大 理論 能量。將分解代謝和合成代謝解偶聯(lián)，降低ATP合成量或使得ATP合成以后通過其他途徑釋放（如熱能），而不用于細(xì)胞合成，降低細(xì)胞合成量即能減少污泥產(chǎn)率。在發(fā)生代謝解偶聯(lián)時，氧化反應(yīng)（3

9、）仍可以進(jìn)行，而磷酸化反應(yīng)（4）不能進(jìn)行。這些能使氧化作用和磷酸化作用脫偶聯(lián)的質(zhì)子載體就被稱為解偶聯(lián)劑。其作用的本質(zhì)是增大線粒體內(nèi)膜對H+的通透性，促使H+被動擴(kuò)散通過細(xì)胞膜，消除H+的跨膜梯度，使氧化釋放出來的能量全部以熱的形式散發(fā)，因而無ATP生成。解偶聯(lián)劑只 影響 氧化磷酸化而不干擾底物水平磷酸化1.因此，從理論上講，加入解偶聯(lián)劑對基質(zhì)的去除率影響很小。微生物在異常條件（如存在重金屬，剩余能量源，反常的溫度和營養(yǎng)限制等）下，將發(fā)生代謝解偶聯(lián)。Senez17認(rèn)為，細(xì)菌的合成代謝通過速率限制呼吸與分解代謝相偶聯(lián)，然而如果呼吸控制不存在時，將發(fā)生解偶聯(lián)代謝，而生物合成速率受到限制。Southa

10、mer6則認(rèn)為發(fā)生解偶聯(lián)的情況有：（1）存在影響ATP合成的物質(zhì)（解偶聯(lián)劑）；（2）存在剩余能源（高So/Xo條件）；（3）溫度不適合；（4）細(xì)胞所處環(huán)境改變；（5）存在抑制化合物。有研究表明13，在這些情況下，異化作用異常活躍，它與同化作用不再偶聯(lián)在一起，這時，微生物自身不僅不增長，還可以發(fā)生萎縮。在解偶聯(lián)劑存在下14，微生物是能夠過量消耗基質(zhì)的，也能夠觀察到較高的基質(zhì)消耗率，且大部分有機(jī)物被氧化為二氧化碳，產(chǎn)生的能量只用來驅(qū)動能量圈的物理循環(huán)和以熱的形式散失到環(huán)境中，對各種呼吸細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，呼吸可以加快1.53倍。Cook和Russel的研究表明21,28，在這種條件下，即使污泥自身的量

11、并不增加，微生物利用能量的速度也是按指數(shù)生長的微生物利用基質(zhì)速度的3倍左右。3.常見化學(xué)解偶聯(lián)劑及其作用效果 早在1948年， Loomis 等33首次發(fā)現(xiàn)了一種氧化解偶聯(lián)劑2，4-二硝基苯酚。經(jīng)過幾十年的研究，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多種有效的解偶聯(lián)劑。在活性污泥減量化應(yīng)用中，常見的化學(xué)解偶聯(lián)劑有硝基酚類化合物、氯酚類化合物、3,3,4,5-四氯水楊酰苯胺（TCS）、羰基-氰-對三氟甲氧基苯肼（FCCP）、氨基酸、甲苯、雙香豆素等。下面分別介紹國內(nèi)外研究較多的幾種常見的化學(xué)解偶聯(lián)劑的作用效果。3.1 硝基酚類化合物有效的硝基酚類化合物主要包括2,4-二硝基苯酚（DNP）、對硝基苯酚（pNP）、間硝基

12、苯酚（mNP）、鄰硝基苯酚（oNP）。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的活性污泥運(yùn)行中，Low等8,11,12,18研究表明，當(dāng)pNP濃度達(dá)到120mgL-1時，系統(tǒng)的生物產(chǎn)量將減少49，總培養(yǎng)基去除率下降25，在該條件下，可以達(dá)到無剩余污泥產(chǎn)生的效果；當(dāng)pNP濃度為100 mgL-1時，剩余污泥產(chǎn)量可以減少62。用16sRNA-PCR放大技術(shù)和變性梯度凝膠電泳技術(shù)（DGGE）對生物種群 分析 發(fā)現(xiàn)，加入pNP后，生物種群的帶發(fā)生了變化。顯微鏡觀測顯示，pNP投加之前，微生物主要以密集的絮體占優(yōu)勢，很少有絲狀菌，污泥絮體中包含有徑的和游泳型纖毛原生動物。在投加pNP（濃度為100 mgL-1）2天后，通過顯微鏡觀

13、察不到系統(tǒng)中有原生動物存在，絲狀菌增殖，優(yōu)勢種群也發(fā)生了連續(xù)的轉(zhuǎn)變。同時，基質(zhì)利用率和生物增長率有明顯的升高，反應(yīng)器中有機(jī)碳濃度增加，平均污泥產(chǎn)率下降了3013.在活性污泥工藝中，用DNP做解偶聯(lián)劑來減少污泥產(chǎn)量，其濃度為3.5 mgL-1時，平均污泥產(chǎn)率明顯降低，DNP加入對COD去除率影響較小14,31.席鵬鴿等4在對DNP的研究中發(fā)現(xiàn)，投加DNP后，生物表觀增長率（Yobs）顯著下降，當(dāng)其濃度為1 mgL-1時，Yobs就降低了16；當(dāng)其濃度從0增加到20mg L-1時，相應(yīng)的COD去除率從88下降到50。Low 11和Riveranevares31等對含有DNP的活性污泥分批培養(yǎng)物研究

14、中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DNP濃度為20 mg L-1時，污泥產(chǎn)率為零。研究表明4，在不影響處理效果的情況下有效降低污泥產(chǎn)率，DNP 經(jīng)濟(jì) 的投加量為15 mg L-1.在活性污泥工藝中加入oNP作為解偶聯(lián)劑時，當(dāng)oNP濃度從0增加到20 mgL-1時，相應(yīng)的污泥長率從0.65mgMLSSmg-1COD下降到0.091mg MLSSmg-1COD，且COD的去除率減少了26，而當(dāng)用mNP時，在相同的條件和濃度下，相應(yīng)的污泥長率從0.5mg MLSSmg-1COD下降到0.17mg MLSSmg-1COD，且COD的去除率減少了13。說明在污泥減量方面，oNP比mNP更有效16.3.2 氯酚類化合物到目前為止

15、，國內(nèi)外對氯酚類解偶聯(lián)劑的研究較少。有效的氯酚類化合物解偶聯(lián)劑主要有鄰氯苯酚（oCP）、對氯苯酚（pCP）、間氯苯酚（mCP）、三氯苯酚（TCP）、2,4-二氯苯酚（DCP）、五氯苯酚（PCP）等。據(jù)Yang等15研究表明，當(dāng)pCP濃度為20 mgL-1時，污泥產(chǎn)量下降了58，COD去除率降低8.9；在相同條件下，用相同濃度的mCP做解偶聯(lián)劑時，污泥產(chǎn)量減少86.9，COD去除率降低13.2，說明mCP比pCP在減少污泥產(chǎn)量上更加有效。葉芬霞7等在活性污泥培養(yǎng)中用oCP、mCP、DCP和TCP作為解偶聯(lián)劑的污泥減量化研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MLSS約為1000 mgL-1，解偶聯(lián)劑濃度均為20 mgL-

16、1時，污泥產(chǎn)率下降分別為60.08、46.60、42.80和78.40，可見TCP的污泥減量化效果最好。據(jù)Wei等16報道，當(dāng)TCP用量為0.5 mg L-1時，可以減少污泥產(chǎn)量50，但在80天以后，反應(yīng)器中的TCP濃度減少，污泥產(chǎn)率開始增加；在DCP用量為30 mg L-1時，大約能減少50的生物量9,14,16.3.3 TCSTCS是肥皂、洗滌劑和香波的組成部分，它在活性污泥中減少污泥產(chǎn)量上是一種最常見、有效的化學(xué)解偶聯(lián)劑。根據(jù)Chen等10研究表明，TCS能有效降低分批培養(yǎng)物和連續(xù)培養(yǎng)物中的污泥量，尤其時連續(xù)培養(yǎng)物，在30天的序批式活性污泥運(yùn)行中，當(dāng)TCS濃度大于0.4 mgL-1時，它

17、能夠有效的減少剩余污泥產(chǎn)率，當(dāng)其濃度為0.81.0時mgL-1，能夠減少污泥產(chǎn)量40，且在該濃度下，基質(zhì)去除能力不會受到影響。同時也發(fā)現(xiàn)，污泥生長減慢的原因在于微生物的活性與活性細(xì)胞占總細(xì)胞的比例升高相關(guān)聯(lián)，TCS的加入使得系統(tǒng)的比氧氣吸收率（SOUR）增加（在葉芬霞等的研究中也有類似的結(jié)果5）。TCS濃度為1.0 mg L-1時，可以提高微生物活性42，增加活性細(xì)胞3-4。葉芬霞等5在對TCS的研究中發(fā)現(xiàn)，在60天的完全混合活性污泥運(yùn)行中，當(dāng)TCS濃度為0.5mg L-1時，可以減少剩余污泥產(chǎn)量30，運(yùn)行期間，COD去除率和污泥沉降性未見明顯的變化，但是出水氨氮和總氮濃度升高。通過鏡檢發(fā)現(xiàn)，

18、添加TCS運(yùn)行60天后，生物種群發(fā)生了改變，絲狀菌增加，原生動物和后生動物的數(shù)量和種類減少，且污泥活性降低。3.4 氨基酸氨基酸是一種比硝基酚、氯酚更強(qiáng)的解偶聯(lián)劑。但由于氨基酸的種類較多，對基質(zhì)的去除率影響較大，所以到目前為止國內(nèi)外對它的研究較少。據(jù)Xie研究表明15，當(dāng)氨基酸濃度為20 mg L-1時，沒有剩余污泥產(chǎn)生，但是COD去除率也下降了56。3.5 幾種化學(xué)解偶聯(lián)劑作用效果的比較通過對國內(nèi)外關(guān)于化學(xué)解偶聯(lián)劑的報道研究發(fā)現(xiàn)7, 1216，雖然這些解偶聯(lián)劑包括各種不同分子結(jié)構(gòu)的化合物，但它們有一個共同特點(diǎn)就是都是親脂性弱酸；在作用效果上，硝基酚類化合物比氯酚類化合物的污泥減量化效果要好,

19、最有效的解偶聯(lián)劑是oNP，mCP，DNP和TCP；就解偶聯(lián)劑的毒性而言，一般情況下硝基酚類化合物大于氯酚類化合物， TCS最小。3.6添加化學(xué)解偶聯(lián)劑可能存在的負(fù)面影響通過生物化學(xué)解偶聯(lián)的能量消耗方法可能是一種有著巨大發(fā)展?jié)摿Φ氖Ｓ辔勰鄿p量化技術(shù)。在活性污泥法中，加入適量的化學(xué)解偶聯(lián)劑能不同程度的減少剩余污泥產(chǎn)量。但是，也可能產(chǎn)生其他一些經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行和環(huán)境等問題。1. 系統(tǒng)的基質(zhì)去除率有較小的下降。污泥產(chǎn)率的下降將導(dǎo)致污水中COD和氨氮的去除率下降，不同程度的影響出水效果。2. 污泥的性能發(fā)生了改變。解偶聯(lián)劑可能對不同種類的生物的生長速率影響不同，使活性污泥中的種群動力學(xué)和優(yōu)勢種群發(fā)生了變化，原

20、生動物和后生動物減少可能使污泥凝聚能力降低，絲狀菌增加會導(dǎo)致污泥膨脹，沉降性降低；3. 系統(tǒng)需氧量大大增加。在傳統(tǒng)活性污泥工藝中，一般曝氣占工廠總能源費(fèi)用的50以上。研究表明5，解偶聯(lián)劑的加入將使系統(tǒng)的需氧量提高3050。這樣的話，系統(tǒng)的運(yùn)行成本將增加15以上。4. 大多數(shù)化學(xué)解偶聯(lián)劑是異型生物質(zhì)，它們對環(huán)境有潛在的危害，解偶聯(lián)劑的毒性和微生物的馴化值得關(guān)注。4、 影響解偶聯(lián)劑作用的因素 許多因素可以影響解偶聯(lián)劑減少剩余污泥產(chǎn)量的效果，如解偶聯(lián)劑濃度、解偶聯(lián)劑性質(zhì)、污泥濃度、溫度、pH值和投料方式等。此外微生物對不同類型的解偶聯(lián)劑表現(xiàn)出不同的生理狀況的親和力和不同的生存能力16.4.1解偶聯(lián)劑

21、濃度大量的研究表明1015，污泥的表觀增長率（Yobs）與解偶聯(lián)劑的濃度存在擬線性關(guān)系，也就是污泥的產(chǎn)率與解偶聯(lián)劑濃度成反比關(guān)系，解偶聯(lián)劑濃度越大，污泥的產(chǎn)率就越低。但是，解偶聯(lián)劑的濃度存在一個臨界值，即當(dāng)污泥產(chǎn)率為零時對應(yīng)的解偶聯(lián)劑濃度。當(dāng)濃度大于臨界值時，污泥的產(chǎn)率也始終為零。該現(xiàn)象可以用以下理論來解釋。在不加解偶聯(lián)劑的微生物培養(yǎng)基中，用于生成ATP的質(zhì)子動力勢（pmf）可定量如下：pmf=-2.3RTpH /F.為膜勢，pH是膜內(nèi)側(cè)到外側(cè)的pH梯度，它是一個負(fù)值。當(dāng)解偶聯(lián)劑加入到培養(yǎng)基中，由于解偶聯(lián)劑向膜內(nèi)側(cè)釋放質(zhì)子，使pH從負(fù)值變?yōu)檎担琾mf將減少，釋放的質(zhì)子越多，pmf減少越多，直

22、到為零。使產(chǎn)生ATP的pmf完全消失時的解偶聯(lián)劑濃度即為臨界值30.在Low11,12等對含有DNP的活性污泥分批培養(yǎng)物研究中也證實(shí)了該理論，當(dāng)DNP濃度為20 mg L-1時，污泥產(chǎn)率為零，當(dāng)DNP濃度為120 mg L-1時，也沒有剩余污泥產(chǎn)生。4.2 解偶聯(lián)劑性質(zhì)污泥產(chǎn)率的控制效果與解偶聯(lián)劑的酸性強(qiáng)弱有關(guān)（除DCP外），解偶聯(lián)劑的酸性越強(qiáng)，即pKa值越低，污泥減量化效果越強(qiáng)16.低pKa值有利于氯酚類和硝基酚類解偶聯(lián)劑中的酚羥基脫質(zhì)子，在含有解偶聯(lián)劑在培養(yǎng)基中，解偶聯(lián)劑的pKa值對pH值的影響很大，即低pKa值使pmf弱化，進(jìn)一步使污泥產(chǎn)量下降。Yang等16報道，間氯酚（pKa9.10

23、）的污泥減量化效果好于對氯酚（pKa9.10）；鄰硝基酚（pKa7.222）的污泥減量化效果好于間硝基酚（pKa8.360）。4.3 pH值活性污泥法處理生活污水的最適合的pH范圍是7.07.5，有效pH范圍是6.58.5.Simon發(fā)現(xiàn)酸性條件有利于提高有機(jī)質(zhì)子載體的解偶聯(lián)活性，在低pH時質(zhì)子和載體化合物結(jié)合增強(qiáng)。Low和Chase18發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)降低pH對污泥產(chǎn)量沒有影響，但pH降低可質(zhì)子載體誘導(dǎo)的污泥下降，在pH6.2時，進(jìn)水中對硝基苯酚濃度為100 mg L-1，污泥產(chǎn)量下降77。4.4 溫度在活性污泥工藝中，溫度對系統(tǒng)的 影響 不是很大，溫度主要影響微生物活性，溫度過低，活性污泥中微生

24、物的活性將降低，導(dǎo)致基質(zhì)去除效果下降，從而解偶聯(lián)劑的解偶聯(lián)作用也會減弱。溫度過高，則將限制一些微生物的生長，也會降低解偶聯(lián)作用。一般溫度維持在1525的廢水原有范圍內(nèi)。 目前 ，國內(nèi)外的很多 研究 都將溫度控制在25左右，但對于異常溫度下的解偶聯(lián)作用報道較少。4.4 污泥濃度污泥的濃度也將對解偶聯(lián)劑作用效果產(chǎn)生影響。在解偶聯(lián)劑濃度不變時，隨污泥濃度的升高，污泥產(chǎn)率逐漸提高，說明在高濃度污泥條件下，范圍污泥的解偶聯(lián)劑的濃度較低，使得解偶聯(lián)劑的效果下降5,22.可以看出，高污泥濃度將弱化解偶聯(lián)劑的效果。因此，采用比解偶聯(lián)劑濃度（解偶聯(lián)劑濃度/污泥濃度）來表示解偶聯(lián)劑作用效果更為合理。4.5 投加方

25、式解偶聯(lián)劑投加方式的差異將影響污泥的產(chǎn)率?？偟膩碇v，固體投加的效果好于液體投加，一次性投加比分批小劑量投加對污泥的減量化效果要好。葉芬霞7等在對TCS的解偶聯(lián)作用研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每天投加TCS固體12 mg時（相當(dāng)于1.0mg L-1左右），剩余污泥量比對照減少 49，污泥的減量化效果明顯好于液體投加。同時，在對TCS投加劑量的研究中發(fā)現(xiàn)5,7，在相同條件下，每天投加12mgTCS，污泥產(chǎn)量比對照下降了33，而兩天投加24mgTCS，污泥產(chǎn)量比對照下降了55，上升了22。Cook等28報道：當(dāng)用質(zhì)子載體TCS處理細(xì)胞時，細(xì)胞的電化學(xué)質(zhì)子梯度被廢除，葡萄糖用量的確定比值將增加兩倍。在該種情況下，無

26、論ATP是否需要， 電子 傳輸可能都以高速度運(yùn)行。4.6 解偶聯(lián)劑作用的模型大量的研究表明11,14,21,22,24，污泥表觀增長率（Yobs）隨著最初基質(zhì)濃度（S0）與最初生物量濃度（X0）的比值的增大而明顯下降。也就是說同化作用與異化作用在基質(zhì)充足的情況下會明顯地相互分離而解偶聯(lián)，Cook和Russell7,21研究發(fā)現(xiàn)，在牛鏈球菌（Streptococcusbovis）對數(shù)生長期培養(yǎng)物中加入氯霉素后，將停止生長，但仍然消耗葡萄糖，其速率是指數(shù)生長細(xì)菌消耗速率的三分之一，比維持速率高10倍，熱產(chǎn)率仍相當(dāng)高。因此，S0/X0 的比值是在能量充足條件下產(chǎn)能代謝解偶聯(lián)的重要影響因素。Liu22

27、基于基質(zhì)反應(yīng)平衡的原理， 發(fā)展 了以S0/X0為變量的污泥生長模型,這種模型可 應(yīng)用 于基質(zhì)充足的序批式活性污泥處理過程。表達(dá)形式為：式中，（ Yobs）max 和（ Yw） min 分別是在基質(zhì)限制條件下最大表觀生長率和與能量有關(guān)的最小的生長率。Ks/x是與S0/X0 有關(guān)的飽和常數(shù)。這個方程已被大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)。方程（5）也表明從能量解偶聯(lián)的角度來看，合成代謝和分解代謝可以分離， S0/ X0 可與能量解偶聯(lián)劑起到同樣的作用。另有研究表明2,14, 當(dāng)生物量較高時, 一定濃度的解偶聯(lián)劑的解偶聯(lián)能力會降低。一些研究者利用非離子氨與硝化細(xì)菌的濃度的比率來描述非離子氨對硝化細(xì)菌的抑制, 結(jié)果發(fā)

28、現(xiàn)25,26,27：用S0/ X0 比僅用非離子氨能夠更好的反映非離子氨對硝化細(xì)菌的抑制程度。因此, 解偶聯(lián)劑對單位生物量的真正影響強(qiáng)度應(yīng)該表達(dá)為Cu/X0的比。因而上述的方程可被表述為下面的形式2,13：（Yobs）max 是在沒有解偶聯(lián)劑的情況下最大生長率；Cu 是菌群中最初的化學(xué)解偶聯(lián)劑的濃度, Ku/ x是與Cu/X0 有關(guān)的飽和常數(shù)。從方程（6）中可以得知，化學(xué)解偶聯(lián)劑對微生物動力學(xué)的影響應(yīng)該根據(jù)初始生物量濃度的增加而減少。由于基質(zhì)中存在解偶聯(lián)劑，用于細(xì)胞合成的轉(zhuǎn)化能量效率將降低。在沒有解偶聯(lián)劑存在的情況下, Cu =0，Yobs接近于（Yobs）max.很明顯，當(dāng)Cu/X00時，可

29、以根據(jù)1/Yobs與Cu/X0的曲線能估計出（Yobs）max.用類似Liu設(shè)想的圖解法也可以確定（Yw）min和Ku/x的值23,24.到目前為止，對于定量描述Yobs和Cu/X0比率之間的關(guān)系，還很少有值得利用的信息。方程（6）不是嚴(yán)格來自 理論 ，可看作半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，然而，試?yàn)結(jié)果很清楚的表明，該模型對于在不同Cu/X0比值條件下得到的Yobs值能夠提供一個合理的定量的解釋。5、結(jié)論 在活性污泥工藝中加入化學(xué)解偶聯(lián)劑來減少剩余污泥產(chǎn)率是很有效的。該技術(shù)具有易控制，運(yùn)行穩(wěn)定，有較強(qiáng)操作適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)。但是解偶聯(lián)劑的污泥減量化機(jī)理還不是很清楚，解偶聯(lián)劑加入會導(dǎo)致運(yùn)行成本增加，主要包括曝氣成本和化

30、學(xué)解偶聯(lián)劑成本。化學(xué)解偶聯(lián)劑對環(huán)境的危害也不容忽視。這些都是限制它 工業(yè) 化的主要原因。均衡污泥減量化帶來的運(yùn)行成本降低和解偶聯(lián)劑加入導(dǎo)致的運(yùn)行成本增加，可知用化學(xué)解偶聯(lián)劑使剩余污泥減量化的活性污泥工藝在工程實(shí)踐中有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。今后研究重點(diǎn)應(yīng)該放在建立更合適的解偶聯(lián)劑應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型，改進(jìn)解偶聯(lián)劑投料方式及投加量，更深入的 分析 微生物種群變化，提出更加有效的解偶聯(lián)劑選擇標(biāo)準(zhǔn)，尋找更廉價、更具有環(huán)境友好性的解偶聯(lián)劑，研究解偶聯(lián)劑長期應(yīng)用對環(huán)境的影響。參考 文獻(xiàn) 1 羅紀(jì)盛，張麗萍，楊建雄等。 生物化學(xué)簡明教程M. 北京。 高等 教育 出版社。 1999：153157.2 劉新文，沈東升。 污

31、泥減量化的生物化學(xué)技術(shù)研究進(jìn)展J. 中國 沼氣，2003，21（3）：1821.3 葉芬霞，潘利波。 活性污泥工藝中剩余污泥的減量技術(shù)J. 中國給水排水，2003，19（1）：2528.4 席鵬鴿,陳國偉,徐得潛。解偶聯(lián)劑對活性污泥產(chǎn)率的影響及其機(jī)理研究J. 工業(yè)用水與廢水，2004，35（3）：57.5 葉芬霞，陳英旭，馮孝善。 化學(xué)解偶聯(lián)劑對活性污泥工藝中剩余污泥的減量作用J. 環(huán)境 科學(xué) 學(xué)報 , 2004 ,24（3）： 395399.6 王啟中，宋碧玉。 污水處理中的污泥減量新技術(shù)J. 城市環(huán)境與城市生態(tài)，2003，16（6）： 295297.7 葉芬霞。 解偶聯(lián)代謝對活性污泥工藝中

32、剩余污泥的減量化作用J. 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文。 杭州。 2004： 36438 Low E W，Chase H A. Reducing production of excess biomass during wastewater treatment J. Wat Res，1999，33 （5） ： 11191132.9 Chen G H, Mo H K, Saby S, et al . Minimization of activated sludge production by chemically stimulated energy spillingJ. WatSci Technol ,

33、2002，42 （12） ： 189200.10 Chen G H，Mo H K，Liu Y. Utilization of a metabolic uncoupler 3,3,4,5-tetrachlorosalicylanilide （TCS） to reduce sludge growth in activated sludge culture J . Wat Res，2002，36 （8） ： 20772083.11 Low E W and Chase H A. The use of chemical uncouplers for reducing biomass production

34、 during biodegradationJ. Wat Sci Tech-nol, 1998, 37（425） ： 399402.12 Low E W，Chase H A，Milner M G, et al. Uncoupling of metabolism to reduce biomass production in the activated sludge processJ. Wat Res, 2000, 34（12） ： 32043212.13 Strand S E, Harem G N, Stensel H D. Activated sludge yield reduction u

35、sing chemical uncouplers J. Wat Environ Res, 1999, 71 （4） ： 454458.14 Yu Liu. Effect of chemical uncoupler on the observed growth yieid in batch culture of activatived sludgeJ. Wat Res, 2000, 34（7）： 20252030.15 Yu Liu. Chemically reduced excess sludge production in activated sludge processJ. Chemoph

36、ere, 2003, 50（1）： 17.16 Xue-Fu Yang, Min-Li Xie, Yu Liu. Metabolic uncouplers reduce excess sludge production in an activated sludge processJ. Process Biochemistry, 2002, （38） ：13731377.17 Stouthammer A.and Bettenhaussen C. Utilisation of energy of growth maintenance in continuous and bath culturesJ

37、. Biochim. Biophy. Acta. 1973,（30）：5370.18 Low E.W, Chase H.A. Reducing production of excess biomass during wastewater treatmentJ. Wat. Res., 1999, 33（5）：11191132.19 Okey R.W, Stensel H.D. Uncouplers and activated sludge-the impact on synthesis and respirationJ. Toxicol. Environ. Chen, 1993, 40（1）：2

38、35254.20 Chen GH, Liu Y. Modelling of energy spilling in substratesufficient culturesJ. Environ Eng ASCE, 1999, 125：（5）813.21 Cook G. M. and Russell J. B. Energy-spilling reactions of Streptococcus bovis and resistance of its membrane to proton conductanceJ. Appl. Environ. Microbiol. 1994, （60）： 194

39、21948.22 Liu Y. Bioenergetic interpretation on the So/Xo ratio in substrate-sufficient batch cultureJ. Water Res. 1996, （30）： 27662770.23 Liu Y. and Chen G. H. A model of energy uncoupling for substrate-sufficient cultureJ. Biotechnol. Bioeng. 1997, （55）： 571576.24 Liu Y., Chen G. H. and Paul E. Eff

40、ect of the So/Xo ratio on energy uncoupling in substrate-sufficient batch culture of activated sludgeJ. Water Res. 1998, （32）：28832888.25 Suthersan S. and Ganczarczyk J. J. Inhibition of nitrite oxidation during nitrification： some observationsJ. Water Pollut. Res. J. Canada. 1986 , （21 ）： 257266.26 Balmell B., Nguyen K. M., Capdeville