1、能量解偶联剂 TCS 在活性污泥法的污泥减量中的作用作者：边朝辉摘要：本文研究的是利用 3,3,4,5-四氯水杨酰苯胺(TCS)作为一种能量解偶联剂来减少活性污泥法中污泥量的可行性。实验结果证实了当其浓度0.4mg/L 时在减少泥量方面 TCS 是一种的有效化学药剂。实验结果表明当 TCS 浓度为 0.8mg/L 时污泥量大约减少了 40%。实验结果同时表明在这批为时 30 天的活性污泥实验中当 TCS 浓度维持在 0.5-1.0mg/L 时基质去除效能没有受到影响。污泥量的减少与微生物的活性增强和活性细菌占整个微生物种群比例的增大是有联系的。在 30 天的培养实验中当 TCS 维持在 1mg
2、/L 的水平时混合液的基质去除效能并没有被破坏。实验结果证明了将 TCS 应用于活性污泥系统中来限制污泥过度增长是可行的。 关键词：能量解偶联剂 活性污泥法 污泥量 1.简介活性污泥法已经在 onclick=“g(污水处理);“污水处理 中得以广泛的应用，但是其同时产生了大量的副产物剩余污泥。污泥的处理与处置费用占了 onclick=“g(污水处理);“污水处理 全部成本的 40-60%，而且在城市世人口密集地区例如香港难以寻找地点堆放剩余活性污泥而污泥焚烧则对环境又是一种挑战，为了应对这一问题，减少剩余污泥量可能是一种解决方法。因此，最近一些通过对污泥进行 onclick=“g(预处理);“
3、预处理 或限制污泥增长速度的手段来实现剩余污泥减量的方法被提出来 1。限制污泥增长速度的方法看起来在成本控制方面比污泥 onclick=“g(预处理);“预处理 更有吸引力 2。为了限制污泥增长，Chen 等人 3已经提出利用能量解偶联剂来减少剩余污泥的生成。能量解偶联剂是一种在合成代谢和分解代谢中离解能量耦合，从而使这部分能量进入无用循环而实现能量离解的物质 4。被离解的能量在合成代谢中不能被再利用，故污泥的增长速度可以得以限制。在正常条件下，在光能存在下分解代谢和合成代谢是偶联的，因此能量解偶联是不会发生的。然而在特殊条件下诸如高温、营养物不足、解偶联剂存在时，能量解偶联就会发生 5-9，
4、因此可以通过增加一些特殊条件和可能有利于能量解偶联，从而有效降低污泥增长速率。从工程可行性的角度上看以上所提的可以实现能量解偶联的条件，只有使用能量解偶联剂是可行的，而且只有廉价、无毒的能量解偶联剂是可以使用的，因为其他方法要么实际中行不通，要么经济上难以维持。据报道，3,3,4,5-四氯水杨酰苯胺(TCS)，一种肥皂、染发剂、洗涤剂等物质的成分 11，可以在活性污泥法中促进能量解偶联 3，这种解偶联剂首次报道于 Cook“曝气 1 小时的方式保护污泥的沉降性能。溶解氧(DO)浓度维持在 6mg/L 以上的水平。每天投向两个反应器的人造污水组成为：葡萄糖(最终浓度相当于 400 mg oncl
5、ick=“g(COD);“COD /L)、氯化铵(最终浓度相当于 20mg N/L)、磷酸盐(最终浓度相当于 12mg P/L)、MgSO 4(最终浓度为 8.65 mg/L)、CaCl2(最终浓度为 2.75 mg/L)、FeCl 3(最终浓度为 0.15 mg/L)。剩余污泥不去除直至混合液的悬浮物固体浓度(MLSS) 超过 2000 mg/L，然后在以后的培养过程中 MLSS 浓度一直维持在这一水平。使用 NaHCO3 使混合液的 pH 值维持在 7 左右。在没有添加 TCS 的情况下培养过程持续了两个星期。2.2 添加不同水平的 TCS 与不添加 TCS 对活性污泥培养的影响为了确定
6、TCS 影响活性污泥增长的有效浓度，用上述培养的活性污泥在 2L 容器中以自 0.2 到 0.8mg/L不等初始浓度的 TCS 进行批量试验。在每个试验中，初始生物量保持在 500 mg/L 左右，初始 onclick=“g(COD);“COD 为 1000mg/L。批量试验共持续了 3 个小时，每隔 30 分钟取一次样本。同时，没有添加 TCS 的对照试验平行进行。在所有的批量试验中，pH 保持在 7 左右，DO 保持在 6mg/L 左右。分析参数，包括溶解性 onclick=“g(COD);“COD (S- onclick=“g(COD);“COD )、MLSS、混合液可挥发性悬浮物固体浓
7、度(MLVSS)、污泥容积指数(SVI)，用标准方法测量 12。在本文中以 onclick=“g(COD);“COD 代表 S- onclick=“g(COD);“COD 。2.3 在 TCS 存在下活性污泥法中污泥的生长在活性污泥法中 TCS 持续存在时，活性污泥中微生物的变化是不确定的，或者会对 TCS 产生抗性，或者在 TCS 作用下退化，因此 TCS 的能量解偶联作用可能被破坏。为了明确这一点，三个 15L 的批量容器盛有先前培养的活性污泥作为平行试验。第一个反应器 TCS 的剂量水平 0.5mg/L 的，另一个反应器的TCS 剂量水平为 1.0mg/L，两者均每天投加一次 TCS。第
8、三个反应器没有投加 TCS 作为对照。这三个试验在平均温度为 20。 C 的条件下持续了一个月。先前的 TCS 定量给料中，飘浮在表面的 TCS 在 30 分钟的污泥沉降中充分去除。这是为了防止 TCS在反应器中过量聚集。在每个反应器中污泥浓度为 2000mg/L 时开始试验，过量的污泥从污泥培养器中移除。与活性污泥培养中一样的 onclick=“g(COD);“COD 浓度为 500mg/L 人造废水作为反应器的营养源。试验过程中，通过移除过量污泥的方法使反映器的 MLSS 维持在 2000mg/L 的水平，其正好决定于先前的MLSS 水平、污泥移除量和要移除污泥容积。为了精确的测定每日的污
9、泥损耗，MLSS 和 onclick=“g(COD);“COD 在移除污泥后开始每个周期为 24 小时的运行期前进行测量。2.4 氧利用率(SOUR)的测量为了监控为期一个月运行中 TCS 对活性污泥中微生物活动的影响，在 30 天的批量试验结束时测量每个反应器中活性污泥的 SOUR。在加入 TCS 之后 1 小时和 2 小时后立即测量。在第 10、20 和 30 天的SOUR 同样要在当天的 24 小时运行周期结束时测量。SOUR 通过以下步骤测量：(1) 从反应器中取出 60mL 样品(容器在每个为期 24 小时的循环周期末测量 SOUR 时用蒸馏水清洗三次)，然后用预充入 CO2 的 2
10、00mL 水稀释至 20。 C 条件下用电磁仪搅拌的 330mL BOD 测试瓶中。(2) 瓶中放入足够的底物( 葡萄糖) ，然后用一个 DO 探测仪(YSI 5905)和一个 DO 仪表(YSI Model 58)持续监控 DO 的变化。(3) DO 测量完毕后，反应器中 MLSS 采用标准法 12测量。(4) 用 MLSS、 DO 损耗率、测量时间即可确定 SOUR 值。2.5 细菌计数为了深入研究 SOUR，在测量样品细菌总数和活细菌总数中采用细胞 DNA 着色和细胞呼吸活动探测技术。着色剂为 4,6-二氨-2- 苯基基吲哚 (DAPI)(源自13)和 2-氰基 -2,3-联甲苯基氯化四
11、唑(CTC) (源自13)。污泥样品首先用超声波仪(Sonics “COD 的减少而引起的 MLSS 增加所决定的。显然TCS 的浓度越高，对降低污泥增长速度效果越好。这种效果在 TCS 浓度大于 0.4mg/L 时更加明显。从图中可见，当 TCS 浓度为 0.8mg/L 是 YX/S 大约降低了 40%。为了分析降低的原因，精确的微生物数量增长率(,h -1)和底物移除速率(q,h -1)可以由批次试验中 MLSS 或者 onclick=“g(COD);“COD 的浓度变化、反应历时和 MLSS 的平均浓度确定。,q 在不同浓度 TCS 下的数值可以分别表示为和其有关联的微生物数量增长率(/
12、0)和底物移除速率 (q/q0)。图二表示的是不同浓度的 TCS 对于这两个变量的影响。从图中可以发现，随着 TCS 浓度的增加，这两个参数均减小。但是当 TCS 浓度为 0.8mg/L 时，污泥增长速率的减小量大约是底物移除速率减小量的两倍。这显示了由 TCS 引起的污泥增长率 YX/S 的降低是显著的，这对于控制污泥增长速度是有重要意义。从图中另一个有重要意义的发现是当 TCS 浓度低于 0.4mg/L 时/0 和 q/q0 的斜率密切关联，这标志着合成代谢和分解代谢存在偶联作用。当浓度超过这个限度后，巨大的差异或者称其为两种代谢之间的解偶联发生了。明显的，当 TCS 浓度超过 0.4mg
13、/L 时，导致了能量泄露，结果是引起污泥增长速度的降低。引发能量解偶联的 TCS 浓度大约在 0.4mg/L。依据 Cook and Russell4的理论，由 TCS 引起的能量解偶联的原理是其使处于外界溶液和细胞之间的细胞膜的电阻力降低，从而减少了有效 ATP 的合成，许多能量通过 TCS 与细胞膜的交互作用消耗了。3.2 活性污泥法中存在 TCS 时的污泥增长速度以上述试验结果为基础，TCS 的有效浓度应该高于 0.4mg/L。然而当浓度高于 1mg/L 时，TCS 不止干扰了底物移除速率，也增加了运行成本。因此 TCS 浓度分别为 0.5mg/L 和 1.0mg/L 的两个批次试验独立
14、进行。图 3 表示的是在三个批次的活性污泥法试验中剩余污泥的累积量(一组是没有添加 TCS 的对照试验)。由图 3 可见，在所有的三个试验中污泥增长率相当稳定。在对照试验中，污泥增长率为 3.41gSS/d。在 TCS 浓度分别为 0.5mg/L 和 1.0mg/L 的试验中污泥增长率分别降为 2.66gSS/d 和 1.94gSS/d，分别降低了 22%和 44%。30 天的运行数据进一步证实了 TCS 可以有效地减少剩余污泥的生成。同时也表明了活性污泥的微生物不会对 TCS 产生抗性。换句话说，只要 TCS 达到一定水平时可以有效减少额外污泥的生成。这对于活性污泥法中降低剩余污泥量提供了一
15、种可行的方法。图 4 表示的是在三个批次的活性污泥培养试验中底物移除速率。表 1 概括了 30 天的活性污泥培养中底物移除速率平均值(Smean)、污泥生成率(Xdaily)和总的累积量(Xdaily/Smean)。显然底物移除速率甚至在 TCS 浓度达到 1.0mg/L 时仍未受影响。这是由试验中营养物质的投加方式决定的，反应时间对于微生物充分利用底物来说足够长。而且，活性污泥对 TCS 的存在已经适应。这些发现意味着在没有影响底物移除速率的条件下用 TCS 来控制剩余污泥的产生是切实有效的。本文的 30 天试验中，污泥沉降性能只是轻微受 TCS 影响的现象也值得关注。同样也可以发现，在污泥
16、培养试验中有 TCS 的污泥产量要比没有TCS 的低。实例可见，在 TCS 为 1mg/L 的批次试验中污泥总产量要比没有 TCS 的低大约 46%。3.3 TCS 的作用图 5 展示的是在批次试验中第 10 天、第 20 天、第 30 天投加 TCS 后 1 小时和 2 小时后速测的SOUR 数值。很明显，细菌在 TCS 存在时要比对照组的更有活性。高浓度的 TCS 加大了细菌的活性。Mayhew and Stephenson 14也观察到当 2,4-二硝基酚和鱼藤酮加入时会有相似的现象。他们指出这些化合物能够引起能量解偶联因为 SOUR 不是成正比的增加的。表 2 展示的是 24 小时周期
17、循环后的的 SOUR。从中可见，含有 TCS 的样品要比对照组增加了 50%以上的耗氧量。如此高的生物活性可以维持在整个试验运行期。如此高的氧气消耗意味着很高的能量代谢，而这可以减少污泥量的增长。图 6 的(a-c)是经过DAPI 和 CTC 染色后污泥絮凝体内菌群的活性细菌状态。这些图像首次直接证实了由 TCS 引起的生物活化现象。从图中可见，与对照组相比随着 TCS 的浓度自 0.5mg/L 增加到 1.0mg/L 活性菌群逐渐增大。它说明了 TCS 增加了活性污泥中微生物的呼吸作用。也可以定性的看出，TCS 增加了活性细菌的数量。表3 表示的是随着 TCS 浓度的逐渐增大活性细菌占细菌总
18、数的变化。从第 15 天和第 30 天的数据可见1.0mg/L TCS 样品中的活性菌比例比对照组的高 3%4%，大约相当于 1.82.410 11 个细胞/g MLSS。这个有意义的发现意味着，TCS 不止促进了能量解偶联，而且增加了混合液中活性菌群的发展。因此将来有必要研究活性污泥法中 TCS 在菌群总数的变化和其活性的增加是否关联。4.结论本文中已经证实了代谢解偶联剂TCS 对于限制污泥增长速率确实有效。 TCS 浓度为 0.4mg/L 为触发减少污泥增长的起点。没有 TCS 的 3 小时活性污泥批次培养试验和有 TCS 的 30 天活性污泥批次试验证实了当 TCS 浓度为 0.8-1.
19、0mg/L 时活性污泥增长速度减少了 40%左右。在这种水平 TCS 的条件下，底物去除速率没有受到影响。同时也发现，污泥增长减少的原因与微生物活性的增强和活性微生物占微生物总量的增加有关。这种增强已经由 DAPI 和 CTC 染色法得到直接证实。1mg/L 的 TCS 增加了 42%的微生物活性和提升了 34%的活性细胞比例。 TCS 在 30 天的活性污泥培养试验中持续发挥效力。1mg/L水平的 TCS 不影响活性污泥法的处理效率，因此采用这种能量解偶联剂减少活性污泥法中剩余污泥量切实有效。致谢本文得到了香港调研理事会的大力支持。我们非常感谢 Viverdi 水务的 S.Saby 博士在细
20、胞列举研究中的建议。参考文献1 Low EW、Chase HA， onclick=“g(污水处理);“污水处理 中减少微生物的产生，水务研究，1999;33:111932。2 M.uller JA，活性污泥法的前景和问题，第三届 IWA 千年盛会之污泥处理简介特别会议会议录，2001 年 3 月 25-28 日，台北，2001 ，1118 页。3 Chen GH、Mo HK、Saby S 、 Yip WK、Liu Y，用化学能量解偶联剂减少活性污泥产生，水科学技术，2000;42(12):189200。4 Cook M、Russell B，链球菌的能量解偶联反应及其细胞膜对质子电导率的增加，A
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