能量解偶联剂TCS在活性污泥法的污泥减量中的作用

1.简介

活性污泥法已经在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]，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&Russell在纯净环境中的链球菌试验中实现了能量解偶联。同时，这篇论文提出可以将TCS作为能量解偶联剂来限制活性污泥法中污泥的增长。本次试验的目的是研究TCS的有效浓度，其对污泥增长速率、基质去除速率的影响，和TCS在限制污泥增长中的作用。
2.原料与方法

2.1 活性污泥的培养方法
活性污泥以连续搅拌、间歇进食的方式在20。的温度下在两个25L的容器中培养的。以每隔1小时曝气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 mgCOD/L)、氯化铵(最终浓度相当于20mgN/L)、磷酸盐(最终浓度相当于12mg P/L)、MgSO4(最终浓度为8.65mg/L)、CaCl2(最终浓度为2.75mg/L)、FeCl3(最终浓度为0.15mg/L)。剩余污泥不去除直至混合液的悬浮物固体浓度(MLSS)超过2000mg/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COD(S-COD)、MLSS、混合液可挥发性悬浮物固体浓度(MLVSS)、污泥容积指数(SVI)，用标准方法测量[12]。在本文中以COD代表S-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泥损耗，MLSS和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200mL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(YSI5905)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-联甲苯基氯化四唑(CTC) (源自[13])。污泥样品首先用超声波仪(Sonics & Materials)打散，做法是将其置于液面下1cm处，输入功率为40W。在这样的离散条件下，细菌的呼吸能力和生存能力不受影响[13]。离散后的样品立即加入消毒后的生理盐水和DAPI着色剂。DAPI会将所有细菌的DNA着色[13]。用置于330-385nm波长的紫外线下的落谢荧光显微镜(物镜×100, Olympus BX40)对用DAPI着色剂着色后产生荧光的细菌计数。为了使结果有足够的精确度，计数范围取30个方格，最后结果用 细胞数/mL 表示。通过测量初始活性污泥的MLSS，计数结果可以描述为细胞数/(g MLSS)。活细胞数可以通过在２０。C黑暗条件下对用上述超声波仪离散２小时后用CTC染色后的细胞计数来测量。活细菌可以通过对用450-515nm波长的蓝光和紫外光照射下的落谢荧光显微镜中可见的红色荧光颗粒计数来计算。450-515nm波长的光可以通过一片450nm和一片515nm的滤光片得到。同样，用30格的细菌数计算，结果亦表示为细菌数/mL样品或细菌数/(g MLSS)。
3.总结

3.1 TCS浓度的影响
图1表示的是活性污泥法中TCS存在时的污泥增长速度(YX/S)。它是从3小时为一批次TCS浓度自0.2至0.8mg/L的试验中得出的。YX/S不因该受污泥腐败的影响，因为它反映的是污泥增长的潜力。因此为了减少污泥腐败引起的污泥损失，本文中采取的3小时一批次的试验要比更长时间的批次试验效果好。事实上YX/S是由批次试验中因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( )和底物移除速率( )。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 和 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/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 Russell[4]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1.8～2.4×1011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0.8-1.0mg/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3～4%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。