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1、1解偶联剂对活性污泥产率的影响及机理 研究摘要：以 2，4_二硝基酚(dNP)为解偶联剂，采用序批式实验分析研究了投加解偶联剂 dNP 对活性污泥法处理效果和污泥产率的影响， 并阐述了这种影响产生的机理。 实验表明， 当污泥浓度 (MLVSS)为 1800mgL，(CODCr)为1700mgL，dNP 投加量为 5mgL 时污泥产率降低达 19，处理效果仅降低1， 实验同时表明 dNP 经济有效的投加量为 15mgL。 关键词：污水处理 活性污泥 产率 解偶联剂 2,4_二硝基酚 Efiects of Uncoupler on Yield of Activated Sludge and Mec
2、hanism ThereofAbstract：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 wa
3、s expounded.It was shown by the tests that when the concentration of sludge，(MLVSS)，was 1800mgL，the (CODCr) was 1700mgL and the dosage of DNP was 5 mgL, 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 dos
4、age of DNP was l5 mgL.Key words：wastewater treatment；activated sludge；sludge yield；uncoupler；DNP活性污泥法广泛应用于污水处理工艺中，但是，无论是城市污水还是工业废水);“工业废水，在处理的过程中都将产生大量的污泥，用于处理或处置剩余污泥的费用约占污水处理费用的 50l，因此迫切需要寻找解决的途径。而最根本的方法是在活性污泥处理的过程中，最大幅度降低污泥产率。目前，常用的降低污泥产率的方法主要有延时曝气法2、纯氧曝气法3、生物2捕食法4-5、改变反应温度6或者 pH 值法7以及常用的厌氧硝化法等，但都
5、存在着一定的不足，如：能耗高、经济性差、 反应条件难控制等。同以上各种方法相比，在污水处理过程中投加解偶联剂能在不明显降低处理效果的情况下大幅度降低污泥产率，展示了诱人的前景和工程可行性，具有发展推广的潜力。1 解偶联剂削减污泥产率的理论基础从根本上说，活性污泥法即微生物以废水中的污染物质(基质)作为生长的碳源和能源，将污染物从废水中去除，并将其转化为新细胞物质和 CO2 或者其他形式。写成化学计量方程如下8：碳源+能源+电子受体+营养物-细胞生成量+CO2+还原后受体+最终产物 (1)在大多数情况下，生长是平衡的，即微生物生长与基质利用是相关的，那么，去除 1 个单位基质就会产生 Y 单位微
6、生物量。从上述计量方程可看出，生物合成反应除了物质反应外，还需要能够与之相耦合的能量以形成新的细胞，这种能量主要由三磷酸腺苷(ATP)提供。基质+ATP 细胞物质+ADP+PO43-+废弃产物 (2)其中，ADP(二磷酸腺苷)是 ATP 脱去一个磷酸后形成的，其间释放大量能量，用于细胞物质的合成。所以说，微生物产率的大小与 ADP 的量密切相关9。而 ATP 则主要是微生物分解代谢过程中通过 ADP 的氧化和磷酸化生成。正常情况下，氧化反应(3)和磷酸化反应(4)是偶联的，即生物将物质氧化的过程中同时伴随着 ADP 转化成 ATP 的磷酸化过程。根据英国生化学家 P.Michell 于 196
7、1 年提出的“化学渗透学”观点10，生成3ATP 的氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是 H+的跨膜梯度。即在微生物体内，氧化过程中释放的能量不断地将细，胞内的 H+逆浓度梯度泵出细胞膜；而由于细胞膜的选择性，H+不能自由透过细胞膜，于是在细胞膜两侧形成一个质子跨膜梯度。细胞膜外的 H+只有通过一个特异的质子通道才能顺着 H+浓度梯度进入细胞内，H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能使 ADP 和 PO43-结合生成 ATP，所以说，生成 ATP 的氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是 H+的跨膜梯度。而解偶联剂可以增强细胞膜对 H+的通透性，促进 H+被动扩散通过细胞膜，消除细胞两侧的质子梯度，所
8、以不能再合成 ATP。即氧化和磷酸化之间存在的偶联关系，可以通过投加解偶联剂使其脱偶联，氧化反应(3)仍可以进行，而磷酸化反应(4)不能进行，从而导致合成反应(2)无法进行，所以微生物产率大幅度减小。目前，用作解偶联剂的有 2，4_二硝基酚(2，4-dinitrophenol dNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等，本文通过 3h 序批实验对 dNP在活性污泥中的解偶联剂作用进行了分析研究。2 dNP 对活性污泥产率和处理效果的影响2.1 污泥来源及配水方案污泥采用合肥某生活小区污水处理厂污泥，经实验室培养。污泥培养用水和试验用水由实验室配制。配
9、水用蔗糖作为碳源，CODCr 的质量浓度为 1 700meL用 NaHCO3 作为缓冲溶液，使溶液 pH 值处于 7.0 左右；氮源由 NH4Cl 提供，无机氮的质量浓度为 52 mgL； 磷源由 KH2PO4 和 Na2HPO4 提供，总磷的质量浓度为 25mgL；同时还提供镁、铁、钙等细胞生长所需要的营养物质和其他微量元素及生长因子。42.2 实验方法实验装置采用 3L 反应器，反应过程中采用饱和 NaHCO3 溶液来调节 pH 值，使其始终保持在 7.0 左右；用曝气头进行充氧曝气，DO 值始终控制在 4.0 mgL左右，同时起到搅拌作用；反应在室温(约 22oC)下进行。为减少内源呼吸
10、对微生物产率的影响，实验只进行 3h。通过固定污泥浓度(MLVSS)=1800mgL 和有机物负荷 (CODCr)=1 700mgL，而改变 dNP 的投加量，来测定 dNP 随着其投加量从 0mgL 增加到 20mgL 的变化对活性污泥产率和处理效果的影响。2.3 实验结果及分析2.3.1 dNP 投加量对污泥产率的影响通过实验所得到的 CODCr 和 MLVSS 值，可得到 dNP 不同投加量下活性污泥的表观产率 Yobs，见图 1。投加 dNP 后，Yobs，呈明显下降趋势，证明投加解偶联剂确实可以有效降低污泥产率。当投加量仅为 1 mgL 时，Yobs 就降低了 16，表明少量 dNP
11、 即可对污泥产生明显的解偶作用；当 dNP 投加量为 10mSL 时，Yobs 忽然大幅度下降，表明此投加量对污泥的解偶作用可能产生了质的变化。2.3.2 dNP 投加量对处理效果的影响dNP 对活性污泥处理效果的影响主要通过考察 CODCr 的变化来分析。图 2 中可以看出 CODCr 的去除率(在 dNP 投加 3h 后测定)随着不同 dNP 投加量的变化趋势。当投加量控制在 5 mgL 以内时，dNP 能够在不影响处理效果的情况下有效降低活性污泥的产率。 52.3.3 机理分析为了进一步分析这种变化产生的原因，从 3h 的序批实验中，以没有投加 dNP的空白试验为基础，绘制了微生物相对增
12、长速率(uiu0)和底物相对去除速率(qiq0)曲线，见图 3。其中 ui 与 qi 代表没有投加 dNP 的空白试验中微生物的增长速率和底物的去除速率。根据理论分析，我们认为当 dNP 的投加量为 0 时，微生物的氧化反应和磷酸化反应处于耦合状态，即分解代谢产生的能量完全用于生物合成，此时微生物增长速率和底物消耗速率相关联，如图 3 所示，两条线的起点相重合；投加 dNP 后，微生物相对增长速率立刻与底物相对去除速率分离，且下降程度远大于底物相对去除速率，充分证明了微生物的增长速率和底物消耗速率已经不再处于完全耦合状态，而是发生一定程度的解偶，即分解代谢产生的能量已经不是完全用于生物合成，而
13、是有一定程度的能量被溅溢掉；随着投加量的增加，微生物相对增长速率下降程度越来越大于底物相对去降速率，两条曲线的分离程度越采越明显，显示出解偶联剂作用在逐渐增强，当 dNP 投加量为 10mgL 时，污泥相对增长速率下降程度达到底物相对去除速率程度的近两倍之多，但此时底物相对去除速率也大大下降，说明解偶联剂开始对微生物产生较大的毒害作用。3 结语 实验证明投加解偶联剂 dNP 可以在不明显影响处理效果的情况下有效降低活性污泥的产率，且经济有效的投加量为重 15mgL。而且，从实验数据中可以明确分析到微生物细胞合成代谢和分解代谢之间的能量解偶联。实验证明投加解偶联剂是一种有效的降低污泥产率的方法，
14、但是由于这些研6究尚处于起步阶段，要将这些观念和方法应用于具体的工程实践，仍有很多问题需要解决，例如，解偶联剂大多为有毒物质，投加解偶联剂可能会引起其他的副作用等。参考文献：1Yu Liu.Effect of chemical uncoupler on the observed growth yield in batch culture of activated sludgeJ.Wat Res，2000，34(7)：2025-2030.2Maxine M，Tom S.Biomass yield reduction：is biochemical ma-nipulation possible wi
15、thout affecting activated sludge process efficiencyJ.Wat Sci Tech，1998，38(8)：137-144.3Mc Whirter JR.The use of high-purity oxygen in the activated sludge processM.USA：CRC Press，1978.4周可新，许木启，曹宏，等.利用微型动物削减剩余污泥量的研究J.环境污染治理技术与设备，2003，4(1)：1-5，5Ratsak C K，Kooi B W，Verseveld H W.Biomass reduction and min
16、eralization increase due to the ciliate tetrahymena pyriformis grazing on the bacterium pseudomonas fluorescensJ.Wat Sci Tech，1994，29(7)：119-128.6Tian S， Lishman L， Murphy K L Investigations into excess activated sludge accumulation at low temperaturesJ. Wat Res，1994，28(3)：501-509.7 Yu Liu.Chemically reduced excess sludge production in the activated sludge processJ.Chemosphere，2003，50(
