解偶聯劑對活性污泥產率的影響及機理研究
活性污泥法廣泛應用于污水處理工藝中，但是，無論是城市污水還是工業廢水‘);">工業廢水，在處理的過程中都將產生大量的污泥，用于處理或處置剩余污泥的費用約占污水處理費用的50％[l]，因此迫切需要尋找解決的途徑。而最根本的方法是在活性污泥處理的過程中，最大幅度降低污泥產率。
目前，常用的降低污泥產率的方法主要有延時曝氣法[2]、純氧曝氣法[3]、生物捕食法[4-5]、改變反應溫度[6]或者pH值法[7]以及常用的厭氧硝化法等，但都存在著一定的不足，如：能耗高、經濟性差、 反應條件難控制等。同以上各種方法相比，在污水處理過程中投加解偶聯劑能在不明顯降低處理效果的情況下大幅度降低污泥產率，展示了誘人的前景和工程可行性，具有發展推廣的潛力。
1 解偶聯劑削減污泥產率的理論基礎
從根本上說，活性污泥法即微生物以廢水中的污染物質(基質)作為生長的碳源和能源，將污染物從廢水中去除，并將其轉化為新細胞物質和CO2或者其他形式。寫成化學計量方程如下[8]：
碳源+能源+電子受體+營養物--→細胞生成量+CO2+還原后受體+最終產物 (1)
在大多數情況下，生長是平衡的，即微生物生長與基質利用是相關的，那么，去除1個單位基質就會產生Y單位微生物量。
從上述計量方程可看出，生物合成反應除了物質反應外，還需要能夠與之相耦合的能量以形成新的細胞，這種能量主要由三磷酸腺苷(ATP)提供。
基質+ATP →細胞物質+ADP+PO43-+廢棄產物 (2)
其中，ADP(二磷酸腺苷)是ATP脫去一個磷酸后形成的，其間釋放大量能量，用于細胞物質的合成。所以說，微生物產率的大小與ADP的量密切相關[9]。
而ATP則主要是微生物分解代謝過程中通過ADP的氧化和磷酸化生成。
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正常情況下，氧化反應(3)和磷酸化反應(4)是偶聯的，即生物將物質氧化的過程中同時伴隨著ADP轉化成ATP的磷酸化過程。
根據英國生化學家P.Michell于1961年提出的“化學滲透學”觀點[10]，生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯作用的因素是H+的跨膜梯度。即在微生物體內，氧化過程中釋放的能量不斷地將細，胞內的H+逆濃度梯度泵出細胞膜；而由于細胞膜的選擇性，H+不能自由透過細胞膜，于是在細胞膜兩側形成一個質子跨膜梯度。細胞膜外的H+只有通過一個特異的質子通道才能順著H+濃度梯度進入細胞內，H+順濃度梯度方向運動所釋放的自由能使ADP和PO43-結合生成ATP，所以說，生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯作用的因素是H+的跨膜梯度。而解偶聯劑可以增強細胞膜對H+的通透性，促進H+被動擴散通過細胞膜，消除細胞兩側的質子梯度，所以不能再合成ATP。即氧化和磷酸化之間存在的偶聯關系，可以通過投加解偶聯劑使其脫偶聯，氧化反應(3)仍可以進行，而磷酸化反應(4)不能進行，從而導致合成反應(2)無法進行，所以微生物產率大幅度減小。
目前，用作解偶聯劑的有2，4_二硝基酚(2，4-dinitrophenol dNP)，羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，雙香豆素(dicoumarin)等，本文通過3h序批實驗對dNP在活性污泥中的解偶聯劑作用進行了分析研究。
2 dNP對活性污泥產率和處理效果的影響
2.1 污泥來源及配水方案
污泥采用合肥某生活小區污水處理廠污泥，經實驗室培養。污泥培養用水和試驗用水由實驗室配制。配水用蔗糖作為碳源，CODCr的質量濃度為1 700me／L用NaHCO3作為緩沖溶液，使溶液pH值處于7.0左右；氮源由NH4Cl提供，無機氮的質量濃度為52 mg／L； 磷源由KH2PO4和Na2HPO4提供，總磷的質量濃度為25mg／L；同時還提供鎂、鐵、鈣等細胞生長所需要的營養物質和其他微量元素及生長因子。
2.2 實驗方法
實驗裝置采用3L反應器，反應過程中采用飽和NaHCO3溶液來調節pH值，使其始終保持在7.0左右；用曝氣頭進行充氧曝氣，DO值始終控制在4.0 mg／L左右，同時起到攪拌作用；反應在室溫(約22oC)下進行。
為減少內源呼吸對微生物產率的影響，實驗只進行3h。通過固定污泥濃度ρ(MLVSS)=1800mg／L和有機物負荷ρ(CODCr)=1 700mg／L，而改變dNP的投加量，來測定dNP隨著其投加量從0mg／L增加到20mg／L的變化對活性污泥產率和處理效果的影響。
2.3 實驗結果及分析
2.3.1 dNP投加量對污泥產率的影響
通過實驗所得到的CODCr和MLVSS值，可得到dNP不同投加量下活性污泥的表觀產率Yobs，見圖1。投加dNP后，Yobs，呈明顯下降趨勢，證明投加解偶聯劑確實可以有效降低污泥產率。當投加量僅為1 mg／L時，Yobs就降低了16％，表明少量dNP即可對污泥產生明顯的解偶作用；當dNP投加量為10mS／L時，Yobs忽然大幅度下降，表明此投加量對污泥的解偶作用可能產生了質的變化。
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2.3.2 dNP投加量對處理效果的影響
dNP對活性污泥處理效果的影響主要通過考察CODCr的變化來分析。圖2中可以看出CODCr的去除率(在dNP投加3h后測定)隨著不同dNP投加量的變化趨勢。當投加量控制在5 mg／L以內時，dNP能夠在不影響處理效果的情況下有效降低活性污泥的產率。
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2.3.3 機理分析
為了進一步分析這種變化產生的原因，從3h的序批實驗中，以沒有投加dNP的空白試驗為基礎，繪制了微生物相對增長速率(ui／u0)和底物相對去除速率(qi／q0)曲線，見圖3。其中ui與qi代表沒有投加dNP的空白試驗中微生物的增長速率和底物的去除速率。
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根據理論分析，我們認為當dNP的投加量為0時，微生物的氧化反應和磷酸化反應處于耦合狀態，即分解代謝產生的能量完全用于生物合成，此時微生物增長速率和底物消耗速率相關聯，如圖3所示，兩條線的起點相重合；投加dNP后，微生物相對增長速率立刻與底物相對去除速率分離，且下降程度遠大于底物相對去除速率，充分證明了微生物的增長速率和底物消耗速率已經不再處于完全耦合狀態，而是發生一定程度的解偶，即分解代謝產生的能量已經不是完全用于生物合成，而是有一定程度的能量被濺溢掉；隨著投加量的增加，微生物相對增長速率下降程度越來越大于底物相對去降速率，兩條曲線的分離程度越采越明顯，顯示出解偶聯劑作用在逐漸增強，當dNP投加量為10mg／L時，污泥相對增長速率下降程度達到底物相對去除速率程度的近兩倍之多，但此時底物相對去除速率也大大下降，說明解偶聯劑開始對微生物產生較大的毒害作用。
3 結語
實驗證明投加解偶聯劑dNP可以在不明顯影響處理效果的情況下有效降低活性污泥的產率，且經濟有效的投加量為重1～5mg／L。而且，從實驗數據中可以明確分析到微生物細胞合成代謝和分解代謝之間的能量解偶聯。
實驗證明投加解偶聯劑是一種有效的降低污泥產率的方法，但是由于這些研究尚處于起步階段，要將這些觀念和方法應用于具體的工程實踐，仍有很多問題需要解決，例如，解偶聯劑大多為有毒物質，投加解偶聯劑可能會引起其他的副作用等。
參考文獻：
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[9]賀延齡，陳愛俠.環境微生物學[M].北京：中國輕工業出版社，2001.
[10]Yu Liu.The s0／X0-dependent dissolved organic carbon distribu-tion in substrate-surfficient batch culture of activated sludge[J].Wat Res，2000，34(5)：1645—1651.
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