活性污泥法廣泛應(yīng)用于污水處理工藝中，但是，無(wú)論是城市污水還是工業(yè)廢水‘);">工業(yè)廢水，在處理的過(guò)程中都將產(chǎn)生大量的污泥，用于處理或處置剩余污泥的費(fèi)用約占污水處理費(fèi)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(guò)程中，最大幅度降低污泥產(chǎn)率。

目前，常用的降低污泥產(chǎn)率的方法主要有延時(shí)曝氣法[2]、純氧曝氣法[3]、生物捕食法[4-5]、改變反應(yīng)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(jīng)濟(jì)性差、 反應(yīng)條件難控制等。同以上各種方法相比，在污水處理過(guò)程中投加解偶聯(lián)劑能在不明顯降低處理效果的情況下大幅度降低污泥產(chǎn)率，展示了誘人的前景和工程可行性，具有發(fā)展推廣的潛力。

1 解偶聯(lián)劑削減污泥產(chǎn)率的理論基礎(chǔ)
從根本上說(shuō)，活性污泥法即微生物以廢水中的污染物質(zhì)(基質(zhì))作為生長(zhǎng)的碳源和能源，將污染物從廢水中去除，并將其轉(zhuǎn)化為新細(xì)胞物質(zhì)和CO2或者其他形式。寫(xiě)成化學(xué)計(jì)量方程如下[8]：

碳源+能源+電子受體+營(yíng)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(zhǎng)是平衡的，即微生物生長(zhǎng)與基質(zhì)利用是相關(guān)的，那么，去除1個(gè)單位基質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生Y單位微生物量。

從上述計(jì)量方程可看出，生物合成反應(yīng)除了物質(zhì)反應(yīng)外，還需要能夠與之相耦合的能量以形成新的細(xì)胞，這種能量主要由三磷酸腺苷(ATP)提供。

基質(zhì)+ATP →細(xì)胞物質(zhì)+ADP+PO43-+廢棄產(chǎn)物 　　　　　　(2)

其中，ADP(二磷酸腺苷)是ATP脫去一個(gè)磷酸后形成的，其間釋放大量能量，用于細(xì)胞物質(zhì)的合成。所以說(shuō)，微生物產(chǎn)率的大小與ADP的量密切相關(guān)[9]。

而ATP則主要是微生物分解代謝過(guò)程中通過(guò)ADP的氧化和磷酸化生成。

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(guò)程中同時(shí)伴隨著ADP轉(zhuǎn)化成ATP的磷酸化過(guò)程。

根據(jù)英國(guó)生化學(xué)家P.Michell于1961年提出的“化學(xué)滲透學(xué)”觀點(diǎn)[10]，生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的因素是H+的跨膜梯度。即在微生物體內(nèi)，氧化過(guò)程中釋放的能量不斷地將細(xì)，胞內(nèi)的H+逆濃度梯度泵出細(xì)胞膜；而由于細(xì)胞膜的選擇性，H+不能自由透過(guò)細(xì)胞膜，于是在細(xì)胞膜兩側(cè)形成一個(gè)質(zhì)子跨膜梯度。細(xì)胞膜外的H+只有通過(guò)一個(gè)特異的質(zhì)子通道才能順著H+濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，H+順濃度梯度方向運(yùn)動(dòng)所釋放的自由能使ADP和PO43-結(jié)合生成ATP，所以說(shuō)，生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的因素是H+的跨膜梯度。而解偶聯(lián)劑可以增強(qiáng)細(xì)胞膜對(duì)H+的通透性，促進(jìn)H+被動(dòng)擴(kuò)散通過(guò)細(xì)胞膜，消除細(xì)胞兩側(cè)的質(zhì)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(lián)關(guān)系，可以通過(guò)投加解偶聯(lián)劑使其脫偶聯(lián)，氧化反應(yīng)(3)仍可以進(jìn)行，而磷酸化反應(yīng)(4)不能進(jìn)行，從而導(dǎo)致合成反應(yīng)(2)無(wú)法進(jìn)行，所以微生物產(chǎn)率大幅度減小。

目前，用作解偶聯(lián)劑的有2，4_二硝基酚(2，4-dinitrophenol dNP)，羰基-氰-對(duì)-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，雙香豆素(dicoumarin)等，本文通過(guò)3h序批實(shí)驗(yàn)對(duì)dNP在活性污泥中的解偶聯(lián)劑作用進(jìn)行了分析研究。

2 dNP對(duì)活性污泥產(chǎn)率和處理效果的影響

2.1 污泥來(lái)源及配水方案

污泥采用合肥某生活小區(qū)污水處理廠污泥，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。污泥培養(yǎng)用水和試驗(yàn)用水由實(shí)驗(yàn)室配制。配水用蔗糖作為碳源，CODCr的質(zhì)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(wú)機(jī)氮的質(zhì)量濃度為52 mg／L； 磷源由KH2PO4和Na2HPO4提供，總磷的質(zhì)量濃度為25mg／L；同時(shí)還提供鎂、鐵、鈣等細(xì)胞生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他微量元素及生長(zhǎng)因子。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置采用3L反應(yīng)器，反應(yīng)過(guò)程中采用飽和NaHCO3溶液來(lái)調(diào)節(jié)pH值，使其始終保持在7.0左右；用曝氣頭進(jìn)行充氧曝氣，DO值始終控制在4.0 mg／L左右，同時(shí)起到攪拌作用；反應(yīng)在室溫(約22oC)下進(jìn)行。

為減少內(nèi)源呼吸對(duì)微生物產(chǎn)率的影響，實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行3h。通過(guò)固定污泥濃度ρ(MLVSS)=1800mg／L和有機(jī)物負(fù)荷ρ(CODCr)=1 700mg／L，而改變dNP的投加量，來(lái)測(cè)定dNP隨著其投加量從0mg／L增加到20mg／L的變化對(duì)活性污泥產(chǎn)率和處理效果的影響。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 dNP投加量對(duì)污泥產(chǎn)率的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)率Yobs，見(jiàn)圖1。投加dNP后，Yobs，呈明顯下降趨勢(shì)，證明投加解偶聯(lián)劑確實(shí)可以有效降低污泥產(chǎn)率。當(dāng)投加量?jī)H為1 mg／L時(shí)，Yobs就降低了16％，表明少量dNP即可對(duì)污泥產(chǎn)生明顯的解偶作用；當(dāng)dNP投加量為10mS／L時(shí)，Yobs忽然大幅度下降，表明此投加量對(duì)污泥的解偶作用可能產(chǎn)生了質(zhì)的變化。

2.3.2 dNP投加量對(duì)處理效果的影響

dNP對(duì)活性污泥處理效果的影響主要通過(guò)考察CODCr的變化來(lái)分析。圖2中可以看出CODCr的去除率(在dNP投加3h后測(cè)定)隨著不同dNP投加量的變化趨勢(shì)。當(dāng)投加量控制在5 mg／L以?xún)?nèi)時(shí)，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(chǎn)率。

2.3.3 機(jī)理分析

為了進(jìn)一步分析這種變化產(chǎn)生的原因，從3h的序批實(shí)驗(yàn)中，以沒(méi)有投加dNP的空白試驗(yàn)為基礎(chǔ)，繪制了微生物相對(duì)增長(zhǎng)速率(ui／u0)和底物相對(duì)去除速率(qi／q0)曲線，見(jiàn)圖3。其中ui與qi代表沒(méi)有投加dNP的空白試驗(yàn)中微生物的增長(zhǎng)速率和底物的去除速率。

根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為當(dāng)dNP的投加量為0時(shí)，微生物的氧化反應(yīng)和磷酸化反應(yīng)處于耦合狀態(tài)，即分解代謝產(chǎn)生的能量完全用于生物合成，此時(shí)微生物增長(zhǎng)速率和底物消耗速率相關(guān)聯(lián)，如圖3所示，兩條線的起點(diǎn)相重合；投加dNP后，微生物相對(duì)增長(zhǎng)速率立刻與底物相對(duì)去除速率分離，且下降程度遠(yuǎn)大于底物相對(duì)去除速率，充分證明了微生物的增長(zhǎng)速率和底物消耗速率已經(jīng)不再處于完全耦合狀態(tài)，而是發(fā)生一定程度的解偶，即分解代謝產(chǎn)生的能量已經(jīng)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(duì)增長(zhǎng)速率下降程度越來(lái)越大于底物相對(duì)去降速率，兩條曲線的分離程度越采越明顯，顯示出解偶聯(lián)劑作用在逐漸增強(qiáng)，當(dāng)dNP投加量為10mg／L時(shí)，污泥相對(duì)增長(zhǎng)速率下降程度達(dá)到底物相對(duì)去除速率程度的近兩倍之多，但此時(shí)底物相對(duì)去除速率也大大下降，說(shuō)明解偶聯(lián)劑開(kāi)始對(duì)微生物產(chǎn)生較大的毒害作用。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明投加解偶聯(lián)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(chǎn)率，且經(jīng)濟(jì)有效的投加量為重1～5mg／L。而且，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以明確分析到微生物細(xì)胞合成代謝和分解代謝之間的能量解偶聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)證明投加解偶聯(lián)劑是一種有效的降低污泥產(chǎn)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(yīng)用于具體的工程實(shí)踐，仍有很多問(wèn)題需要解決，例如，解偶聯(lián)劑大多為有毒物質(zhì)，投加解偶聯(lián)劑可能會(huì)引起其他的副作用等。

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