解偶联剂对活性污泥产率的影响及机理研究
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50％[l]，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。
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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1961年提出的“化学渗透学”观点[10]，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。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。配水用蔗糖作为碳源，CODCr的质量浓度为1 700me／L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 mg／L； 磷源由KH2PO4和Na2HPO4提供，总磷的质量浓度为25mg／L；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。
2.2 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 mg／L左右，同时起到搅拌作用；反应在室温(约22oC)下进行。
为减少内源呼吸对微生物产率的影响，实验只进行3h。通过固定污泥浓度ρ(MLVSS)=1800mg／L和有机物负荷ρ(CODCr)=1 700mg／L，而改变dNP的投加量，来测定dNP随着其投加量从0mg／L增加到20mg／L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 mg／L时，Yobs就降低了16％，表明少量dNP即可对污泥产生明显的解偶作用；当dNP投加量为10mS／L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。
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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 mg／L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。
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2.3.3 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长速率(ui／u0)和底物相对去除速率(qi／q0)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。
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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10mg／L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1～5mg／L。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，但是由于这些研究尚处于起步阶段，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：
[1]Yu Liu.Effect of chemical uncoupler on the observed growth yield in batch culture of activated sludge[J].Wat Res，2000，34(7)：2025-2030.
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[3]Mc Whirter JR.The use of high-purity oxygen in the activated sludge process[M].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，
[5]Ratsak C K，Kooi B W，Verseveld H W.Biomass reduction and mineralization increase due to the ciliate tetrahymena pyriformis grazing on the bacterium pseudomonas fluorescens[J].Wat Sci Tech，1994，29(7)：119-128.
[6]Tian S， Lishman L， Murphy K L Investigations into excess activated sludge accumulation at low temperatures[J]. Wat Res，1994，28(3)：501-509.
[7] Yu Liu.Chemically reduced excess sludge production in the activated sludge process[J].Chemosphere，2003，50(1)：1-7.
[8]Grady C P，Daigger C T，Lim H C.废水生物处理[M].北京：化学工业出版社，2003.
[9]贺延龄，陈爱侠.环境微生物学[M].北京：中国轻工业出版社，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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