翟小蔚1，潘濤1，W.Ghyoot2，W.Verstraete2
（1.北京市環境保護科學研究院，北京100037；2.比利時根特大學微生態實驗室） 摘要：采用兩段式膜生物反應器作為原生動物哺育系統，培養富含原生動物的污泥，然后將其定期接種于普通活性污泥中，利用原生動物對細菌的捕食原理，達到削減剩余污泥量的目的。污泥削減試驗中采用了半連續流普通活性污泥系統，通過對比試驗，發現接種原生動物以后，污泥產率由0.02 kg泥/kgCOD減小至-0.47 kg泥/kgCOD，同時污泥絮凝沉降性能得到改善，系統的COD去除率、硝化率得到提高，出水懸浮物濃度得以降低。
關鍵詞：原生動物；剩余污泥產量；削減；活性污泥法
中圖分類號：X703.1
文獻標識碼：A
文章編號：1000-4602(2000)11-0006-04 Study on Reducing Excess Sludge Production by Using Protozoa
in Activated SludgeSystem
ZHAI Xiao wei1，PAN Tao1，W.Ghyoot2，W.Verstraete2
(1.Beijing Academy of Environ. Protection Sci.,Beijing 100037,China; 2.Laboratory of Microbial Ecology,Univ.of Ghent,Belgium) Abstract: In this study,two?stage membrane bioreactor (TMBR) was used to produce bio?sludge rich in protozoa.The bio?sludge was then introduced into conventional activated sludge each day to study the efficiency of reducing excess sludge via bacteria predation by protozoa.In order to find out the difference due to inoculation,comparative tests using semi?continuous activated sludge system were carried out under the same condition.The net biomass yield in test reactor reduced from 0.02 kg sludge/kgCOD removal to -0.47 kg sludge/kgCOD removal as compared with thatin control reactor which was not fed by protozoa rich sludge,The flocculation and sedimentation characteristics of sludge,COD removal efficiency,nitrification efficiency and SS in effluent were improved as well.
Keywords: protozoa;excess sludge production;reduce;activated sludge process 削減剩余污泥產量的傳統技術是延時曝氣，用延長曝氣時間的方法使污泥在曝氣池中達到部分好氧消化。Mayhew和Stephenson甚至曾采用過單獨的好氧消化反應器來減少剩余污泥產量，結果發現能量消耗相當大，這也是延時曝氣法的主要弊端。另一些削減甚至消除剩余污泥的方法包括Senez報道過的提高反應溫度，Sakai實踐過的臭氧輔助消化等。值得一提的是，90年代中期以來，一些利用兩段式生物反應器削減剩余污泥產量的報道引起了研究者的廣泛注意。
兩段式好氧生物反應器是模擬自然生態系統中的食物鏈原理進行污水處理的技術，它由第一階段的分散培養反應器R1和第二階段的捕食反應器R2組成。R1中無污泥回流且停留時間相對短，利用污水中豐富的有機食料刺激繁殖迅速的細菌生長，此反應器中細菌呈分散而不是菌膠團狀態。在R2中除了進一步發揮分散細菌去除有機物的能力以外，大量原生動物對分散細菌的捕食有利于提高出水水質，并可減少污泥量。與普通活性污泥法一樣，經R2處理后的混合液進行沉淀，大部分污泥回流入R2中，也可以直接在R2中用膜法進行泥水分離。應該指出，常規活性污泥菌膠團中也存在一定數量的原生動物，但是菌膠團對細菌所提供的保護作用限制了原生動物的大量生長，這就是要在兩段法中培養分散細菌的緣故。
兩段式生物反應器在降低污泥產量方面的優勢已為Lee和Welander等一些研究者所報道，但這種工藝本身仍有待進一步研究和完善，目前尚不能直接應用于工程實踐。本研究將探討是否能將兩段式生物反應器作為原生動物的哺育系統，將R2中得到富含原生動物的污泥接種到普通活性污泥中，利用原生動物數量上的優勢有效捕食以菌膠團形式存在的細菌，從而削減污泥產量。 1 試驗材料和方法 1.1 原生動物哺育系統
本試驗采用兩段式膜生物反應器(Two?stage Membrane Bioreactor,簡稱TMBR)培養富含原生動物的污泥，培養裝置見圖1。污水首先進入分散培養反應器R1(容積2.0L)，然后進入捕食反應器R2(容積2.0L)，兩個反應器均用空壓機進行曝氣。在R2中用聚丙烯中空纖維膜實施泥水分離，省去了沉淀池和污泥回流系統。中空纖維膜為德國Akzo Nobel公司產品，膜系統的操作負壓由壓力調節器控制。試驗啟動時在R2中接種2.0L普通活性污泥(取自比利時Ossemeersen污水處理廠曝氣池)。 
TMBR系統的進水采用配水，將脫脂奶粉溶解在自來水中，并加入消沫劑(1L污水中加入0.5mL)。配水儲存于冰箱中，2d新配一次。TMBR運行參數見表1，表中HRT為污水在反應器中的水力停留時間，而SRT為污泥停留時間，即污泥齡。表中的停留時間和有機負荷為該時間段內的平均值，括號內的數字為標準偏差。由于在R1中沒有污泥回流且不排剩余污泥，因此HRT＝SRT。為了有利于菌種的培養和馴化，進水COD濃度是隨運轉時間的增加而逐漸遞增的。在下述的半連續式活性污泥系統進行試驗的過程中，TMBR系統始終保持正常運轉，隨時從R2中提供富含原生動物的污泥。 表1 膜生物反應器運行參數時段
序號 | 停留時間
(h) | 進水COD
(mg/L) | HRT＝SRT(R1)
(h) | HRT(R2)
(h) | SRT(R2)
(h) | 有機負荷BX
［kgCOD/(kgMLSS·d)］ | | 1 | 1～31 | 565 | 8(0.3) | 12(1.9) | 26(9.3) | 0.50(0.194) | | 2 | 33～45 | 764 | 16(0.5) | 20(1.5) | 25(12.2) | 0.23(0.023) | | 3 | 47～59 | 764 | 16(1.2) | 20(1.5) | 11(1.6) | 0.17(0.014) | | 4 | 64～89 | 1069 | 16(1.3) | 21(3.3) | 12(2.1) | 0.28(0.031) | | 5 | 94～103 | 1069 | 34(0.3) | 40(18.2) | 9(4.5) | 0.18(0.018) | 1.2 半連續式活性污泥系統
半連續式活性污泥系統(Semi?continuous Conventional Activated Sludge System，簡稱SCAS)的試驗裝置如圖2所示。試驗啟動時，分別向4個塑料錐形瓶內注入1.0L從城市污水處理廠取來的新鮮活性污泥混合液(來源同上)，將之置于振動機上進行連續振動，室溫維持在(28±2) ℃。振動的目的，一是保證反應器中的完全混合狀態，二是對系統進行充氧。進水采用配水(配制方法同上)，為連續進水(500mL/d)，間歇排水。每天將每個錐形瓶中1.0L混合液取出并分別移入4個Imhoff錐形瓶中，靜置沉降30 min后，移出500mL上清液，剩余的500mL活性污泥則分別重新放回塑料錐形瓶中。4個錐形瓶的2個作為對比試驗，不進行原生動物接種，另外2個則每天接種50 mL從TMBR系統的R2中獲得的富含原生動物的污泥。定期分析各反應器中的MLSS、進水COD、SS、Kj-N以及出水COD、SS、NH+4-N、NO-3-N等，考察反應器對各種污染物的去除效果，同時計算系統中固體量的平衡，驗證接種原生動物對削減污泥量的作用。 
2 結果和討論 2.1 原生動物培養
在TMBR的第一階段中，豐富的進水有機物刺激了異養型分散細菌的快速增殖，它們迅速利用污水中可降解有機物合成自身的生物量，因此污泥產量大，并且細菌的分散狀態造成污水的高濁度及污泥較差的沉降性。有研究表明，碳源及其他營養物質向分散細菌的擴散速率比向菌膠團內部細菌擴散速率要大，因此R1中COD的去除率較高。圖3表示了R1中COD去除率和整個反應器總去除率，從中可以明顯看到，COD主要是在第一階段中去除的，在第二階段中進行的主要是捕食過程，即物質和能量由食物鏈的低級別向高級別的轉化。由此可見，當從反應器R2中取污泥接種至SCAS系統時并不會引入過多的有機物。 
TMBR不同階段在各運轉時段的污泥產率列于表2中，表中的時段序號與表1相同。從表中看到，第一階段污泥產量明顯大于整個反應器產量，為細胞合成階段。 表2 不同階段污泥產率比較| 時段序號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 第一階段污泥產率
(kgSS/kgCOD) | 0.414 | 0.410 | 0.467 | 0.309 | 0.394 | | 整個反應器污泥產率(kgSS/kgCOD) | 0.135 | 0.224 | 0.300 | 0.216 | 0.235 |  
在反應器R1中得到的大量游離細菌進入反應器R2以后，為原生動物的生長提供了有利條件，因此R2中的原生動物數量比普通活性污泥中多得多。圖4表示了R2中幾種原生動物的數量及生長趨勢，在此反應器中纖毛蟲數量保持在102～105個/mL，原生動物總數平均處于105數量級。圖中還能看到鞭毛蟲與固著型纖毛蟲的生長趨勢基本相同，只是數量有差別，而游泳型纖毛蟲的生長趨勢則正好相反，如果對比圖3可以發現，這種生長趨勢的差別較好地指示了處理效果的好壞。圖5中列出了幾種常見后生動物在R2中的生長情況。
2.2 SCAS系統
SCAS系統經定期接種富含原生動物的污泥后，與未接種的作比較，在COD去除率、硝化率、出水懸浮物含量等處理指標上都有不同程度的提高(如圖6、7、8所示)，說明原生動物本身可能就起到一定的凈化作用，這與Curds曾經報道過的現象是一致的。圖7中的硝化率定義為出水中NO-3-N占進水中Kj-N的百分比。  
 
為了考察SCAS系統中接種富含原生動物的污泥對削減污泥產量的作用，首先應分別做對比試驗和接種試驗的固體量衡算。系統在某一時間段內污泥凈產量等于出水中帶走的泥量加上反應器中現有的泥量然后減去反應器內原有的污泥及接種的泥量。而系統的污泥產率為去除單位重量COD的污泥凈產量。在40d的試驗期內，對比試驗和接種試驗的污泥平均產率分別為0.02和-0.47kg泥/kgCOD，說明接種對減小污泥產量效果明顯。在接種反應器中污泥呈現明顯的負增長趨勢。
圖9表示了SCAS系統中的污泥指數。顯然，接種原生動物改善了污泥的絮凝和沉降性能。根據Curds的理論，這種改善是由于原生動物，尤其是纖毛蟲，能分泌一些有利于生物絮凝的膠體物質。 3 結論 研究表明，采用兩段式生物反應器作為原生動物哺育系統，通過接種的方式來削減普通活性污泥系統的剩余污泥產量，除了在理論上有其依據以外，在小試中也取得較好效果。這一課題無論在國內還是國外，均屬相當前沿的研究。值得指出的是，要將這一新的觀念和方法應用于工程實踐，目前仍有很多問題需要解決，例如接種量和接種方式。可以預測的接種方式有兩種，一是接種到曝氣池的某一區域(例如曝氣池的末端)，二是接種到排出的剩余污泥中并單設捕食反應器。 參考文獻：
［1］Hall J E.Option for Sludge Treatment,Recycling and Disposal［J］.Wastewater Man,1996，1-18.
［2］Mayhew M,Stephenson T.Low Biomass Yield Activated Sludge［J］.Env Tech,1997，18:883-892.
［3］Sakai Y，et al.An Activated Sludge Process without Excess Sludge Production［J］.Wat Sci Tech,1997，36(11):163-170.
［4］Lee N M,Welander T.Reducing Sludge Production in Aerobic Wastewater Treatment through Manipulation of the Ecosystem［J］.Wat Res,1996，30(8):1781-1790.
作者簡介：翟小蔚(1969-)，女，河北人，北京市環境保護科學研究院工程師，現在比利時攻讀碩士學位，研究方向：工業廢水處理。
電話：(010)68308004(潘濤)
收稿日期：2000-05-17 | 
