翟小蔚1，潘涛1，W.Ghyoot2，W.Verstraete2
（1.北京市环境保护科学研究院，北京100037；2.比利时根特大学微生态实验室） 摘要：采用两段式膜生物反应器作为原生动物哺育系统，培养富含原生动物的污泥，然后将其定期接种于普通活性污泥中，利用原生动物对细菌的捕食原理，达到削减剩余污泥量的目的。污泥削减试验中采用了半连续流普通活性污泥系统，通过对比试验，发现接种原生动物以后，污泥产率由0.02 kg泥/kgCOD减小至-0.47 kg泥/kgCOD，同时污泥絮凝沉降性能得到改善，系统的COD去除率、硝化率得到提高，出水悬浮物浓度得以降低。
关键词：原生动物；剩余污泥产量；削减；活性污泥法
中图分类号：X703.1
文献标识码：A
文章编号：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 削减剩余污泥产量的传统技术是延时曝气，用延长曝气时间的方法使污泥在曝气池中达到部分好氧消化。Mayhew和Stephenson甚至曾采用过单独的好氧消化反应器来减少剩余污泥产量，结果发现能量消耗相当大，这也是延时曝气法的主要弊端。另一些削减甚至消除剩余污泥的方法包括Senez报道过的提高反应温度，Sakai实践过的臭氧辅助消化等。值得一提的是，90年代中期以来，一些利用两段式生物反应器削减剩余污泥产量的报道引起了研究者的广泛注意。
两段式好氧生物反应器是模拟自然生态系统中的食物链原理进行污水处理的技术，它由第一阶段的分散培养反应器R1和第二阶段的捕食反应器R2组成。R1中无污泥回流且停留时间相对短，利用污水中丰富的有机食料刺激繁殖迅速的细菌生长，此反应器中细菌呈分散而不是菌胶团状态。在R2中除了进一步发挥分散细菌去除有机物的能力以外，大量原生动物对分散细菌的捕食有利于提高出水水质，并可减少污泥量。与普通活性污泥法一样，经R2处理后的混合液进行沉淀，大部分污泥回流入R2中，也可以直接在R2中用膜法进行泥水分离。应该指出，常规活性污泥菌胶团中也存在一定数量的原生动物，但是菌胶团对细菌所提供的保护作用限制了原生动物的大量生长，这就是要在两段法中培养分散细菌的缘故。
两段式生物反应器在降低污泥产量方面的优势已为Lee和Welander等一些研究者所报道，但这种工艺本身仍有待进一步研究和完善，目前尚不能直接应用于工程实践。本研究将探讨是否能将两段式生物反应器作为原生动物的哺育系统，将R2中得到富含原生动物的污泥接种到普通活性污泥中，利用原生动物数量上的优势有效捕食以菌胶团形式存在的细菌，从而削减污泥产量。 1 试验材料和方法 1.1 原生动物哺育系统
本试验采用两段式膜生物反应器(Two?stage Membrane Bioreactor,简称TMBR)培养富含原生动物的污泥，培养装置见图1。污水首先进入分散培养反应器R1(容积2.0L)，然后进入捕食反应器R2(容积2.0L)，两个反应器均用空压机进行曝气。在R2中用聚丙烯中空纤维膜实施泥水分离，省去了沉淀池和污泥回流系统。中空纤维膜为德国Akzo Nobel公司产品，膜系统的操作负压由压力调节器控制。试验启动时在R2中接种2.0L普通活性污泥(取自比利时Ossemeersen污水处理厂曝气池)。 
TMBR系统的进水采用配水，将脱脂奶粉溶解在自来水中，并加入消沫剂(1L污水中加入0.5mL)。配水储存于冰箱中，2d新配一次。TMBR运行参数见表1，表中HRT为污水在反应器中的水力停留时间，而SRT为污泥停留时间，即污泥龄。表中的停留时间和有机负荷为该时间段内的平均值，括号内的数字为标准偏差。由于在R1中没有污泥回流且不排剩余污泥，因此HRT＝SRT。为了有利于菌种的培养和驯化，进水COD浓度是随运转时间的增加而逐渐递增的。在下述的半连续式活性污泥系统进行试验的过程中，TMBR系统始终保持正常运转，随时从R2中提供富含原生动物的污泥。 表1 膜生物反应器运行参数时段
序号 | 停留时间
(h) | 进水COD
(mg/L) | HRT＝SRT(R1)
(h) | HRT(R2)
(h) | SRT(R2)
(h) | 有机负荷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 半连续式活性污泥系统
半连续式活性污泥系统(Semi?continuous Conventional Activated Sludge System，简称SCAS)的试验装置如图2所示。试验启动时，分别向4个塑料锥形瓶内注入1.0L从城市污水处理厂取来的新鲜活性污泥混合液(来源同上)，将之置于振动机上进行连续振动，室温维持在(28±2) ℃。振动的目的，一是保证反应器中的完全混合状态，二是对系统进行充氧。进水采用配水(配制方法同上)，为连续进水(500mL/d)，间歇排水。每天将每个锥形瓶中1.0L混合液取出并分别移入4个Imhoff锥形瓶中，静置沉降30 min后，移出500mL上清液，剩余的500mL活性污泥则分别重新放回塑料锥形瓶中。4个锥形瓶的2个作为对比试验，不进行原生动物接种，另外2个则每天接种50 mL从TMBR系统的R2中获得的富含原生动物的污泥。定期分析各反应器中的MLSS、进水COD、SS、Kj-N以及出水COD、SS、NH+4-N、NO-3-N等，考察反应器对各种污染物的去除效果，同时计算系统中固体量的平衡，验证接种原生动物对削减污泥量的作用。 
2 结果和讨论 2.1 原生动物培养
在TMBR的第一阶段中，丰富的进水有机物刺激了异养型分散细菌的快速增殖，它们迅速利用污水中可降解有机物合成自身的生物量，因此污泥产量大，并且细菌的分散状态造成污水的高浊度及污泥较差的沉降性。有研究表明，碳源及其他营养物质向分散细菌的扩散速率比向菌胶团内部细菌扩散速率要大，因此R1中COD的去除率较高。图3表示了R1中COD去除率和整个反应器总去除率，从中可以明显看到，COD主要是在第一阶段中去除的，在第二阶段中进行的主要是捕食过程，即物质和能量由食物链的低级别向高级别的转化。由此可见，当从反应器R2中取污泥接种至SCAS系统时并不会引入过多的有机物。 
TMBR不同阶段在各运转时段的污泥产率列于表2中，表中的时段序号与表1相同。从表中看到，第一阶段污泥产量明显大于整个反应器产量，为细胞合成阶段。 表2 不同阶段污泥产率比较| 时段序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 第一阶段污泥产率
(kgSS/kgCOD) | 0.414 | 0.410 | 0.467 | 0.309 | 0.394 | | 整个反应器污泥产率(kgSS/kgCOD) | 0.135 | 0.224 | 0.300 | 0.216 | 0.235 |  
在反应器R1中得到的大量游离细菌进入反应器R2以后，为原生动物的生长提供了有利条件，因此R2中的原生动物数量比普通活性污泥中多得多。图4表示了R2中几种原生动物的数量及生长趋势，在此反应器中纤毛虫数量保持在102～105个/mL，原生动物总数平均处于105数量级。图中还能看到鞭毛虫与固着型纤毛虫的生长趋势基本相同，只是数量有差别，而游泳型纤毛虫的生长趋势则正好相反，如果对比图3可以发现，这种生长趋势的差别较好地指示了处理效果的好坏。图5中列出了几种常见后生动物在R2中的生长情况。
2.2 SCAS系统
SCAS系统经定期接种富含原生动物的污泥后，与未接种的作比较，在COD去除率、硝化率、出水悬浮物含量等处理指标上都有不同程度的提高(如图6、7、8所示)，说明原生动物本身可能就起到一定的净化作用，这与Curds曾经报道过的现象是一致的。图7中的硝化率定义为出水中NO-3-N占进水中Kj-N的百分比。  
 
为了考察SCAS系统中接种富含原生动物的污泥对削减污泥产量的作用，首先应分别做对比试验和接种试验的固体量衡算。系统在某一时间段内污泥净产量等于出水中带走的泥量加上反应器中现有的泥量然后减去反应器内原有的污泥及接种的泥量。而系统的污泥产率为去除单位重量COD的污泥净产量。在40d的试验期内，对比试验和接种试验的污泥平均产率分别为0.02和-0.47kg泥/kgCOD，说明接种对减小污泥产量效果明显。在接种反应器中污泥呈现明显的负增长趋势。
图9表示了SCAS系统中的污泥指数。显然，接种原生动物改善了污泥的絮凝和沉降性能。根据Curds的理论，这种改善是由于原生动物，尤其是纤毛虫，能分泌一些有利于生物絮凝的胶体物质。 3 结论 研究表明，采用两段式生物反应器作为原生动物哺育系统，通过接种的方式来削减普通活性污泥系统的剩余污泥产量，除了在理论上有其依据以外，在小试中也取得较好效果。这一课题无论在国内还是国外，均属相当前沿的研究。值得指出的是，要将这一新的观念和方法应用于工程实践，目前仍有很多问题需要解决，例如接种量和接种方式。可以预测的接种方式有两种，一是接种到曝气池的某一区域(例如曝气池的末端)，二是接种到排出的剩余污泥中并单设捕食反应器。 参考文献：
［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.
作者简介：翟小蔚(1969-)，女，河北人，北京市环境保护科学研究院工程师，现在比利时攻读硕士学位，研究方向：工业废水处理。
电话：(010)68308004(潘涛)
收稿日期：2000-05-17 | 
