吳蓓蕾　黃種買　王旭　錢玲

(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院　武漢 430072；　2.環(huán)保部國家水專項管理辦公室　北京 100035)

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EM菌原位污泥減量及其對污泥產(chǎn)率的影響*

吳蓓蕾1黃種買1王旭1錢玲2

(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院武漢 430072；2.環(huán)保部國家水專項管理辦公室北京 100035)

摘要活性污泥法產(chǎn)生的剩余污泥處理困難且易造成二次污染，本研究通過外加effective microorganisms(EM)菌劑豐富污泥中微生物種群，延長微生物種群食物鏈，達到降低污泥產(chǎn)率的目的。實驗主要研究了菌液投加量、操作溫度等參數(shù)對活性污泥工藝中的污泥產(chǎn)率的影響，確定最佳操作條件為：菌液與污水比例為0.005%；最佳溫度是30 ℃；停留時間根據(jù)工藝過程在6～18 h范圍內(nèi)選擇。通過污泥增殖實驗和內(nèi)源代謝實驗確定了微生物生長動力學參數(shù)：外加EM菌組污泥衰減系數(shù)為0.005 4，真實生長比率為0.356 8；未加EM菌的空白對照組衰減系數(shù)為0.004 7，真實生長比率為0.426 6，結果表明外加EM菌可增大污泥系統(tǒng)的內(nèi)源代謝速率，有效降低污泥產(chǎn)率。

關鍵詞EM菌污泥減量污泥產(chǎn)率

0引言

我國城市污水處理廠大多采用活性污泥處理工藝，它具有基建投資省、處理效果好的優(yōu)點，缺點是運行過程中產(chǎn)生的剩余污泥處理困難，其處理費用占整個城市污水處理廠總運行費用的25%～60%[1-2]。

解決污泥處理難題有兩個途徑：① 污水處理過程中減少污泥產(chǎn)生量(原位污泥減量)；②剩余污泥的處理和資源化利用(后置污泥減量)[3]。不管從技術或者從經(jīng)濟的角度考慮，第一個途徑即原位污泥減量都是比較合理的做法，也是目前活性污泥處理工藝研究的熱點，主要工藝有代謝解偶聯(lián)[4]、細胞溶解、生物捕食等[5]。這些技術需在傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程中增加超聲波發(fā)生器等裝置或投加臭氧、解偶聯(lián)劑等化學藥品，實驗室研究很多，但實際應用很少。本項研究擬通過外加微生物菌劑優(yōu)化活性污泥中微生物的組成和功能，延長污泥中微生物種群的食物鏈，使有機污染物降解產(chǎn)生的能量更多的用于細胞維持而不是細胞增長上[6]，從而降低污泥的產(chǎn)率，實現(xiàn)原位污泥減量。

EM菌劑以光合細菌為主導，存在放線菌群、乳酸菌群、酵母菌群等10屬80多種微生物[7]的共存共生體系。目前關于EM菌的研究主要集中在提高處理出水水質(zhì)方面[8-9]，而在污泥減量方面的研究還很少。本項研究通過實驗室試驗研究EM菌劑在不同條件下對活性污泥工藝中的污泥產(chǎn)率的影響，并從微生物生長動力學參數(shù)的角度進一步分析EM菌劑在活性污泥工藝中的污泥減量效果，為今后的工程實踐提供技術依據(jù)。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

(1)活性污泥：取自武漢市沙湖污水處理廠的曝氣池，含水率為97%～98%，SVI為70～100，試驗前曝氣2～3h以穩(wěn)定其生物活性，MLSS濃度統(tǒng)一調(diào)整為3 000mg/L。

(2)EM菌劑：天益EM菌原液。

(3)生活污水：實驗室配制，主要成分為：葡萄糖0.15g，可溶性淀粉0.15g，CH3COONa0.20g，蛋白胨0.15g，牛肉膏0.08g，(NH4)2SO40.15g，KH2PO40.07g，Na2CO30.06g，尿素0.60g，十二烷基磺酸鈉0.02g，自來水1 000mL。配成的模擬城市污水水質(zhì)指標：COD600mg/L，pH6.0～7.0。

1.2試驗方法與試驗條件

1.2.1試驗方法

在不同試驗條件下，用污泥、生活污水和EM菌劑配置成MLSS濃度為3 000mg/L的混合液在轉(zhuǎn)速120r/min的振蕩培養(yǎng)箱(試驗過程中進行曝氣)培養(yǎng)一定時間之后，測定培養(yǎng)前后的MLSS、MLVSS和COD濃度，以ΔMLVSS/ΔCOD表示試樣的污泥產(chǎn)率[10]。比較實驗組和對照組的污泥產(chǎn)率，評價不同工況下的污泥減量效果。

1.2.2試驗條件

(1)加藥量：0.000%，0.001%，0.005%，0.01%和0.02%(EM菌液與污水體積比)。

(2)停留時間：6，12，18，24，36h。

(3)水溫：20，25，30，35 ℃。

(4)生活污水COD濃度：200，300，400，500mg/L。

1.3水質(zhì)分析方法

(1)COD：重鉻酸鉀法。

(2)MLSS和MLVSS：重量法。

(3)SOUR：比耗氧速率的測定是取污泥樣200mL放入300mL燒杯中，先用曝氣頭充氧至飽和，再加入含葡萄糖的純水，不留頂部空間，然后將溶氧探頭放入污泥中并用保鮮膜密封燒杯，放置在磁力攪拌器上進行攪拌，此時開始測定溶解氧值隨時間的變化曲線至溶解氧低于2.0mg/L,得到曲線的下降斜率，直線斜率的絕對值即為污泥的耗氧速率(OUR)，則：SOUR=OUR/MLVSS。

2實驗結果分析及討論

2.1EM菌劑在不同條件下對活性污泥工藝中的污泥減量效果的影響

投加EM菌試驗的污泥產(chǎn)率，實質(zhì)上體現(xiàn)的是活性污泥微生物系統(tǒng)的實際生長比率，計算公式為Yobs=ΔMLVSS/ΔCOD。根據(jù)Pirt的理論，污泥增殖過程中微生物利用基質(zhì)產(chǎn)生的能量分別用于合成代謝和維持代謝[11]，增多的MLVSS反映的是微生物通過細胞合成代謝而保存下來的能量[12]。污泥產(chǎn)率的降低可以最終體現(xiàn)為實際污泥產(chǎn)量的減少。

2.1.1EM菌劑投加量對污泥減量的影響

水溫25 ℃，進水COD濃度為500mg/L，培養(yǎng)24h。實驗結果如圖1和圖2所示。

圖1　EM菌投加量對污泥減量率和產(chǎn)率的影響

圖2　外加EM菌污泥中生物量和基質(zhì)消耗的變化

從圖1中可以看出，未投加EM菌的對照組污泥產(chǎn)率為0.612g/g(MLVSS/COD)，隨著EM菌投菌量的增加，污泥產(chǎn)率先減少后趨于平緩，EM菌的投加比例為0.005%時，污泥的減量率較空白對照組高18.7%，產(chǎn)率較對照組低12.4%，再增加EM菌的量兩者的變化不明顯，所以EM菌劑的最佳投加量為0.005%。

EM菌劑加入污水處理系統(tǒng)之后，其中的微生物能生產(chǎn)分泌胞外水解酶，促進污水中大分子有機物和死亡微生物細胞分解成易被微生物降解的小分子物質(zhì)[13]，促進污水中有機污染物的降解。同時，由于死亡微生物重新進入污水處理系統(tǒng)進行降解處理，剩余污泥的產(chǎn)率降低，達到減少剩余污泥的目的。圖2顯示了同樣的基質(zhì)(COD)消耗量，投加EM菌劑后微生物增量明顯降低。

從圖2中可以看出，投加EM菌后， 污水中的COD的消耗率隨著投菌量的增加略有提升，但是與對照組差別不大。而MLVSS增量和污泥產(chǎn)率隨著投菌量增加迅速下降(在投加量增加到0.005%后變化趨于平緩)，說明外加EM菌對COD的消耗影響很小，試驗組污泥產(chǎn)率的降低主要是源于MLVSS增量的降低，即微生物通過細胞合成代謝而保存下來的能量的降低。由此可以看出，投加EM菌劑可以降低污泥產(chǎn)率。

2.1.2EM菌劑降低污泥產(chǎn)率使用條件試驗

本項試驗在EM菌劑投加量0.005%條件下，分別研究水溫、停留時間和生活污水COD濃度對污泥減量效果的影響。

(1)水溫(停留時間24h，COD濃度500mg/L)對污泥減量效果的影響如圖3(a)所示。

(2)停留時間(水溫為30 ℃，COD濃度為500mg/L)對污泥減量效果的影響如圖3(b)所示。

(3)生活污水COD濃度(水溫為30 ℃，停留時間18h)對污泥減量效果的影響如圖3(c)所示。

(a)溫度對污泥減量效果的影響

(b)作用時間對污泥減量效果的影響

(c)COD對污泥減量效果的影響

圖3溫度、作用時間、進水COD濃度

對污泥減量效果的影響

從圖3(a)中可以看出，隨著溫度升高，污泥產(chǎn)率逐漸降低，污泥減量效果越來越好。但是溫度高于30 ℃之后，污泥減量效果提升已不明顯。從圖3(b)中可以看出，在前6h，污泥減量效果不明顯，可能是由于底物濃度較高，合成代謝旺盛引起的。在6～18h這段時間內(nèi)，污泥產(chǎn)率大幅降低，污泥減量效果非常明顯，而在18～36h內(nèi)，污泥也得到減量，但是減量效果趨于平緩。考慮工程的實際情況，在使用EM菌劑降低污泥產(chǎn)率時，接觸時間應根據(jù)工藝過程在6～18h范圍內(nèi)選擇。從圖3(c)中可以看出，污水COD濃度在200～500mg/L范圍內(nèi)，污泥減量效果均較為明顯，且在該濃度范圍內(nèi)的污泥減量效果差距不大。

2.2微生物生長動力學參數(shù)的確定

Mason等提出的“溶解再生長”模型得到廣泛應用參考[14]，該模型將細胞殘留物和活性微生物均納入生物量的變化模型中，由于細胞生長比率小于1，新生成的細胞數(shù)總是小于死亡和溶解的細胞數(shù)量，導致系統(tǒng)生物量衰減。

基于這一理論，根據(jù)污泥增殖和內(nèi)源代謝實驗數(shù)據(jù)，確定EM菌存在下的微生物生長動力學的兩個關鍵性的參數(shù)：微生物衰減系數(shù)和微生物真實生長比率[15]。

由Mason的“溶解再生長”模型可推出：

ln(OUR|t)=-bH·t+ln[(1-fD)·bH·xB]

(1)

式中，bH為微生物衰減系數(shù)；t為生物固體停留時間；fD為活性生物量形成細胞殘留物的比例，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，fD可以取值為0.2[16]；xB為活性微生物濃度。

可以用ln(OUR|t)對時間作圖，根據(jù)最小二乘法得到斜率的絕對值即衰減系數(shù)bH。根據(jù)實驗測得投加EM菌實驗組與空白對照組內(nèi)源代謝氧氣利用OUR, 用ln(OUR|t)對時間作圖(見圖4)。

(a)投加EM菌組

(b)空白對照組

圖4投加EM菌和未投加EM菌條件下ln(OUR)

隨時間的變化

得到實驗組和對照組的線性趨勢線分別為：

y=-0.005 4x+2.839 2

(2)

y=0.004 7x+2.722 0

(3)

則實驗組和對照組的微生物衰減系數(shù)分別為0.005 4和0.004 7，根據(jù)經(jīng)驗fD為0.2，實驗測得總微生物濃度變化ΔXT和COD消耗(S1-S0)量，在增殖過程中始終沒有固液分離過程，可推出：

(4)

將空白對照組和投加量為0.005%EM菌試驗組數(shù)據(jù)代入式(4)中，則可以得到空白對照組的平均YH=0.426 6，投加EM菌試驗組平均YH=0.356 8。

3結論

(1)在活性污泥處理工藝中，投加EM菌劑可以有效降低污泥產(chǎn)率，在EM菌劑投加量為0.005%時，污泥產(chǎn)率降低12.4%。當投加量低于0.005%時，污泥減量效果隨著投加量的增加而提高；當投加量高于0.005%時，投加量增加，污泥減量效果提高不明顯。

(2)在使用EM菌劑降低污泥產(chǎn)率時，污泥產(chǎn)率隨溫度升高而降低，但是溫度高于30 ℃之后，污泥減量效果提升已不明顯；EM菌劑投加后的停留時間應根據(jù)工藝過程可在6～18h范圍內(nèi)選擇；而污水COD濃度在200～500mg/L范圍內(nèi)，EM菌劑皆可發(fā)揮較好的污泥減量作用。

(3) 使用EM菌劑降低污泥產(chǎn)率時，對于COD的降解速率影響不大，主要是通過降低MLVSS的增量降低污泥產(chǎn)率，實現(xiàn)污泥減量。

(4)投加EM菌可增大污泥內(nèi)源代謝速率，促進污泥生物量的減少。根據(jù)Mason等提出的“溶解再生長”模型分析，投加EM菌劑組衰減系數(shù)為0.005 4，真實生長比率為0.356 8；未加EM菌劑的空白對照組衰減系數(shù)為0.004 7，真實生長比率為0.426 6。

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*基金項目：科技部國家科技支撐項目(2012BAJ21B06)。

作者簡介吳蓓蕾，女，碩士。研究方向：污泥減量與水污染處理。

(收稿日期：2015-04-25)

StudyontheIn-situSludgeReductionofEffectiveMicroorganisms(EM)andtheInfluencesofEMonSludgeYield

WUBeilei1HUANGZhongmai1WANGXu1QIANLing2

(1.School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan UniversityWuhan 430072)

AbstractActivated sludge process produces large amount of excessive sludge which is difficult to be handled and easily causes secondary pollutions. In this study, the effective microorganism (EM) is added into activated sludge to improve diversity of microorganisms, which will extend the food chain and hence the sludge will be reduced. Experiments are conducted to investigate the effects of the dose of EM, operating temperature and etc on the sludge yield. The optimized conditions are: the EM adding dose is 0.005%, the operational temperature is 30 ℃and retention time is 6～18 hours based on different processes. The results of the sludge proliferation bench-scale test and experiment of endogenous metabolism are used to determine the microbial growth kinetics parameters: attenuation coefficient of the EM adding group is 0.005 4, the real growth rate is 0.356 8, attenuation coefficient of the control group is 0.004 7 and the real growth rate is 0.426 6. The results show that EM can increase the endogenous metabolic rate of sludge system and reduce the sludge yield effectively.

Key Wordseffective microorganismexcess sludge reductionsludge yield