请告诉我们您的知识需求以及对本站的评价与建议。
满意 不满意
Email:
化学解偶联剂在活性污泥工艺中的污泥减量作用研究进展
栏目最新
- 建筑生命周期环境管理与信息化解决方案
- 木结构住宅建筑的人居环境评价
- 绿色建筑在中国建筑工程总公司的研究与实施进展
- 绿色生态建筑的概念和设计
- 建筑垃圾资源化现状及实施策略
- 低碳城市规划：一个新的视野
- 低碳建筑概念及其发展分析
- 低碳经济与低碳城市
- 室内装修影响空气质量实测分析及对策
- 保山中心城市环境空气质量现状与预测
网站最新
内容提示：微生物的新陈代谢是生物化学转化的总和，它包括相关的分解代谢和合成代谢。在活性污泥培养中，化学解偶联剂能够将合成代谢和分解代谢解离，抑制合成代谢，从而达到剩余污泥减量化的目的。本文阐述了用化学解偶联剂减少剩余污泥产量的作用机理；结合国内外研究现状，分别介绍了几种常用的化学解偶联剂及其作用效果；并提出了在活性污泥工艺中加入化学解偶联剂存在的问题以及将来的研究方向。
摘要：微生物的新陈代谢是生物化学转化的总和，它包括相关的分解代谢和合成代谢。在活性污泥培养中，化学解偶联剂能够将合成代谢和分解代谢解离，抑制合成代谢，从而达到剩余污泥减量化的目的。本文阐述了用化学解偶联剂减少剩余污泥产量的作用机理；结合国内外研究现状，分别介绍了几种常用的化学解偶联剂及其作用效果；并提出了在活性污泥工艺中加入化学解偶联剂存在的问题以及将来的研究方向。（参考《建筑中文网》）
关键词：活性污泥 化学解偶联剂 污泥减量 质子载体
1.绪论
活性污泥法是目前城市污水处理厂应用最广泛的污水生物处理技术。据统计[6]，世界上超过90%的城市污水处理都采用活性污泥法。虽然该工艺有很多的优点，如基建投资少，处理效果好，运行稳定等，但是，它也存在一个最大的缺点：在运行过程中产生大量的剩余污泥，而且剩余污泥的处理成本相当高，占到了污水厂运行总费用的25%～65%[6,15].在我国有大量的剩余污泥不经处理就直接堆放获简单填埋，这样对环境造成了严重的二次污染。因此，现在亟待解决的问题是最大程度的处理与处置剩余污泥和最大程度的降低剩余污泥的产率。
虽然当前有很多剩余污泥减量化的方法，但是，这些方法都存在一些不足。最近，在活性污泥工艺中投加适量的化学解偶联剂来减少剩余污泥产率的可行性已经得到了证明。该工艺相对以上各种方法而言，具有用量少，效果明显等优点，显示出很强的工程应用前景，具有发展推广的潜力。
2.作用机理探讨
2.1新陈代谢机理
新陈代谢是生物体与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。它包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。合成与分解是既对立又统一的关系。微生物正常情况下的分解代谢和合成代谢通过ATP（三磷酸腺苷）和ADP（二磷酸腺苷）之间的转化偶联在一起，如图1所示[6].
图1.分解代谢和合成代谢的关系
Fig. 1 The relation of catabolic metabolism and anabolism
ATP是细胞内的主要磷酸载体，它作为细胞的主要供能物质参与体内的许多代谢反应。微生物体内ATP的生成方式有两种[1]：作用物（底物）水平磷酸化和氧化磷酸化。通过作用物（底物）水平磷酸化生成的ATP在体内所占比例很小，大部分ATP都是以氧化磷酸化的形式生成的。在活性污泥系统中，ATP的形成主要也是以氧化磷酸化作用为主。代谢物脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水，同时逐步释放能量，使ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的过程称为氧化磷酸化。氧化过程为放能反应或称分解代谢，磷酸化则为吸能反应或称合成代谢，所以体内的吸能与放能反应总是偶联进行的，一个吸能反应无法独立进行。
在活性污泥工艺中，电子通过电子传输系统（ETS），电子从高能量水平的电子源（底物）转移到终端电子受体（氧气）[3].微生物以废水中的污染物（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质和CO2或其他形式。用化学计量方程表示如下[4]：
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。
基质+ATP→细胞物质+ADP+PO43-+废弃产物 （2）
在正常情况下，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。
2.2代谢解偶联机理
2.2.1 氧化磷酸化
目前，关于氧化磷酸化作用是如何偶联的机理尚不清楚，主要有三种学说，即化学偶联学说、结构偶联学说和化学渗透学说。其中得到较多支持的是化学渗透学说，是英国生化学家P.Michell于1961年提出的，其主要论点[1]是从呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，这就是跨膜电位△ψ。它与内膜两侧形成的pH梯度（△pH）共同构成了质子动力势△P，那么三者的关系可用下式表示：
△P=△ψ-59△pH （2）
后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP（如图2所示）。
图2 电子传递与质子传递偶联（注：复合物Ⅱ未显示）
Fig. 2 Electron transfer and proton transfer coupling
根据化学渗透学说，在生成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。
氧化磷酸化的抑制剂分为两大类[1]：一类是电子传递抑制剂（呼吸链阻断剂）可抑制呼吸链的不同部位，使作用物氧化过程（电子传递）受阻，偶联磷酸化也就无法进行，ATP生成也就随之减少；另一类是有机质子载体，有很强的解偶联能力，可使氧化与磷酸化脱节，以致氧化过程照常进行，但不能生成ATP.
2.2.2解偶联代谢（uncoupling metabolize）
微生物消耗基质形成的各种中间代谢物和能量（ATP）被用于生物量生成、维持和产物生成，但在某些条件下，能量泄漏和跨膜的质子的无效循环也可以消耗代谢物和ATP，使分解代谢ATP产生速率与合成（生成）利用ATP速率不一致，在代谢物的氧化过程中不伴有ADP磷酸化的过程。这样就不会生成新的ATP，从生物化学角度来讲[1]，在该过程 就被称为氧化磷酸化解偶联。
从环境工程的角度而言[2]，解偶联的概念是指基质消耗产生的能量大于生长和维持正常生命活动的能量需求，但过剩的能量并未被贮存，而是以无效的热能形式释放到环境中，导致了污泥的表观产率大大减少。然而，Russel等[6]对解偶联的定义是，化学渗透氧化磷酸化不能产生以ATP形式存在的最大理论能量。将分解代谢和合成代谢解偶联，降低ATP合成量或使得ATP合成以后通过其他途径释放（如热能），而不用于细胞合成，降低细胞合成量即能减少污泥产率。在发生代谢解偶联时，氧化反应（3）仍可以进行，而磷酸化反应（4）不能进行。
这些能使氧化作用和磷酸化作用脱偶联的质子载体就被称为解偶联剂。其作用的本质是增大线粒体内膜对H 的通透性，促使H 被动扩散通过细胞膜，消除H 的跨膜梯度，使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发，因而无ATP生成。解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷酸化[1].因此，从理论上讲，加入解偶联剂对基质的去除率影响很小。
微生物在异常条件（如存在重金属，剩余能量源，反常的温度和营养限制等）下，将发生代谢解偶联。Senez[17]认为，细菌的合成代谢通过速率限制呼吸与分解代谢相偶联，然而如果呼吸控制不存在时，将发生解偶联代谢，而生物合成速率受到限制。Southamer[6]则认为发生解偶联的情况有：（1）存在影响ATP合成的物质（解偶联剂）；（2）存在剩余能源（高So/Xo条件）；（3）温度不适合；（4）细胞所处环境改变；（5）存在抑制化合物。有研究表明[13]，在这些情况下，异化作用异常活跃，它与同化作用不再偶联在一起，这时，微生物自身不仅不增长，还可以发生萎缩。
在解偶联剂存在下[14]，微生物是能够过量消耗基质的，也能够观察到较高的基质消耗率，且大部分有机物被氧化为二氧化碳，产生的能量只用来驱动能量圈的物理循环和以热的形式散失到环境中，对各种呼吸细胞的研究发现，呼吸可以加快1.5～3倍。Cook和Russel的研究表明[21,28]，在这种条件下，即使污泥自身的量并不增加，微生物利用能量的速度也是按指数生长的微生物利用基质速度的3倍左右。
3.常见化学解偶联剂及其作用效果
早在1948年， Loomis 等[33]首次发现了一种氧化解偶联剂-2，4-二硝基苯酚。经过几十年的研究，现在已经发现了很多种有效的解偶联剂。在活性污泥减量化应用中，常见的化学解偶联剂有硝基酚类化合物、氯酚类化合物、3,3′,4′,5-四氯水杨酰苯胺（TCS）、羰基-氰-对三氟甲氧基苯肼（FCCP）、氨基酸、甲苯、双香豆素等。下面分别介绍国内外研究较多的几种常见的化学解偶联剂的作用效果。
3.1 硝基酚类化合物
有效的硝基酚类化合物主要包括2,4-二硝基苯酚（DNP）、对硝基苯酚（pNP）、间硝基苯酚（mNP）、邻硝基苯酚（oNP）。
在实验室规模的活性污泥运行中，Low等[8,11,12,18]研究表明，当pNP浓度达到120mgL-1时，系统的生物产量将减少49%，总培养基去除率下降25%，在该条件下，可以达到无剩余污泥产生的效果；当pNP浓度为100 mgL-1时，剩余污泥产量可以减少62%。用16sRNA-PCR放大技术和变性梯度凝胶电泳技术（DGGE）对生物种群分析发现，加入pNP后，生物种群的带发生了变化。显微镜观测显示，pNP投加之前，微生物主要以密集的絮体占优势，很少有丝状菌，污泥絮体中包含有径的和游泳型纤毛原生动物。在投加pNP（浓度为100 mgL-1）2天后，通过显微镜观察不到系统中有原生动物存在，丝状菌增殖，优势种群也发生了连续的转变。同时，基质利用率和生物增长率有明显的升高，反应器中有机碳浓度增加，平均污泥产率下降了30%[13].
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200608/8702.htm
也许您还喜欢阅读：