微生物菌劑在污泥減量中的應(yīng)用

目前，污泥源頭減量技術(shù)主要有解偶聯(lián)技術(shù)、隱性生長(zhǎng)技術(shù)、生物捕食技術(shù)和生物強(qiáng)化技術(shù)（通過投加微生物菌劑的方式）。其中，微生物菌劑強(qiáng)化污泥減量技術(shù)是將具有自我消化量大和產(chǎn)酶能力強(qiáng)等特性的功能微生物菌劑投加到活性污泥中，從而減少污泥排放量的一種技術(shù)。該技術(shù)具有前期投資省、不新增建設(shè)用地、無需大改大建、不增加或改變?cè)形鬯幚砉に嚭瓦\(yùn)行方式、操作簡(jiǎn)便易行、反應(yīng)條件溫和、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但存在減量效果不穩(wěn)定、機(jī)理不明確，以及對(duì)該技術(shù)當(dāng)前存在問題認(rèn)識(shí)不全面等缺點(diǎn)。因此，有必要針對(duì)當(dāng)前的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，為進(jìn)一步推動(dòng)微生物菌劑在污泥減量中的應(yīng)用提供參考和指引。

1、微生物菌劑的作用原理

傳統(tǒng)微生物學(xué)研究證明，在功能微生物方面，微生物菌劑可以強(qiáng)化脫氮固磷和污染物去除能力強(qiáng)的微生物的優(yōu)勢(shì)地位，并保持穩(wěn)定，保障污染物的高效去除，降低污泥產(chǎn)率；在功能酶活力方面，可以強(qiáng)化酶的分泌，提升脫氫酶、淀粉酶及蛋白酶含量，同時(shí)改善內(nèi)源呼吸速率、EPS含量、系統(tǒng)的物種豐度和功能菌比例等與污泥減量密切相關(guān)的指標(biāo)。

近年來，基于現(xiàn)代高通量測(cè)序技術(shù)的深入研究，發(fā)現(xiàn)微生物菌劑可以通過兩方面作用強(qiáng)化污泥減量：一是菌劑中的乳桿菌屬和醋酸菌屬等功能微生物可強(qiáng)化污泥水解酸化，加速有機(jī)質(zhì)的分解和礦化，減小污泥產(chǎn)量；二是通過分泌抗生素等胞外物質(zhì)直接作用或通過改變pH等生存環(huán)境，促進(jìn)或抑制反應(yīng)體系中其他微生物的生長(zhǎng)，提升功能菌的比例和降解酶的活力，從而減小污泥產(chǎn)量。其中，微生物菌劑主要通過對(duì)原始環(huán)境中微生物群落的刺激作用來促進(jìn)污泥減量，而不是完全依賴自身的作用。因此，許多情況下菌劑投加量不需要太高。這些機(jī)理的揭示對(duì)認(rèn)識(shí)微生物菌劑的環(huán)境作用非常重要，但尚未指導(dǎo)形成新的技術(shù)，因?yàn)檫€有一些問題有待解決，包括菌劑在污泥減量系統(tǒng)中的定殖周期、消長(zhǎng)規(guī)律及其功能活性甚至功能基因變化等。這些問題的解決將為菌劑的精準(zhǔn)使用和減量穩(wěn)效奠定理論基礎(chǔ)。

2、微生物菌劑的種類

目前已報(bào)道的菌株信息見表1。

研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的微生物菌劑產(chǎn)品多為復(fù)合菌劑，這是因?yàn)橐话闱闆r下復(fù)合菌劑比單一菌劑的污泥減量效果更好，因此，目前對(duì)單一菌株的污泥減量效果的數(shù)據(jù)報(bào)道較少，且集中在厭氧消化等污泥末端減量（不屬于本研究討論的原位污泥減量范疇）。然而，微生物菌株的基本信息庫(kù)非常重要，它可為微生物菌劑的復(fù)配提供依據(jù)。

同時(shí)，雖然國(guó)內(nèi)的微生物菌劑污泥減量技術(shù)已有十余年的發(fā)展，但通過自主研發(fā)形成的菌劑產(chǎn)品并不多，推向市場(chǎng)應(yīng)用且獲得認(rèn)可的更少。筆者搜集了目前報(bào)道的微生物菌劑商品，詳見表2。

李明智等對(duì)市面上具有代表性的15種水處理微生物菌劑產(chǎn)品進(jìn)行了篩選和鑒定，這些商品化的微生物菌劑大多數(shù)含有芽孢桿菌和酵母菌等，相似度非常高，并指出國(guó)產(chǎn)品牌多以EM菌為基礎(chǔ)與其他菌株復(fù)配而成。鄭海良等也得到了類似的研究結(jié)果。可見，商品化微生物菌劑的“同質(zhì)化”現(xiàn)象十分嚴(yán)重。這與微生物資源豐富的多樣性不匹配，亟待開發(fā)“嶄新”的微生物菌劑產(chǎn)品。

3、微生物強(qiáng)化技術(shù)的小、中試研究

近10年來，已有一些微生物菌劑應(yīng)用于不同規(guī)模污泥減量的研究報(bào)道，且開展了不同水量和水質(zhì)（模擬污水與實(shí)際污水）、不同反應(yīng)器系統(tǒng)（SBR、A/O、MBR）、不同制劑投加參數(shù)（連續(xù)/間歇和投加比例等）的試驗(yàn)，污泥減量效果存在一定差異。蔡勛江等采用有效容積為3L的SBR反應(yīng)器處理校園生活污水，探討了投加EM菌、好氧菌及其混合菌的污泥減量效果，研究表明，當(dāng)菌劑投加量為處理水量的0.1%時(shí)，混合菌的污水處理和污泥減量效果最好，污泥減量達(dá)到6%，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918―2002）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。儲(chǔ)金宇等研究了菌劑投量對(duì)SBR系統(tǒng)（處理能力為0.5m3/d）污泥減量效果的影響，其中系統(tǒng)1未投加菌劑，為對(duì)照組，系統(tǒng)2、3菌劑投加量分別為處理水量的0.006%和0.012%。結(jié)果表明，系統(tǒng)2和3的排泥量比系統(tǒng)1分別減少了71.85%和74.42%，出水污染物指標(biāo)值明顯降低，且浮游生物數(shù)量分別提高了33.64%和32.71%、后生動(dòng)物數(shù)量分別提高了19.3%和22.1%，說明微生物菌劑增強(qiáng)了污泥中的生態(tài)鏈，加大了能量損耗，使污泥產(chǎn)量得到了削減。王敏等在重慶長(zhǎng)壽污水廠的5m3中試曝氣池裝置（2套）中進(jìn)行了試驗(yàn)研究，開始的8d內(nèi)液體菌劑的每日投加量分別為處理水量的0.005%和0.01%，以后每月投加一次，發(fā)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行78d后，污泥減量率分別達(dá)到81.76%和89.18%，未對(duì)出水COD、NH3-N、TN和TP造成不良影響，相反還能改善對(duì)其去除效果。李俊等在重慶幾江污水廠的5m3中試曝氣池裝置1和2中，每天分別投加多功能復(fù)合微生物菌劑1L和2L（相當(dāng)于處理水量的0.02%和0.04%），連續(xù)運(yùn)行45d后，兩裝置仍然可以不用排泥，且對(duì)出水水質(zhì)無影響，不會(huì)增加處理系統(tǒng)的總動(dòng)力消耗，而未投加菌劑對(duì)照組每周必須排泥一次。李明智等在兩套平行運(yùn)行的A2O裝置（污水處理規(guī)模為7.2～14.4m3/d）中進(jìn)行了菌劑作用試驗(yàn)研究，其中向組1的兼氧池和增設(shè)的污泥消化池中分別投加MEMA1和MEMA2，組2為不加菌劑、不增設(shè)消化池對(duì)照組，開始7d內(nèi)每天投加菌劑，以后兼氧池每月一次、消化池每周一次，結(jié)果表明，組1的污泥排放量較組2減少了53.1%，污泥增長(zhǎng)速率顯著下降，出水COD、NH3-N、TN指標(biāo)得到優(yōu)化，活性污泥的聚磷能力提高，可在不影響主要出水指標(biāo)的條件下實(shí)現(xiàn)污泥原位減量。朱佳等在處理規(guī)模為240m3/d的A/O裝置中，向厭氧區(qū)一次性投加日處理水量0.04%的某環(huán)保公司菌劑，考察了三種運(yùn)行工況下的污泥減量效果，發(fā)現(xiàn)在高污泥濃度和長(zhǎng)污泥齡下取得了更好的污泥減量效果，由原來的26.26%分別提高到30.66%和27.44%，出水SS、COD、BOD5、TN、NH3-N等指標(biāo)得到優(yōu)化，而TP去除率下降，污泥沉降性能變好，排泥中的重金屬、石油類和氰化物均有不同程度的增加，但均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還初步揭示了其機(jī)制是菌劑促進(jìn)了污泥溶解、提高了代謝能力和內(nèi)源呼吸活性。

另外，有學(xué)者嘗試將微生物強(qiáng)化技術(shù)與其他污泥原位減量技術(shù)進(jìn)行耦合，借助協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步提高污泥減量效果。何偉等在處理生活污水的SBR反應(yīng)器（有效容積為60L）中，耦合使用EM菌微生物強(qiáng)化和物理溶胞隱性生長(zhǎng)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)污泥減量效果比單一的隱性生長(zhǎng)明顯提高，在菌劑配合使用量為0.005%時(shí)污泥減量達(dá)到60%，效果顯著，且出水水質(zhì)提高到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。香杰新等在處理校園生活污水的MBR反應(yīng)器（有效容積0.4m3）中，耦合使用自主研發(fā)的來源于活性污泥的復(fù)合菌液，發(fā)現(xiàn)污泥減量效果得到改善，對(duì)COD、NH3-N、TP的去除率也有提高，且MBR系統(tǒng)內(nèi)的污泥濃度水平穩(wěn)定，避免了無機(jī)顆粒和難降解有機(jī)物的積累，表明投加菌劑有利于克服MBR單一污泥減量技術(shù)中存在的問題。

可以看出，微生物菌劑原位減量技術(shù)為解決污泥問題提供了可能，但在減量效果的穩(wěn)定性方面有待提高，為此需要加強(qiáng)菌劑在污泥減量系統(tǒng)中的定殖周期、消長(zhǎng)規(guī)律及其功能活性變化等方面的基礎(chǔ)研究。有趣的是，上述報(bào)道均為國(guó)內(nèi)科技工作者的研究結(jié)果，國(guó)外研究相對(duì)較少。這可能是因?yàn)闅W美發(fā)達(dá)國(guó)家已建有較完善的污泥處理處置工藝系統(tǒng)，通常會(huì)優(yōu)先考慮厭氧消化、好氧消化和堆肥甚至焚燒等技術(shù)手段，對(duì)污泥原位減量考慮較少；而我國(guó)尚未建立完善的污泥處理處置工藝系統(tǒng)，據(jù)此國(guó)情，污泥原位減量是值得研究和應(yīng)用的重要技術(shù)手段。

4、微生物強(qiáng)化技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，微生物菌劑應(yīng)用于污泥減量的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)道還較少。Xie等在處理規(guī)模為2.3×104m3/d的A/O污水處理線上，開展了為期8個(gè)月的投加多功能菌劑Tx-1的生產(chǎn)性試驗(yàn)，結(jié)果表明：菌劑的投加明顯改善了污水處理效果，同時(shí)減少了污泥產(chǎn)量，降低了曝氣能耗；在不投加化學(xué)除磷藥劑的情況下，出水TP<0.5mg/L；外排絕干泥量由1.4t/104m3下降到0.5t/104m3，減量率達(dá)64.3%；曝氣量由6.0m3/m3下降到5.1m3/m3，電耗由0.412～0.425kW?h/m3下降至0.331kW?h/m3；Tx-1提高了活性污泥的一級(jí)基質(zhì)去除速率常數(shù)，降低了污泥產(chǎn)率系數(shù)；同時(shí)，Tx-1體系中的活性污泥菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，生物多樣性增加，其中2種聚磷菌Comamonadaceae和Tetrasphaera的豐度明顯增加。李俊等在曝氣池中投加多功能復(fù)合微生物菌劑MCMP以降低剩余污泥產(chǎn)量，歷經(jīng)長(zhǎng)期的小試和中試研究，取得了良好的污泥減量效果；在此基礎(chǔ)上，于重慶市江津區(qū)的德感污水處理廠進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)。該污水處理廠2006年1月―5月的月平均處理水量為10×104m3，進(jìn)水COD平均為232.6mg/L，出水COD平均為41mg/L，月平均污泥產(chǎn)量為5.55t，結(jié)果表明：在氧化溝的好氧段投加MCMP，當(dāng)投加頻率為1次/月、投加量為日處理水量的0.005%時(shí)，污泥減量效果明顯，系統(tǒng)運(yùn)行6個(gè)月未排剩余污泥；投加MCMP后不僅能保證污水處理廠的出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)標(biāo)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，而且還強(qiáng)化了對(duì)氮、磷的去除效能。對(duì)于工業(yè)廢水，微生物菌劑也表現(xiàn)出了明顯的污泥減量效果。徐佳佳等在印染廢水處理規(guī)模為（1.3～1.5）×104m3/d的淺層氣浮―水解―NSBR―高密度澄清池―納管處理工藝系統(tǒng)的好氧池入口處，投加0.0001%～0.001%水量的復(fù)合菌劑，穩(wěn)定運(yùn)行一年后與上一年度的污泥量進(jìn)行比較以評(píng)價(jià)污泥減量效果。結(jié)果表明，投加菌劑后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)基本不受影響，生化系統(tǒng)污泥產(chǎn)率顯著減小，脫水污泥產(chǎn)量由實(shí)施前一年的10.34t/104m3下降至7.44t/104m3，實(shí)現(xiàn)污泥原位減量28%?？梢姡行У奈⑸锞鷦閷?shí)現(xiàn)污泥原位減量及污染物去除提供了解決途徑。

另外，有學(xué)者在無錫市蘆村污水處理廠（A2/O工藝，10×104m3/d規(guī)模）中開展了多項(xiàng)污泥原位減量化研究，包括生物菌劑減量、好氧沉淀工藝減量和延時(shí)曝氣減量，通過分析比較，認(rèn)為生物菌劑減量的效果最明顯，且使用成本可接受，但其減量效果受到多種工藝運(yùn)行因素的影響，抗沖擊能力較弱，需要對(duì)全流程進(jìn)行精細(xì)化管理。同時(shí)，指出了需要注意的問題：①準(zhǔn)確判斷當(dāng)前處理工藝是否適合添加微生物菌劑，其污泥減量需要整體工藝良好和連續(xù)的日常運(yùn)行及管理；②污泥減量效果與進(jìn)水生化段的顆粒物濃度密切相關(guān)，進(jìn)水SS濃度大幅波動(dòng)會(huì)影響和破壞污泥減量效果，沉砂池、初沉池運(yùn)行不良時(shí)慎用；③投加菌劑最好與MBBR、MBR等抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的工藝聯(lián)合使用。

值得指出的是，微生物菌劑僅能夠?qū)ζ渲械挠袡C(jī)組分起到減量效果，因此需要結(jié)合污水廠的進(jìn)水水質(zhì)和各工藝單元的運(yùn)行參數(shù)對(duì)菌劑的投加點(diǎn)、投加量進(jìn)行合理選取，如視進(jìn)水SS中的有機(jī)物含量確定是否在初沉池前添設(shè)投加點(diǎn)；當(dāng)生化池污泥的有機(jī)組分含量過低時(shí)，菌劑的污泥減量效果有限等。

5、微生物強(qiáng)化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)價(jià)

由于微生物菌劑應(yīng)用于污泥減量的工程案例有限，難以對(duì)微生物菌劑的經(jīng)濟(jì)可行性作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。但已有實(shí)踐證明，從投入和產(chǎn)出（或節(jié)省）兩個(gè)方面綜合考慮，微生物菌劑具有經(jīng)濟(jì)可行性。

以處理規(guī)模為10×104m3/d的污水處理廠為例，分析微生物菌劑污泥減量的投入與產(chǎn)出。案例污水處理廠每天產(chǎn)生含水率80%的剩余污泥量為50m3，按使用微生物菌劑后的污泥減量率為50%（一般為20%～70%），即25m3計(jì)，其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)見表3。按月計(jì)，每月投入30萬元，則可節(jié)省49.26萬元，凈效益達(dá)到19.26萬元。

與污泥填埋、污泥焚燒、污泥厭氧消化、污泥堆肥等常見污泥處理處置方式相比，采用微生物菌劑方式進(jìn)行污泥減量的經(jīng)濟(jì)可行性更為明顯。

同樣以處理規(guī)模為10×104m3/d的污水處理廠為例，評(píng)價(jià)不同污泥處理處置方式的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，各種污泥處理處置方式的經(jīng)濟(jì)性由好到差排序?yàn)椋何⑸锞鷦┪勰嘣粶p量污泥堆肥污泥厭氧消化污泥填埋污泥焚燒。值得指出的是，在綜合考慮建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用投入后，僅有微生物菌劑污泥原位減量處理處置方式的凈效益為正值。

6、結(jié)語(yǔ)

總體看來，微生物菌劑的污泥減量效果顯著，且具有明顯的經(jīng)濟(jì)可行性，對(duì)于其未來的發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)思考：

①需要進(jìn)一步深入開展微生物菌劑減量機(jī)理的研究，包括投加菌劑在污泥減量系統(tǒng)中的定殖周期、消長(zhǎng)規(guī)律及其功能活性變化等，為菌劑的精準(zhǔn)使用和減量穩(wěn)效奠定理論基礎(chǔ)。

②復(fù)合微生物菌劑的研究與應(yīng)用更受重視，但也必須加強(qiáng)針對(duì)污泥減量的微生物菌株庫(kù)的基礎(chǔ)建設(shè)，為微生物菌劑的復(fù)配提供依據(jù)，開發(fā)“嶄新”的微生物菌劑產(chǎn)品。

③微生物菌劑不僅可以實(shí)現(xiàn)污泥減量，還對(duì)出水水質(zhì)表現(xiàn)出改善作用（占本研究所列參考文獻(xiàn)的60%，剩余40%則對(duì)出水水質(zhì)無影響），這是其他污泥減量技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的，但其中作用原理尚需深入研究。

④關(guān)于微生物菌劑強(qiáng)化的污泥減量技術(shù)大多停留在中試水平，且運(yùn)行周期一般僅2～8個(gè)月，缺乏大規(guī)模的長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

今后應(yīng)針對(duì)上述問題開展研究，促進(jìn)微生物菌劑在污泥減量中的實(shí)際應(yīng)用。微生物菌劑污泥原位減量技術(shù)可以從源頭控制污泥產(chǎn)量和改善出水水質(zhì)，符合綠色、節(jié)能、減排的發(fā)展需求，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，擁有很好的應(yīng)用前景。目前，我國(guó)的污泥處理市場(chǎng)已逐步成熟壯大，且國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出，要運(yùn)用功能微生物等現(xiàn)代生物技術(shù)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)水體脫氮除磷和污泥利用處置，助力環(huán)境保護(hù)和污染治理。因此，未來微生物菌劑污泥原位減量技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展并占取一定的市場(chǎng)份額。（來源：仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣東省農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境污染防控工程技術(shù)研究中心，廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣州市廣環(huán)環(huán)保科技有限公司）