微生物菌劑在污泥減量中的應用

目前，污泥源頭減量技術主要有解偶聯(lián)技術、隱性生長技術、生物捕食技術和生物強化技術（通過投加微生物菌劑的方式）。其中，微生物菌劑強化污泥減量技術是將具有自我消化量大和產酶能力強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。該技術具有前期投資省、不新增建設用地、無需大改大建、不增加或改變原有污水處理工藝和運行方式、操作簡便易行、反應條件溫和、無二次污染等優(yōu)點，但存在減量效果不穩(wěn)定、機理不明確，以及對該技術當前存在問題認識不全面等缺點。因此，有必要針對當前的研究與應用現狀進行系統(tǒng)性梳理，為進一步推動微生物菌劑在污泥減量中的應用提供參考和指引。

1、微生物菌劑的作用原理

傳統(tǒng)微生物學研究證明，在功能微生物方面，微生物菌劑可以強化脫氮固磷和污染物去除能力強的微生物的優(yōu)勢地位，并保持穩(wěn)定，保障污染物的高效去除，降低污泥產率；在功能酶活力方面，可以強化酶的分泌，提升脫氫酶、淀粉酶及蛋白酶含量，同時改善內源呼吸速率、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的指標。

近年來，基于現代高通量測序技術的深入研究，發(fā)現微生物菌劑可以通過兩方面作用強化污泥減量：一是菌劑中的乳桿菌屬和醋酸菌屬等功能微生物可強化污泥水解酸化，加速有機質的分解和礦化，減小污泥產量；二是通過分泌抗生素等胞外物質直接作用或通過改變pH等生存環(huán)境，促進或抑制反應體系中其他微生物的生長，提升功能菌的比例和降解酶的活力，從而減小污泥產量。其中，微生物菌劑主要通過對原始環(huán)境中微生物群落的刺激作用來促進污泥減量，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。這些機理的揭示對認識微生物菌劑的環(huán)境作用非常重要，但尚未指導形成新的技術，因為還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使用和減量穩(wěn)效奠定理論基礎。

2、微生物菌劑的種類

目前已報道的菌株信息見表1。

研究機構研發(fā)的微生物菌劑產品多為復合菌劑，這是因為一般情況下復合菌劑比單一菌劑的污泥減量效果更好，因此，目前對單一菌株的污泥減量效果的數據報道較少，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非常重要，它可為微生物菌劑的復配提供依據。

同時，雖然國內的微生物菌劑污泥減量技術已有十余年的發(fā)展，但通過自主研發(fā)形成的菌劑產品并不多，推向市場應用且獲得認可的更少。筆者搜集了目前報道的微生物菌劑商品，詳見表2。

李明智等對市面上具有代表性的15種水處理微生物菌劑產品進行了篩選和鑒定，這些商品化的微生物菌劑大多數含有芽孢桿菌和酵母菌等，相似度非常高，并指出國產品牌多以EM菌為基礎與其他菌株復配而成。鄭海良等也得到了類似的研究結果?？梢?，商品化微生物菌劑的“同質化”現象十分嚴重。這與微生物資源豐富的多樣性不匹配，亟待開發(fā)“嶄新”的微生物菌劑產品。

3、微生物強化技術的小、中試研究

近10年來，已有一些微生物菌劑應用于不同規(guī)模污泥減量的研究報道，且開展了不同水量和水質（模擬污水與實際污水）、不同反應器系統(tǒng)（SBR、A/O、MBR）、不同制劑投加參數（連續(xù)/間歇和投加比例等）的試驗，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，當菌劑投加量為處理水量的0.1%時，混合菌的污水處理和污泥減量效果最好，污泥減量達到6%，出水水質達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918―2002）二級標準。儲金宇等研究了菌劑投量對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%，出水污染物指標值明顯降低，且浮游生物數量分別提高了33.64%和32.71%、后生動物數量分別提高了19.3%和22.1%，說明微生物菌劑增強了污泥中的生態(tài)鏈，加大了能量損耗，使污泥產量得到了削減。王敏等在重慶長壽污水廠的5m3中試曝氣池裝置（2套）中進行了試驗研究，開始的8d內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)現連續(xù)運行78d后，污泥減量率分別達到81.76%和89.18%，未對出水COD、NH3-N、TN和TP造成不良影響，相反還能改善對其去除效果。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合微生物菌劑1L和2L（相當于處理水量的0.02%和0.04%），連續(xù)運行45d后，兩裝置仍然可以不用排泥，且對出水水質無影響，不會增加處理系統(tǒng)的總動力消耗，而未投加菌劑對照組每周必須排泥一次。李明智等在兩套平行運行的A2O裝置（污水處理規(guī)模為7.2～14.4m3/d）中進行了菌劑作用試驗研究，其中向組1的兼氧池和增設的污泥消化池中分別投加MEMA1和MEMA2，組2為不加菌劑、不增設消化池對照組，開始7d內每天投加菌劑，以后兼氧池每月一次、消化池每周一次，結果表明，組1的污泥排放量較組2減少了53.1%，污泥增長速率顯著下降，出水COD、NH3-N、TN指標得到優(yōu)化，活性污泥的聚磷能力提高，可在不影響主要出水指標的條件下實現污泥原位減量。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，考察了三種運行工況下的污泥減量效果，發(fā)現在高污泥濃度和長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，但均達到排放標準，同時還初步揭示了其機制是菌劑促進了污泥溶解、提高了代謝能力和內源呼吸活性。

另外，有學者嘗試將微生物強化技術與其他污泥原位減量技術進行耦合，借助協(xié)同效應進一步提高污泥減量效果。何偉等在處理生活污水的SBR反應器（有效容積為60L）中，耦合使用EM菌微生物強化和物理溶胞隱性生長技術，發(fā)現污泥減量效果比單一的隱性生長明顯提高，在菌劑配合使用量為0.005%時污泥減量達到60%，效果顯著，且出水水質提高到一級A標準。香杰新等在處理校園生活污水的MBR反應器（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合菌液，發(fā)現污泥減量效果得到改善，對COD、NH3-N、TP的去除率也有提高，且MBR系統(tǒng)內的污泥濃度水平穩(wěn)定，避免了無機顆粒和難降解有機物的積累，表明投加菌劑有利于克服MBR單一污泥減量技術中存在的問題。

可以看出，微生物菌劑原位減量技術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，為此需要加強菌劑在污泥減量系統(tǒng)中的定殖周期、消長規(guī)律及其功能活性變化等方面的基礎研究。有趣的是，上述報道均為國內科技工作者的研究結果，國外研究相對較少。這可能是因為歐美發(fā)達國家已建有較完善的污泥處理處置工藝系統(tǒng)，通常會優(yōu)先考慮厭氧消化、好氧消化和堆肥甚至焚燒等技術手段，對污泥原位減量考慮較少；而我國尚未建立完善的污泥處理處置工藝系統(tǒng)，據此國情，污泥原位減量是值得研究和應用的重要技術手段。

4、微生物強化技術的現場應用

目前，微生物菌劑應用于污泥減量的現場報道還較少。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個月的投加多功能菌劑Tx-1的生產性試驗，結果表明：菌劑的投加明顯改善了污水處理效果，同時減少了污泥產量，降低了曝氣能耗；在不投加化學除磷藥劑的情況下，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基質去除速率常數，降低了污泥產率系數；同時，Tx-1體系中的活性污泥菌群結構發(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合微生物菌劑MCMP以降低剩余污泥產量，歷經長期的小試和中試研究，取得了良好的污泥減量效果；在此基礎上，于重慶市江津區(qū)的德感污水處理廠進行了生產性試驗。該污水處理廠2006年1月―5月的月平均處理水量為10×104m3，進水COD平均為232.6mg/L，出水COD平均為41mg/L，月平均污泥產量為5.55t，結果表明：在氧化溝的好氧段投加MCMP，當投加頻率為1次/月、投加量為日處理水量的0.005%時，污泥減量效果明顯，系統(tǒng)運行6個月未排剩余污泥；投加MCMP后不僅能保證污水處理廠的出水水質達到國標一級B標準，而且還強化了對氮、磷的去除效能。對于工業(yè)廢水，微生物菌劑也表現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%水量的復合菌劑，穩(wěn)定運行一年后與上一年度的污泥量進行比較以評價污泥減量效果。結果表明，投加菌劑后各項水質指標基本不受影響，生化系統(tǒng)污泥產率顯著減小，脫水污泥產量由實施前一年的10.34t/104m3下降至7.44t/104m3，實現污泥原位減量28%?？梢姡行У奈⑸锞鷦閷崿F污泥原位減量及污染物去除提供了解決途徑。

另外，有學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曝氣減量，通過分析比較，認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行因素的影響，抗沖擊能力較弱，需要對全流程進行精細化管理。同時，指出了需要注意的問題：①準確判斷當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)的日常運行及管理；②污泥減量效果與進水生化段的顆粒物濃度密切相關，進水SS濃度大幅波動會影響和破壞污泥減量效果，沉砂池、初沉池運行不良時慎用；③投加菌劑最好與MBBR、MBR等抗沖擊負荷能力強的工藝聯(lián)合使用。

值得指出的是，微生物菌劑僅能夠對其中的有機組分起到減量效果，因此需要結合污水廠的進水水質和各工藝單元的運行參數對菌劑的投加點、投加量進行合理選取，如視進水SS中的有機物含量確定是否在初沉池前添設投加點；當生化池污泥的有機組分含量過低時，菌劑的污泥減量效果有限等。

5、微生物強化技術的經濟可行性評價

由于微生物菌劑應用于污泥減量的工程案例有限，難以對微生物菌劑的經濟可行性作出準確評價。但已有實踐證明，從投入和產出（或節(jié)?。﹥蓚€方面綜合考慮，微生物菌劑具有經濟可行性。

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出。案例污水處理廠每天產生含水率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，其經濟性評價見表3。按月計，每月投入30萬元，則可節(jié)省49.26萬元，凈效益達到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行污泥減量的經濟可行性更為明顯。

同樣以處理規(guī)模為10×104m3/d的污水處理廠為例，評價不同污泥處理處置方式的經濟性，結果如表4所示。由表4可以看出，各種污泥處理處置方式的經濟性由好到差排序為：微生物菌劑污泥原位減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，在綜合考慮建設費用和運行費用投入后，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、結語

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

①需要進一步深入開展微生物菌劑減量機理的研究，包括投加菌劑在污泥減量系統(tǒng)中的定殖周期、消長規(guī)律及其功能活性變化等，為菌劑的精準使用和減量穩(wěn)效奠定理論基礎。

②復合微生物菌劑的研究與應用更受重視，但也必須加強針對污泥減量的微生物菌株庫的基礎建設，為微生物菌劑的復配提供依據，開發(fā)“嶄新”的微生物菌劑產品。

③微生物菌劑不僅可以實現污泥減量，還對出水水質表現出改善作用（占本研究所列參考文獻的60%，剩余40%則對出水水質無影響），這是其他污泥減量技術難以實現的，但其中作用原理尚需深入研究。

④關于微生物菌劑強化的污泥減量技術大多停留在中試水平，且運行周期一般僅2～8個月，缺乏大規(guī)模的長期運行實驗數據，限制了該技術的推廣應用。

今后應針對上述問題開展研究，促進微生物菌劑在污泥減量中的實際應用。微生物菌劑污泥原位減量技術可以從源頭控制污泥產量和改善出水水質，符合綠色、節(jié)能、減排的發(fā)展需求，具有較好的經濟、社會和環(huán)境效益，擁有很好的應用前景。目前，我國的污泥處理市場已逐步成熟壯大，且國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經濟發(fā)展規(guī)劃》提出，要運用功能微生物等現代生物技術，推動實現水體脫氮除磷和污泥利用處置，助力環(huán)境保護和污染治理。因此，未來微生物菌劑污泥原位減量技術將會進一步發(fā)展并占取一定的市場份額。（來源：仲愷農業(yè)工程學院資源與環(huán)境學院，廣東省農業(yè)產地環(huán)境污染防控工程技術研究中心，廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣州市廣環(huán)環(huán)?？萍加邢薰荆?/span>