促污泥原位減量技術(shù)

剩余污泥含有大量病原菌、寄生蟲卵、病毒及重金屬離子等，如不加處理就任意堆放或不當(dāng)排放，不但會對社會秩序造成嚴(yán)重的損害，還會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。而傳統(tǒng)剩余污泥處理多著眼于焚燒、填埋等末端治理方法，在耗資巨大（占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的25%~60%）的同時(shí)，還面臨一系列政策、環(huán)境和技術(shù)問題。因此，污泥的處理與處置已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域的一大難題。解決此問題的關(guān)鍵不僅是優(yōu)化剩余污泥的處理處置技術(shù)，更重要的是結(jié)合污水處理過程中的污泥原位減量技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合整治。污泥減量，即在保證污水處理效果的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)手段降低處理等量污水所產(chǎn)生的污泥量?，F(xiàn)階段主流污泥原位減量技術(shù)的理論基礎(chǔ)主要為溶胞-隱性生長、代謝解偶聯(lián)和原后生動(dòng)物捕食，大多通過影響微生物生長的三個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：①降低微生物的真實(shí)產(chǎn)率；②增加微生物的自身衰亡速率；③強(qiáng)化污泥的自身水解效率。酶是具有催化作用的蛋白質(zhì)，能夠有效水解細(xì)菌細(xì)胞，降低污泥含固量，促進(jìn)隱性增長型污泥減量。除此之外，酶還能促進(jìn)大分子難降解有機(jī)物的分解，提高出水水質(zhì)。因此，眾多學(xué)者對酶促污泥原位減量進(jìn)行了廣泛研究，并取得一系列成果。為此，綜述近20年在酶促污泥減量方面的成果，對污泥原生酶進(jìn)行分類整理，概述了酶的位置、作用、影響因素及強(qiáng)化方式，比較全面地介紹了酶的特征，并提出了其規(guī)范性和可借鑒之處。

1、活性污泥原生胞外酶的作用

活性較好的污泥主要由活性微生物、活性微生物表面的胞外聚合物（EPS）、吸附在EPS上的微生物氧化殘余物、吸附在活性污泥表面的尚未降解或難以降解的有機(jī)物和無機(jī)物等四部分組成，活性污泥法處理污水的過程實(shí)質(zhì)上就是活性微生物對污染物的降解過程。由于細(xì)胞膜的選擇通過性，活性污泥中大部分原核微生物及部分真核微生物只能直接利用分子質(zhì)量活性污泥的減量離不開胞外酶的參與。活性微生物在外界環(huán)境中基質(zhì)匱乏時(shí)，以其自身為底物進(jìn)行新陳代謝，細(xì)胞貯存的有機(jī)物會隨微生物的生長循環(huán)而以二氧化碳的形式進(jìn)入大氣，總碳含量降低，污泥產(chǎn)生量也會隨之減少，稱之為內(nèi)源衰減；而在基質(zhì)匱乏時(shí)部分活性污泥中的微生物進(jìn)入程序化死亡，殘留物質(zhì)在胞外酶的參與下完成水解作用（隱性增長的限速步驟），進(jìn)而被微生物攝取、利用等。這種微生物靠死亡微生物殘留有機(jī)物生長的形式為隱性生長（污泥減量的一種方式）。其中死亡微生物殘留物質(zhì)并不能在胞外酶的作用下完成水解是隱性增長的限速步驟，也是關(guān)鍵步驟。

胞外酶是水解的主要作用體，直接決定水解速度的大小。胞外酶是一類由大量混合菌群分泌或釋放的包含不同類別的綜合酶，其包括蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等，是污泥絮體解聚、氧化和水解過程的首要作用者，也是大分子有機(jī)質(zhì)降解及轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。通過胞外酶作用，活性污泥中某些難溶性大分子有機(jī)物會被水解為小分子物質(zhì)及生物易降解成分，如蛋白質(zhì)可以被轉(zhuǎn)化為多肽、二肽、氨基酸等，氨基酸則可以被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為低分子有機(jī)酸、氨和二氧化碳等。

2、活性污泥原生胞外酶的主要分類

2.1 溶菌酶

破解死亡微生物的細(xì)胞膜并釋放胞內(nèi)物是隱性生長-污泥減量的一個(gè)關(guān)鍵所在。溶菌酶是一種能以細(xì)胞壁中黏多糖為底物的糖苷水解酶，又稱胞壁質(zhì)酶或N-乙酰胞壁質(zhì)聚糖水解酶。其主要通過破壞細(xì)胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖之間的β-1，4糖苷鍵，使細(xì)胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，進(jìn)而細(xì)胞壁破裂而使細(xì)菌溶解。溶菌酶不僅具有溶胞效果，同時(shí)還具有降解大分子有機(jī)物的能力，與蛋白酶和淀粉酶相比，溶菌酶對微生物細(xì)胞壁的分解能力更強(qiáng)。因此將溶菌酶用于污泥預(yù)處理，可有效裂解細(xì)胞，溶解污泥。Song等發(fā)現(xiàn)，通過溶菌酶作用，SBR反應(yīng)器中的剩余污泥產(chǎn)量減量率可高達(dá)100%。Lakshmi等從污泥（WAS）中分離出Jerish03和Jerish04兩種具備溶菌酶分泌能力的芽孢桿菌屬菌，并將其用于污泥預(yù)處理，與對照組相比，Jerish03和Jerish04處理污泥后可使SCOD分別增加29%和28.5%。He等研究證實(shí)，溶菌酶可快速提高污泥溶解率（4h內(nèi)），與對照相比，SCOD增加比率可提高近30%。而Chen等發(fā)現(xiàn)溶菌酶預(yù)處理不僅能夠改善污泥的水解作用，還能嵌入EPS，促進(jìn)EPS的溶解。

2.2 蛋白酶

蛋白質(zhì)是生物體中廣泛存在的以氨基酸為基本單位的生物大分子物質(zhì)，在活性污泥中主要存在于微生物細(xì)胞及EPS中，是活性污泥主要成分之一，占活性污泥總量的60%～70％。蛋白質(zhì)的水解及轉(zhuǎn)化主要依靠蛋白酶活性，蛋白酶具有催化肽鍵的水解特性，可將蛋白質(zhì)降解為小分子的多肽或氨基酸等，為下一步被微生物利用做準(zhǔn)備。除水解蛋白質(zhì)之外，部分蛋白酶還會攻擊和破壞微生物細(xì)胞壁，并降解細(xì)胞死亡所釋放的胞內(nèi)蛋白。Parawira等認(rèn)為蛋白酶催化肽鍵斷裂是污泥裂解過程中主要的酶反應(yīng)，蛋白酶活性對污泥減量至關(guān)重要。Wang等驗(yàn)證了蛋白酶等強(qiáng)化污泥水解的效果。張宇等發(fā)現(xiàn)經(jīng)蛋白酶處理后，污泥減量效果提高至28.8%?？傮w來說，蛋白酶不僅可以強(qiáng)化污泥減量效果，還具有一定的水質(zhì)改善功能。目前發(fā)現(xiàn)的具有蛋白酶分泌功能的菌種有部分細(xì)菌及絲狀真菌，如不動(dòng)桿菌屬的Raoultella和Pandoraea等。

2.3 纖維素酶

蛋白質(zhì)與碳水化合物是活性污泥中的兩大主要成分，而纖維素是碳水化合物中分布最廣、含量最多的一類多糖，大量存在于污水處理廠活性污泥的部分微生物中。纖維素降解酶是一種高效復(fù)合酶，主要包括內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β葡萄糖苷酶等，具有強(qiáng)化污泥水解的能力，主要來源為絲狀真菌，如木霉屬、曲霉屬、青霉屬、根霉屬及漆斑霉屬等。

2.4 脂肪酶

活性污泥中除蛋白質(zhì)（占60%～70%）和碳水化合物（占7%～10%）外，還含有一定量的脂肪。脂肪分子質(zhì)量大，很難被直接分解或利用，但可在脂肪酶的作用下進(jìn)行水解。脂肪酶不僅可以催化脂肪，還具備多種催化效果，如催化三酰甘油酯及其他一些脂溶性酯類的水解、醇解、酯化及轉(zhuǎn)酯化等。Okwute等研究發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌、枯草芽孢桿菌和白色念珠菌是棕櫚油廠廢水的良好降解物，所產(chǎn)生的酶（脂肪酶）能夠催化油污中復(fù)雜底物的分解；Suganthi等基于Shewanallachilikensis、Bacillusfirmus及Halomonashamiltonii組成的微生物群對油泥進(jìn)行生物降解，發(fā)現(xiàn)該微生物群產(chǎn)生的脂肪酶含量為80U/mL，能夠有效催化油泥，并去除了96%的石油烴。張宇等利用檸檬酸結(jié)合酶制劑對活性污泥增溶及減量效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)脂肪酶處理后，污泥減量效果提高至20.8%。雖然脂肪在污泥中含量較少，但脂肪的破壞易引發(fā)污泥水解的連鎖反應(yīng)，脂肪酶在污泥減量方面具有很大的潛力。已公布的具有脂肪酶分泌能力的菌類有33種，其中絲狀真菌18種，細(xì)菌7種。

3、活性污泥原生胞外酶的分布

3.1 胞外酶分布

胞外酶在活性污泥上清液中的酶活性可近似忽略不計(jì)，其主要通過吸附作用貯存在微生物細(xì)胞表面或嵌入EPS聚合體。Goel等分析了活性污泥混合液、離心污泥混合液上清液及25～30W超聲波處理5min并離心的污泥混合液上清液中的堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、蛋白酶及α-葡萄糖苷酶的活性，發(fā)現(xiàn)離心污泥混合液上清液中未檢測出酶活性，而EPS中堿性磷酸酶、酸性磷酸酶和蛋白酶的最大活性分別相當(dāng)于活性污泥混合液中酶總活性的33%、47%和98%，并認(rèn)為活性污泥胞外酶主要貯存于胞外聚合物（EPS）中，這與以往一些學(xué)者的研究相似，同時(shí)也契合了EPS的主要成分；Nielsen等通過ELF（enzymelinkedfluorescence）技術(shù)確認(rèn)活性污泥中的胞外酶部分貯存于EPS，部分吸附于微生物細(xì)胞表面。Kloeke等測算出位于EPS中的胞外酶約占酶總活性的5%～44%，而吸附于微生物細(xì)胞表面的酶活性約占酶總活性的56%～95%。胞外酶的這種分布模式有助于活性污泥降解污染物，主要體現(xiàn)在：①胞外酶停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間等長，有利于大分子有機(jī)物的擴(kuò)散和水解；②EPS給酶活性累積創(chuàng)造了良好的內(nèi)部環(huán)境；③可在EPS中完成對大分子有機(jī)物的水解，并就近供給微生物。但不利的是，在這種分布模式下，由于受到EPS的束縛和保護(hù)作用，胞外酶很難與死亡微生物進(jìn)行充分接觸，因而其殘留物的水解效率較低，進(jìn)而降低了隱性生長-污泥減量效率。

3.2 活性污泥原生胞外酶與EPS的交互性

胞外酶主要分布在污泥絮體及微生物細(xì)胞表面，大多數(shù)難溶性有機(jī)物在胞外酶的作用下首先在EPS內(nèi)被水解為小分子易降解物質(zhì)，其次就近被微生物攝取利用。因此，EPS對胞外酶的活性具有至關(guān)重要的影響。EPS是吸附于微生物細(xì)胞表面的由某一生長階段微生物細(xì)胞分泌或釋放的具有絮凝性質(zhì)的高分子物質(zhì)，其主要成分為多糖、蛋白質(zhì)、腐殖酸、糖醛酸、酯類及其他非確定成分等，可生物降解性差，BOD5/COD值僅在0.1左右。EPS一般具有兩種形態(tài)，一種是以膠體或溶解態(tài)松散存在于液相主體中的黏性聚合物，即溶解性EPS，另一種是附著于微生物表面的包囊聚合物，即附著性EPS，附著性EPS又可根據(jù)吸附在細(xì)胞表面的緊密程度分為松散附著型EPS和緊密附著型EPS。EPS在胞外酶水解大分子有機(jī)物的過程中具有重要的生化作用。首先，EPS可以作為活性微生物與外界環(huán)境接觸的中間介質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)和能量傳輸；其次，在物質(zhì)傳輸過程中EPS可以作為胞外酶水解大分子有機(jī)物的重要場所；再次，EPS可以抵御重金屬或有毒物質(zhì)等對酶及細(xì)胞的侵害。但是正因?yàn)?/span>EPS的這種工作機(jī)制，胞外酶往往被EPS吸附、包埋及束縛，降低了酶與底物的接觸效率，進(jìn)而影響胞外酶對大分子物質(zhì)的水解速率。Degeest等認(rèn)為EPS會降低底物在絮體中的擴(kuò)散效率，阻礙底物與胞外酶的接觸范圍。Dey等通過加入陽離子結(jié)合劑打散EPS后發(fā)現(xiàn)，其對蛋白質(zhì)、碳水化合物和腐殖質(zhì)等的降解速率均有顯著提高。但是打散EPS已經(jīng)破壞了污泥的原始結(jié)構(gòu)，在這種分布模式下，必然會影響活性污泥工藝的出水水質(zhì)。因此，如何在不打散EPS的條件下，提高污泥中大分子物質(zhì)的水解效率，是一個(gè)關(guān)鍵的問題。

4、活性污泥原生胞外酶水解效率強(qiáng)化方式

由于EPS對胞外酶的包裹作用，胞外酶的活性得不到充分發(fā)揮，僅依靠酶促污泥裂解效率較低。因此實(shí)際工程中往往采用多種溶胞工藝的聯(lián)合應(yīng)用方式。

4.1 復(fù)合酶作用

雖然各類胞外酶對污泥減量均有一定的促進(jìn)作用，但活性污泥是蛋白質(zhì)、碳水化合物及脂肪等共同組成的綜合體，因此各類酶之間的復(fù)合更有利于污泥減量效率的提升。楊秀清等通過對絲狀真菌的混合培養(yǎng)，認(rèn)為混合菌群分泌的胞外酶發(fā)生疊加作用，可以提高對難溶性物質(zhì)的降解速率。Rahman等通過對比Penicilliumcorylophilum及Aspergillusniger的混合培養(yǎng)與單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了胞外酶的疊加強(qiáng)化作用。

4.2 中低強(qiáng)度的超聲波

超聲波是一種彈性機(jī)械波，作為一種物理能量形式，近年來被廣泛應(yīng)用于污泥減量處理領(lǐng)域。超聲波可以通過空化作用產(chǎn)生的剪切力和局部高溫（5000K）和高壓（180MPa）破壞EPS和微生物細(xì)胞壁，并催化活性自由基形成，具有促進(jìn)污泥解體、強(qiáng)化胞外酶水解效率的功能。但是高頻超聲波膨脹相的時(shí)間短，難以誘發(fā)空化核增長至空化泡，或空化泡形成后易崩潰，頻率過高不利于超聲空化作用產(chǎn)生。因此，常利用中低強(qiáng)度超聲波促進(jìn)污泥水解，在低強(qiáng)度范圍內(nèi)，超聲波即可有效提高酶活性、促進(jìn)生物體細(xì)胞的生長和代謝。Wang等的試驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)酶活性與超聲波輻射功率呈正相關(guān)關(guān)系，超聲功率每增加10W，酶活性提高20％左右。同時(shí)超聲波在介質(zhì)中傳播，可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，有效促進(jìn)有機(jī)物的擴(kuò)散和傳輸，增加底物與酶的互動(dòng)性強(qiáng)度，提高了酶反應(yīng)活性。謝敏等研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度的超聲波能夠通過破壞污泥的結(jié)構(gòu)從而改變污泥的絮體形態(tài)和污泥的活性，增強(qiáng)污泥的流變性并提高酶活性。Schl?fer等則對低強(qiáng)度超聲輻射下的微生物細(xì)胞膜通透性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度超聲輻射可提高微生物細(xì)胞分泌胞外酶能力，并強(qiáng)化酶對有機(jī)物的水解能力。Zhang等研究了超聲波輻照時(shí)間對胞外酶活性的作用，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)短時(shí)間的超聲波輻射后，微生物細(xì)胞因超聲波機(jī)械剪切力形成微創(chuàng)，并激發(fā)其自身防御效應(yīng)，強(qiáng)化微生物胞外酶分泌量，水解能力增強(qiáng)。

4.3 輻射

輻射技術(shù)用于污泥處理是近些年來才出現(xiàn)的新熱點(diǎn)，其可以氧化有機(jī)污染物、增強(qiáng)難溶性物質(zhì)的可溶性、提高污泥降解效率、滅活污泥中的病原體、去除異味，并對酶的活性造成一定影響。采用輻射+酶的聯(lián)合方式可直接破壞絮體乃至細(xì)胞壁，釋放其中的胞內(nèi)物質(zhì)，提高胞外酶與底物的接觸概率，輻射作用也會導(dǎo)致部分酶的輕微失活，但總的來說提高了污泥的液化效率。Kim等采用γ-射線輻照活性污泥，發(fā)現(xiàn)經(jīng)一段時(shí)間的輻射后活性污泥絮體被打破，蛋白質(zhì)及碳水化合物等被釋放，提高了酶與底物的有效接觸率。Chu等發(fā)現(xiàn)經(jīng)γ射線輻照后，污泥出現(xiàn)液化現(xiàn)象，并有蛋白質(zhì)、多糖和胞外酶等的釋放，其作用似乎與超聲波類似，但經(jīng)活性測試后發(fā)現(xiàn)蛋白酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫在輻射過程中會輕微失活?？傮w上來說，適度的輻射對酶促污泥裂解有一定的促進(jìn)作用。

4.4 低溫?zé)峤?/span>

污泥熱處理相對其他方式來說是一個(gè)簡單而實(shí)用的污泥裂解方式，其基本原理是在高溫作用下，微生物細(xì)胞由于壓力差作用而破裂，細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物被釋放出來。熱效應(yīng)不但可促使污泥熱解，而且還能強(qiáng)化酶的活性。吳靜等認(rèn)為污泥低溫?zé)峤忸A(yù)處理（60℃左右）在某種程度上可被看作是一個(gè)預(yù)水解步驟，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫?zé)峤忸A(yù)處理后許多高溫厭氧消化細(xì)菌的生物活性明顯提高。采用低溫?zé)峤?/span>+酶解的聯(lián)合方式一方面可有效熱解污泥，另一方面還可以促進(jìn)酶的降解效率，是一種較有潛力的處理方式，這種方式在日本已進(jìn)入工程實(shí)用階段。Ferrer等將污泥置于70℃的反應(yīng)器中預(yù)處理9h后進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)量比未預(yù)處理污泥提高了30%~40%，混合氣體中的甲烷含量也由原來的64%提高至69%；Borges等研究亦表明，低溫?zé)峤忸A(yù)處理7h（T=75℃）能使剩余污泥中的有機(jī)物釋放量提高30~35倍，甲烷產(chǎn)量提高50%。

4.5 反硫化

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)厭氧消化池反硫化反應(yīng)器（SRB）中若含有大量硫酸鹽，則對初沉污泥的消化速率比一般厭氧消化池（產(chǎn)甲烷消化池）高出許多，主要表現(xiàn)為SRB中污泥絮體粒徑小、達(dá)到污泥最大溶解率的時(shí)間短等。采用反硫化+酶解的聯(lián)合方式，一方面可以去除污泥中殘留的硫化物，另一方面可以達(dá)到減量的目的，具有一舉多得功效，但其不具有普遍性。Whiteley等針對硫酸鹽強(qiáng)化酶促現(xiàn)象，研究了硫酸鹽、亞硫酸鹽及硫化物對平行運(yùn)行的SRB消化池與產(chǎn)甲烷消化池中脂肪酶的特性以及脂肪酶活力的影響。發(fā)現(xiàn)硫酸鹽能夠強(qiáng)化甲烷消化池污泥中脂肪酶的活性，在添加400mg/L的硫酸鹽后，甲烷消化池污泥中的脂肪酶降解速率提高1200%；但繼續(xù)增大硫酸鹽濃度，則對SRB中的脂肪酶活性無顯著影響（SRB中硫酸鹽的初始濃度為2000mg/L）；亞硫酸鹽雖然可以最大程度地強(qiáng)化SRB中脂肪酶的活性（提高200%），但對產(chǎn)甲烷消化池污泥的脂肪酶反而表現(xiàn)出一定的抑制作用；硫化物對兩種工藝中污泥脂肪酶活性都有極大的增強(qiáng)作用，在添加600mg/L的硫化物后，產(chǎn)甲烷消化池與SRB消化池中脂肪酶的活性分別增至原始速率的4000%和6000%。此外，硫化物也被證明可提高活性污泥中蛋白酶的水解活性。這可能是由于硫化物、硫酸鹽、碳酸氫鹽以及OH（-硫化物、硫酸鹽與反應(yīng)器中其他物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物）具有中和污泥絮體表面電性的能力，使得污泥絮體解體，強(qiáng)化了與底物的接觸效率，提高了酶的水解活性。

5、結(jié)語

①對胞外酶的回顧與總結(jié)表明，具有胞外酶分泌能力的菌種多為不動(dòng)桿菌屬、絲狀真菌等。這些菌種均具有強(qiáng)大的胞外酶系統(tǒng)，其胞外酶對污水中難溶性大分子及污泥的裂解具有極大的促進(jìn)作用，因此在傳統(tǒng)活性污泥工藝中適度引進(jìn)部分絲狀菌類或許對提高污水處理效率及隱性生長污泥減量具有積極的意義。

②胞外酶主要分布在EPS內(nèi)部或細(xì)胞表面與EPS的臨界處，這種分布對降解進(jìn)水中的某些物質(zhì)有利，但并不利于污泥裂解的進(jìn)行。

③通過反絮凝作用可以解除EPS對胞外酶的束縛，從而增強(qiáng)胞外酶與底物的接觸幾率，可提高胞外酶活性，除此之外，部分物質(zhì)如硫化物等對胞外酶有著特殊的促進(jìn)作用。

通過以上的回顧，認(rèn)為酶促污泥裂解具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?，但現(xiàn)階段對胞外酶裂解污泥的機(jī)理、酶的復(fù)合作用及具有胞外酶分泌能力的菌種來源的研究還較為薄弱；同時(shí)在已投入生產(chǎn)的聯(lián)合處理工藝中，對胞外酶的水解機(jī)理、影響參數(shù)及交互作用的研究也較少，對實(shí)際生產(chǎn)的理論指導(dǎo)意義尚不明顯。即使如此，酶促污泥裂解也顯示了良好的減量化效果。因此，隨著對酶促污泥裂解的進(jìn)一步研究，將對未來工藝的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。（來源：桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西生態(tài)環(huán)?，F(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院）