生物细胞溶解系统
1 化学溶胞作用
1） 臭 氧
日本早在1990 年前后就开始了该技术的研究, 目前已有实际处理装置建成。据报道,臭氧直接氧化污泥的比例是35 %, 其余65 % 是通过回流到曝气池中被生物利用而降解。臭氧可破坏不容易被生物降解的细胞膜等,使细胞内物质能较快地溶于水中,同时氧化不容易水解的大分子物质,使其更容易为微生物所利用。臭氧氧化的效果和臭氧浓度及臭氧和污泥接触反应的时间(污泥循环速度) 有关, Sakai Y. 等人的研究表明,回流速率(回流污泥流量和曝气池体积之比) 为0.3 d -1,臭氧浓度在0. 02 mgO3/ mgSS 以上时,可以达到污泥的完全减量化。Lim H. 等人在中试研究中发现,间断式臭氧氧化要优于连续式,在间歇式反应器中,臭氧每天平均接触时间在3h 左右就可以达到减量40 % — 60 % 。
虽然臭氧发生需要耗费能量而且需要增加曝气量以满足曝气池中由于细胞溶解增加的二次基质的氧化,但从污水处理和污泥处理的总费用衡量,臭氧对污泥减量(100 %) 时的总费用仅占活性污泥法+ 污泥焚烧处理总费用的47 % 。
但利用臭氧处理回流污泥可能存在以下问题: (1) 氮和磷的去除效果不好; (2) 出水SS 浓度要稍高于传统活性污泥法(约2 —15 mg/L ) ;(3) 不排泥条件下,污泥中重金属的含量和传统活性污泥法相比,有一定增加[33] ;(4) 为了保证曝气池中生物对二次基质的利用,需要增加曝气量。
2）氯 气
利用氯气对污泥进行减量的原理和臭氧相同, 即利用其氧化性对细胞进行氧化,促进溶胞。Saby 等人在氯的投加量为0.066 g Cl2/g MLSS, 接触时间为1 —10 min 条件下处理污泥,通过35 d 的连续试验,发现由于氯气的氧化,曝气池中的ML SS 在TS 中的比例略有降低(降低5% —10 % 左右),污泥絮体平均直径由15 μm 降低到3 μm 左右,而且粒径分布更集中,氯化后污泥减量65 % 左右,但还不能象臭氧那样达到100 % 减量。虽然氯气比臭氧便宜,但氯气能够和污泥中的有机物产生反应,生成三氯甲烷( THMs) 等氯代有机物, 是不容忽视的问题。
3） 酸、碱
酸或碱的作用是在抑制细胞活性的同时,使细胞壁溶解释放细胞内物质,使其能够容易被其他活性污泥所利用。不同研究表明,COD的释放分为两个步骤,第一步比较迅速,第二步则相对较慢。
相同pH 条件下, H2SO4的溶胞效果要优于HCl ,NaOH 的效果要优于KOH；在改变相同pH 条件下,碱的效果要好于酸,这可能是由于碱对细胞的磷脂双分子层的溶解要优于酸的缘故。如果将加热和碱处理相结合(pH = 10 ,60 ℃,20 min),可以收到较好的溶胞效果。
2 物理溶胞技术
1） 加 热
利用加热加速细胞溶解的研究,目前已经开展的包括和膜生物反应器相结合的工艺(中试)。对其中污泥活性、产率系数、溶胞产物及其消耗,细胞内物质的释放、不同温度下对细菌的杀灭速率等方面的研究都有所涉及。
不同温度下,细胞被破坏的部位不同。在45－65 ℃时,细胞膜破裂, rRNA 被破坏; 50－70 ℃时DNA 被破坏; 在65－90 ℃时细胞壁被破坏; 70－95 ℃时蛋白质变性。不同的温度使细胞释放的物质也不同,在温度从80 ℃上升到100 ℃时, TOC 和多糖释放的量增加,而蛋白质的量减少。可以将细胞在加热条件下释放的物质分为两类:低分子量的C2-C5 羧酸碎片和其他溶解的有机碳,前者可以被生物迅速利用,而后者的生物降解性则要低得多 (性质类似于腐殖质) 。
2） 超声波
超声波25－30 kHz 通过交替的压缩和扩张产生空穴作用,以微气泡的形成、扩张和破裂达到压碎细胞壁、释放细胞内含物的目的。超声波处理(如240 W ,20 kHz ,800 s) 只是从物理角度对细胞进行破碎,和投加碱相比,在短时间内有迅速释放细胞内物质的优势,但在促进细胞破碎后固体碎屑的水解却不如投加碱和加热。总体来说,超声波不如投加碱和加热处理相结合(pH = 10 ,60 ℃,20 min) 使细胞释放的溶解性有机物水平高。同时,超声波的作用受到液体的许多参数(温度、粘度、表面张力等) 和超声波发生设备的影响,在短时间内还不可能投入实用。
3）压 力
利用压力溶胞的原理类似于超声波,主要作用是使细菌的细胞壁在机械压力的作用下破碎,从而使细胞内含物溶于水中。此外,还可以利用渗透压由高到低的改变造成水大量进入细胞,导致细胞破裂。
3 生物溶胞
生物溶胞技术,可以投加能分泌胞外酶的细菌, 也可以直接投加酶制剂或抗菌素对细菌进行溶胞。酶一方面能够溶解细菌的细胞,同时还可以使不容易生物降解的大分子有机物分解为小分子物质,有利于细菌利用二次基质。投加的细菌可以从消化池中选取,也可以从溶菌酶方面考虑,甚至包括特殊的噬菌体和能分泌溶菌物质的真菌。但是在污水处理中投加酶制剂或是抗菌素在经费上不太现实。
以上三种溶胞技术(物理、化学、生物) 并不是截然分离的,可以联合应用。如:将热处理和生物溶菌作用联合在日本已经处于现场试验阶段,而碱+ 热处理则能提高处理效率。
溶胞技术的优点主要有: (1) 技术实现简单,只需要在回流阶段增加处理设施; (2) 对曝气池和初沉池的污泥分别对待,有利于高有机含量的污泥被生物再次利用; (3) 可以充分利用曝气池中的溶解氧分解二次基质,所需增加的曝气量不大。
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