解偶聯劑在污泥減量上的應用
0 前言
活性污泥的消化過程是一個利用菌群將有機污染物質轉換為細胞內物質和代謝產物的過程。在消化過程中，隨著菌群數量的增多生物濃度將急劇增加，從而造成污泥中生物過剩。盡管這種處理處置方法（污泥消化）已經占用了總處理費用的60%，但在歐共體的法規要求下，這些花費將有可能更高，而用垃圾填埋處理則費用將會降低很多。
快速消耗掉菌群合成代謝中的能量而不降低有機污染物的去除率，是一個可以直接降低生物（污泥）產量的有效方法。化學滲透假說中提出的氧化磷酸化理論(在分解代謝過程中產生ATP并放出能量，在合成代謝中消耗能量并產生ATP，反應方程式為：ATP←可逆→ADP+能量)指出：可以通過控制環境中P質子的濃度使能量（ATP）以游離的形式存在，此時生物氧化有機污染物質的反應仍然是是可以繼續進行的，但磷酸化時ADP吸收能量轉換為ATP的過程卻被抑制了，從而限制了生物同化過程所需的能量，生物產量也就隨之降低了。
因此，防治生物過剩的目標達到了，同時也因為質子濃度的增加而加速了污染物質與質子的接觸機會。這一研究使我們意識到：如果我們在一個只培養有假單細胞的環境里增加P質子（pNP）的濃度，也可以達到相同的處理處置效果。PH值的改變導致質子濃度變化，從而可以誘發生物產量的變化這一現象也同時被發現了。這樣一來，費用、安全性、環境保護等因素在污染的處理處置過程中都被考慮到了，并且可以達到最佳的處理效果和平衡狀態。
1 實驗材料和方法
當在活性污泥中加入一種新的未知的菌群——單一的P-putida NCIMB1005菌落（活性污泥中最重要的要素之一），并將其視為一個簡單的模型，用葡萄糖做為唯一的碳源。葡萄糖有限度地連續氧化過程可以通過21個不同稀釋比、工作容積為1.51的恒化器（LH發酵器）來維持和控制。溫度控制在30℃，pH由一個自動添加1Mol/L硝酸或氫氧化鈉的裝置控制著。
生物濃度的值可以用紫外分光光度計在波長為600鈉米處測量透光度（從而計算出其溫度的方法）來測量獲得。葡萄糖的濃度可以通過化驗-葡萄糖來確定。pNP的濃度可以用酸堿指示劑顯示再通過比色獲得。
對于恒化器的工作狀況，我們提出如下三點假設：
1、微生物都完全懸浮在溶液中。
2、恒化器中的物質是完全混合均勻的，新加入的物質都非常均勻地分散于培養基中，即恒化器是一個理想的完全混合式反應器。
3、培養基一直處于平衡狀態（加入量和流出量相平衡），且恒化器的工作容積是恒定的。
培養基的消耗速率可能通過物質平衡原理來描述，即：培養基的總消耗速率＝維持生物存活最基本能量需求的消耗速率＋生物生長時同化過程對培養基的消耗速率；用公式可以做如下的描述：
-rs=-μX/YG-qmX (1)
其中： rＳ－培養基的消耗速度（g〔培養基〕/h）。
－菌群的生長速度系數(h-1)。
X－菌群的濃度（g〔菌群〕/Ｌ）。
YＧ－菌群的實際產量（g〔菌群〕/g〔培養基〕）。
qm－維持菌群生長對培養基消耗的系數（1/(g〔培養基〕.g〔菌群〕))。
對于一個只供給已經消毒的原料且狀況穩定的恒化器來說，菌群的生長速度系數＝Ｄ（Ｄ是培養基的稀釋程度，是一個常數），則菌群在培養基中的濃度ＱＳ可以由Ｄ和菌群的產量來確定：
Qs=rs/X=D/Ys (2)
其中： YS－監測得到的菌群的產量（g〔菌群〕/g〔培養基〕）。
當只提供單一的碳源時，培養基將被細菌用于自身基本消耗和產生新的細菌。如果我們假設自身的消耗系數為0，即qm=0，所有的培養基都用于合成代謝產生新的細菌，這是理論上細菌產量最大的一種情況，在實際運行中，這個值將會比理論值小。為評價代謝過程的情況，qm 和 YG可以分別定量地做為對照而改變另一個量的值，以檢測代謝過程進行的程度。將式（1）中的rS用式（2）中的代替并在兩邊同時除以DX，可以得到如下的方程式：
1/Ys=qm/D+1/YG (3)
由上式可以看出，只有qm 和 YG 保持在一定的濃度和速率上，使方程右邊的值恒定不變，上面的假設才成立（即要使YS不變，方程式右邊的兩個變量在變化過程中，要保證方程值為常數），在一系列的監測數據中，以1/D為橫坐標，以1/YS為縱坐標畫圖，將會得到一條直線，該直線的斜率為qm，截距為1/YG。
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2 結論和討論
2.1質子濃度對實驗的影響
將恒化器中的培養基pH維持在7.0，以不同的稀釋系列0，40，80和120 mg pNP/L 的pNP放入原料中，而菌群濃度和培養基的濃度隨稀釋多少而變化，此時會發現pNP的濃度會增加，且最大值出現在80-100 mg pNP/L。但是在120 mg pNP/L的時候我們會檢測不到菌群的存在。在上述不同濃度段里，隨著pNP濃度的增加，菌群的數據呈現出減少的趨勢。同時發現，菌群培養基的消耗速率隨pNP量的增加會呈增加趨勢。Niejssel也由觀測發現：在含有產氣微生物的葡萄糖中加入二硝基酚和初始量的質子，碳源的消耗速度會增加。
盡管pNP存在可以降低反應器內菌群濃度和Dmax的值，但是這并不與上面提到的活性污泥工藝要實現泥水分離，污泥再回流到反應器的運行方案相矛盾，這兩者是沒有太大的相關性的。因此，菌群在曝氣池內的濃度并不依賴于菌群的最大生長速率，而是依賴于回流污泥的量和污泥回流比。更有甚者，培養基的消耗速率隨pNP的加入量增加而增加。在活性污泥工藝中，加大底物的更換速度來增加有機物的去除率這樣的設想也是很合理的。對于已經建成的處理廠，我們可以增大反應器的負載的方法進行改造，對于新建的處理廠，可以減小反應器的有效容積，以獲得更好的運行效果。
方程（3）告訴我們，1/Ys （因變量）相對 1/D（自變量）的線性函數，限定了不同質子濃度下培養基的狀況（濃度等條件），菌群的基本能量需求和細菌真實產量由菌群的衰減程度決定。為此，在一定的線性范圍內，菌群的產量和基本能量需求以及相對誤差值可以由表一求得。與其它幾位工作者（斯道漢姆、拜特海深和沃森）的研究一致，菌群在不同pNP濃度下，其基本能量需求近似是一個恒定的值，沒有什么太大的變化。菌群的產量可以指示性地反應出菌群的產率。當pH控制在7.0，營養中供應100 mg pNP/L時，菌群的產量可以降低62%。這個結果表明，在盡量減少ATP含量的情況下，生物細胞會優先將能量用于提供自己最基本的能量需求，而不是用于合成代謝。
2.2pH值改變質子濃度對菌群產量的影響
活性污泥工藝一般運行在pH為6-8之間。酸性環境將會影響解偶聯劑的活性。我們在恒化培養器中，改變pH的值來研究pNP濃度對菌群產量和對培養基更新速率的關系。在一系列不同稀釋比例，質子濃度保持在100mg pNP/L恒定情況下，在pH分別為7.0、6.4或6. 2±0.1時，并且供給營養穩定不變，測得菌群、培養基濃度和pNP濃度都是相當穩定的。在不同pH值下，不添加pNP時，觀測菌群基本能量需求和實際產量并沒有明顯的變化（如表二所示）。
在100 mg pNP/L時，降低培養基的pH值會降低菌群的產量，但是對底物更換速度沒有明顯的影響。觀測發現，菌群產量隨pH值的降低而降低。在更低的pNP濃度下（低于100 mg pNP/L），pH對培養基消耗速度的影響更加明顯。生物基本能量需求和實際產量的關系列于表二中。質子通過氧化磷酸化的解偶聯作用很明顯地降低了YG的值，在低pH的環境里，對生物基本能量需求沒有明顯的影響，如果不加pNP時，基本上觀測不到有什么變化。
表二：葡萄糖作唯一碳源，不加pNP和加濃度為100 mg pNP/L的pNP兩種情況下，菌群實際產量和基本能量需求在不同pH值下的關系表
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3 結論
1、在CFSTR反應器里，添加pNP可以降低生物的產量并且增加對有機物的消耗速率。
2、當用pNP刺激解偶聯反應以降低細胞對能量的利用時，細胞會將能量優先用于自身最基本的需求，而不用于合成代謝產生新的細菌。
3、在進水中保持100 mg pNP/L 濃度的pNP，在pH為6.2的時候（和高pH值時相比較），可以大幅度地降低菌群產量并提高底物的消耗速率，這是因為pNP在氧化磷酸化過程中的解偶聯作用使得能量都散失掉了，菌群只能通過降解更多的有機物來獲得很少量的能量用于維持生命活動。
因此，解偶聯劑的誘導作用可以在一定的范圍內增加活性污泥工藝的處理效果并且可以降低污泥的產量。
4 文中引用介紹
1. 霍丹(1990年)，奇切斯特人，威爾福德廢水生物處理體系首席專家。
2. 霍斯登(1996年)。
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5. 派特 (1975年)，微生物和細胞培養方法的奠基人，牛津布萊克科學雜志出版物，66-74頁。
6. 西蒙(1953年)，研究二硝基酚毒性機理學，《Biol. Rev》28，453-479頁。
7. 斯道漢姆和拜特海深 (1973年)，研究在連續或間歇提供培養基情況下，生物對能量的利用情況。 《Biochim.Biophys.Acta》301，53-70頁。
8. 沃森(1970年)，研究在氯化鈉對穩定生長的狀況下的啤酒細菌新陳代謝的影響。 《J.Gen.Microbiol》64，91-99頁
9. 賽爾和柯爾利(1984年)，研究假單細菌對O-硝基酚和M-硝基酚的降解。《J. Agric. Food Chem.》32，238-242頁。
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