生物細胞溶解系統
1 化學溶胞作用
1） 臭 氧
日本早在1990 年前后就開始了該技術的研究, 目前已有實際處理裝置建成。據報道,臭氧直接氧化污泥的比例是35 %, 其余65 % 是通過回流到曝氣池中被生物利用而降解。臭氧可破壞不容易被生物降解的細胞膜等,使細胞內物質能較快地溶于水中,同時氧化不容易水解的大分子物質,使其更容易為微生物所利用。臭氧氧化的效果和臭氧濃度及臭氧和污泥接觸反應的時間(污泥循環速度) 有關, Sakai Y. 等人的研究表明,回流速率(回流污泥流量和曝氣池體積之比) 為0.3 d -1,臭氧濃度在0. 02 mgO3/ mgSS 以上時,可以達到污泥的完全減量化。Lim H. 等人在中試研究中發現,間斷式臭氧氧化要優于連續式,在間歇式反應器中,臭氧每天平均接觸時間在3h 左右就可以達到減量40 % — 60 % 。
雖然臭氧發生需要耗費能量而且需要增加曝氣量以滿足曝氣池中由于細胞溶解增加的二次基質的氧化,但從污水處理和污泥處理的總費用衡量,臭氧對污泥減量(100 %) 時的總費用僅占活性污泥法+ 污泥焚燒處理總費用的47 % 。
但利用臭氧處理回流污泥可能存在以下問題: (1) 氮和磷的去除效果不好; (2) 出水SS 濃度要稍高于傳統活性污泥法(約2 —15 mg/L ) ;(3) 不排泥條件下,污泥中重金屬的含量和傳統活性污泥法相比,有一定增加[33] ;(4) 為了保證曝氣池中生物對二次基質的利用,需要增加曝氣量。
2）氯 氣
利用氯氣對污泥進行減量的原理和臭氧相同, 即利用其氧化性對細胞進行氧化,促進溶胞。Saby 等人在氯的投加量為0.066 g Cl2/g MLSS, 接觸時間為1 —10 min 條件下處理污泥,通過35 d 的連續試驗,發現由于氯氣的氧化,曝氣池中的ML SS 在TS 中的比例略有降低(降低5% —10 % 左右),污泥絮體平均直徑由15 μm 降低到3 μm 左右,而且粒徑分布更集中,氯化后污泥減量65 % 左右,但還不能象臭氧那樣達到100 % 減量。雖然氯氣比臭氧便宜,但氯氣能夠和污泥中的有機物產生反應,生成三氯甲烷( THMs) 等氯代有機物, 是不容忽視的問題。
3） 酸、堿
酸或堿的作用是在抑制細胞活性的同時,使細胞壁溶解釋放細胞內物質,使其能夠容易被其他活性污泥所利用。不同研究表明,COD的釋放分為兩個步驟,第一步比較迅速,第二步則相對較慢。
相同pH 條件下, H2SO4的溶胞效果要優于HCl ,NaOH 的效果要優于KOH；在改變相同pH 條件下,堿的效果要好于酸,這可能是由于堿對細胞的磷脂雙分子層的溶解要優于酸的緣故。如果將加熱和堿處理相結合(pH = 10 ,60 ℃,20 min),可以收到較好的溶胞效果。
2 物理溶胞技術
1） 加 熱
利用加熱加速細胞溶解的研究,目前已經開展的包括和膜生物反應器相結合的工藝(中試)。對其中污泥活性、產率系數、溶胞產物及其消耗,細胞內物質的釋放、不同溫度下對細菌的殺滅速率等方面的研究都有所涉及。
不同溫度下,細胞被破壞的部位不同。在45－65 ℃時,細胞膜破裂, rRNA 被破壞; 50－70 ℃時DNA 被破壞; 在65－90 ℃時細胞壁被破壞; 70－95 ℃時蛋白質變性。不同的溫度使細胞釋放的物質也不同,在溫度從80 ℃上升到100 ℃時, TOC 和多糖釋放的量增加,而蛋白質的量減少。可以將細胞在加熱條件下釋放的物質分為兩類:低分子量的C2-C5 羧酸碎片和其他溶解的有機碳,前者可以被生物迅速利用,而后者的生物降解性則要低得多 (性質類似于腐殖質) 。
2） 超聲波
超聲波25－30 kHz 通過交替的壓縮和擴張產生空穴作用,以微氣泡的形成、擴張和破裂達到壓碎細胞壁、釋放細胞內含物的目的。超聲波處理(如240 W ,20 kHz ,800 s) 只是從物理角度對細胞進行破碎,和投加堿相比,在短時間內有迅速釋放細胞內物質的優勢,但在促進細胞破碎后固體碎屑的水解卻不如投加堿和加熱。總體來說,超聲波不如投加堿和加熱處理相結合(pH = 10 ,60 ℃,20 min) 使細胞釋放的溶解性有機物水平高。同時,超聲波的作用受到液體的許多參數(溫度、粘度、表面張力等) 和超聲波發生設備的影響,在短時間內還不可能投入實用。
3）壓 力
利用壓力溶胞的原理類似于超聲波,主要作用是使細菌的細胞壁在機械壓力的作用下破碎,從而使細胞內含物溶于水中。此外,還可以利用滲透壓由高到低的改變造成水大量進入細胞,導致細胞破裂。
3 生物溶胞
生物溶胞技術,可以投加能分泌胞外酶的細菌, 也可以直接投加酶制劑或抗菌素對細菌進行溶胞。酶一方面能夠溶解細菌的細胞,同時還可以使不容易生物降解的大分子有機物分解為小分子物質,有利于細菌利用二次基質。投加的細菌可以從消化池中選取,也可以從溶菌酶方面考慮,甚至包括特殊的噬菌體和能分泌溶菌物質的真菌。但是在污水處理中投加酶制劑或是抗菌素在經費上不太現實。
以上三種溶胞技術(物理、化學、生物) 并不是截然分離的,可以聯合應用。如:將熱處理和生物溶菌作用聯合在日本已經處于現場試驗階段,而堿+ 熱處理則能提高處理效率。
溶胞技術的優點主要有: (1) 技術實現簡單,只需要在回流階段增加處理設施; (2) 對曝氣池和初沉池的污泥分別對待,有利于高有機含量的污泥被生物再次利用; (3) 可以充分利用曝氣池中的溶解氧分解二次基質,所需增加的曝氣量不大。
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