0 前言

活性污泥的消化過程是一個(gè)利用菌群將有機(jī)污染物質(zhì)轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的過程。在消化過程中，隨著菌群數(shù)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(jīng)占用了總處理費(fèi)用的60%，但在歐共體的法規(guī)要求下，這些花費(fèi)將有可能更高，而用垃圾填埋處理則費(fèi)用將會(huì)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(jī)污染物的去除率，是一個(gè)可以直接降低生物（污泥）產(chǎn)量的有效方法?；瘜W(xué)滲透假說中提出的氧化磷酸化理論(在分解代謝過程中產(chǎn)生ATP并放出能量，在合成代謝中消耗能量并產(chǎn)生ATP，反應(yīng)方程式為：ATP←可逆→ADP+能量)指出：可以通過控制環(huán)境中P質(zhì)子的濃度使能量（ATP）以游離的形式存在，此時(shí)生物氧化有機(jī)污染物質(zhì)的反應(yīng)仍然是是可以繼續(xù)進(jìn)行的，但磷酸化時(shí)ADP吸收能量轉(zhuǎn)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(chǎn)量也就隨之降低了。

因此，防治生物過剩的目標(biāo)達(dá)到了，同時(shí)也因?yàn)橘|(zhì)子濃度的增加而加速了污染物質(zhì)與質(zhì)子的接觸機(jī)會(huì)。這一研究使我們意識到：如果我們在一個(gè)只培養(yǎng)有假單細(xì)胞的環(huán)境里增加P質(zhì)子（pNP）的濃度，也可以達(dá)到相同的處理處置效果。PH值的改變導(dǎo)致質(zhì)子濃度變化，從而可以誘發(fā)生物產(chǎn)量的變化這一現(xiàn)象也同時(shí)被發(fā)現(xiàn)了。這樣一來，費(fèi)用、安全性、環(huán)境保護(hù)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(dá)到最佳的處理效果和平衡狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

當(dāng)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(gè)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(xù)氧化過程可以通過21個(gè)不同稀釋比、工作容積為1.51的恒化器（LH發(fā)酵器）來維持和控制。溫度控制在30℃，pH由一個(gè)自動(dòng)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(jì)在波長為600鈉米處測量透光度（從而計(jì)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(yàn)-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(diǎn)假設(shè)：

1、微生物都完全懸浮在溶液中。

2、恒化器中的物質(zhì)是完全混合均勻的，新加入的物質(zhì)都非常均勻地分散于培養(yǎng)基中，即恒化器是一個(gè)理想的完全混合式反應(yīng)器。

3、培養(yǎng)基一直處于平衡狀態(tài)（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(yǎng)基的消耗速率可能通過物質(zhì)平衡原理來描述，即：培養(yǎng)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(shí)同化過程對培養(yǎng)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(yǎng)基的消耗速度（g〔培養(yǎng)基〕/h）。

－菌群的生長速度系數(shù)(h-1)。

X－菌群的濃度（g〔菌群〕/Ｌ）。

YＧ－菌群的實(shí)際產(chǎn)量（g〔菌群〕/g〔培養(yǎng)基〕）。

qm－維持菌群生長對培養(yǎng)基消耗的系數(shù)（1/(g〔培養(yǎng)基〕.g〔菌群〕))。

對于一個(gè)只供給已經(jīng)消毒的原料且狀況穩(wěn)定的恒化器來說，菌群的生長速度系數(shù)＝Ｄ（Ｄ是培養(yǎng)基的稀釋程度，是一個(gè)常數(shù)），則菌群在培養(yǎng)基中的濃度ＱＳ可以由Ｄ和菌群的產(chǎn)量來確定：

Qs=rs/X=D/Ys (2)

其中：　YS－監(jiān)測得到的菌群的產(chǎn)量（g〔菌群〕/g〔培養(yǎng)基〕）。

當(dāng)只提供單一的碳源時(shí)，培養(yǎng)基將被細(xì)菌用于自身基本消耗和產(chǎn)生新的細(xì)菌。如果我們假設(shè)自身的消耗系數(shù)為0，即qm=0，所有的培養(yǎng)基都用于合成代謝產(chǎn)生新的細(xì)菌，這是理論上細(xì)菌產(chǎn)量最大的一種情況，在實(shí)際運(yùn)行中，這個(gè)值將會(huì)比理論值小。為評價(jià)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(gè)量的值，以檢測代謝過程進(jìn)行的程度。將式（1）中的rS用式（2）中的代替并在兩邊同時(shí)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(shè)才成立（即要使YS不變，方程式右邊的兩個(gè)變量在變化過程中，要保證方程值為常數(shù)），在一系列的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，以1/D為橫坐標(biāo)，以1/YS為縱坐標(biāo)畫圖，將會(huì)得到一條直線，該直線的斜率為qm，截距為1/YG。

2 結(jié)論和討論

2.1質(zhì)子濃度對實(shí)驗(yàn)的影響

將恒化器中的培養(yǎng)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(yǎng)基的濃度隨稀釋多少而變化，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)pNP的濃度會(huì)增加，且最大值出現(xiàn)在80-100 mg pNP/L。但是在120 mg pNP/L的時(shí)候我們會(huì)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(shù)據(jù)呈現(xiàn)出減少的趨勢。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，菌群培養(yǎng)基的消耗速率隨pNP量的增加會(huì)呈增加趨勢。Niejssel也由觀測發(fā)現(xiàn)：在含有產(chǎn)氣微生物的葡萄糖中加入二硝基酚和初始量的質(zhì)子，碳源的消耗速度會(huì)增加。

盡管pNP存在可以降低反應(yīng)器內(nèi)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(shí)現(xiàn)泥水分離，污泥再回流到反應(yīng)器的運(yùn)行方案相矛盾，這兩者是沒有太大的相關(guān)性的。因此，菌群在曝氣池內(nèi)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(yǎng)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(jī)物的去除率這樣的設(shè)想也是很合理的。對于已經(jīng)建成的處理廠，我們可以增大反應(yīng)器的負(fù)載的方法進(jìn)行改造，對于新建的處理廠，可以減小反應(yīng)器的有效容積，以獲得更好的運(yùn)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(shù)，限定了不同質(zhì)子濃度下培養(yǎng)基的狀況（濃度等條件），菌群的基本能量需求和細(xì)菌真實(shí)產(chǎn)量由菌群的衰減程度決定。為此，在一定的線性范圍內(nèi)，菌群的產(chǎn)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(gè)恒定的值，沒有什么太大的變化。菌群的產(chǎn)量可以指示性地反應(yīng)出菌群的產(chǎn)率。當(dāng)pH控制在7.0，營養(yǎng)中供應(yīng)100 mg pNP/L時(shí)，菌群的產(chǎn)量可以降低62%。這個(gè)結(jié)果表明，在盡量減少ATP含量的情況下，生物細(xì)胞會(huì)優(yōu)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(zhì)子濃度對菌群產(chǎn)量的影響

活性污泥工藝一般運(yùn)行在pH為6-8之間。酸性環(huán)境將會(huì)影響解偶聯(lián)劑的活性。我們在恒化培養(yǎng)器中，改變pH的值來研究pNP濃度對菌群產(chǎn)量和對培養(yǎng)基更新速率的關(guān)系。在一系列不同稀釋比例，質(zhì)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(shí)，并且供給營養(yǎng)穩(wěn)定不變，測得菌群、培養(yǎng)基濃度和pNP濃度都是相當(dāng)穩(wěn)定的。在不同pH值下，不添加pNP時(shí)，觀測菌群基本能量需求和實(shí)際產(chǎn)量并沒有明顯的變化（如表二所示）。

在100 mg pNP/L時(shí)，降低培養(yǎng)基的pH值會(huì)降低菌群的產(chǎn)量，但是對底物更換速度沒有明顯的影響。觀測發(fā)現(xiàn)，菌群產(chǎn)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(yǎng)基消耗速度的影響更加明顯。生物基本能量需求和實(shí)際產(chǎn)量的關(guān)系列于表二中。質(zhì)子通過氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用很明顯地降低了YG的值，在低pH的環(huán)境里，對生物基本能量需求沒有明顯的影響，如果不加pNP時(shí)，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(shí)際產(chǎn)量和基本能量需求在不同pH值下的關(guān)系表

3 結(jié)論

1、在CFSTR反應(yīng)器里，添加pNP可以降低生物的產(chǎn)量并且增加對有機(jī)物的消耗速率。

2、當(dāng)用pNP刺激解偶聯(lián)反應(yīng)以降低細(xì)胞對能量的利用時(shí)，細(xì)胞會(huì)將能量優(yōu)先用于自身最基本的需求，而不用于合成代謝產(chǎn)生新的細(xì)菌。

3、在進(jìn)水中保持100 mg pNP/L 濃度的pNP，在pH為6.2的時(shí)候（和高pH值時(shí)相比較），可以大幅度地降低菌群產(chǎn)量并提高底物的消耗速率，這是因?yàn)閜NP在氧化磷酸化過程中的解偶聯(lián)作用使得能量都散失掉了，菌群只能通過降解更多的有機(jī)物來獲得很少量的能量用于維持生命活動(dòng)。

因此，解偶聯(lián)劑的誘導(dǎo)作用可以在一定的范圍內(nèi)增加活性污泥工藝的處理效果并且可以降低污泥的產(chǎn)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)。
3. 米切爾(1961年) ，研究化學(xué)滲透學(xué)說中解偶聯(lián)作用在氧化磷酸化中電子和氫轉(zhuǎn)移理論。摘自《自然》雜志191,144-148頁。
4. 耐基斯?fàn)?1997年)，研究在有氧和培養(yǎng)基的恒化器中，2、4-二硝基酚對Klebsiella產(chǎn)氣NCTC 418細(xì)菌生長的影響。《Fems Lett》1、47-50頁。
5. 派特 (1975年)，微生物和細(xì)胞培養(yǎng)方法的奠基人，牛津布萊克科學(xué)雜志出版物，66-74頁。
6. 西蒙(1953年)，研究二硝基酚毒性機(jī)理學(xué)，《Biol. Rev》28，453-479頁。
7. 斯道漢姆和拜特海深 (1973年)，研究在連續(xù)或間歇提供培養(yǎng)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(wěn)定生長的狀況下的啤酒細(xì)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(xì)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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