微生物在污泥减量中的应用研究进展

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　　摘要：目前，减量化和稳定化是污泥处理的主要目标。不论初沉污泥还是剩余污泥，如果处理不当会对环境造成二次污染。利用微生物降解污泥，由于微生物适应性强、操作简单、容易管理且经济环保的优势，具有良好的应用前景。对污泥减量的基本途径、污泥的生物可降解性及微生物降解污泥技术的研究进展进行综述，并分析微生物在污泥减量的应用中存在的问题以及今后的发展前景。
　　关键词：污泥;微生物;减量;污水处理;降解
　　中图分类号： X703文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2020）08-0006-07
　　收稿日期：2019-04-10
　　基金项目：国家重点研发计划（编号：2018YFC1901000）;上海市科技兴农推广项目（编号：沪农科推字[2017]第1-9号）;上海市科学技术委员会项目（编号：16dz1207100）。
　　作者简介：王 娜（1993—），女，甘肃武威人，硕士，助理工程师，主要从事环境微生物学的研究。E-mail：ldwangnai@163.com。
　　通信作者：刘 莉，博士，副研究员，主要从事废弃物资源化利用。E-mail：liul@sari.ac.cn。
　　污泥是污水处理过程中的副产物，是一种由有机物、微生物菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。近年来，虽然世界各地已经将多种污泥处置技术应用于各类污水处理，也能够有效地去除污泥中的有机物，但仍然有大量的污泥得不到及时处理。据统计，我国年均产湿污泥2.4亿t[1]，其中仅城镇污水处理厂每年的湿污泥产生量就达到 4 000 多万t。预测到2020年，我国城镇污泥的产生量将达到每年6 000万～8 000万t[2]。污泥成分复杂，其中含有大量难降解物质、致病微生物、寄生虫卵以及重金属等有毒有害物质，若处理不当，容易对环境造成二次污染，给人类的生存环境带来严峻挑战。因此，减少污泥的产生已成为研究热点，寻找更经济和环境友好型的污泥降解替代方案越来越受到重视。
　　目前，国内外传统的污泥处置方法有卫生填埋、污泥堆肥、农业使用和污泥焚烧等。但由于场地限制、基础设施和运营管理成本高（例如，澳大利亚湿污泥的处理成本为30～70美元/t，欧洲湿污泥的处理成本为30～100欧元/t[3]）等原因，污泥处置问题尚未得到根本性解决。随着“水十条”和“土十条”的颁布，我国对污泥处置有了更高的要求，截至2020年，地级市的污泥无害化处理率要达到90%以上[4]。因此，解决污泥问题应该坚持污泥减量化的原则，从本质上对污泥进行减质和减容。
　　由于污泥特有的生物结构和复杂的微生物特性，其中的有机物被包裹在微生物细胞分泌的一些高分子聚合物中，即胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS），是由多聚糖、蛋白质、核酸、脂肪和其他聚合物组成[5]。因此，污泥降解的本质和难点是污泥有机成分、微生物以及胞外聚合物组成的絮体的裂解及降解。为进一步降解和利用污泥，释放被包裹的有机物质以及增加溶解性有机物质的含量，研究者们开发了许多污泥降解方法来裂解胞外聚合物和微生物，化学方法有臭氧化[6]、过氧乙酸氧化[7]、加碱[8]等;物理方法有超声处理[9]、热处理等;机械方法有污泥浓缩[10]、高压均质等;生物法有添加微生物菌剂[11]、酶制剂[12]、微型动物捕食[13]等;联合处理方法有臭氧化和超声联合处理等一系列处理方式。其中，这些物理方法和化学方法受自然条件限制，能耗较大，且对设备有一定的腐蚀性，会带来高成本和二次污染问题。而在这些污泥减量化方法中，生物處理法是较经济适用的污泥处理方法，其中微生物起到至关重要的作用。微生物降解污泥的技术由于其经济效益好、操作方便、无污染的优势，近年来受到越来越多的关注，成为新型的污泥减量解决方案。
　　本研究针对污泥减量的途径、污泥的生物可降解性以及近年来微生物降解污泥技术的研究进展进行综述。
　　1 污泥减量的途径
　　目前，污泥减量化的途径有2种：一是在污水处理线上从污泥产生的源头进行减量;二是在污泥处理线中降解污泥（图1）[14]。
　　污水处理线上减少污泥产生的常用方法是活性污泥回流技术，较好的活性污泥再循环到生物反应器中进一步生物降解（图1中的P1）。污水处理线中的污泥减量技术包括化学处理、机械处理、热处理和生物处理等，它们能够引起废水中微生物细胞的裂解，释放细胞内的物质，成为生物降解的底物，由此来实现污泥减量。
　　在污泥处理线中，污泥传统处置方式是经过增稠、稳定、脱水，最终填埋或焚烧，而目前对于污泥稳定化最常用的方法是厌氧消化，用于减少污泥的质量。然而，厌氧消化经常受到废活性污泥（waste activated sludge，WAS）生物降解性差的限制。因此，类似于污水处理线的技术，在厌氧消化之前将一些预处理（包括物理预处理、化学预处理和生物预处理等）整合到污泥处理线中以实现污泥减量（图1中的P2）。
　　综上所述，不论是污水处理线的活性污泥回流处理，还是污泥处理线的厌氧消化处理等，微生物在其中发挥着必不可少的作用。活性污泥回流处理技术在污水处理过程中会产生初沉污泥和WAS，厌氧消化在污泥处理线中会产生消化污泥。利用微生物来进行污泥减量，就要根据污泥的来源、特性以及微生物对污泥的作用机制等来研究微生物减量污泥的技术。
　　2 污泥的生物可降解性
　　微生物之所以能够降解污泥而实现减量化，是因为污泥具有生物可降解性， 即其中含有大量的微生物可利用的物质。
　　污水处理厂的污泥主要来自初沉池和生化处理后的二沉池，分别称为初沉污泥和二沉污泥。其中，二沉污泥又称剩余污泥、WAS[15]。初沉污泥是由初沉池中原污水中去除的沉降固体组成的污泥，主要成分为废水中原有的颗粒态有机物和无机物。WAS是生物降解过程中产生的污泥，呈絮状，主要是由微生物以及微生物分泌的EPS，还有来源于废水中原有的或在细菌衰变过程中形成的难处理的有机物和无机物组成[14]。剩余污泥中的有机物主要为微生物细胞物质，不易被微生物利用，较难被降解;而初沉污泥中的有机物多为颗粒态有机质，在水解酶的作用下能够快速水解，易被微生物吸收利用。通常，初沉污泥的生物可降解性高，相反，WAS的生物降解性低，因此通过微生物减量技术进一步提高其降解性较初沉污泥困难[10]。 　　总悬浮物（total suspended solids，TSS）或挥发性悬浮物（volatile suspended solids，VSS）的去除率是评价污泥减量效果和反映污泥降解程度的重要指标。TSS是指污水中悬浮物的浓度，包含悬浮物中的无机物质和有机物质，其中的有机物质即为VSS。通常初沉污泥的有机质含量为50%～70%，而WAS的有机质含量为60%～85%[15]，且大部分污水处理厂的污泥有机质中主要是蛋白质、多糖和脂质等3类物质。我国城市污水处理厂污泥有机质组分的分析结果显示，蛋白质、多糖以及脂质在总有机质中的比例分别为30%～60%、10%～40%、5%～15%[15]，这3类物质的比例总和超过80%。而且来自不同地区、不同分离过程及不同来源的污水处理厂的污泥，其TSS或VSS的含量不同，有机成分也有差别。例如，取自日本北九州污水处理厂的WAS，其化学成分TSS含量为30～40 g/L，VSS含量为26～33 g/L，蛋白质含量为40%～45%，多糖含量为12%～14%，脂质含量为11%～13%[16]。来自我国绍兴市某污水处理厂的污泥样品，有机物质含量为38.16%，蛋白质含量为17.29%，占有机质总量的45.3%，污泥样品中几乎不含糖类物质[17]。而来自上海闵行区污水处理厂初沉污泥的TSS含量为57.6 g/L，VSS含量为42.2 g/L[18];长沙市第一污水处理厂的WAS中TSS、VSS的含量分别为 16.88、10.88 g/L[19]。以上这些数据不论是VSS，还是各种有机质如蛋白质、多糖等的存在，都表明污泥具有生物可降解性，为微生物降解污泥提供了理论依据和现实的可行性。
　　3 微生物降解污泥技术
　　微生物具有种类多、繁殖能力强、针对性强和适应性广等特点[20]，在污泥减量化的应用中潜力巨大。近年来，微生物污泥减量技术根据其作用原理和方式主要分为微生物强化技术[21]、微生物溶胞技术[22]和微生物捕食技术[23]。
　　3.1 微生物强化技术
　　微生物强化技术指在污水和污泥处置过程中，在土著微生物的基础上外源添加微生物菌种。其目的之一是为了扩大体系中污泥降解优势菌种，强化其降解能力;其次是增加微生物数量，促进优势微生物和部分土著微生物共同利用污水和污泥中的营养物质来生长而达到降解效果;最后是强化酶促反应，加入能分泌大量酶的微生物，利用这些酶的作用将污泥中难溶解的大分子水解成可溶解的小分子从而达到污泥减量化。
　　微生物强化技术研究的微生物类型主要分为细菌和真菌两大类。细菌以芽孢杆菌属、假单胞菌属为主。芽孢杆菌属包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌和土芽孢杆菌等[24];假单胞菌属包括纤维单胞菌属、施氏假单胞菌、脱氮假单胞菌、沼泽红假单胞菌等[25]。还有一些研究较少的丝状细菌，如绿色非硫细菌[26]，可以代谢产酸的乳酸菌等[27]。真菌主要以霉菌为主，包括青霉、黑曲霉等，还有一些酵母菌的报道。
　　利用细菌降解污泥的研究和应用相对较早，早在1973年就有人率先采用嗜热脂肪芽孢杆菌好氧消化法处理污水厂剩余污泥，利用热和微生物共同作用起到显著的降解效果[24]。国外的一些中小型污水处理厂已经采用嗜热好氧微生物进行污泥消化[28]。随着嗜热微生物好氧消化工艺的发展，研究学者们更加注重污泥降解菌的筛选、作用效果及降解机制的研究。Liu等从一级自热式高温好氧消化中试反应器中分离出2个代表性的嗜热菌株（T1、T2）分别属于嗜氢科（Hydrogenophilaceae）、黄单胞菌科（Xanthomonodaceae），并将这2株菌接种在污泥中，在55 ℃反应480 h，均可提高VSS的去除率，结果表明，特定的嗜热菌株和微环境都显著影响了VSS的去除率[18]。嗜热高温消化须要维持较高的温度才能使嗜热菌发挥作用，增加了处理成本。而嗜温微生物是最普遍存在的微生物，具有应用季节长、地域范围广、节省成本等优点，因而对嗜温菌的研究应用也逐渐发展。Liu等为增强剩余污泥的好氧消化效果，降低运行成本，从长期好氧消化污泥中分离出3株优势菌株，分别为假单胞菌（Pseudomonas sp.）L3、不动杆菌（Acinetobacter sp.）L16和芽孢杆菌（Bacillus sp.）L19，在室温条件（25 ℃）下将优势菌株分别加入污泥好氧消化过程中，结果表明，扩大污泥降解优势菌株在整个体系中的占比，来强化其污泥降解能力，从而提高污泥的降解率至16%以上[29]。然而，在寒冷地区或冬季，由于污泥消化速度慢，污泥降解便成为一个严重的问题，因此利用嗜冷菌降解污泥是提高污泥减量的有效途径。Yasin等研究了分离得到的2株假单胞菌（Pseudomonas sp.）和气单胞菌（Aeromonas sp.）在低温下对污泥减量的效果，试验考察了不同温度（4～20 ℃）下菌株对WAS的降解效果，结果显示，这2株菌能够在低温条件（4～15 ℃）下降解污泥，与对照组相比，TSS的去除率提高2～8倍，并且這2株菌都是嗜冷菌，即使在低温下也能产生蛋白酶和脂肪酶用于污泥降解[30]。
　　相比于污泥降解细菌，一直以来对具有降解污泥能力真菌的筛选、应用的研究并不多，这可能与真菌的生长繁殖培养方式有关。相关研究表明，将分离筛选的真菌菌株投入到污泥降解过程中，也会对污泥减量具有一定的促进作用。Subramanian等从城市污水处理厂分离了丝状真菌扩展青霉（Penicillium expansum）BS30菌株用于降解污泥并改善污泥沉降能力和脱水性能，在最适条件下TSS的去除率超过50%，同时还进行了青霉素生物合成基因簇的分子筛选和真菌菌株的有毒化合物降解机制的研究，发现该真菌菌株具有产生青霉素的基因和有毒化合物降解基因，因此可能有助于降解污泥中的化合物[31]。Fujii等从土壤中分离筛选得到8株产木聚糖酶、几丁质酶和角蛋白酶的真菌，其中有青霉菌、镰孢属、毛壳菌属、葫芦科、新萨托菌属和伞形菌属等真菌，将其组合接入消化污泥中，培养1周后观察到污泥减少10%～30%，延长培养时间会进一步减少污泥[32]。 　　相比较而言，细菌相比于真菌，研究较早，种类较多，应用较广。从以上研究可发现，不同的菌种降解不同的污泥，作用效果也不尽相同。而且单个菌株的降解效果有限，利用多个优势菌种复配制成菌剂应用于污泥减量会发挥更高的降解效率。乔长晟等提出，以产酶芽孢杆菌为出发菌株，通过测定菌株产蛋白酶的能力和对污泥TSS的直接减量效果，得到3株污泥高效降解菌株，经工艺优化后制备复合微生物菌剂，处理污泥72 h便可使有机质去除率达到25.4%[33]。王慧荣等分别筛选出产淀粉酶的枯草芽孢杆菌、产蛋白酶的类短芽孢杆菌和产纤维素酶的蒂莫内马赛菌，3株菌复配后得到比单一菌株更好的污泥降解效果[34]。林琳等投加伯易欧复合微生物菌剂，该菌剂主要包含产蛋白酶和淀粉酶的芽孢杆菌和产纤维素酶的霉菌，研究其对污泥的各理化指标的影响以及酶（脱氢酶、蛋白酶和淀粉酶）的活性、内源呼吸强度、EPS中多糖和蛋白质等生化指标的变化，结果表明，添加的微生物菌剂强化了污泥的减量效果，也有利于污泥脱水[35]。基于测序技术的发展，微生物减量污泥也可通过微生物群落结构的变化来反映其效果。宋云龙等利用高通量测序技术对微生物强化污泥减量工艺中的微生物群落进行解析，结果表明，外源菌剂的投加改变了活性污泥中微生物群落结构，菌剂的有效成分乳杆菌属和醋酸杆菌属在强化组中含量显著增加[36]。王越兴等研究了投加微生物菌剂后污泥生化系统内微生物的变化情况，结果表明，投加微生物菌剂后，系统中的物种组成更复杂，物种丰度更高。其中主要的微生物种群变形菌门（Proteobacteria）和擬杆菌门（Bacteroidetes）占很大比例，且它们的产脱氢酶能力较强，是污泥减量的重要原因[37]。
　　由此可见，微生物强化技术是目前微生物降解污泥技术中研究和应用的最广泛的技术。投加具有不同降解功能的细菌和真菌复配的微生物菌剂来进行污泥减量是最有效的方式，相比单个菌株更适用于实际应用。该技术利用微生物间复杂的生态关系，从源头进行污泥减量，无二次污染，对污水和污泥处置厂现有的污水处理工艺和运行模式也不会产生影响，能够有效地降低污泥的产量，节省处置成本，改善出水水质。
　　3.2 微生物溶胞技术
　　微生物溶胞技术是通过投加可分泌胞外溶菌酶的细菌或可分泌溶菌物质的真菌，甚至包括特殊的噬菌体来对污水污泥中原有的微生物进行溶胞。首先，通过溶胞能够将污泥中形成胶体的以及包裹部分有机物质不能被释放的微生物细胞的细胞壁或细胞膜破碎，释放细胞内的基质，从而被污泥降解的优势微生物所利用，由于该过程不同于以污泥的原始有机物为底物的生长过程，因此又称为微生物的隐形生长。通过溶胞作用溶解死亡的微生物，释放其胞内营养物质，供污泥降解优势微生物生长繁殖，由此形成良性循环，减少污泥的产生量[38]。
　　关于微生物溶胞技术研究的报道较少，而且针对溶胞作用筛选的菌种和作用机制更是鲜有报道，主要包括细菌、真菌和特殊的噬菌体，以细菌为主。
　　关于细菌对污泥中微生物的溶胞作用，Song等从污泥堆肥中分离出几种能够溶解WAS的嗜热细菌，以大肠杆菌为模型细菌研究嗜热细菌影响细胞裂解的因素，表明其裂解活性主要来自它产生的胞外酶，导致污泥裂解进而被降解[39]。Li等在温度为50 ℃时从WAS中分离出1株污泥裂解菌短芽孢杆菌（Brevibacillus sp.）KH3，其能释放耐高温蛋白酶，对污泥中的细胞进行溶胞裂解，将污泥的降解率提高了11.86%，并缩短了水力停留时间[40]。Yang等以大肠杆菌裂解率为指标，优化嗜热溶胞土芽孢杆菌（Geobacillus sp.）的最适裂解条件，在最适条件下该菌株分泌的蛋白酶活力最高，进而对大肠杆菌的裂解效果最好，表明嗜热溶胞土芽孢杆菌可用于增强WAS的降解[41]。张龙等通过对溶胞菌的筛选得到1株短小芽孢杆菌（Bacillus pumilus），其对污泥中的产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）、微球菌（Micrococcus cohn）、假单胞菌（Pseudomonas sp.）及变形杆菌（Proteusbacillus vulgaris）都有一定的溶胞能力，将其接入污泥中通过溶胞及隐形生长能够有效减少污泥含量，降低污泥比阻，改善污泥脱水性能，表明筛选并添加具有微生物溶胞作用的菌株是污泥减量的一种有效途径[42]。
　　对于利用真菌通过溶胞隐形生长作用来进行污泥减量的相关研究报道较细菌少，但是部分真菌能够产生大量的胞外酶、有机酸等代谢产物，可能会对污泥中的微生物发生溶胞作用，如白腐真菌可分泌胞外氧化酶，黑曲霉可产生柠檬酸[43]等。Alam等研究发现，将真菌黑曲霉（Aspergillus niger）与白腐菌（Phanerochaete chrysosporium）形成的混合真菌群加入剩余污泥中，培养8 d后，污泥中TSS减少98.8%，溶解性蛋白质减少80.2%，多糖含量降低98.8%，表明降解过程中利用真菌分泌的胞外酶和有机酸进行溶胞作用后污泥减量效果很显著[44]。
　　部分特殊的噬菌体能够侵袭细菌，起到微生物的溶胞作用。但是在污泥减量化的研究中对噬菌体的关注较少，且在实际应用中的不可控因素较多，因此噬菌体对污泥减量的效果也需要进一步研究考察。
　　综上所述，利用添加溶胞微生物，即微生物溶胞技术的单独应用研究不是很多，主要与其他微生物技术联合应用，例如微生物溶胞技术和传统活性污泥法联合处理污水，在WAS产生的过程中可以有效地增大微生物细胞衰减速率，从而降低剩余污泥的产量。该技术也可以与微生物强化技术联合使用，在投加微生物菌剂时，选择既能利用污泥中不可溶的大分子物质，又可分泌溶菌酶的微生物。因此，在筛选优势的污泥降解微生物菌种时则可关注2个方面的功能。另外，该技术所研究的微生物在溶胞应用研究机制方面的研究还不够完善，如溶胞菌降解污泥过程中是否具有专一性等，这些都有待进一步深入研究。 　　3.3 微生物捕食技术
　　微生物捕食技术是依赖于食物链法则，即食物链越长，系统能量损失就越大，可用于合成污泥相的生物体能量就越少，从而导致污泥产生量就越少。由此可知，微生物捕食技术就是在原有的污泥体系中添加生物链上端的微生物，如原生动物和后生动物，以此来延长食物链，实现污泥减量的目的。
　　在实际应用中，不同的污水处理厂的生物处理过程都可看作一个小型的生态系统，这些原生动物和后生动物大多数则是这个微小生态系统中的食物链顶端[45]，它们对污泥生物环境中细菌等微小生物进行捕食，进而达到污泥减量化的目的。相关研究表明，纤毛虫、轮虫及蚓类等微型动物均有较强的摄食消化固体悬浮物的能力，可减少污泥的容量，同时增加污泥的可溶性[46]。De Valk等利用水生蠕虫的捕食作用也会促使污泥减量[47]。
　　基于捕食作用的污泥减量技术在国内外的应用研究也比较受欢迎，但应用研究最主要是引入污水处理的一些微型动物，如环节纲的蚯蚓，蚯蚓生物滤池工艺也较为成熟，并且在1995年就已在法国成功进行实际污水处理工程，而且成功引入国内[48]。而对于原生动物和后生动物这类微生物的捕食技术也逐渐被研究者应用，该技术可联合微生物强化技术、溶胞技术等组成生物反应器来达到削减污泥的目的。微生物捕食技术降解污泥效果明显，运行费用低，几乎不产生副产物，对环境不会造成二次污染，但该技术对污水中总磷和总氮的去除效率不高[49]。另外，该技术在污泥减量过程中降解效率缺乏稳定性，还有基于捕食的微生物对捕食对象也不具有专一性，可能会对降解过程中的优势菌群有一定的损害等问题也是今后研究该技术的新思路。
　　4 总结与展望
　　随着对微生物降解污泥研究的深入以及应用的扩展，虽然在微生物降解污泥领域中取得了一定的研究成果，但也存在不少问题。污泥减量的微生物技术，不论是微生物的强化技术，还是微生物溶胞技术以及微生物捕食技术，在微生物的种类、作用机制和实际应用等方面的研究还不够深入。在今后的研究中，可以从以下几个方面进行：（1）采取適当的微生物培养方法，使得不同种类或功能的微生物在特定的环境中发挥应有的作用与效果;（2）利用现代分子生物学技术对优势的污泥降解微生物进行检测和跟踪，确定其活性、数量及对群落结构的影响，从本质上揭示微生物处理污水和污泥的作用机制;（3）利用分子生物学手段对微生物降解污泥过程中的酶、基因等方面进行检测，研究不同功能的微生物降解不同污染物的分子学机制;（4）开拓各类微生物降解污泥技术的工业化应用，引入微生物消化污泥环节，改进污水处理工艺，从而达到污泥减量的目的。
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