EM菌原位污泥减量及其对污泥产率的影响*

吴蓓蕾　黄种买　王旭　钱玲

(1.武汉大学资源与环境科学学院　武汉 430072；　2.环保部国家水专项管理办公室　北京 100035)



EM菌原位污泥减量及其对污泥产率的影响*

吴蓓蕾1黄种买1王旭1钱玲2

(1.武汉大学资源与环境科学学院武汉 430072；2.环保部国家水专项管理办公室北京 100035)

摘要活性污泥法产生的剩余污泥处理困难且易造成二次污染，本研究通过外加effective microorganisms(EM)菌剂丰富污泥中微生物种群，延长微生物种群食物链，达到降低污泥产率的目的。实验主要研究了菌液投加量、操作温度等参数对活性污泥工艺中的污泥产率的影响，确定最佳操作条件为：菌液与污水比例为0.005%；最佳温度是30 ℃；停留时间根据工艺过程在6～18 h范围内选择。通过污泥增殖实验和内源代谢实验确定了微生物生长动力学参数：外加EM菌组污泥衰减系数为0.005 4，真实生长比率为0.356 8；未加EM菌的空白对照组衰减系数为0.004 7，真实生长比率为0.426 6，结果表明外加EM菌可增大污泥系统的内源代谢速率，有效降低污泥产率。

关键词EM菌污泥减量污泥产率

0引言

我国城市污水处理厂大多采用活性污泥处理工艺，它具有基建投资省、处理效果好的优点，缺点是运行过程中产生的剩余污泥处理困难，其处理费用占整个城市污水处理厂总运行费用的25%～60%[1-2]。

解决污泥处理难题有两个途径：① 污水处理过程中减少污泥产生量(原位污泥减量)；②剩余污泥的处理和资源化利用(后置污泥减量)[3]。不管从技术或者从经济的角度考虑，第一个途径即原位污泥减量都是比较合理的做法，也是目前活性污泥处理工艺研究的热点，主要工艺有代谢解偶联[4]、细胞溶解、生物捕食等[5]。这些技术需在传统活性污泥法工艺流程中增加超声波发生器等装置或投加臭氧、解偶联剂等化学药品，实验室研究很多，但实际应用很少。本项研究拟通过外加微生物菌剂优化活性污泥中微生物的组成和功能，延长污泥中微生物种群的食物链，使有机污染物降解产生的能量更多的用于细胞维持而不是细胞增长上[6]，从而降低污泥的产率，实现原位污泥减量。

EM菌剂以光合细菌为主导，存在放线菌群、乳酸菌群、酵母菌群等10属80多种微生物[7]的共存共生体系。目前关于EM菌的研究主要集中在提高处理出水水质方面[8-9]，而在污泥减量方面的研究还很少。本项研究通过实验室试验研究EM菌剂在不同条件下对活性污泥工艺中的污泥产率的影响，并从微生物生长动力学参数的角度进一步分析EM菌剂在活性污泥工艺中的污泥减量效果，为今后的工程实践提供技术依据。

1试验材料与方法

1.1试验材料

(1)活性污泥：取自武汉市沙湖污水处理厂的曝气池，含水率为97%～98%，SVI为70～100，试验前曝气2～3h以稳定其生物活性，MLSS浓度统一调整为3 000mg/L。

(2)EM菌剂：天益EM菌原液。

(3)生活污水：实验室配制，主要成分为：葡萄糖0.15g，可溶性淀粉0.15g，CH3COONa0.20g，蛋白胨0.15g，牛肉膏0.08g，(NH4)2SO40.15g，KH2PO40.07g，Na2CO30.06g，尿素0.60g，十二烷基磺酸钠0.02g，自来水1 000mL。配成的模拟城市污水水质指标：COD600mg/L，pH6.0～7.0。

1.2试验方法与试验条件

1.2.1试验方法

在不同试验条件下，用污泥、生活污水和EM菌剂配置成MLSS浓度为3 000mg/L的混合液在转速120r/min的振荡培养箱(试验过程中进行曝气)培养一定时间之后，测定培养前后的MLSS、MLVSS和COD浓度，以ΔMLVSS/ΔCOD表示试样的污泥产率[10]。比较实验组和对照组的污泥产率，评价不同工况下的污泥减量效果。

1.2.2试验条件

(1)加药量：0.000%，0.001%，0.005%，0.01%和0.02%(EM菌液与污水体积比)。

(2)停留时间：6，12，18，24，36h。

(3)水温：20，25，30，35 ℃。

(4)生活污水COD浓度：200，300，400，500mg/L。

1.3水质分析方法

(1)COD：重铬酸钾法。

(2)MLSS和MLVSS：重量法。

(3)SOUR：比耗氧速率的测定是取污泥样200mL放入300mL烧杯中，先用曝气头充氧至饱和，再加入含葡萄糖的纯水，不留顶部空间，然后将溶氧探头放入污泥中并用保鲜膜密封烧杯，放置在磁力搅拌器上进行搅拌，此时开始测定溶解氧值随时间的变化曲线至溶解氧低于2.0mg/L,得到曲线的下降斜率，直线斜率的绝对值即为污泥的耗氧速率(OUR)，则：SOUR=OUR/MLVSS。

2实验结果分析及讨论

2.1EM菌剂在不同条件下对活性污泥工艺中的污泥减量效果的影响

投加EM菌试验的污泥产率，实质上体现的是活性污泥微生物系统的实际生长比率，计算公式为Yobs=ΔMLVSS/ΔCOD。根据Pirt的理论，污泥增殖过程中微生物利用基质产生的能量分别用于合成代谢和维持代谢[11]，增多的MLVSS反映的是微生物通过细胞合成代谢而保存下来的能量[12]。污泥产率的降低可以最终体现为实际污泥产量的减少。

2.1.1EM菌剂投加量对污泥减量的影响

水温25 ℃，进水COD浓度为500mg/L，培养24h。实验结果如图1和图2所示。

图1　EM菌投加量对污泥减量率和产率的影响

图2　外加EM菌污泥中生物量和基质消耗的变化

从图1中可以看出，未投加EM菌的对照组污泥产率为0.612g/g(MLVSS/COD)，随着EM菌投菌量的增加，污泥产率先减少后趋于平缓，EM菌的投加比例为0.005%时，污泥的减量率较空白对照组高18.7%，产率较对照组低12.4%，再增加EM菌的量两者的变化不明显，所以EM菌剂的最佳投加量为0.005%。

EM菌剂加入污水处理系统之后，其中的微生物能生产分泌胞外水解酶，促进污水中大分子有机物和死亡微生物细胞分解成易被微生物降解的小分子物质[13]，促进污水中有机污染物的降解。同时，由于死亡微生物重新进入污水处理系统进行降解处理，剩余污泥的产率降低，达到减少剩余污泥的目的。图2显示了同样的基质(COD)消耗量，投加EM菌剂后微生物增量明显降低。

从图2中可以看出，投加EM菌后， 污水中的COD的消耗率随着投菌量的增加略有提升，但是与对照组差别不大。而MLVSS增量和污泥产率随着投菌量增加迅速下降(在投加量增加到0.005%后变化趋于平缓)，说明外加EM菌对COD的消耗影响很小，试验组污泥产率的降低主要是源于MLVSS增量的降低，即微生物通过细胞合成代谢而保存下来的能量的降低。由此可以看出，投加EM菌剂可以降低污泥产率。

2.1.2EM菌剂降低污泥产率使用条件试验

本项试验在EM菌剂投加量0.005%条件下，分别研究水温、停留时间和生活污水COD浓度对污泥减量效果的影响。

(1)水温(停留时间24h，COD浓度500mg/L)对污泥减量效果的影响如图3(a)所示。

(2)停留时间(水温为30 ℃，COD浓度为500mg/L)对污泥减量效果的影响如图3(b)所示。

(3)生活污水COD浓度(水温为30 ℃，停留时间18h)对污泥减量效果的影响如图3(c)所示。

(a)温度对污泥减量效果的影响

(b)作用时间对污泥减量效果的影响

(c)COD对污泥减量效果的影响

图3温度、作用时间、进水COD浓度

对污泥减量效果的影响

从图3(a)中可以看出，随着温度升高，污泥产率逐渐降低，污泥减量效果越来越好。但是温度高于30 ℃之后，污泥减量效果提升已不明显。从图3(b)中可以看出，在前6h，污泥减量效果不明显，可能是由于底物浓度较高，合成代谢旺盛引起的。在6～18h这段时间内，污泥产率大幅降低，污泥减量效果非常明显，而在18～36h内，污泥也得到减量，但是减量效果趋于平缓。考虑工程的实际情况，在使用EM菌剂降低污泥产率时，接触时间应根据工艺过程在6～18h范围内选择。从图3(c)中可以看出，污水COD浓度在200～500mg/L范围内，污泥减量效果均较为明显，且在该浓度范围内的污泥减量效果差距不大。

2.2微生物生长动力学参数的确定

Mason等提出的“溶解再生长”模型得到广泛应用参考[14]，该模型将细胞残留物和活性微生物均纳入生物量的变化模型中，由于细胞生长比率小于1，新生成的细胞数总是小于死亡和溶解的细胞数量，导致系统生物量衰减。

基于这一理论，根据污泥增殖和内源代谢实验数据，确定EM菌存在下的微生物生长动力学的两个关键性的参数：微生物衰减系数和微生物真实生长比率[15]。

由Mason的“溶解再生长”模型可推出：

ln(OUR|t)=-bH·t+ln[(1-fD)·bH·xB]

(1)

式中，bH为微生物衰减系数；t为生物固体停留时间；fD为活性生物量形成细胞残留物的比例，根据经验数据，fD可以取值为0.2[16]；xB为活性微生物浓度。

可以用ln(OUR|t)对时间作图，根据最小二乘法得到斜率的绝对值即衰减系数bH。根据实验测得投加EM菌实验组与空白对照组内源代谢氧气利用OUR, 用ln(OUR|t)对时间作图(见图4)。

(a)投加EM菌组

(b)空白对照组

图4投加EM菌和未投加EM菌条件下ln(OUR)

随时间的变化

得到实验组和对照组的线性趋势线分别为：

y=-0.005 4x+2.839 2

(2)

y=0.004 7x+2.722 0

(3)

则实验组和对照组的微生物衰减系数分别为0.005 4和0.004 7，根据经验fD为0.2，实验测得总微生物浓度变化ΔXT和COD消耗(S1-S0)量，在增殖过程中始终没有固液分离过程，可推出：

(4)

将空白对照组和投加量为0.005%EM菌试验组数据代入式(4)中，则可以得到空白对照组的平均YH=0.426 6，投加EM菌试验组平均YH=0.356 8。

3结论

(1)在活性污泥处理工艺中，投加EM菌剂可以有效降低污泥产率，在EM菌剂投加量为0.005%时，污泥产率降低12.4%。当投加量低于0.005%时，污泥减量效果随着投加量的增加而提高；当投加量高于0.005%时，投加量增加，污泥减量效果提高不明显。

(2)在使用EM菌剂降低污泥产率时，污泥产率随温度升高而降低，但是温度高于30 ℃之后，污泥减量效果提升已不明显；EM菌剂投加后的停留时间应根据工艺过程可在6～18h范围内选择；而污水COD浓度在200～500mg/L范围内，EM菌剂皆可发挥较好的污泥减量作用。

(3) 使用EM菌剂降低污泥产率时，对于COD的降解速率影响不大，主要是通过降低MLVSS的增量降低污泥产率，实现污泥减量。

(4)投加EM菌可增大污泥内源代谢速率，促进污泥生物量的减少。根据Mason等提出的“溶解再生长”模型分析，投加EM菌剂组衰减系数为0.005 4，真实生长比率为0.356 8；未加EM菌剂的空白对照组衰减系数为0.004 7，真实生长比率为0.426 6。

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*基金项目：科技部国家科技支撑项目(2012BAJ21B06)。

作者简介吴蓓蕾，女，硕士。研究方向：污泥减量与水污染处理。

(收稿日期：2015-04-25)

StudyontheIn-situSludgeReductionofEffectiveMicroorganisms(EM)andtheInfluencesofEMonSludgeYield

WUBeilei1HUANGZhongmai1WANGXu1QIANLing2

(1.School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan UniversityWuhan 430072)

AbstractActivated sludge process produces large amount of excessive sludge which is difficult to be handled and easily causes secondary pollutions. In this study, the effective microorganism (EM) is added into activated sludge to improve diversity of microorganisms, which will extend the food chain and hence the sludge will be reduced. Experiments are conducted to investigate the effects of the dose of EM, operating temperature and etc on the sludge yield. The optimized conditions are: the EM adding dose is 0.005%, the operational temperature is 30 ℃and retention time is 6～18 hours based on different processes. The results of the sludge proliferation bench-scale test and experiment of endogenous metabolism are used to determine the microbial growth kinetics parameters: attenuation coefficient of the EM adding group is 0.005 4, the real growth rate is 0.356 8, attenuation coefficient of the control group is 0.004 7 and the real growth rate is 0.426 6. The results show that EM can increase the endogenous metabolic rate of sludge system and reduce the sludge yield effectively.

Key Wordseffective microorganismexcess sludge reductionsludge yield