1.2.物捕食
由于低效的生物轉(zhuǎn)換，能量在從低營養(yǎng)級（細(xì)菌）向高營養(yǎng)級（原生動(dòng)物和后生動(dòng)物）的傳遞過程中發(fā)生損失。因此，理想狀況下應(yīng)該是能量損失總量和生物產(chǎn)生量最?。?］，也就是說，食物鏈越長，能量損失越大，那么用來合成生物體的能量越少。所以，減少生物量的另外一個(gè)方法是根據(jù)生態(tài)原理，在食物鏈中極大地促進(jìn)捕食細(xì)菌的生物體生長。原生動(dòng)物是活性污泥中最常見的細(xì)菌捕食者，可分為游離型、爬行型和附著型三種，約占生物體總量的5%，其中70%的原生動(dòng)物是纖毛蟲（Ciliate）；后生動(dòng)物通常為線蟲和輪蟲。有幾個(gè)因素影響原生動(dòng)物捕食細(xì)菌：纖毛蟲大小、停留時(shí)間（考慮到纖毛蟲的生長速率）、細(xì)菌狀況（密度、死活）和進(jìn)水的BOD.在常規(guī)活性污泥法中，生物處理在一個(gè)曝氣池中進(jìn)行，由于微生物群的復(fù)雜性，原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的存在抑制了分散細(xì)菌的生長，但有利于結(jié)團(tuán)細(xì)菌或成膜細(xì)菌的生長（它們不易被捕食者掠奪），這意味著在常規(guī)活性污泥法中產(chǎn)生的大部分細(xì)菌不能被捕食者消滅，從而導(dǎo)致污泥產(chǎn)率高。因此，為了克服常規(guī)活性污泥法微生物的選擇壓力，目前最常用的是兩段法，第一階段為分散細(xì)菌階段，目的是促進(jìn)分散細(xì)菌（Dispersed bacteria）的生長。該階段具有如下操作特點(diǎn)：曝氣、完全混合、生物體不滯留和污泥齡很小，它的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是水力停留時(shí)間（HRT）等于固體停留時(shí)間（SRT），水力停留時(shí)間必須足夠長以避免沖走分散細(xì)菌，又必須足夠短以防止細(xì)菌結(jié)團(tuán)和捕食者的生長，該階段的反應(yīng)器為恒化器（Chemostat）。第二階段為捕食者階段，目的是促進(jìn)原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的生長，其特點(diǎn)是污泥齡較長，該階段的反應(yīng)器可為活性污泥、生物膜或膜生物反應(yīng)器等。
Ratsak等采用兩段法進(jìn)行了纖毛蟲（Tetrahymena Pyriformis）捕食細(xì)菌（Pseudomonas Fluorescens）的小試研究，發(fā)現(xiàn)其生物體產(chǎn)生量比沒有纖毛蟲捕食的減少了12%～43%.Lee和Welander進(jìn)行了類似的研究，第二段設(shè)計(jì)為生物膜反應(yīng)器，原生動(dòng)物和后生動(dòng)物可減少生物體產(chǎn)生量的60%～80%.采用兩段法處理5種不同制漿和造紙廢水，第二階段采用活性污泥和生物膜反應(yīng)器（懸浮填料和固定填料），小試結(jié)果表明，常規(guī)活性污泥法的污泥產(chǎn)率為0.2～0.4kgSS/kgCOD，而兩段法的污泥產(chǎn)率為0.01～0.23kgSS/kgCOD，其中固定填料的生物膜反應(yīng)器污泥產(chǎn)率最低。Rensink和Rulkens在一個(gè)裝有填料的活性污泥中試系統(tǒng)中，接種后生動(dòng)物—Tubificidae蠕蟲，污泥產(chǎn)率從不接種蠕蟲的0.4 kgMLSS/kgCOD降到接種蠕蟲的0.15 kgMLSS/kgCOD.王寶貞采用固體填料增加原生動(dòng)物和后生動(dòng)物在曝氣池中的數(shù)量，小試表明浸沒式生物膜的剩余污泥產(chǎn)量是常規(guī)活性污泥法的1/10～1/5［9］。Ghyoot和Verstraete采用兩段法處理人工配制廢水，第二階段分別采用浸沒式膜生物反應(yīng)器和活性污泥反應(yīng)器，并對這兩種工藝進(jìn)行了比較，在相同的SRT和有機(jī)負(fù)荷下，兩段MBR法的污泥產(chǎn)率比兩段活性污泥法的低20%～30%，但前者出水的溶解性氮、磷高于后者，并且兩段MBR法的硝化能力有明顯的降低。張紹園采用兩段抽吸浸沒式膜生物反應(yīng)器處理生活污水，發(fā)現(xiàn)有蠕蟲（Worm）存在時(shí)，其污泥產(chǎn)率低于常規(guī)活性污泥法污水處理系統(tǒng)；當(dāng)蠕蟲濃度保持100個(gè)/mL以上時(shí)，污泥產(chǎn)率為0.1 kgSS/kgCOD，約為常規(guī)活性污泥法的1/4；蠕蟲對高污泥濃度的膜生物反應(yīng)器的處理效果無太大影響，在蠕蟲繁殖高峰，有一定的氮、磷釋放。上述研究表明，兩段法適于不同廢水的處理，但存在兩點(diǎn)不足：①氧消耗量的增加導(dǎo)致曝氣費(fèi)用上升；②營養(yǎng)物的釋放影響出水水質(zhì)。
2.于解偶聯(lián)生長的污泥減量技術(shù)
三磷酸腺苷（ATP）是鍵能轉(zhuǎn)移的主要途徑，是能量轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中心。一般情況下，微生物的合成代謝通過呼吸（速率控制）與底物的分解代謝進(jìn)行偶聯(lián)，當(dāng)呼吸控制不存在，生物合成速率成為速率控制因素時(shí)，解偶聯(lián)新陳代謝就會(huì)發(fā)生，并且在微生物新陳代謝過程中產(chǎn)生的剩余能量沒有被用來合成生物體，因此，這種現(xiàn)象稱為解偶聯(lián)生長（Uncoupled growth）。Russel和Cook對解偶聯(lián)的定義是：化學(xué)滲透氧化磷酸化作用不能產(chǎn)生以ATP為形式的理論能量，即解偶聯(lián)的氧化磷酸化作用［10］。這表明ATP在分解代謝中的產(chǎn)生速率大于其在合成代謝中的消耗速率，這樣便會(huì)減少生物體的產(chǎn)生量。
微生物從厭氧過程轉(zhuǎn)移到好氧過程會(huì)發(fā)生解偶聯(lián)新陳代謝，并且其產(chǎn)率系數(shù)會(huì)降低，據(jù)此，Chudoba等設(shè)計(jì)了一個(gè)OSA（Oxic-Settling-Anaerobic）小試系統(tǒng)處理人工配制廢水，并將其與常規(guī)活性污泥法進(jìn)行比較，前者和后者的污泥產(chǎn)率分別是0.13～0.29和0.28～0.47 kgSS/kgCOD［5］。解偶聯(lián)劑能起到解偶聯(lián)氧化磷酸化作用，限制細(xì)胞捕獲能量，從而抑制細(xì)胞的生長，故能減少污泥產(chǎn)量。Strand等比較了12種解偶聯(lián)劑，小試結(jié)果表明：三氯苯酚（TCP），在開始階段投加TCP的污泥產(chǎn)率是不投加的50%；但80d后，微生物適應(yīng)了TCP［3］。雖然解偶聯(lián)劑能大大降低污泥產(chǎn)量，但長期運(yùn)行產(chǎn)生的生物適應(yīng)將給解偶聯(lián)劑的使用帶來負(fù)面影響
由于低效的生物轉(zhuǎn)換，能量在從低營養(yǎng)級（細(xì)菌）向高營養(yǎng)級（原生動(dòng)物和后生動(dòng)物）的傳遞過程中發(fā)生損失。因此，理想狀況下應(yīng)該是能量損失總量和生物產(chǎn)生量最?。?］，也就是說，食物鏈越長，能量損失越大，那么用來合成生物體的能量越少。所以，減少生物量的另外一個(gè)方法是根據(jù)生態(tài)原理，在食物鏈中極大地促進(jìn)捕食細(xì)菌的生物體生長。原生動(dòng)物是活性污泥中最常見的細(xì)菌捕食者，可分為游離型、爬行型和附著型三種，約占生物體總量的5%，其中70%的原生動(dòng)物是纖毛蟲（Ciliate）；后生動(dòng)物通常為線蟲和輪蟲。有幾個(gè)因素影響原生動(dòng)物捕食細(xì)菌：纖毛蟲大小、停留時(shí)間（考慮到纖毛蟲的生長速率）、細(xì)菌狀況（密度、死活）和進(jìn)水的BOD.在常規(guī)活性污泥法中，生物處理在一個(gè)曝氣池中進(jìn)行，由于微生物群的復(fù)雜性，原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的存在抑制了分散細(xì)菌的生長，但有利于結(jié)團(tuán)細(xì)菌或成膜細(xì)菌的生長（它們不易被捕食者掠奪），這意味著在常規(guī)活性污泥法中產(chǎn)生的大部分細(xì)菌不能被捕食者消滅，從而導(dǎo)致污泥產(chǎn)率高。因此，為了克服常規(guī)活性污泥法微生物的選擇壓力，目前最常用的是兩段法，第一階段為分散細(xì)菌階段，目的是促進(jìn)分散細(xì)菌（Dispersed bacteria）的生長。該階段具有如下操作特點(diǎn)：曝氣、完全混合、生物體不滯留和污泥齡很小，它的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是水力停留時(shí)間（HRT）等于固體停留時(shí)間（SRT），水力停留時(shí)間必須足夠長以避免沖走分散細(xì)菌，又必須足夠短以防止細(xì)菌結(jié)團(tuán)和捕食者的生長，該階段的反應(yīng)器為恒化器（Chemostat）。第二階段為捕食者階段，目的是促進(jìn)原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的生長，其特點(diǎn)是污泥齡較長，該階段的反應(yīng)器可為活性污泥、生物膜或膜生物反應(yīng)器等。
Ratsak等采用兩段法進(jìn)行了纖毛蟲（Tetrahymena Pyriformis）捕食細(xì)菌（Pseudomonas Fluorescens）的小試研究，發(fā)現(xiàn)其生物體產(chǎn)生量比沒有纖毛蟲捕食的減少了12%～43%.Lee和Welander進(jìn)行了類似的研究，第二段設(shè)計(jì)為生物膜反應(yīng)器，原生動(dòng)物和后生動(dòng)物可減少生物體產(chǎn)生量的60%～80%.采用兩段法處理5種不同制漿和造紙廢水，第二階段采用活性污泥和生物膜反應(yīng)器（懸浮填料和固定填料），小試結(jié)果表明，常規(guī)活性污泥法的污泥產(chǎn)率為0.2～0.4kgSS/kgCOD，而兩段法的污泥產(chǎn)率為0.01～0.23kgSS/kgCOD，其中固定填料的生物膜反應(yīng)器污泥產(chǎn)率最低。Rensink和Rulkens在一個(gè)裝有填料的活性污泥中試系統(tǒng)中，接種后生動(dòng)物—Tubificidae蠕蟲，污泥產(chǎn)率從不接種蠕蟲的0.4 kgMLSS/kgCOD降到接種蠕蟲的0.15 kgMLSS/kgCOD.王寶貞采用固體填料增加原生動(dòng)物和后生動(dòng)物在曝氣池中的數(shù)量，小試表明浸沒式生物膜的剩余污泥產(chǎn)量是常規(guī)活性污泥法的1/10～1/5［9］。Ghyoot和Verstraete采用兩段法處理人工配制廢水，第二階段分別采用浸沒式膜生物反應(yīng)器和活性污泥反應(yīng)器，并對這兩種工藝進(jìn)行了比較，在相同的SRT和有機(jī)負(fù)荷下，兩段MBR法的污泥產(chǎn)率比兩段活性污泥法的低20%～30%，但前者出水的溶解性氮、磷高于后者，并且兩段MBR法的硝化能力有明顯的降低。張紹園采用兩段抽吸浸沒式膜生物反應(yīng)器處理生活污水，發(fā)現(xiàn)有蠕蟲（Worm）存在時(shí)，其污泥產(chǎn)率低于常規(guī)活性污泥法污水處理系統(tǒng)；當(dāng)蠕蟲濃度保持100個(gè)/mL以上時(shí)，污泥產(chǎn)率為0.1 kgSS/kgCOD，約為常規(guī)活性污泥法的1/4；蠕蟲對高污泥濃度的膜生物反應(yīng)器的處理效果無太大影響，在蠕蟲繁殖高峰，有一定的氮、磷釋放。上述研究表明，兩段法適于不同廢水的處理，但存在兩點(diǎn)不足：①氧消耗量的增加導(dǎo)致曝氣費(fèi)用上升；②營養(yǎng)物的釋放影響出水水質(zhì)。
2.于解偶聯(lián)生長的污泥減量技術(shù)
三磷酸腺苷（ATP）是鍵能轉(zhuǎn)移的主要途徑，是能量轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中心。一般情況下，微生物的合成代謝通過呼吸（速率控制）與底物的分解代謝進(jìn)行偶聯(lián)，當(dāng)呼吸控制不存在，生物合成速率成為速率控制因素時(shí)，解偶聯(lián)新陳代謝就會(huì)發(fā)生，并且在微生物新陳代謝過程中產(chǎn)生的剩余能量沒有被用來合成生物體，因此，這種現(xiàn)象稱為解偶聯(lián)生長（Uncoupled growth）。Russel和Cook對解偶聯(lián)的定義是：化學(xué)滲透氧化磷酸化作用不能產(chǎn)生以ATP為形式的理論能量，即解偶聯(lián)的氧化磷酸化作用［10］。這表明ATP在分解代謝中的產(chǎn)生速率大于其在合成代謝中的消耗速率，這樣便會(huì)減少生物體的產(chǎn)生量。
微生物從厭氧過程轉(zhuǎn)移到好氧過程會(huì)發(fā)生解偶聯(lián)新陳代謝，并且其產(chǎn)率系數(shù)會(huì)降低，據(jù)此，Chudoba等設(shè)計(jì)了一個(gè)OSA（Oxic-Settling-Anaerobic）小試系統(tǒng)處理人工配制廢水，并將其與常規(guī)活性污泥法進(jìn)行比較，前者和后者的污泥產(chǎn)率分別是0.13～0.29和0.28～0.47 kgSS/kgCOD［5］。解偶聯(lián)劑能起到解偶聯(lián)氧化磷酸化作用，限制細(xì)胞捕獲能量，從而抑制細(xì)胞的生長，故能減少污泥產(chǎn)量。Strand等比較了12種解偶聯(lián)劑，小試結(jié)果表明：三氯苯酚（TCP），在開始階段投加TCP的污泥產(chǎn)率是不投加的50%；但80d后，微生物適應(yīng)了TCP［3］。雖然解偶聯(lián)劑能大大降低污泥產(chǎn)量，但長期運(yùn)行產(chǎn)生的生物適應(yīng)將給解偶聯(lián)劑的使用帶來負(fù)面影響