污泥是污水生物处理过程中产生的一种副产物，是一种重要的固体有机废弃物。污水生物处理过程中会产生大量污泥，据估计，实际运行的污水处理厂污泥产率可达0.52～1.22 kg/kg，截止到2011年底，我国的污泥产量已达到3.48×107 t（含水率80%）〔1〕。由于污水中很多污染物在污水生物处理过程中会最终转移到污泥中，因此污泥必须得到妥善处理处置。然而由于污泥处理的投资和运行费用巨大〔2, 3〕，污泥处理处置已成为污水处理厂所面临的沉重负担和难题，减少污泥量十分必要。
化学解偶联剂污泥减量技术是一种以“源头控制”为目标的污泥减量技术。这种技术操作方便、技术实施简单、投资较少、易在原有工艺中实现且减量效果好，是目前污泥减量技术的研究热点之一〔2, 3, 4, 5〕。然而由于这种技术还有一些不足，目前仍然处于实验室研究阶段，离实际应用还有一定距离。笔者对其机理、研究现状与进展、存在问题和发展方向等进行总结和归纳，以期推动该技术的发展和应用。
1 化学解偶联剂污泥减量技术的机理
微生物的代谢偶联是指微生物代谢过程中，分解代谢（氧化作用）和合成代谢（磷酸化作用）的偶联，其中分解代谢是底物脱氢或失电子的过程，而合成代谢是指二磷酸腺苷与磷酸合成三磷酸腺苷（ATP）的过程〔6, 7〕。在正常生理条件下分解代谢和合成代谢紧密地偶联，而合成ATP的决定因素是H+的跨膜梯度。化学解偶联剂可以消除细胞膜之间的质子梯度，从而抑制ATP的合成。值得注意的是，解偶联剂只消除膜两边的质子或电位梯度，不但不会抑制呼吸链的电子传递，反而加速电子传递，促进呼吸底物和分子氧的消耗，产生的能量以热量的形式散发而不合成ATP。化学解偶联剂污泥减量的机理就在于在污水生物处理过程中利用化学解偶联剂使污泥微生物的分解代谢和合成代谢脱偶联，分解代谢远大于合成代谢，从而使污染物大部分氧化分解成CO2和水，而较少合成新的污泥〔3, 4, 5〕。
2 化学解偶联剂的种类及特性
从1948年W. F. Loomis等〔8〕首次发现2，4-二硝基苯酚可作为化学解偶联剂起，经过几十年的研究，已经发现了10多种可用于有效减量污泥的化学解偶联剂〔9, 10, 11〕。目前研究的化学解偶联剂包括硝基酚类：2，4-二硝基苯酚（DNP）、对硝基苯酚（p-NP）、间硝基苯酚（m-NP）、邻硝基苯酚（o-NP）等；氯酚类：如邻氯苯酚（o-CP）、对氯苯酚（p-CP）、间氯苯酚（m-CP）、三氯苯酚（TCP），2，4-二氯苯酚（2，4-DCP）、2，6-二氯苯酚（2，6-DCP）、五氯苯酚（PCP），3，3’，4’，5-四氯水杨酰苯胺（TCS）等；季铵盐类：如苄基季铵盐；季磷盐类：四羟四甲基硫酸磷（THPS），氯化四羟甲基磷（THPC）；氨基酚：如邻氨基酚（AP）、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）和氨基酸等。
现有文献表明大部分化学解偶联剂具有弱酸性，且为脂溶性。弱酸性使其在不同pH环境下均可结合H+或释放H+，通常解偶联剂的酸度越低，污泥减量效果越好，但解偶联剂的污泥减量效果还受到许多其他因素的影响。而脂溶性则使其能自由透过磷脂双分子层，将膜外的H+转移到膜内，从而消除质子梯度。但最新发现的一种水溶性有化合物THPS具有解偶联效果〔10〕，说明非脂溶性物质也可以作为化学解偶联剂。在污水处理过程中，化学解偶联剂的脂溶性会导致其在水中溶解度不高，降解慢，这可能是化学解偶联剂应用于污水处理中的不足。
3 化学解偶联剂的污泥减量效果
文献表明化学解偶联剂的污泥减量可达到 21%～87%,不同化学解偶联剂的污泥减量效果如表 1所示。
由表 1可见，化学解偶联剂的污泥减量效果受到化学解偶联剂的种类、添加量和污水处理规模等的影响。不同化学解偶联剂对污泥减量的效果不相同，Zebo Liu通过批量试验研究了3种化学解偶联剂（TCS、p-NP、THPS）的污泥减量效果，结果表明，添加质量浓度分别为0.5、20、0.02 mg/L时，其污泥减量率可分别达到18%、28%、30%〔28〕。C. Aragóna 等〔29〕的研究发现，添加30 mg/L的 DNP时，污泥产率可降低14%，而添加40 mg/L的TCS 时，污泥产率降低率可达49%。化学解偶联剂的添加量明显影响其污泥减量效果〔12, 13〕。化学解偶联剂的添加位置也会影响其污泥减量效果。S. Rho等〔12〕比较了在好氧系统和缺氧系统中添加TCS时，污泥产率的变化，发现好氧系统污泥对TCS的敏感性要比缺氧系统中更高。另外，化学解偶联剂的污泥减量效果还受到试验规模的影响：Zebo Liu的研究结果表明〔28〕THPS在小试试验中的污泥减量效果可达 30%，而笔者研究组的研究结果〔14〕表明，在中试试验中的污泥减量效果为22.5%。
4 化学解偶联剂对污水处理过程的影响
化学解偶联剂的添加会影响污水处理，包括对污水处理效果的影响、对污泥性质的影响、污泥微生物菌群结构的影响等。部分化学解偶联剂对污泥处理过程的影响如表 2所示。
4.1 化学解偶联剂对污水处理效果的影响
解偶联剂在减少污泥产量的同时，还会可能带来一些负 面影响，最严重的影 响是会升高出 水 COD，导致出水水质变差，由于污泥产量减少，出水中 N、P 浓度可能也会升高。
来一些负面影响，最严重的影响是会升高出水COD，导致出水水质变差，由于污泥产量减少，出水中N、P浓度可能也会升高。目前对由于化学解偶联剂的添加影响污水处理过程COD去除的研究结果并不一致。C. Aragóna等〔29〕发现随着TCS的添加质量浓度从0升高到0.8 mg/L，COD的去除率从52.16%升高到58.92%；而一些研究〔12, 13, 33〕则表明，COD的去除率有一定降低，谢敏丽〔34〕甚至发现当氨基酚投加量为20 mg/L时，COD去除率会下降56%。不同化学解偶剂对COD去除率的影响不同，且不同投加量的同一化学解偶联剂的影响也不同。另外，投加方式也会影响其效果。例如，一次性投加TCS减量化效果要好于多次投加，并且随着投加量的增大，COD去除率降低〔35〕。由于添加化学解偶联剂后污水的COD去除率仍较高，因此大部分研究者认为化学解偶联剂对COD去除率的影响可以忽略。G. H. Chen等〔13〕的研究表明：添加0.5、1.0 mg/L的TCS后，COD的去除率分别从95.4%降低到95.3%、94.7%。化学解偶联剂降低COD去降率的可能原因是目前应用的化学解偶联剂为异体物质，对微生物有一定毒害作用，导致一部分微生物死亡，形成出水中的COD〔27〕。
部分研究者研究了化学解偶联剂对氨氮和总氮去除的影响。例如，叶芬霞等〔36〕发现TCS的添加会升高出水氨氮和总氮的浓度，从而降低氨氮和总氮的去除率，且随着TCS添加量增加，氨氮和总氮去除率呈下降趋势，但降低量较少。原因可能是化学解偶联剂减少的那部分剩余污泥中的氮会释放到出水中，从而会提高出水的氨氮和总氮水平、降低氨氮和总氮的去除率〔37〕。研究表明选择合适的工艺可以降低这种影响，例如叶芬霞等〔36〕采用连续曝气继而沉淀的SBR运行方式发现TCS的加入对出水的氨氮和总氮的去除没有影响。
由于生物除磷主要通过排除剩余污泥来实现，剩余污泥量的减少势必增加出水的TP、降低TP的去除效率。例如叶成全〔38〕研究了4种化学解偶联剂（TCP、DNP、m-CP和TCS）对A2/O工艺的影响，发现加入这些解偶联剂后出水磷酸盐和总磷的浓度均略微升高。王涛等〔32〕比较不同化学解偶联剂对 A2/O工艺的影响，发现试验的4种化学解偶联剂（DNP、m-CP、TCP和TCS）均会导致出水磷浓度升高。但也有研究结果表明，TP的去除基本不受化学解偶联剂添加的影响。例如，Fenxia Ye 等〔33〕的研究表明，TCS添加量分别为0.05、0.10、0.15 g时，好氧-沉淀-厌氧（OSA）系统出水TP的平均值分别为3.1、 2.9 、3.1 mg/L，而作为对照的好氧-沉淀系统出水TP的平均值为3.5 mg/L，这可能是因为试验系统与对照系统相比增加了厌氧部分所造成的。
4.2 化学解偶联剂对污泥性质的影响
化学解偶联剂的投加会影响污泥性质，这些性质包括沉降性能（SVI）、活性（SOUR）、絮体结构和微生物菌群结构等。
G. H. Chen等〔13〕研究结果表明当向污水处理系统中添加0.5、1.0 mg/L TCS时，污泥的SOUR从62.3 mg/（g·h）分别提高到78.8、94.6 mg/（g·h）。而叶芬霞等〔30〕研究TCS对活性污泥工艺中污泥活性的影响时，也发现TCS能使污泥SOUR从2.29 mg/（mg·d）升高到2.93 mg/（mg·d）。化学解偶联剂的种类、投加量和投加方式等会影响其效果，例如，叶芬霞等〔36〕的研究表明污泥SOUR随TCS投加量的增加而增加，叶成全〔38〕比较了两种TCP投加方式（每天投加120 mg和每两天投加240 mg）对污泥SOUR的影响，结果发现两者均能提高污泥的SOUR。添加化学解偶联剂能够使氧化磷酸化过程脱偶联，抑制ATP的合成，促进污泥微生物的呼吸作用，使得其呼吸速率提高，从而提高污泥的SOUR。但也有研究表明，化学解偶联剂的投加会导致污泥SOUR的降低，如Y. Tian等〔16〕的研究表明，加入2，6-DCP后与对照组相比，呼吸作用明显受到抑制；并且受抑程度与投加浓度成正比，在投加质量浓度为1 g/L时，呼吸抑制速率达到83%。
目前，大部分化学解偶联剂污泥减量的研究都表明，解偶联剂会造成SVI升高。化学解偶联剂对污泥SVI的影响主要是通过改变其微生物菌群结构来实现的，添加化学解偶联剂后，污泥中丝状菌增加，从而导致其SVI升高。叶芬霞等〔30〕的研究表明，TCS的添加会使污泥的平均SVI从82.81升高到95.22。不同化学解偶联剂对污泥SVI的影响是不一致的。例如G. H. Zheng等〔11〕的研究表明，添加2，4，6-trichlorophenol仅会短期影响污泥的SVI，很快（1～2周）即可恢复，而另一种化学解偶联剂——丙二酸则会导致污泥SVI迅速急剧增加，最终导致系统崩溃。
通过显微镜观察、扫描电镜观察和变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析等可以发现，化学解偶联剂的添加会使污泥的部分原有微生物消失、新的微生物出现、生物多样性降低、微生物菌落结构的相似性变大、优势种群发生改变、原、后生物的种类和数量减少、丝状菌增多、污泥变松散等。G. H. Zheng 等〔11〕运用DGGE分析发现，添加解偶联剂后的活性污泥DNA图谱中出现了新的条带，说明污泥中出现了新的微生物；还通过扫描电镜观察到，加入TCP后的污泥絮体结构发生变化，污泥絮体主要由球菌及短杆菌组成，结构松散、絮体较小、原生动物及后生动物种类和数量减少。叶芬霞等〔30〕的研究也表明，TCS的添加会使污泥原、后生物的种类和数量均减少，且活性降低，污泥中丝状菌增加，污泥变松散。
另外，化学解偶联剂还可能会影响污泥的胞外聚合物（EPS）、醌和酶活等性质。例如Y. Tian等〔16〕发现加入2，6-DCP后，污泥EPS含量及其蛋白质/多糖含量比均高于对照组，这说明添加2，6-DCP后污泥释放了更多的EPS。
5 存在的不足及其发展的方向
尽管化学解偶联剂在污泥减量方面的效果明显，但是在实际应用上还存在一些不足。首先，随着污泥产率的下降，污水中的COD及N、P去除率也随之下降。其次，污泥沉降性能发生变化，活性污泥中优势种群发生变化，原生、后生动物减少，沉降性降低。再次，需氧量增加，系统曝气量增加，使得运行成本升高。最后，解偶联剂使用的主要问题仍然是毒性问题，因为解偶联剂是环境异体物质，通常为难降解物质，为了避免污泥产生抗性也会选择较难降解的物质，所以在水中一定会有残留，会在动、植物以致人类体内积累，危害人类健康。另一方面，在长期运行过程中，活性污泥可能会对解偶联剂产生抗性，从而影响减量效果。。
目前的研究大都致力于解偶联剂最佳投放浓度的研究，在保证减量效果同时，减小对出水水质的影响，或者通过其他物质与解偶联剂协同作用〔31〕。由于解偶联剂的污泥减量机制以及降低出水基质去除率的原因都尚未明确，因此，探寻解偶联剂减量机理以及影响处理效果的原因，仍会是以后研究的难题和 热点。针对现在使用的解偶联剂均是环境异体物质，对环境及人类健康都有一定危害的情况，目前有很多筛选低毒、高效解偶联剂的研究，但仅仅是在现存解偶联剂中选择毒性相对较低的几种，并不能百分百地确定其使用的安全性。因此研发及寻求高效、安全的解偶联剂是未来研究的一个重点方向。同时为了避免活性污泥对解偶联剂产生抗性，保证添加解偶联剂污水处理工艺具有长期的运行效果，研究解偶联剂在污水处理过程中的转移转化途径是解偶联污泥减量技术投入实际应用的关键之一。最后，由于目前化学解偶联剂减量污泥的研究工作均是小试试验，为了促进这种技术的实际应用，进行中试试验和现场试验研究也是未来的重要方向。
目前的研究大都致力于解偶联剂最佳投放浓度的研究，在保证减量效果同时，减小对出水水质的影响，或者通过其他物质与解偶联剂协同作用〔31〕。由于解偶联剂的污泥减量机制以及降低出水基质去除率的原因都尚未明确，因此，探寻解偶联剂减量机理以及影响处理效果的原因，仍会是以后研究的难题和 热点。针对现在使用的解偶联剂均是环境异体物质，对环境及人类健康都有一定危害的情况，目前有很多筛选低毒、高效解偶联剂的研究，但仅仅是在现存解偶联剂中选择毒性相对较低的几种，并不能百分百地确定其使用的安全性。因此研发及寻求高效、安全的解偶联剂是未来研究的一个重点方向。同时为了避免活性污泥对解偶联剂产生抗性，保证添加解偶联剂污水处理工艺具有长期的运行效果，研究解偶联剂在污水处理过程中的转移转化途径是解偶联污泥减量技术投入实际应用的关键之一。最后，由于目前化学解偶联剂减量污泥的研究工作均是小试试验，为了促进这种技术的实际应用，进行中试试验和现场试验研究也是未来的重要方向。
