文/姜 威 王連杰 張 麟 劉 鵬

活性污泥中的微生物在降解有機(jī)物及完成一系列生化過(guò)程中會(huì)消耗水體中的溶解氧（DO），微生物消耗水體中DO的速率是評(píng)價(jià)污水處理系統(tǒng)中活性污泥性能的指標(biāo)[1～2]之一，稱(chēng)為氧氣吸收速率或耗氧速率（OUR）。

目前，測(cè)定OUR的操作都是基于生物量從液相中吸收DO的速率來(lái)評(píng)估，相關(guān)儀器的種類(lèi)繁多，但此類(lèi)設(shè)備均需測(cè)量混合液懸浮固體濃度（MLSS）和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS），測(cè)試過(guò)程中有機(jī)殘?jiān)鼘?duì)檢測(cè)結(jié)果的影響難以避免。此外，溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在該類(lèi)儀器的研究中少見(jiàn)報(bào)道。有研究表明，溫度每升高1 ℃，微生物代謝活性將隨之提高約12%[3]，因此溫度對(duì)污泥活性的影響不可忽視。

本文改進(jìn)了測(cè)定活性污泥性能的方法，設(shè)計(jì)并搭建了一套新的儀器，設(shè)計(jì)過(guò)程中著重考慮了反應(yīng)體系溫度和環(huán)境溫度的一致性；研究了污泥活性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和影響檢測(cè)精度的因素；通過(guò)新的數(shù)據(jù)處理方法提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)量原理與裝置設(shè)計(jì)

1.1 污泥活性指數(shù)

污泥耗氧速率（OUR）或比耗氧速率（SOUR）是常用的表征活性污泥法降解污水中有機(jī)質(zhì)的生物代謝動(dòng)力學(xué)參數(shù)，其計(jì)量方法是

但是以往的研究報(bào)道中污泥耗氧速率（比耗氧速率）的測(cè)量、計(jì)算方法一般用（單位數(shù)量）活性污泥中微生物消耗水體中的溶解氧量和時(shí)間的比來(lái)表示[4]

即選取溶解氧衰減曲線(xiàn)上兩點(diǎn)，計(jì)算兩點(diǎn)所在直線(xiàn)的斜率。這種計(jì)算方法受計(jì)算點(diǎn)的選取影響較大，不同的點(diǎn)計(jì)算結(jié)果差別較大，見(jiàn)圖1。

為了便于表征污泥活性的變化趨勢(shì)，本文提出了一種評(píng)價(jià)污泥性能的指標(biāo)——污泥活性指數(shù)k。污泥活性指數(shù)是試驗(yàn)水體中的溶解氧飽和度，溶解氧飽和度是指一定溫度條件下水體中溶解氧的測(cè)量值占該溫度下蒸餾水的飽和溶解氧的百分比，其意義是溶解氧飽和度衰減曲線(xiàn)與時(shí)間的積分的倒數(shù)和活性污泥常數(shù)的乘積，見(jiàn)圖2。

圖1 傳統(tǒng)耗氧速率評(píng)價(jià)方法

圖2 污泥活性指數(shù)

式中：f（t）——溶解氧飽和度隨時(shí)間的衰減函數(shù)；

N——為污泥活性常數(shù)，取10000；

1.2 測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)和組建

為了精確檢測(cè)污泥活性的變化，設(shè)計(jì)并組裝一套自動(dòng)化的取樣檢測(cè)裝置，見(jiàn)圖3。

圖3 污泥活性測(cè)定儀

整個(gè)裝置包括進(jìn)水系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、溫度檢測(cè)和維持系統(tǒng)、料液定量補(bǔ)加系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)、邏輯控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 污水處理系統(tǒng)

所用活性污泥取自天津某污水處理廠(chǎng)AAO+AO工藝的二級(jí)O段，見(jiàn)圖4。

圖4 污水處理工藝

該污水處理廠(chǎng)主要接納生活污水。活性污泥為黃褐色，pH 值為6.8～7.5，混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)為1200～2500 mg/L，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)濃度與總固體懸浮物(SS)濃度之比約為0.68～0.74，污泥沉降指數(shù)(SVI)為67～125。

2.2 試驗(yàn)試劑及儀器

1）試驗(yàn)儀器包括本文所述污泥活性測(cè)定儀、哈希公司的便攜式溶解氧儀、恒溫干燥箱、萬(wàn)分之一天平、真空泵。

2）試驗(yàn)試劑有CH3COONa（分析純）和CuSO4（分析純）。

2.3 研究?jī)?nèi)容

2.3.1 可重復(fù)性試驗(yàn)

由于污泥活性不同，檢測(cè)周期也可能不一致。隨著活性污泥中微生物代謝過(guò)程的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)不斷被消耗，微生物呼吸作用可能受到影響。因此研究一段時(shí)間內(nèi)呼吸作用的可重復(fù)性，進(jìn)而確定污泥活性隨時(shí)間的變化就顯得尤為必要。這也是活性污泥性能測(cè)量設(shè)備間歇運(yùn)行并能夠最大程度重復(fù)歷史性能的基礎(chǔ)。

2.3.2 溫度對(duì)耗氧速率的影響

比呼吸速率是比外源呼吸速率與比內(nèi)源呼吸的綜合。同一批次的好氧污泥，當(dāng)污泥性質(zhì)穩(wěn)定時(shí)，比內(nèi)源呼吸速率基本是恒定的?；钚晕勰鄡?nèi)源呼吸與微生物本身的活性息息相關(guān)，如果溫度隨環(huán)境溫度時(shí)刻發(fā)生變化，將會(huì)引起微生物活性的變化，因此保證檢測(cè)體系的溫度與被測(cè)體系一致對(duì)于檢測(cè)污泥呼吸速率的真實(shí)性非常重要。

2.3.3 碳源對(duì)污泥活性的影響

外部底物的濃度影響著微生物的代謝活性，如果需要全面檢測(cè)污泥的活性就需要考慮碳源對(duì)污泥活性的影響。這就需要深入研究碳源的種類(lèi)、同一種碳源的濃度、外加碳源的作用時(shí)長(zhǎng)和同一種碳源與溫度共同作用下的污泥活性。

2.3.4 重金屬對(duì)污泥活性的影響

污水處理廠(chǎng)進(jìn)水受到重金屬污染物沖擊時(shí)，可能導(dǎo)致污泥中毒，從而使污泥活性降低或失去活性。該中毒過(guò)程的微觀表現(xiàn)是重金屬使微生物新陳代謝有關(guān)的酶失去活性[6]。污泥中毒時(shí)，污泥耗氧速率通常會(huì)突然下降，因此可以通過(guò)檢測(cè)污泥的耗氧速率實(shí)現(xiàn)重金屬污染的早期預(yù)警。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 污泥活性檢測(cè)可重復(fù)性試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：溫度40 ℃，攪拌速度150 rad/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 重復(fù)曝氣耗氧試驗(yàn)

由圖5可以看出，在2 h、5個(gè)呼吸周期內(nèi)耗氧積分面積基本穩(wěn)定，污泥活性指數(shù)基本不變。這表明在可以預(yù)測(cè)的呼吸周期內(nèi)不會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)周期的細(xì)微不同影響試驗(yàn)結(jié)果。該試驗(yàn)為評(píng)價(jià)活性污泥性能的設(shè)備間歇運(yùn)行方法的可行性奠定了基礎(chǔ)。

3.2 溫度對(duì)污泥活性的影響

試驗(yàn)條件：溫度25～40 ℃，攪拌速度150 rad/min。122～137 min為升溫調(diào)節(jié)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 溫度對(duì)污泥活性的影響

從圖6 可以看出，反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí)候，污泥活性指數(shù)基本沒(méi)有變化。溫度上升到40 ℃以后污泥活性指數(shù)顯著增加。說(shuō)明溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是顯著的，這就對(duì)污泥活性測(cè)量?jī)x器的溫度控制和與環(huán)境溫度保持一致性上提出了較高要求。

3.3 碳源對(duì)污泥活性的影響

1）溫度和碳濃度一定。試驗(yàn)條件：溫度為38 ℃，攪拌速度150 rad/min。第49 min 投加乙酸鈉，投加至反應(yīng)體系濃度為60 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 乙酸鈉污泥活性的影響

由圖7 可以看出，第一個(gè)反應(yīng)周期測(cè)量到的污泥活性指數(shù)為6.37，第二個(gè)測(cè)量周期開(kāi)始時(shí)加入乙酸鈉，反應(yīng)周期明顯縮短，污泥活性指數(shù)增加到11.9，但是第三個(gè)反應(yīng)周期時(shí)污泥活性指數(shù)又回歸到第一個(gè)反應(yīng)周期水平?？梢酝茢?，在第二個(gè)反應(yīng)周期內(nèi)，環(huán)境體系內(nèi)的乙酸鈉已經(jīng)消耗完全。

2）碳濃度一定，溫度變化。試驗(yàn)條件：溫度29～39 ℃，攪拌速度150 rad/min。第57、107 min投加乙酸鈉，投加至反應(yīng)體系濃度為60 mg/L，69～96 min 為升溫調(diào)節(jié)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 溫度對(duì)乙酸鈉消耗速率試驗(yàn)的影響

由圖8 可以看出，在投加碳源和溫度升高雙重因素作用下，污泥活性指數(shù)顯著增加。結(jié)合圖7 結(jié)論可知，第三個(gè)反應(yīng)測(cè)試開(kāi)始時(shí)候環(huán)境中的乙酸鈉已經(jīng)消耗完，第三測(cè)量周期內(nèi)的變化都是溫度變化引起的。

3）溫度一定，碳濃度變化。試驗(yàn)條件：溫度35 ℃，攪拌速度150 rad/min。第二個(gè)測(cè)量周期開(kāi)始時(shí)分別向反應(yīng)體系內(nèi)投加乙酸鈉，使NO.2～NO.4 反應(yīng)體系乙酸鈉濃度分別為30、50、80 mg/L，NO. 1 為空白對(duì)照組。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同濃度乙酸鈉對(duì)污泥活性的影響

從圖9 可以看出，一定溫度條件下污泥活性指數(shù)隨外投加碳源量的增加而增大，而且污泥活性指變化隨濃度增加的線(xiàn)性度較好，因此本方法還可以用來(lái)檢測(cè)未知碳源的濃度和評(píng)價(jià)不同碳源被活性污泥利用的難易程度。

3.4 重金屬對(duì)污泥活性的影響

投加不同濃度的CuSO4，研究不同重金屬濃度對(duì)污泥活性影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 CuSO4對(duì)污泥活性的影響

由圖10可以看出，在CuSO4為15～60 mg/L的濃度范圍下，污泥活性指數(shù)呈下降趨勢(shì)?？梢耘袛嘀亟饘巽~對(duì)活性污泥毒性的閾值在15 mg/L，其毒性與重金屬濃度呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系[6]。因此本方法還可以用來(lái)定性檢測(cè)毒性物質(zhì)的濃度和評(píng)價(jià)不同物質(zhì)對(duì)污泥活性的影響。此外，在廢水質(zhì)量嚴(yán)重惡化之前，使用本方法可以檢測(cè)到有毒或高有機(jī)負(fù)荷，這對(duì)活性污泥法處理工藝的正常運(yùn)行很有意義。

4 結(jié)論

1）本文所述的方法和裝置可以快速、直接測(cè)量活性污泥的性能，從而讓污水處理運(yùn)行者短時(shí)間內(nèi)得到生物池運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)污泥活性指數(shù)判斷出污泥的生物活性和結(jié)構(gòu)特征，從而評(píng)估污泥系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2）本文引入了新的評(píng)價(jià)污泥活性的指標(biāo)——污泥活性指數(shù)k，與以往的耗氧速率和比耗氧速率相比，污泥活性指數(shù)的測(cè)量結(jié)果減少了計(jì)量誤差，這對(duì)評(píng)價(jià)微生物活性意義重大。

3）溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是顯著的，這就對(duì)污泥活性測(cè)量?jī)x器的溫度控制和與環(huán)境溫度保持一致性上提出了較高要求。

4）一定溫度條件下污泥活性指數(shù)隨著外投加碳源量的增加而增大，而且污泥活性指變化隨濃度增加的線(xiàn)性度較好，因此本方法還可以用來(lái)評(píng)價(jià)不同碳源被活性污泥利用的難易程度。

5）本文中方法可以用來(lái)定性檢測(cè)毒性物質(zhì)的濃度和評(píng)價(jià)不同物質(zhì)對(duì)污泥活性的影響。