李曉曼，潘國強，余青青，李 杰，楊菲菲，王海鋼，熊艷梅，謝文英

(昆明城市污水處理運營有限責任公司，云南 昆明 650299)

活性污泥系統(tǒng)的比耗氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR)是指單位時間內(nèi)單位質(zhì)量生物量消耗氧氣的質(zhì)量。其中，生物量一般用MLSS(混合液懸浮固體質(zhì)量濃度)或者MLVSS(混合液揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度)表示[1]。SOUR是表征污泥生物活性的重要參數(shù)之一，可以反映活性污泥的生理狀態(tài)和活性情況[2-3]。反硝化速率是指單位質(zhì)量的污泥微生物在單位時間內(nèi)去除的硝酸鹽氮的質(zhì)量。由于反硝化過程需要以有機碳源作為電子供體，進水碳源不足是大多數(shù)污水處理廠脫氮效率低的主要影響因素[4-5]。近年來，活性污泥系統(tǒng)的比耗氧速率和反硝化速率在分析評估系統(tǒng)污泥生物活性及運行情況方面受到國內(nèi)外的普遍重視[6-11]，但是對于同時利用SOUR和反硝化速率檢測指導生產(chǎn)工藝調(diào)控的方法鮮有報道。

昆明市位于城鄉(xiāng)結(jié)合部的多座城鎮(zhèn)污水處理廠，因受管網(wǎng)建設(shè)及面源污染等的影響，普遍存在水質(zhì)水量季節(jié)性波動大、來水碳氮比低的情況，造成污泥活性差，出水總氮去除率低，需依賴大量投加外碳源才能保證水質(zhì)，導致運行成本高。針對該問題，本文以一個污水處理廠為研究對象，通過利用SOUR和反硝化速率兩種污泥活性檢測方法，對該低碳氮比污水處理廠污泥活性進行了試驗，并對應(yīng)用污泥活性指標指導污水處理廠脫氮工藝調(diào)控進行了分析研究。

1 材料與方法

1.1 研究對象基本情況

本文的研究對象為昆明市城鄉(xiāng)結(jié)合部某城鎮(zhèn)污水處理廠，設(shè)計處理規(guī)模為6萬m3/d，采用改良型A2/O工藝，共有3組生物反應(yīng)池。2021年進水碳氮的量比n(C)/n(N)平均值為4.70，全年分布在0.99～10.34，進水碳氮比不足5的天數(shù)達70%。2021年投加復(fù)合碳源 1207 t，水耗復(fù)合碳源量為 48 mg/kg，噸水碳源成本為 0.11元/t。

1.2 活性污泥比耗氧速率的測定

1.2.1 實驗材料

10 L 左右圓柱型封閉式反應(yīng)器，磁力攪拌器一臺(型號：INTLLAB MS-500)，便攜式溶解氧測定儀(型號：哈希HQ30d)，曝氣設(shè)備，計時器。

1.2.2 測定方法

取 5 L 好氧池末端活性污泥，倒入反應(yīng)器內(nèi)，對活性污泥進行曝氣。待溶解氧達到飽和狀態(tài)(7～9 mg/L)后，停止曝氣。將反應(yīng)器置于磁力攪拌器上使污泥保持完全混合狀態(tài)，每隔 2 min 記錄一次溶解氧的濃度；繪制溶解氧-時間變化曲線圖，得到的直線斜率即為耗氧速率(OUR)；再根據(jù)反應(yīng)器中的污泥濃度計算污泥比耗氧速率(比耗氧速率=OUR/MLSS)[12]。

1.3 活性污泥反硝化(潛力)速率的測定

1.3.1 實驗材料

硝酸鹽氮快速檢測試劑及分光光度儀(型號：哈希：DR200)，便攜式溶解氧測定儀(型號：哈希HQ30d)，離心機(型號：SCJLOGEX D3024)，磁力攪拌器(型號：INTLLAB MS-500)，500 mL 錐形瓶 (帶瓶塞)，10 mL 注射器，計時器。液體復(fù)合碳源T50(COD為 548000 mg/L，深圳長隆科技有限公司生產(chǎn))，固體葡萄糖(葡萄糖含量99.8% ，西王藥業(yè)有限公司)，液體乙酸鈉(COD為 198600 mg/L ，中源環(huán)保有限公司)。

1.3.2 測定方法

1.4 指標檢測方法

硝酸鹽氮用快速檢測儀分光光度法測定，DO采用便攜式溶解氧儀測定，其余水質(zhì)指標，如COD、TN、氨氮及MLSS、MLVSS等均按《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[15]測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥活性檢測結(jié)果及分析

2.1.1 比耗氧速率判斷污泥活性

由圖1可得，污水處理廠活性污泥OUR為 0.1377 mg/(min·L)，根據(jù)測得的污泥質(zhì)量濃度 3180 mg/L，可以計算出該廠的SOUR為 0.04 mg/(g·min)。據(jù)文獻報道[16]，當SOUR低于 0.1333 mg/(g·min)時，表明系統(tǒng)F/M(食物-微生物比)過低或有輕微中毒現(xiàn)象。經(jīng)過計算，該污水處理廠F/M值比設(shè)計范圍稍微偏低，SOUR僅為 0.04 mg/(g·min)，初步判斷該污水處理廠有污泥輕微中毒的可能，污泥活性較差。

y代表溶解氧質(zhì)量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關(guān)系數(shù)。圖1 某污水處理廠溶解氧-時間曲線

2.1.2 反硝化(潛力)速率判斷污泥反硝化性能

通過采集該污水廠好氧末段活性污泥混合液，保證在低COD、低氨氮和高硝態(tài)氮的情況下，進行反硝化(潛力)速率試驗。在初始硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為 10.1 mg/L 條件下，分別投加5倍和7倍硝酸鹽質(zhì)量濃度的碳源(以COD計)，按照測定方法進行試驗，結(jié)果見圖2和表1。

y代表硝酸鹽氮質(zhì)量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關(guān)系數(shù)。圖2 不同碳源倍數(shù)下反硝化速率曲線

表1 反硝化速率(潛力)試驗結(jié)果

根據(jù)反硝化(潛力)速率試驗結(jié)果，投加5倍復(fù)合碳源條件下，活性污泥反硝化速率為 2.88 mg/(g·h)，投加7倍復(fù)合碳源條件下，活性污泥反硝化潛力速率為 3.91 mg/(g·h)。根據(jù)周乙新等[17]文獻報道，一般城鎮(zhèn)污水處理廠的反硝化潛力為4～10 mg/(g·h)。由此可見，該污水處理廠活性污泥反硝化(潛力)速率相對偏低，反硝化性能不好。

2.2 接種活性污泥效果評估

根據(jù)該廠比耗氧速率和反硝化(潛力)速率試驗結(jié)果，判定該廠污泥活性較差，反硝化性能不好，污泥中反硝化菌群豐度相對較低，故嘗試采取活性污泥接種馴化的方式，改善污泥活性及反硝化性能。對接種污泥進行馴化培養(yǎng)1個月后，再次進行污泥活性檢測試驗，結(jié)果見圖3～圖4、表2。

y代表溶解氧質(zhì)量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關(guān)系數(shù)。圖3 某污水處理廠污泥接種前后溶解氧-時間曲

y代表硝酸鹽氮質(zhì)量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關(guān)系數(shù)。圖4 不同碳源倍數(shù)下污泥接種前后反硝化速率曲線

表2 污泥接種前后活性及反硝化速率對比

根據(jù)SOUR試驗結(jié)果，接種污泥前后，該廠比耗氧速率提升150%，達到 0.1 mg/(g·min)，基本接近 0.133 mg/(g·min)，可見污泥活性得以恢復(fù)。根據(jù)反硝化(潛力)速率結(jié)果，接種污泥后，5倍和7倍碳源濃度條件下，反硝化(潛力)速率分別提升32%和23%。通過對比污泥接種前后的污泥活性試驗數(shù)據(jù)，表明污泥接種馴化培養(yǎng)有效果，接種污泥后污泥活性及反硝化性能均有所提升。

2.3 反硝化速率試驗支撐碳源篩選研究

在污泥活性及反硝化性能提升后，為了進一步提高系統(tǒng)的反硝化效果，仍需要少量的外碳源補給。為了篩選出適宜該污水處理廠的外碳源，借助反硝化速率試驗進行了3種常見碳源的對比。測定初始硝酸鹽氮濃度后，分別投加5倍硝酸鹽濃度的葡萄糖、乙酸鈉、復(fù)合碳源(COD計)進行反硝化速率試驗，結(jié)果如圖5和表3所示。

y代表硝酸鹽氮質(zhì)量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關(guān)系數(shù)。圖5 不同種類碳源的反硝化速率曲線

表3 不同碳源反硝化速率試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1)通過比好氧速率試驗和反硝化速率試驗，可以判斷污泥微生物代謝活性和反硝化性能。根據(jù)活性試驗結(jié)果采取接種活性污泥進行培養(yǎng)馴化的措施，可以改善污泥活性和反硝化性能。經(jīng)污泥活性試驗評估，接種污泥前后，比耗氧速率提升150%；5倍和7倍碳源濃度條件下，反硝化(潛力)速率分別提升32%和23%。

2)污水處理廠投加外碳源前，可以利用反硝化速率試驗進行碳源比選，并結(jié)合經(jīng)濟性篩選適宜的外碳源。

3)經(jīng)過活性污泥接種馴化，并篩選使用適宜碳源后，該低碳氮比污水處理廠脫氮效率得到提升：噸水碳源投加量由 48 mg/kg 下降至 11.6 mg/kg，噸水碳源成本下降0.084元，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。