污泥活性指數(shù)測量儀器的研究與應(yīng)用

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，稱為氧氣吸收速率或耗氧速率（OUR）。

目前，測定OUR的操作都是基于生物量從液相中吸收DO的速率來評估，相關(guān)儀器的種類繁多，但此類設(shè)備均需測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），測試過程中有機(jī)殘?jiān)鼘z測結(jié)果的影響難以避免。此外，溫度對測量結(jié)果的影響，在該類儀器的研究中少見報(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]，因此溫度對污泥活性的影響不可忽視。

本文改進(jìn)了測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；研究了污泥活性評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和影響檢測精度的因素；通過新的數(shù)據(jù)處理方法提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 測量原理與裝置設(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)間的比來表示[4]

即選取溶解氧衰減曲線上兩點(diǎn)，計(jì)算兩點(diǎn)所在直線的斜率。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，見圖1。

為了便于表征污泥活性的變化趨勢，本文提出了一種評價(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與時(shí)間的積分的倒數(shù)和活性污泥常數(shù)的乘積，見圖2。

圖1 傳統(tǒng)耗氧速率評價(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 測量裝置的設(shè)計(jì)和組建

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

圖3 污泥活性測定儀

整個(gè)裝置包括進(jìn)水系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、溫度檢測和維持系統(tǒng)、料液定量補(bǔ)加系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測系統(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AAO+AO工藝的二級O段，見圖4。

圖4 污水處理工藝

該污水處理廠主要接納生活污水?；钚晕勰酁辄S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定儀、哈希公司的便攜式溶解氧儀、恒溫干燥箱、萬分之一天平、真空泵。

2）試驗(yàn)試劑有CH3COONa（分析純）和CuSO4（分析純）。

2.3 研究內(nèi)容

2.3.1 可重復(fù)性試驗(yàn)

由于污泥活性不同，檢測周期也可能不一致。隨著活性污泥中微生物代謝過程的進(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，因此保證檢測體系的溫度與被測體系一致對于檢測污泥呼吸速率的真實(shí)性非常重要。

2.3.3 碳源對污泥活性的影響

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

2.3.4 重金屬對污泥活性的影響

污水處理廠進(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，因此可以通過檢測污泥的耗氧速率實(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)果見圖6。

圖6 溫度對污泥活性的影響

從圖6 可以看出，反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí)候，污泥活性指數(shù)基本沒有變化。溫度上升到40 ℃以后污泥活性指數(shù)顯著增加。說明溫度對測量結(jié)果的影響是顯著的，這就對污泥活性測量儀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)周期測量到的污泥活性指數(shù)為6.37，第二個(gè)測量周期開始時(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)果見圖8。

圖8 溫度對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)測試開始時(shí)候環(huán)境中的乙酸鈉已經(jīng)消耗完，第三測量周期內(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)測量周期開始時(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 為空白對照組。試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 不同濃度乙酸鈉對污泥活性的影響

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性度較好，因此本方法還可以用來檢測未知碳源的濃度和評價(jià)不同碳源被活性污泥利用的難易程度。

3.4 重金屬對污泥活性的影響

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

圖10 CuSO4對污泥活性的影響

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?？梢耘袛嘀亟饘巽~對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)較好的線性關(guān)系[6]。因此本方法還可以用來定性檢測毒性物質(zhì)的濃度和評價(jià)不同物質(zhì)對污泥活性的影響。此外，在廢水質(zhì)量嚴(yán)重惡化之前，使用本方法可以檢測到有毒或高有機(jī)負(fù)荷，這對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，從而評估污泥系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2）本文引入了新的評價(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)的測量結(jié)果減少了計(jì)量誤差，這對評價(jià)微生物活性意義重大。

3）溫度對測量結(jié)果的影響是顯著的，這就對污泥活性測量儀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性度較好，因此本方法還可以用來評價(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定性檢測毒性物質(zhì)的濃度和評價(jià)不同物質(zhì)對污泥活性的影響。