污水處理系統(tǒng)中比耗氧速率的測定及其應(yīng)用

朱榮霞, 劉樹信, 譚周亮, 羅俊丞, 陳揚(yáng)武

(1.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川 綿陽 621000；2. 中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041； 3. 四川省環(huán)境微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041)

引 言

生物法以其凈化效果好、成本低、無二次污染等諸多優(yōu)勢在污水處理中應(yīng)用廣泛[1-2]。微生物是污水生物處理系統(tǒng)中的功能主體，其活性與污染物的降解效果密切相關(guān)。與此同時(shí)，微生物的活性易受多種因素如進(jìn)水、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境條件等影響[3-4]，進(jìn)而引起污水處理工藝性能的變化。因此，對(duì)微生物活性進(jìn)行跟蹤檢測并及時(shí)調(diào)控對(duì)于保障工藝的穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵。目前，表征微生物活性的常用指標(biāo)有混合液懸浮固體濃度(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)、污泥沉降比(SV)、污泥體積指數(shù)(SVI)、脫氫酶活性(DHA)、電子傳遞體系活性(ETS)等[5]。然而，這些指標(biāo)均存在不夠準(zhǔn)確靈敏、分析耗時(shí)長等缺點(diǎn)，發(fā)展快速、簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)的微生物活性表征方法手段是必然趨勢。近年來，比耗氧速率[6]與三磷酸腺苷(ATP)[7]已被廣泛報(bào)道可用于表征微生物活性，且具有分析操作簡單、快速靈敏、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。需指出的是，ATP檢測的影響因素較多，且檢測過程所需儀器、試劑等價(jià)格昂貴，綜合而言，SOUR 測定更適合表征污泥活性，可作為運(yùn)行管理中表征污泥活性的最佳指標(biāo)[5]。

SOUR[單位：mgO2/(gMILSS·h)]是指單位重量的活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)消耗的溶解氧量，從微生物呼吸速率角度反映了活性污泥生理狀態(tài)和基質(zhì)代謝狀況[8]，是表征污泥生物活性的重要參數(shù)之一。早在1961年，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)遭受毒物沖擊時(shí)活性污泥的SOUR會(huì)驟降，這是監(jiān)測進(jìn)水有毒物質(zhì)的最靈敏的早期警報(bào)，可指導(dǎo)工藝運(yùn)行[9]。此后，SOUR在分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測污水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀況及處理能力方面受到國內(nèi)外的普遍重視[10-11]。SOUR常見的測定方法有兩種：密閉間歇曝氣法和連續(xù)曝氣法，計(jì)算分別見公式(1)、(2)：

(1)

(ΔDO：溶解氧濃度的差值，mgO2/L；ΔT：消耗ΔDO的氧氣所需要的時(shí)間，h；MLSS：污泥濃度，gMLSS/L)

(2)

(DO1：一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度，mgO2/L；DO2：另取一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度，mgO2/L；T：混合液在密閉容器中停留的時(shí)間，h；MLSS：污泥濃度，gMLSS/L)

目前，國內(nèi)外針對(duì)污水系統(tǒng)中微生物的SOUR開展了廣泛研究，本文主要介紹SOUR在表征微生物活性、指示污染物去除效果、生物毒性預(yù)警、工藝優(yōu)化調(diào)控等方面的研究報(bào)道，并對(duì)SOUR在污水廠中的應(yīng)用方向進(jìn)行展望。

1 SOUR表征微生物活性與指示污染物去除效果

1.1 微生物活性表征

正常運(yùn)行的污水處理系統(tǒng)中，SOUR值通常為8～20 mgO2/(gMLSS·h)[12]。若高于正常值，則表示污泥負(fù)荷過高或排泥量過大；當(dāng)長期低于正常值則是活性污泥負(fù)荷低，也有可能是有毒物質(zhì)抑制了微生物的活性[13-14]。李志華等[15]研究了不同活性污泥的呼吸速率，結(jié)合其物理性質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)污泥粒徑與SOUR呈負(fù)相關(guān)(R2>0.9)，并結(jié)合系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)得到污泥最佳狀態(tài)SOUR為6.27～7.55 mgO2/(gMLSS·h)，d為205.80～228.12 μm。其團(tuán)隊(duì)還對(duì)活性污泥的內(nèi)源呼吸進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)源呼吸速率占總呼吸速率的比值越大，污泥的活性越差[16]。

SOUR不僅可表征污水生物處理系統(tǒng)中總的微生物活性，同時(shí)亦可分別表征系統(tǒng)中的AOB、NOB以及異養(yǎng)菌微生物的活性及其比例變化(圖1)[13]。

圖1 不同類型微生物的SOURFig.1 SOUR of different types of microorganisms

如張淼等[17]研究了三級(jí)串聯(lián)式生物接觸氧化反應(yīng)器中不同有機(jī)物濃度對(duì)SOUR的影響。依據(jù)SOUR粗略計(jì)算出AOB在三個(gè)反應(yīng)器中的占比依次為43.47%、54.94%和63.83%，NOB的占比為11.65%、21.87%和18.23%；氨氧化細(xì)菌的比耗氧速率、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的比耗氧速率的最高值分別為實(shí)際污水處理廠的1.9倍和1.2倍，表明生物接觸氧化工藝中兩類菌群活性更高，硝化性能更好。Bei[18]通過對(duì)異養(yǎng)菌的SOUR異和總的SOUR總比值的測定發(fā)現(xiàn)，隨著C/N的增加，SOUR異/SOUR總從3.98增加到5.29，同時(shí)硝化菌比例顯著下降。

不同進(jìn)水水質(zhì)以及運(yùn)行條件等均會(huì)對(duì)微生物的活性產(chǎn)生影響。如李志華等[19]發(fā)現(xiàn)溫度的降低會(huì)導(dǎo)致OUR的減小，但在20℃降到10℃時(shí)活性趨于穩(wěn)定。利用好氧/缺氧-序批式反應(yīng)器(O/A-SBR)處理海水養(yǎng)殖廢水時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)好氧/缺氧時(shí)間從2h/8h逐漸變?yōu)?.5h/9.5h時(shí)，污泥的SOUR從36.49mg O2/(gMLSS·h)逐漸降低到31.93 mgO2/(gMLSS·h)。SAOR和SNOR在好氧時(shí)間長的情況下相對(duì)較高，但對(duì)反硝化速率具有抑制作用[20]。考察不同pH下氨氧化速率(AOR)和氧化亞氮釋放速率(N2OR)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)pH=6.5和8.5時(shí)，SAOR降至其最大值(SOURmax，pH=7.5)的50%[21]。采用SBR處理含鹽廢水，在COD/N分別為20、10、6和30的條件下，SAOR、SNOR和 SOUR均隨COD/N從20降低到6增加[22]。

基于SOUR的檢測可動(dòng)態(tài)追蹤系統(tǒng)中微生物活性以及污水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而可為微生物活性與菌群調(diào)控提供理論指導(dǎo)。然而，AOB、NOB及其他微生物的SOUR檢測需要添加抑制劑，且不同系統(tǒng)中的微生物對(duì)抑制劑的耐受濃度存在差異，可能導(dǎo)致檢測過程中某一類微生物活性并未完全抑制的情況發(fā)生。

1.2 SOUR指示污水處理系統(tǒng)中污染物去除效果

SOUR能較為準(zhǔn)確反映生物處理系統(tǒng)中污染物的去除效果，該方法較傳統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測更方便、快捷，用于快速評(píng)估污水處理系統(tǒng)的性能、判斷出水水質(zhì)十分有效。

Shama研究發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)的COD與瞬時(shí)最大比耗氧速率(SOURim)的水平密切相關(guān)，因此，SOURim適合用于過程控制策略的參數(shù)[23]。張淼等[24]利用 SOUR的數(shù)值估算了AOB和NOB在各段中的相對(duì)比例分別為25.64±4.89%，34.59±5.02%，42.50±1.57%； 23.52±3.35%，39.65±4.26%，40.69±2.19%，發(fā)現(xiàn)與各段中的脫氮效果較一致。農(nóng)藥廢水屬典型難降解廢水，Zou[25]通過添加生物增效劑對(duì)農(nóng)藥廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，添加生物增效劑氨氮去除率較對(duì)照組提高51.4%，硝化效率明顯提高，SOUR高于對(duì)照組，說明在生物強(qiáng)化菌劑的作用下，實(shí)驗(yàn)組中廢水的可生化性優(yōu)化對(duì)照組。類似的結(jié)論在石化廢水生物強(qiáng)化處理過程中得到[26]。

圖2 微生物呼吸曲線Fig.2 Microbial respiration curve

此外，SOUR是評(píng)價(jià)廢水可生化性的技術(shù)指標(biāo)之一。如圖2所示，以內(nèi)源呼吸線b為基準(zhǔn)，其斜率為OURb，當(dāng)實(shí)際曲線位于b的上方時(shí)，OURa大于OURb表明廢水中有機(jī)物可被微生物降解；曲線c位于b下方時(shí)，OURc小于OURb表明廢水中沒有微生物可降解的有機(jī)物，且存在抑制微生物生長的物質(zhì)；當(dāng)曲線與內(nèi)源呼吸曲線重合時(shí)，廢水中的有機(jī)物不能被微生物降解，也不會(huì)抑制微生物的生長。據(jù)此，可為后續(xù)工藝的優(yōu)化調(diào)控提供參考[27]。

2 SOUR應(yīng)用于廢水毒性預(yù)警

污水生物處理系統(tǒng)中，進(jìn)水中的有毒有害物質(zhì)的存在將對(duì)微生物細(xì)胞產(chǎn)生破壞作用，進(jìn)而導(dǎo)致SOUR的驟降。因此，SOUR常用于進(jìn)水毒性預(yù)警，常見的有毒有害物質(zhì)包括有毒有害有機(jī)物、有毒有害無機(jī)物以及重金屬離子[28]。

2.1 有毒有害有機(jī)物對(duì)活性污泥SOUR的影響

有毒有害有機(jī)廢水包括石化廢水、農(nóng)藥廢水、抗生素廢水、印染廢水等，對(duì)微生物細(xì)胞有毒害作用，甚至導(dǎo)致微生物死亡。例如當(dāng)苯酚濃度為200 mg/L時(shí)，SOUR為12.74 mgO2/(gMLVSS·h)；而當(dāng)苯酚濃度為1000 mg/L時(shí)，SOUR僅為4.9 mgO2/(gMLVSS·h)[29]。Wei Hong等[30]研究了5種典型除草劑對(duì)活性污泥的影響，滅草松、乙草胺、撲滅通、撲滅津和異丙甲草胺分別降低活性污泥的SOUR分別為17.0%、28.4%、25.8%和31.1%；而乙草胺濃度僅為10 mg/L時(shí)，SOUR就下降了37.1%。隨著四羥甲基硫酸磷THPS濃度增加，SOUR先升高后降低，SOUR達(dá)到最高時(shí)THPS的濃度為1.87 mgO2/(gMLVSS·h)，低于這個(gè)值可以增強(qiáng)污泥活性，反之高于這個(gè)值抑制污泥活性[31]。

此外，利用好氧顆粒污泥處理實(shí)際印染廢水，實(shí)際印染廢水的比例從50%逐漸增加到100%，最大COD去除率高達(dá)87%，最佳染料去除率約為42.6%。由于染色廢水的毒性作用，運(yùn)行90d后觀察到SOUR減少了43.3%[35]。

2.2 有毒有害無機(jī)物對(duì)活性污泥SOUR的影響

無機(jī)有毒污染物主要包括重金屬離子、氰化物和氟化物等，這些有毒物質(zhì)的存在對(duì)污水處理系統(tǒng)中的微生物產(chǎn)生明顯毒害作用，進(jìn)而對(duì)硝化過程產(chǎn)生嚴(yán)重抑制[36～38]。

研究表明，當(dāng)進(jìn)水Cr(Ⅵ)濃度≥0.2 mg/L時(shí)，氨氧化性能明顯受到抑制，當(dāng)Cr(Ⅵ)濃度從0增加到0.5mg/L，系統(tǒng)的SOUR、SAOR和SNOR分別從53.24、6.31和7.33 mgN/ (gVSS·h)下降到18.17、1.68和2.88 mgN/(gVSS·h)，AOB對(duì)重金屬毒性的敏感性高于NOB[39]。高濃度的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)均對(duì)硝化微生物具有毒性作用，且Cr(Ⅵ)比Cr(Ⅲ)的抑制作用更強(qiáng)[37]。較低濃度的Cr對(duì)污泥性能沒有顯著影響，而10 mg/L的Cr導(dǎo)致63%的生物量、42%的SOUR抑制；相比之下，Pb2+對(duì)微生物的抑制作用則更明顯，在低濃度(2 mg/L和5 mg/L)下即發(fā)生14.7%、40%的生物量與72%、83%的SOUR抑制[40]。Cu2+對(duì)污泥SOUR的影響也被廣泛報(bào)道[41]。此外，廢水的理化性質(zhì)與金屬納米粒子(NPs)的穩(wěn)定性有關(guān)，TiO2NPs的聚集尺寸及其對(duì)底物的特異性吸附受底物類型與廢水中懸浮固體存在的影響，與合成廢水或過濾廢水相比，原料廢水中的TiO2NPs嚴(yán)重抑制了微生物SOUR[42]。

氰化物與三價(jià)亞鐵血紅素蛋白的親和力，破壞了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，會(huì)使微生物失去活性[43]。Vikram Kapoor等[44]證明了CN-與SOUR呈良好的線性關(guān)系，且隨著CN-的增加，SOUR明顯降低；當(dāng)CN-濃度為0.1 mg/L時(shí)，硝化活性下降50%以上。RT-qPCR結(jié)果顯示amoA和hao的轉(zhuǎn)錄水平均隨著CN-濃度的增加而顯著降低，該結(jié)果與通過SOUR測量的氨氧化活性非常一致。

2.3 其他有毒有害無機(jī)物對(duì)活性污泥SOUR的影響

一定濃度的無機(jī)鹽的存在對(duì)微生物活性不具有影響，甚至對(duì)微生物活性有促進(jìn)作用[45]。超過一定濃度時(shí)則會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞的滲透壓以及代謝活性產(chǎn)生不利影響[46-47]。在SBR中，隨著鹽度從0.5%增加到4%，活性污泥的SOUR從22.47 mgO2/(gMLVSS·h)增加到43.16 mgO2/(gMLVSS·h)，隨后在鹽度為6%時(shí)，SOUR降至18.3 mgO2/(g MLVSS·h)[48]。另有研究指出，當(dāng)鹽度脅迫增加到20 g/L時(shí)，NH3-N的去除率從98.4%下降到42.0%。微生物群落分析發(fā)現(xiàn)，Nitromonas在高鹽度條件下受到明顯抑制[49]。Gao[32]研究了厭氧-好氧工藝中活性污泥能夠承受的硫酸鹽的臨界濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著硫酸鹽濃度的增加，由于硫酸鹽和硫化物的抑制，污泥的SOUR 逐漸減弱。

在一序批式短程硝化反應(yīng)器中，通過控制低DO濃度運(yùn)行100d，出水NO2-N/NH3-N比值平均為1.3，NO3-N濃度較低；SOUR數(shù)據(jù)表明，SAOR、SNOR分別從21.73±0.52和27.39±0.50 mgO2/(gMLVSS·h)變?yōu)?6.37±0.85和12.04±0.17 mgO2/(gMLVSS·h)[50]。季民等[51]研究了高氨氮廢水中FA對(duì)硝化菌活性的影響，結(jié)果表明，F(xiàn)A在<8.1 mg/L時(shí)，增加FA濃度能夠促進(jìn)硝化活性，而當(dāng)FA急性沖擊負(fù)荷>8.1 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)硝化作用造成抑制。孫洪偉[52]進(jìn)行了游離氨(FA)對(duì)Nitrobacter活性動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在FA>7.3 mg/L時(shí)，SOUR值隨FA濃度升高而減?。划?dāng)FA濃度>22.2 mg/L時(shí)，SOUR降為0 g N/(gVSS·d)，最大SOUR為0.62 gN/(gVSS·d)。

研究不同類型有毒有害物質(zhì)作用下微生物的SOUR的變化情況，有助于我們更為深入的理解不同類型有毒有害物質(zhì)對(duì)活性污泥的毒性作用。如V. J. Inglezakis等[53]對(duì)氰化物和兩種酚類物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)苯酚、4-硝基苯酚對(duì)于廢水處理中活性污泥工藝中SOUR、SAOR、SNOR均有著抑制作用，且4-硝基苯酚對(duì)微生物活性的抑制作用最大。Xing等[54]批次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Zn2+、Cu2+和抗生素對(duì)污泥活性產(chǎn)生不利影響，對(duì)硝化反應(yīng)的抑制作用為：SMZ(磺胺二甲嘧啶)>銅離子>鋅離子>OTC(土霉素)。

微生物SOUR的變化與有毒有害物質(zhì)的種類、濃度、生物毒性等密切相關(guān)，當(dāng)前基于SOUR的變化來判別有毒有害物質(zhì)的種類尚不具特異性，將來針對(duì)進(jìn)水中特異性有毒有害物質(zhì)的判斷仍需更為深入系統(tǒng)的探索。

3 工藝優(yōu)化調(diào)控

SOUR不僅可表征微生物的活性，同時(shí)亦可指示污染物的去除效果，這些研究成果為污水處理系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供了理論指導(dǎo)。目前，基于SOUR變化規(guī)律可動(dòng)態(tài)監(jiān)控污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)控工藝、控制曝氣時(shí)長[55～57]等，在污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工藝的節(jié)能降耗等方面發(fā)揮了重要作用。

3.1 工藝運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控

早在1992年，SOUR在線檢測設(shè)備就被用于對(duì)加拿大埃德蒙頓市GOLD BAR廢水處理廠進(jìn)水進(jìn)行全天候監(jiān)控，以獲取廢水毒性和生物降解性等重要信息[58]。另外，Maria Arias-Navarroa等[59]采用呼吸測量試驗(yàn)測評(píng)西班牙馬拉加一個(gè)污水處理廠可能存在的故障，并提出改進(jìn)方案，通過比較系統(tǒng)出水樣品的因子負(fù)荷(0.9～1.5)、有機(jī)負(fù)荷率(>0.5 gBOD/(gMLVSS·d)以及混合液SOUR(>10 mgO2/(gMLVSS·h))的參考值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)處于低效超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。我國張景炳[60]采用SOUR在線測定儀動(dòng)態(tài)測試了上海竹園第二污水處理廠的曝氣池沿程點(diǎn)位的OUR，發(fā)現(xiàn)OUR沿程逐漸下降，且在60 m、120 m處出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，碳降解OUR、SAOR、SNOR的比例為4.4∶2.65∶1；說明OUR可動(dòng)態(tài)指示基質(zhì)降解階段，而分段調(diào)控可為污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化提供借鑒與參考。

3.2 工藝的優(yōu)化調(diào)控

目前，利用SOUR指標(biāo)對(duì)污水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的案例報(bào)道還較少，基于SOUR變化規(guī)律優(yōu)化調(diào)控污水處理系統(tǒng)的工程實(shí)踐較為缺乏。因此，如何將SOUR指標(biāo)有機(jī)整合到現(xiàn)有污水處理廠的控制系統(tǒng)中，使該指標(biāo)在污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行與管理中發(fā)揮出實(shí)際作用有待研究。

4 結(jié)論與展望

SOUR是表征污泥生物活性的重要參數(shù)之一，從微生物活性的角度反映了活性污泥生理狀態(tài)和基質(zhì)代謝狀況，可指示污染物的去除情況、對(duì)進(jìn)水毒性起著預(yù)警作用，并能基于SOUR動(dòng)態(tài)監(jiān)控污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)控污水處理工藝，這對(duì)于污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行十分重要。為更好的使SOUR指標(biāo)服務(wù)于污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行與管理過程，今后可從以下兩個(gè)方面開展進(jìn)一步的研究工作。

5.1 污水生物處理系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)，只有通過實(shí)時(shí)監(jiān)控才能更好的掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。SOUR在線檢測能很好地反映污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，目前國內(nèi)外針對(duì)SOUR在線檢測的研發(fā)與應(yīng)用方面開展了相關(guān)研究，但目前市場上關(guān)于商業(yè)化、成熟的SOUR在線檢測設(shè)備的應(yīng)用案例還很少，SOUR在線檢測設(shè)備在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，今后應(yīng)針對(duì)SOUR在線檢測設(shè)備的應(yīng)用開展更為系統(tǒng)的工作。

5.2 穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效是污水生物處理追求的目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就需要對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化管理與調(diào)控。如何基于大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建海量SOUR數(shù)據(jù)與污染物去除效果之間的邏輯關(guān)系，并用于指導(dǎo)污水處理的運(yùn)行管理過程，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理與調(diào)控十分重要。因此，基于在線檢測設(shè)備獲得的大量微生物學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理與挖掘?qū)⑹俏鬯锾幚眍I(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)方向之一。