基于耗氧速率的毒性預(yù)警裝置影響因素分析

張 超，陳亞松,2，陳振國(guó)，董文杰，徐冰心

（1. 宜興市建邦環(huán)境投資有限責(zé)任公司，江蘇宜興 214200；2. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210023）

工業(yè)企業(yè)排放的污染廢水的中重金屬和毒性有機(jī)物等物質(zhì)的含量經(jīng)常會(huì)超出納管標(biāo)準(zhǔn)[1]，當(dāng)污水處理廠廢水中毒物含量超過微生物生長(zhǎng)需要時(shí)，會(huì)影響活性污泥微生物的正常代謝，對(duì)活性污泥造成中毒現(xiàn)象，甚至破壞整個(gè)生化系統(tǒng)[2]，給污水處理廠運(yùn)營(yíng)與管理帶來不便。因此，研究廢水生物毒性的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，對(duì)污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。活性污泥耗氧速率（OUR）的變化一定程度反應(yīng)了微生物的抑制性程度，基于活性污泥耗氧速率（OUR），利用污水處理廠自身的污泥活性判斷進(jìn)水水質(zhì)變化的預(yù)警方法，能夠直觀的反饋廢水毒性對(duì)活性污泥的影響，陳亞松等[3]已開發(fā)了基于OUR 的生物毒性預(yù)警方法和裝置，試驗(yàn)驗(yàn)證了不同的重金屬、毒性有機(jī)物對(duì)生物抑制性的影響。

由于影響預(yù)警裝置的影響因素很多，不同的毒性物質(zhì)、不同的毒物劑量對(duì)活性污泥OUR 的抑制率不同，預(yù)警反應(yīng)器的影響因素還包括：污泥種源與濃度（MLSS）、反應(yīng)溫度，暴露接觸時(shí)間（HRT）。由于污泥種源來自于應(yīng)用的污水處理廠，預(yù)警反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)溫度控制達(dá)到統(tǒng)一，因此，預(yù)警反應(yīng)器的污泥濃度、暴露接觸時(shí)間（HRT）是影響預(yù)警裝置靈敏度和準(zhǔn)確度的重要因素，本研究分別針對(duì)主要影響因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，并對(duì)預(yù)警反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)污泥：本試驗(yàn)中所有污泥取自宜興市某污水處理廠好氧中段。該廠進(jìn)水70%為生活污水，30%為工業(yè)廢水，pH 為7.5 左右。MLSS 約4 000 mg／L，VSS 約1 700 mg／L，SVI 約為70～100。該廠排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行國(guó)家一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

分析純藥品：氯化鎳、苯酚、硫酸、氫氧化鈉。

試驗(yàn)沖擊液：本試驗(yàn)中所有毒性物質(zhì)濃度按照離子物質(zhì)的量濃度計(jì)算，人工配比不同濃度的重金屬?zèng)_擊液。

1.2 OUR 測(cè)量方法

圖1 顯示了OUR 的測(cè)量方法：首先由水廠進(jìn)水與活性污泥充分?jǐn)嚢杌旌希鶕?jù)所需的污泥濃度，調(diào)整污泥濃度MLSS（1～5 g／L）。接觸時(shí)間HRT（0～60 min），曝氣器將泥水混合液曝氣至溶解氧飽和狀態(tài)，再進(jìn)入密封的耗氧反應(yīng)器中，開啟磁力攪拌器。待溶氧儀數(shù)值穩(wěn)定后，每隔1min 讀取數(shù)據(jù)，利用溶解氧（DO）與時(shí)間的相關(guān)性計(jì)算出OUR。假設(shè)第n 種毒性物質(zhì)沖擊后OUR 為：OURn，空白樣為（OUR0），則抑制率=（OUR0-OURn）／OUR0×100 %。

圖1 OUR 試驗(yàn)裝置與方法Fig.1 Test Apparatus and Methods for OUR

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥濃度（MLSS）對(duì)OUR 的影響

配置廢水中毒物劑量（C=10 mg／L）；接觸時(shí)間（HRT）為20 min，分別加入MLSS 為1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 mg／L 的混合液中，以Ni2+、苯酚為例測(cè)定了不同污泥濃度下的抑制率變化，結(jié)果如圖2、3。

圖2 MLSS 對(duì)OUR 抑制率的影響（Ni2+）Fig.2 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by MLSS（Ni2+）

圖3 MLSS 對(duì)OUR 抑制率的影響（苯酚）Fig.3 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by MLSS（Phenol）

由圖2、3 可知，隨著污泥濃度的升高，抑制率呈下降趨勢(shì)。活性污泥組成可分為：有活性的微生物（Me）；微生物自身氧化殘留物（Ma）；吸附在活性污泥上不能被生物降解的有機(jī)物（Mi）；無機(jī)懸浮固體（Mii）四個(gè)部分。其中活性污泥對(duì)有機(jī)物的降解可分為2 個(gè)階段：吸附階段和降解階段，通常吸附階段時(shí)間約為15～45 min。當(dāng)MLSS 為5 000 mg／L 時(shí)，其中的Ma、Mi、Mii 濃度約為2 900 mg／L。并對(duì)重金屬進(jìn)行吸附作用，從而稀釋了可直接被微生物吸收的致毒物質(zhì)總量。當(dāng)MLSS 為1 000 mg／L 時(shí)Ma、Mi、Mii 濃度約為575 mg／L，對(duì)重金屬的吸附量有限，大部分重金屬與微生物直接結(jié)合，導(dǎo)致微生物耗氧速率下降。部分研究表明微量的重金屬濃度是微生物正常新陳代謝所需要的，當(dāng)濃度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致微生物死亡，濃度在一定范圍內(nèi)可促進(jìn)微生物生長(zhǎng)代謝[4]。因此，可以看出高污泥濃度對(duì)致毒物質(zhì)的沖擊有一定的緩沖能力，表現(xiàn)為污泥濃度升高，抑制率下降。

2.2 接觸時(shí)間（HRT）對(duì)OUR 的影響

毒性物質(zhì)劑量（C） 為20 mg ／L，污泥濃度（MLSS）為2 000 mg ／L，接觸時(shí)間（HRT）分別為0，20，40，60 min，以Ni2+、苯酚為例，測(cè)定了不同反應(yīng)時(shí)間里抑制率變化，結(jié)果如圖4、5。

圖4 接觸時(shí)間（HRT）對(duì)抑制率的影響（Ni2+）Fig.4 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by HRT（Ni2+）

圖5 接觸時(shí)間（HRT）對(duì)抑制率的影響（苯酚）Fig.5 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by HRT（Phenol）

由圖4、5 可知，兩種毒性物質(zhì)HRT 在0 min 時(shí)抑制率均達(dá)到40 %以上，毒性物質(zhì)與微生物有機(jī)配位體結(jié)合，如堿基、核酸和帶有機(jī)能基團(tuán)的酶結(jié)合，表現(xiàn)出非常強(qiáng)的親和力。使微生物失活甚至裂解。HRT 在0～20 min 時(shí)Ni2+、苯酚抑制率上升了30.73%、9.34 %，微生物的中毒過程分為2 個(gè)階段，第1 階段是微生物體內(nèi)的活性酶或有機(jī)基團(tuán)與重金屬離子結(jié)合，第2 階段是被吸附的重金屬離子參與到細(xì)胞代謝過程，引起的細(xì)胞蛋白質(zhì)變性，或加速細(xì)胞代謝，表現(xiàn)為隨著微生物呼吸反應(yīng)鏈的進(jìn)行，微生物活性逐漸降低。HRT 在20～60 min 時(shí)兩種毒性物質(zhì)抑制率趨于平穩(wěn)，浮動(dòng)范圍在5 %左右。不同的微生物對(duì)致毒物質(zhì)的作用機(jī)理不同，同種微生物在不同的代謝周期內(nèi)對(duì)致毒物質(zhì)的敏感程度也有區(qū)別，活性污泥中的大多數(shù)微生物會(huì)在0～20 min 內(nèi)，表現(xiàn)出對(duì)致毒物質(zhì)的中毒現(xiàn)象。但時(shí)間-抑制率曲線呈非線性關(guān)系。因此毒性預(yù)警裝置的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在0～20 min 內(nèi)，取大多數(shù)微生物中毒反饋?zhàn)蠲黠@的時(shí)間點(diǎn)為易。

2.3 pH 值對(duì)OUR 的影響

污泥濃度（MLSS）為2 000 mg／L；接觸時(shí)間（HRT）為20 min，調(diào)整pH 值分別為2，4，5，6，7，8，9，10，12。測(cè)得不同pH 條件下的活性污泥微生物耗氧速率（OUR）變化，結(jié)果如圖6、7。

圖6 堿性廢水對(duì)OUR 的影響Fig.6 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by Alkaline Wastewater

圖7 酸性廢水對(duì)OUR 的影響Fig.7 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by Acidic Wastewater

由圖6、7 可知，活性污泥對(duì)酸堿度較為敏感。當(dāng)pH 值在6～9 時(shí)，為活性污泥的適應(yīng)范圍，可以看出活性污泥微生物在堿性條件下的適應(yīng)范圍寬于酸性條件，這與鄭秋輝[5]得出的結(jié)論一致。當(dāng)pH=6時(shí)，活性物耗氧速率（OUR）有微弱的促進(jìn)作用，分析可能原因：該污水處理廠進(jìn)水偏酸性，經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間的馴化，從而能夠適應(yīng)酸性條件下的進(jìn)水。當(dāng)pH 超過6、10 以后微生物的耗氧速率微弱，嚴(yán)重影響了微生物的正常代謝功能。

2.4 多因素的正交試驗(yàn)分析

根據(jù)以上單因素試驗(yàn)結(jié)論，結(jié)合污水處理廠實(shí)際可能的毒物劑量范圍（5～15 mg／L），以O(shè)UR 的抑制率為評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)的MLSS、HRT、毒物劑量均比單因素試驗(yàn)水平低，各影響因素和水平見表1，以苯酚為例開展的正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor Level for Orthogonal Experiment

表2 苯酚的多因素正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Multi-Factor Orthogonal Experiment Results of Phenol

由表2 可知，各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)抑制率的影響按大小順序：C 苯酚劑量、A 污泥濃度、B 接觸時(shí)間。最優(yōu)方案即：C3 苯酚劑量：15 mg／L，A1 污泥濃度：500 mg／L，B2 接觸時(shí)間：10 min。當(dāng)苯酚劑量不高時(shí)，篩選出最優(yōu)的預(yù)警反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)：MLSS=500 mg／L，HRT=10 min。

由表1、2 可知，當(dāng)苯酚劑量不高時(shí)，篩選出最優(yōu)的預(yù)警反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)：MLSS=500 mg／L，HRT=10 min，且HRT 在影響因素中均屬于次要影響因素。不同的類別的毒性物質(zhì)對(duì)污泥濃度、毒性劑量的敏感度不同，苯酚首要影響因素為污泥濃度，而苯酚劑量提高到一定程度后對(duì)抑制率的影響不明顯。

3 結(jié)論

（1）隨著預(yù)警反應(yīng)器污泥濃度（MLSS）的升高，Ni2+、苯酚毒性物質(zhì)的抑制率呈下降趨勢(shì)，以Ni2+和苯酚為例，隨著MLSS 由5 000 mg／L 降低至1 000 mg／L 時(shí)，抑制率分別從20.19 %、33.45 %逐步提高至60.62 %、75.52 %；因此，污泥濃度會(huì)直接影響微生物對(duì)重金屬的靈敏程度和抗沖擊性，降低污泥濃度可以提高預(yù)警裝置的靈敏度。

（2）HRT 在0 min 時(shí)，Ni2+、苯酚對(duì)OUR 的抑制率均在40 % 以上，說明活性污泥微生物對(duì)致毒物質(zhì)十分敏感。HRT 在0～20 min 時(shí)Ni2+、苯酚抑制率上升了30.73 %、9.34 %，隨著接觸時(shí)間（HRT）的延長(zhǎng)，抑制率逐步提高，但時(shí)間-抑制率曲線呈非線性關(guān)系。HRT 在40～60 min 時(shí)，抑制率浮動(dòng)在5%以內(nèi)，說明活性污泥中的大多數(shù)微生物會(huì)在0～20 min內(nèi)，表現(xiàn)出對(duì)致毒物質(zhì)的中毒現(xiàn)象。

（3）當(dāng)pH 值超過6、9 時(shí)，對(duì)活性污泥的抑制率上升速率加快，可以看出活性污泥微生物在堿性條件下的適應(yīng)范圍寬與酸性條件。當(dāng)pH 超過6、10以后微生物的耗氧速率微弱，嚴(yán)重影響了微生物的正常代謝功能。

（4）以苯酚為例，通過正交試驗(yàn)對(duì)預(yù)警反應(yīng)器進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合毒物劑量范圍（C＜15 mg／L），篩選出最優(yōu)的預(yù)警反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)：MLSS=500 mg ／L，HRT=10 min，其中首要影響因素為污泥濃度，HRT在影響因素中均屬于次要影響因素。

［1］曹秀芹, 崔偉莎, 徐鉞, 等. 城市污水處理廠污泥中重金屬去除方法研究進(jìn)展[J]. 凈水技術(shù), 2014, 33(2)： 22-26.

［2］ Ren Shijin. Assessing wastewater toxicity to activated sludge： recent research and developments[J]. Environment international,2004, 30(8)： 1151-1164.

［3］陳亞松, 杜郁, 楊廣文, 等. 溶解氧突變預(yù)警活性污泥重金屬中毒的研究[J]. 凈水技術(shù), 2014, 33(3)： 65-68.

［4］李洪亮, 陳玉成. 污水生物處理中重金屬的毒理學(xué)研究進(jìn)展[J].微量元素與健康研究, 2006, 23(1)： 49-52.

［5］鄭秋輝. 廢水OUR 值在線監(jiān)測(cè)初步研究[D]. 廣州： 廣州大學(xué),2010： 37-38.