污泥活性指數測量儀器的研究與應用

文/姜 威 王連杰 張 麟 劉 鵬

活性污泥中的微生物在降解有機物及完成一系列生化過程中會消耗水體中的溶解氧（DO），微生物消耗水體中DO的速率是評價污水處理系統中活性污泥性能的指標[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，相關儀器的種類繁多，但此類設備均需測量混合液懸浮固體濃度（MLSS）和混合液揮發性懸浮固體濃度（MLVSS），測試過程中有機殘渣對檢測結果的影響難以避免。此外，溫度對測量結果的影響，在該類儀器的研究中少見報道。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。

本文改進了測定活性污泥性能的方法，設計并搭建了一套新的儀器，設計過程中著重考慮了反應體系溫度和環境溫度的一致性；研究了污泥活性評價的標準和影響檢測精度的因素；通過新的數據處理方法提高了檢測結果的準確性。

1 測量原理與裝置設計

1.1 污泥活性指數

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質的生物代謝動力學參數，其計量方法是

但是以往的研究報道中污泥耗氧速率（比耗氧速率）的測量、計算方法一般用（單位數量）活性污泥中微生物消耗水體中的溶解氧量和時間的比來表示[4]

即選取溶解氧衰減曲線上兩點，計算兩點所在直線的斜率。這種計算方法受計算點的選取影響較大，不同的點計算結果差別較大，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污泥性能的指標——污泥活性指數k。污泥活性指數是試驗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間的積分的倒數和活性污泥常數的乘積，見圖2。

圖1 傳統耗氧速率評價方法

圖2 污泥活性指數

式中：f（t）——溶解氧飽和度隨時間的衰減函數；

N——為污泥活性常數，取10000；

1.2 測量裝置的設計和組建

為了精確檢測污泥活性的變化，設計并組裝一套自動化的取樣檢測裝置，見圖3。

圖3 污泥活性測定儀

整個裝置包括進水系統、反應系統、溫度檢測和維持系統、料液定量補加系統、數據檢測系統、邏輯控制和數據處理系統。

2 試驗材料與方法

2.1 污水處理系統

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，混合液懸浮固體質量濃度(MLSS)為1200～2500 mg/L，揮發性懸浮固體(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(SVI)為67～125。

2.2 試驗試劑及儀器

1）試驗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）試驗試劑有CH3COONa（分析純）和CuSO4（分析純）。

2.3 研究內容

2.3.1 可重復性試驗

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行，有機質不斷被消耗，微生物呼吸作用可能受到影響。因此研究一段時間內呼吸作用的可重復性，進而確定污泥活性隨時間的變化就顯得尤為必要。這也是活性污泥性能測量設備間歇運行并能夠最大程度重復歷史性能的基礎。

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源呼吸的綜合。同一批次的好氧污泥，當污泥性質穩定時，比內源呼吸速率基本是恒定的。活性污泥內源呼吸與微生物本身的活性息息相關，如果溫度隨環境溫度時刻發生變化，將會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

污水處理廠進水受到重金屬污染物沖擊時，可能導致污泥中毒，從而使污泥活性降低或失去活性。該中毒過程的微觀表現是重金屬使微生物新陳代謝有關的酶失去活性[6]。污泥中毒時，污泥耗氧速率通常會突然下降，因此可以通過檢測污泥的耗氧速率實現重金屬污染的早期預警。

3 試驗結果與討論

3.1 污泥活性檢測可重復性試驗

試驗條件：溫度40 ℃，攪拌速度150 rad/min，試驗結果見圖5。

圖5 重復曝氣耗氧試驗

由圖5可以看出，在2 h、5個呼吸周期內耗氧積分面積基本穩定，污泥活性指數基本不變。這表明在可以預測的呼吸周期內不會因為反應周期的細微不同影響試驗結果。該試驗為評價活性污泥性能的設備間歇運行方法的可行性奠定了基礎。

3.2 溫度對污泥活性的影響

試驗條件：溫度25～40 ℃，攪拌速度150 rad/min。122～137 min為升溫調節時間，試驗結果見圖6。

圖6 溫度對污泥活性的影響

從圖6 可以看出，反應溫度為25 ℃時候，污泥活性指數基本沒有變化。溫度上升到40 ℃以后污泥活性指數顯著增加。說明溫度對測量結果的影響是顯著的，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，投加至反應體系濃度為60 mg/L，試驗結果見圖7。

圖7 乙酸鈉污泥活性的影響

由圖7 可以看出，第一個反應周期測量到的污泥活性指數為6.37，第二個測量周期開始時加入乙酸鈉，反應周期明顯縮短，污泥活性指數增加到11.9，但是第三個反應周期時污泥活性指數又回歸到第一個反應周期水平。可以推斷，在第二個反應周期內，環境體系內的乙酸鈉已經消耗完全。

2）碳濃度一定，溫度變化。試驗條件：溫度29～39 ℃，攪拌速度150 rad/min。第57、107 min投加乙酸鈉，投加至反應體系濃度為60 mg/L，69～96 min 為升溫調節時間，試驗結果見圖8。

圖8 溫度對乙酸鈉消耗速率試驗的影響

由圖8 可以看出，在投加碳源和溫度升高雙重因素作用下，污泥活性指數顯著增加。結合圖7 結論可知，第三個反應測試開始時候環境中的乙酸鈉已經消耗完，第三測量周期內的變化都是溫度變化引起的。

3）溫度一定，碳濃度變化。試驗條件：溫度35 ℃，攪拌速度150 rad/min。第二個測量周期開始時分別向反應體系內投加乙酸鈉，使NO.2～NO.4 反應體系乙酸鈉濃度分別為30、50、80 mg/L，NO. 1 為空白對照組。試驗結果見圖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，試驗結果見圖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，污泥活性指數呈下降趨勢。可以判斷重金屬銅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較好的線性關系[6]。因此本方法還可以用來定性檢測毒性物質的濃度和評價不同物質對污泥活性的影響。此外，在廢水質量嚴重惡化之前，使用本方法可以檢測到有毒或高有機負荷，這對活性污泥法處理工藝的正常運行很有意義。

4 結論

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，從而讓污水處理運行者短時間內得到生物池運行狀態。通過污泥活性指數判斷出污泥的生物活性和結構特征，從而評估污泥系統的運行狀態。

2）本文引入了新的評價污泥活性的指標——污泥活性指數k，與以往的耗氧速率和比耗氧速率相比，污泥活性指數的測量結果減少了計量誤差，這對評價微生物活性意義重大。

3）溫度對測量結果的影響是顯著的，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的濃度和評價不同物質對污泥活性的影響。