污泥活性指標在低碳氮比污水處理廠脫氮工藝中的應用

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)

活性污泥系統的比耗氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR)是指單位時間內單位質量生物量消耗氧氣的質量。其中，生物量一般用MLSS(混合液懸浮固體質量濃度)或者MLVSS(混合液揮發性懸浮固體質量濃度)表示[1]。SOUR是表征污泥生物活性的重要參數之一，可以反映活性污泥的生理狀態和活性情況[2-3]。反硝化速率是指單位質量的污泥微生物在單位時間內去除的硝酸鹽氮的質量。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，活性污泥系統的比耗氧速率和反硝化速率在分析評估系統污泥生物活性及運行情況方面受到國內外的普遍重視[6-11]，但是對于同時利用SOUR和反硝化速率檢測指導生產工藝調控的方法鮮有報道。

昆明市位于城鄉結合部的多座城鎮污水處理廠，因受管網建設及面源污染等的影響，普遍存在水質水量季節性波動大、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，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，并對應用污泥活性指標指導污水處理廠脫氮工藝調控進行了分析研究。

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結合部某城鎮污水處理廠，設計處理規模為6萬m3/d，采用改良型A2/O工藝，共有3組生物反應池。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的天數達70%。2021年投加復合碳源 1207 t，水耗復合碳源量為 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，倒入反應器內，對活性污泥進行曝氣。待溶解氧達到飽和狀態(7～9 mg/L)后，停止曝氣。將反應器置于磁力攪拌器上使污泥保持完全混合狀態，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)；再根據反應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。液體復合碳源T50(COD為 548000 mg/L，深圳長隆科技有限公司生產)，固體葡萄糖(葡萄糖含量99.8% ，西王藥業有限公司)，液體乙酸鈉(COD為 198600 mg/L ，中源環保有限公司)。

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，其余水質指標，如COD、TN、氨氮及MLSS、MLVSS等均按《水和廢水監測分析方法》(第四版)[15]測定。

2 結果與討論

2.1 污泥活性檢測結果及分析

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)，根據測得的污泥質量濃度 3180 mg/L，可以計算出該廠的SOUR為 0.04 mg/(g·min)。據文獻報道[16]，當SOUR低于 0.1333 mg/(g·min)時，表明系統F/M(食物-微生物比)過低或有輕微中毒現象。經過計算，該污水處理廠F/M值比設計范圍稍微偏低，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代表溶解氧質量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關系數。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、低氨氮和高硝態氮的情況下，進行反硝化(潛力)速率試驗。在初始硝酸鹽氮質量濃度為 10.1 mg/L 條件下，分別投加5倍和7倍硝酸鹽質量濃度的碳源(以COD計)，按照測定方法進行試驗，結果見圖2和表1。

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

表1 反硝化速率(潛力)試驗結果

根據反硝化(潛力)速率試驗結果，投加5倍復合碳源條件下，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)。根據周乙新等[17]文獻報道，一般城鎮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

根據該廠比耗氧速率和反硝化(潛力)速率試驗結果，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1個月后，再次進行污泥活性檢測試驗，結果見圖3～圖4、表2。

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

y代表硝酸鹽氮質量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關系數。圖4 不同碳源倍數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SOUR試驗結果，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。根據反硝化(潛力)速率結果，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據，表明污泥接種馴化培養有效果，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、復合碳源(COD計)進行反硝化速率試驗，結果如圖5和表3所示。

y代表硝酸鹽氮質量濃度，單位為mg/L，x代表時間，單位為min，R代表相關系數。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果

3 結論

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。根據活性試驗結果采取接種活性污泥進行培養馴化的措施，可以改善污泥活性和反硝化性能。經污泥活性試驗評估，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，并結合經濟性篩選適宜的外碳源。

3)經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，大大節約了生產成本。