不同類型活性污泥內(nèi)源呼吸過程典型特征解析

李志華，孫垂猛，柴波

（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，陜西西安 710055）

摘要：采用呼吸圖譜技術(shù)，對以處理市政污水和垃圾滲濾液為代表的不同活性污泥內(nèi)源呼吸過程中的典型特征進(jìn)行了解析。結(jié)果表明，對于清洗后的污泥，自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸是否同步與污泥類型有關(guān)。根據(jù)內(nèi)源呼吸比例的變化特征，內(nèi)源呼吸過程可分為三個區(qū)域：低平穩(wěn)區(qū)、高效代謝區(qū)和高平穩(wěn)區(qū)。結(jié)合對西安市6家污水處理廠的統(tǒng)計分析，一般運行良好的污水處理廠普遍處于高效代謝區(qū)，其對應(yīng)的內(nèi)源呼吸比例為8%~16%。該研究深化了對內(nèi)源呼吸特征的認(rèn)識，其成果可用于污水處理廠的運行管理。

微生物的呼吸速率包括外源呼吸速率和內(nèi)源呼吸速率，前者與污水中的污染物有關(guān)，后者與維持基本生命活動有關(guān)。對好氧活性污泥而言，其呼吸速率常用耗氧速率OUR表征，OUR值的大小及其變化趨勢可以指示處理系統(tǒng)負(fù)荷和有機(jī)物降解情況。大量研究表明，外源呼吸OUR是活性污泥運行管理的重要參數(shù)。內(nèi)源呼吸雖在整個呼吸過程比例較小，但亦有重要的意義。

作者在前期研究的基礎(chǔ)上，采用不同來源的活性污泥（包含市政污水與垃圾滲濾液）進(jìn)行了系統(tǒng)的內(nèi)源呼吸過程分析，旨在進(jìn)一步探明內(nèi)源呼吸過程的典型特征及其與活性污泥健康狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，從而為污水處理廠的安全穩(wěn)定與優(yōu)化運行提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 污泥來源

選取兩類典型的活性污泥，其中活性污泥A來源于西安市某垃圾填埋場污水工藝的曝氣池，活性污泥B來源于西安市某市政污水處理廠曝氣池。

1.2 試驗分析

內(nèi)源呼吸特征分析在BM400型微生物狀態(tài)分析平臺上進(jìn)行，該平臺由恒溫好氧反應(yīng)器、溶解氧探頭和pH計、PLC控制系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)和軟件分析系統(tǒng)組成。

基于呼吸計量法，微生物的總呼吸速率由內(nèi)源呼吸速率OUR_en、自養(yǎng)菌呼吸速率OUR_A和異養(yǎng)菌呼吸速率OUR_H組成。公式表示如下：

通過投加不同基質(zhì)來實現(xiàn)不同菌種呼吸速率的測定。為進(jìn)一步進(jìn)行研究，定義內(nèi)源呼吸比例為內(nèi)源呼吸速率占總呼吸速率的比例，即OUR_en/OUR_T 。

2 結(jié)果與討論

為減小污泥濃度變化對OUR的影響，將呼吸速率OUR除以MLVSS得到比呼吸速率SOUR，將實驗得到的SOUR_en、SOUR_A、SOUR_H和SOUR_T繪制成呼吸圖譜。從圖1和圖2可以看出，比內(nèi)源呼吸速率SOUR_en的整體水平較低，變化幅度小。污泥A和污泥B的總比呼吸速率SOUR_T分別在0~22h和0~6h逐漸下降，在22~68h和6~18h略有上升，可能是由于部分水解物質(zhì)存在，如胞外物質(zhì)EP、被絮體吸附的物質(zhì)以及胞內(nèi)存儲物PHB等，也可能是微生物適應(yīng)新環(huán)境（饑餓）后，活性略有提升。

由圖1看出，污泥A的SOUR_T由上升轉(zhuǎn)為下降的轉(zhuǎn)折點是68h，與SOUR_H同步，表明異養(yǎng)菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸；而自養(yǎng)硝化菌呼吸速率SOUR_A在56h出現(xiàn)拐點，即自養(yǎng)菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸。由此可見，與異養(yǎng)菌相比，自養(yǎng)菌較異養(yǎng)菌更易進(jìn)入內(nèi)源呼吸。

由圖2看出，污泥B的SOUR_T由上升轉(zhuǎn)為下降的轉(zhuǎn)折點是18h，與SOUR_H和SOUR_A同步，表明異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌在18h同時進(jìn)入內(nèi)源呼吸。處理難降解垃圾滲濾液的污泥A比處理市政廢水的污泥B進(jìn)入內(nèi)源呼吸的時間要長得多，且自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸是否同步，與污泥類型有關(guān)。污泥A和污泥B的SOUR_T在272 h均降到最低，之后維持平穩(wěn)，微生物進(jìn)入休眠狀態(tài)，表明兩類活性污泥微生物進(jìn)入休眠期的時刻相同，可能與污泥的類型和污泥齡的長短無關(guān)。

2.2 內(nèi)源呼吸比例的變化特征

圖3為污泥A和污泥B內(nèi)源呼吸比例的變化，在曝氣培養(yǎng)的初始階段內(nèi)源呼吸比例均維持在低水平階段，隨著曝氣進(jìn)行，內(nèi)源呼吸比例快速上升，最后維持在高水平階段。根據(jù)內(nèi)源呼吸比例的變化，內(nèi)源呼吸過程也呈現(xiàn)三個明顯的區(qū)域特征，分別為內(nèi)源呼吸比例低平穩(wěn)區(qū)（比例低于8%）、高效代謝區(qū)（比例在8%-16%之間）和高平穩(wěn)區(qū)（比例高于16%）.

圖3 內(nèi)源呼吸比例隨曝氣時間的變化

圖4為常規(guī)化學(xué)法測得COD和NH₄⁺-N在不同內(nèi)源呼吸比例下的比降解速率，可以看出COD和NH₄⁺-N在內(nèi)源呼吸比例低平穩(wěn)區(qū)和高平穩(wěn)區(qū)比降解速率��；高效代謝區(qū)比降解速率大，有明顯的升高。COD和NH₄⁺-N的比降解速率隨著內(nèi)源呼吸比例的增加呈明顯的拋物線趨勢，說明內(nèi)源呼吸比例在高效代謝區(qū)時，污泥具有較高的活性，去除污染物效率高。

圖4 降解速率隨內(nèi)源呼吸比例的變化

圖5為分析平臺直接測得的異養(yǎng)菌比呼吸速率SOUR_H和自養(yǎng)菌比呼吸速率SOUR_A。可以看出，以去除BOD為主的異養(yǎng)菌比呼吸速率SOUR_H在低平穩(wěn)區(qū)和高效代謝區(qū)較大，在高平穩(wěn)區(qū)較低。以硝化菌為主的自養(yǎng)菌比呼吸速率SOUR_A也呈現(xiàn)明顯的拋物線趨勢，在低平穩(wěn)區(qū)和高平穩(wěn)區(qū)較小，在高效代謝區(qū)較大。通過對比常規(guī)化學(xué)法和呼吸速率法測的降解速率，可知化學(xué)法測得的COD和NH₄⁺-N的比降解速率高于比呼吸速率SOUR_H和SOUR_A，主要原因在于呼吸速率法測試的降解速率與耗氧過程有關(guān)，而化學(xué)法測得的是宏觀總體變化，不僅包括微生物本身的呼吸過程，還包括絮體吸附、卷掃沉淀等物化過程，盡管如此，無論是呼吸法測試的SOUR還是化學(xué)法測試的降解速率，在三個區(qū)域表現(xiàn)的特征相同。

圖5 SOUR_H和SOUR_A隨內(nèi)源呼吸比例變化

對市政污水污泥B，本研究將內(nèi)源呼吸比例為8%~16%的高效代謝區(qū)定義為污泥活性健康區(qū)。為了證實這一觀點，監(jiān)測西安市6家污水處理廠實際運行過程中的內(nèi)源呼吸比例變化范圍及污水廠實際運行健康狀況，污水廠編號分別為C、D、E、F、G、H，如表1所示。其中C、D、E和F污水廠污泥內(nèi)源呼吸比例長期處在8%~16%的健康范圍內(nèi)，實際運行狀況良好，污泥穩(wěn)定，污染物去除率高，出水達(dá)標(biāo)。G和H污水廠內(nèi)源呼吸比例分別長期處在6.17%~7.83%和21.35%~31.59%之間，即分別處在內(nèi)源呼吸比例低平穩(wěn)區(qū)和高平穩(wěn)區(qū)，污水廠在實際運行時經(jīng)常出現(xiàn)污泥沉淀性能差、曝氣池產(chǎn)生泡沫、出水水質(zhì)波動大等問題。

表1 不同污水處理廠的內(nèi)源呼吸比例和運行狀況

污泥A與污泥B在形態(tài)上有較大差異，如圖6所示。污泥A表現(xiàn)為微生物緊密聚集，形成較小的污泥聚集體，污泥更加密實，該污泥雖具有較好的沉淀性能，但曝氣池泡沫嚴(yán)重。污泥A盡管污泥齡長，但其內(nèi)源呼吸比例維持在3.54%~6.46%之間，低于傳統(tǒng)活性污泥最低健康比例值8%，該廠由于進(jìn)水濃度高，曝氣池在污染物降解過程中熱效應(yīng)明顯，甚至需要開啟冷卻塔才能達(dá)到活性污泥正常運行水溫條件，由此可見，該廠運行條件已超出常規(guī)活性污泥法。上述結(jié)果表明，本研究定義內(nèi)源呼吸比例8%~16%為健康代謝區(qū)，適用于常規(guī)的活性污泥法，對于其它工藝或特殊條件下的運行還需要進(jìn)一步的研究。

圖6 污泥A和污泥B形態(tài)

3 結(jié)論

采用呼吸圖譜技術(shù)對傳統(tǒng)市政活性污泥和垃圾滲濾液活性污泥呈現(xiàn)出的內(nèi)源呼吸特征的分析，得出污泥進(jìn)入內(nèi)源呼吸的時刻與污泥的類型和污泥齡有關(guān)，而污泥進(jìn)入休眠期的時刻可能與污泥的類型和污泥齡無關(guān)。根據(jù)內(nèi)源呼吸比例的變化特征，內(nèi)源呼吸過程可分為低平穩(wěn)區(qū)、高效代謝區(qū)和高平穩(wěn)區(qū)三個區(qū)，運行良好的污水處理廠一般處于高效代謝區(qū)，對常規(guī)污水處理廠而言，該區(qū)域?qū)��?yīng)的內(nèi)源呼吸比例為8%-16%。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第7期“論述與研究”欄目）

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