基于耗氧速率的毒性预警装置影响因素分析

张 超，陈亚松,2，陈振国，董文杰，徐冰心

（1. 宜兴市建邦环境投资有限责任公司，江苏宜兴 214200；2. 南京大学环境学院污染控制与资源化国家重点实验室，江苏南京 210023）

工业企业排放的污染废水的中重金属和毒性有机物等物质的含量经常会超出纳管标准[1]，当污水处理厂废水中毒物含量超过微生物生长需要时，会影响活性污泥微生物的正常代谢，对活性污泥造成中毒现象，甚至破坏整个生化系统[2]，给污水处理厂运营与管理带来不便。因此，研究废水生物毒性的监测预警技术，对污水处理厂的稳定运行具有重要的意义。活性污泥耗氧速率（OUR）的变化一定程度反应了微生物的抑制性程度，基于活性污泥耗氧速率（OUR），利用污水处理厂自身的污泥活性判断进水水质变化的预警方法，能够直观的反馈废水毒性对活性污泥的影响，陈亚松等[3]已开发了基于OUR 的生物毒性预警方法和装置，试验验证了不同的重金属、毒性有机物对生物抑制性的影响。

由于影响预警装置的影响因素很多，不同的毒性物质、不同的毒物剂量对活性污泥OUR 的抑制率不同，预警反应器的影响因素还包括：污泥种源与浓度（MLSS）、反应温度，暴露接触时间（HRT）。由于污泥种源来自于应用的污水处理厂，预警反应器可以实现温度控制达到统一，因此，预警反应器的污泥浓度、暴露接触时间（HRT）是影响预警装置灵敏度和准确度的重要因素，本研究分别针对主要影响因素进行了单因素试验及正交试验，并对预警反应器的运行参数进行了优化。

1 材料与方法

1.1 材料

试验污泥：本试验中所有污泥取自宜兴市某污水处理厂好氧中段。该厂进水70%为生活污水，30%为工业废水，pH 为7.5 左右。MLSS 约4 000 mg／L，VSS 约1 700 mg／L，SVI 约为70～100。该厂排放标准执行国家一级A 标准。

分析纯药品：氯化镍、苯酚、硫酸、氢氧化钠。

试验冲击液：本试验中所有毒性物质浓度按照离子物质的量浓度计算，人工配比不同浓度的重金属冲击液。

1.2 OUR 测量方法

图1 显示了OUR 的测量方法：首先由水厂进水与活性污泥充分搅拌混合，根据所需的污泥浓度，调整污泥浓度MLSS（1～5 g／L）。接触时间HRT（0～60 min），曝气器将泥水混合液曝气至溶解氧饱和状态，再进入密封的耗氧反应器中，开启磁力搅拌器。待溶氧仪数值稳定后，每隔1min 读取数据，利用溶解氧（DO）与时间的相关性计算出OUR。假设第n 种毒性物质冲击后OUR 为：OURn，空白样为（OUR0），则抑制率=（OUR0-OURn）／OUR0×100 %。

图1 OUR 试验装置与方法Fig.1 Test Apparatus and Methods for OUR

2 结果与讨论

2.1 污泥浓度（MLSS）对OUR 的影响

配置废水中毒物剂量（C=10 mg／L）；接触时间（HRT）为20 min，分别加入MLSS 为1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 mg／L 的混合液中，以Ni2+、苯酚为例测定了不同污泥浓度下的抑制率变化，结果如图2、3。

图2 MLSS 对OUR 抑制率的影响（Ni2+）Fig.2 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by MLSS（Ni2+）

图3 MLSS 对OUR 抑制率的影响（苯酚）Fig.3 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by MLSS（Phenol）

由图2、3 可知，随着污泥浓度的升高，抑制率呈下降趋势。活性污泥组成可分为：有活性的微生物（Me）；微生物自身氧化残留物（Ma）；吸附在活性污泥上不能被生物降解的有机物（Mi）；无机悬浮固体（Mii）四个部分。其中活性污泥对有机物的降解可分为2 个阶段：吸附阶段和降解阶段，通常吸附阶段时间约为15～45 min。当MLSS 为5 000 mg／L 时，其中的Ma、Mi、Mii 浓度约为2 900 mg／L。并对重金属进行吸附作用，从而稀释了可直接被微生物吸收的致毒物质总量。当MLSS 为1 000 mg／L 时Ma、Mi、Mii 浓度约为575 mg／L，对重金属的吸附量有限，大部分重金属与微生物直接结合，导致微生物耗氧速率下降。部分研究表明微量的重金属浓度是微生物正常新陈代谢所需要的，当浓度过高时，会导致微生物死亡，浓度在一定范围内可促进微生物生长代谢[4]。因此，可以看出高污泥浓度对致毒物质的冲击有一定的缓冲能力，表现为污泥浓度升高，抑制率下降。

2.2 接触时间（HRT）对OUR 的影响

毒性物质剂量（C） 为20 mg ／L，污泥浓度（MLSS）为2 000 mg ／L，接触时间（HRT）分别为0，20，40，60 min，以Ni2+、苯酚为例，测定了不同反应时间里抑制率变化，结果如图4、5。

图4 接触时间（HRT）对抑制率的影响（Ni2+）Fig.4 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by HRT（Ni2+）

图5 接触时间（HRT）对抑制率的影响（苯酚）Fig.5 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by HRT（Phenol）

由图4、5 可知，两种毒性物质HRT 在0 min 时抑制率均达到40 %以上，毒性物质与微生物有机配位体结合，如碱基、核酸和带有机能基团的酶结合，表现出非常强的亲和力。使微生物失活甚至裂解。HRT 在0～20 min 时Ni2+、苯酚抑制率上升了30.73%、9.34 %，微生物的中毒过程分为2 个阶段，第1 阶段是微生物体内的活性酶或有机基团与重金属离子结合，第2 阶段是被吸附的重金属离子参与到细胞代谢过程，引起的细胞蛋白质变性，或加速细胞代谢，表现为随着微生物呼吸反应链的进行，微生物活性逐渐降低。HRT 在20～60 min 时两种毒性物质抑制率趋于平稳，浮动范围在5 %左右。不同的微生物对致毒物质的作用机理不同，同种微生物在不同的代谢周期内对致毒物质的敏感程度也有区别，活性污泥中的大多数微生物会在0～20 min 内，表现出对致毒物质的中毒现象。但时间-抑制率曲线呈非线性关系。因此毒性预警装置的反应时间应控制在0～20 min 内，取大多数微生物中毒反馈最明显的时间点为易。

2.3 pH 值对OUR 的影响

污泥浓度（MLSS）为2 000 mg／L；接触时间（HRT）为20 min，调整pH 值分别为2，4，5，6，7，8，9，10，12。测得不同pH 条件下的活性污泥微生物耗氧速率（OUR）变化，结果如图6、7。

图6 碱性废水对OUR 的影响Fig.6 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by Alkaline Wastewater

图7 酸性废水对OUR 的影响Fig.7 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by Acidic Wastewater

由图6、7 可知，活性污泥对酸碱度较为敏感。当pH 值在6～9 时，为活性污泥的适应范围，可以看出活性污泥微生物在碱性条件下的适应范围宽于酸性条件，这与郑秋辉[5]得出的结论一致。当pH=6时，活性物耗氧速率（OUR）有微弱的促进作用，分析可能原因：该污水处理厂进水偏酸性，经过很长一段时间的驯化，从而能够适应酸性条件下的进水。当pH 超过6、10 以后微生物的耗氧速率微弱，严重影响了微生物的正常代谢功能。

2.4 多因素的正交试验分析

根据以上单因素试验结论，结合污水处理厂实际可能的毒物剂量范围（5～15 mg／L），以OUR 的抑制率为评价指标设计了正交试验，正交试验的MLSS、HRT、毒物剂量均比单因素试验水平低，各影响因素和水平见表1，以苯酚为例开展的正交试验结果见表2。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Factor Level for Orthogonal Experiment

表2 苯酚的多因素正交试验结果Tab.2 Multi-Factor Orthogonal Experiment Results of Phenol

由表2 可知，各因素对试验指标抑制率的影响按大小顺序：C 苯酚剂量、A 污泥浓度、B 接触时间。最优方案即：C3 苯酚剂量：15 mg／L，A1 污泥浓度：500 mg／L，B2 接触时间：10 min。当苯酚剂量不高时，筛选出最优的预警反应器运行参数：MLSS=500 mg／L，HRT=10 min。

由表1、2 可知，当苯酚剂量不高时，筛选出最优的预警反应器运行参数：MLSS=500 mg／L，HRT=10 min，且HRT 在影响因素中均属于次要影响因素。不同的类别的毒性物质对污泥浓度、毒性剂量的敏感度不同，苯酚首要影响因素为污泥浓度，而苯酚剂量提高到一定程度后对抑制率的影响不明显。

3 结论

（1）随着预警反应器污泥浓度（MLSS）的升高，Ni2+、苯酚毒性物质的抑制率呈下降趋势，以Ni2+和苯酚为例，随着MLSS 由5 000 mg／L 降低至1 000 mg／L 时，抑制率分别从20.19 %、33.45 %逐步提高至60.62 %、75.52 %；因此，污泥浓度会直接影响微生物对重金属的灵敏程度和抗冲击性，降低污泥浓度可以提高预警装置的灵敏度。

（2）HRT 在0 min 时，Ni2+、苯酚对OUR 的抑制率均在40 % 以上，说明活性污泥微生物对致毒物质十分敏感。HRT 在0～20 min 时Ni2+、苯酚抑制率上升了30.73 %、9.34 %，随着接触时间（HRT）的延长，抑制率逐步提高，但时间-抑制率曲线呈非线性关系。HRT 在40～60 min 时，抑制率浮动在5%以内，说明活性污泥中的大多数微生物会在0～20 min内，表现出对致毒物质的中毒现象。

（3）当pH 值超过6、9 时，对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碱性条件下的适应范围宽与酸性条件。当pH 超过6、10以后微生物的耗氧速率微弱，严重影响了微生物的正常代谢功能。

（4）以苯酚为例，通过正交试验对预警反应器进行了优化，结合毒物剂量范围（C＜15 mg／L），筛选出最优的预警反应器运行参数：MLSS=500 mg ／L，HRT=10 min，其中首要影响因素为污泥浓度，HRT在影响因素中均属于次要影响因素。

［1］曹秀芹, 崔伟莎, 徐钺, 等. 城市污水处理厂污泥中重金属去除方法研究进展[J]. 净水技术, 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］陈亚松, 杜郁, 杨广文, 等. 溶解氧突变预警活性污泥重金属中毒的研究[J]. 净水技术, 2014, 33(3)： 65-68.

［4］李洪亮, 陈玉成. 污水生物处理中重金属的毒理学研究进展[J].微量元素与健康研究, 2006, 23(1)： 49-52.

［5］郑秋辉. 废水OUR 值在线监测初步研究[D]. 广州： 广州大学,2010： 37-38.