活性污泥活性的表征及其检测方法研究

李　静，严　红，肖本益

（1.中国科学院生态环境研究中心，北京100085；2.大连大学环境与化学工程学院，辽宁大连116622）

活性污泥活性的表征及其检测方法研究

李静1，2，严红2，肖本益1

（1.中国科学院生态环境研究中心，北京100085；2.大连大学环境与化学工程学院，辽宁大连116622）

活性污泥法以其净化效果好、管理方便等优势在污水处理中得以广泛应用。为了能及时发现异常状况、维持正常的处理效率、调控污水处理工艺的高效运行，需要探索快速、简单、可靠、经济的表征活性污泥活性的指标。对其常用检测指标的研究情况进行综述，重点阐述了4个可有效表征污泥活性的指标（比耗氧速率、脱氢酶活性、比电子传递体系活性、比三磷酸腺苷）的原理、特点、应用、检测方法及其优缺点，并进行比较，以期为活性污泥污水处理厂的有效管理提供参考。

活性污泥；活性；表征；检测

活性污泥法是当前应用最为广泛的污水生物处理技术，随着工程应用的日益拓展，技术不断改进和完善，成为世界上80%以上城市污水处理厂普遍采用的方法〔1〕。实践表明，它是当前最有效可行的城市污水处理工艺〔2〕。活性污泥法主要通过吸附和生物氧化分解的方式去除污水中的溶解和胶状有机物〔1〕，其污水处理效果主要依赖于污泥的活性。在实际处理过程中污泥活性受到多种因素的影响，如进水水质、温度、pH、溶解氧和重金属等。污水处理过程中为了保证处理效果，需对活性污泥的活性进行监测〔3〕。因此，研究各种污泥活性表征指标，建立快捷、准确、实用的污泥活性检测方法是十分必要的。

目前国内外对活性污泥活性的表征指标及相应检测方法的研究大多是在考察某些参数的检测方法时，尝试性地探讨其表征污泥活性的可行性。且目前的研究只是关注某个或某几个指标，尚缺乏综合性评价，也没有哪个指标更适合表征污泥活性的文献报道。笔者归纳总结了活性污泥活性常用表征指标的国内外研究现状和进展，重点阐述其表征活性污泥活性及检测方法的优缺点。

1　活性污泥活性的表征指标

目前表征活性污泥活性的指标有很多，包括比耗氧速率（SOUR）、脱氢酶活性（DHA）、电子传递体系（ETS）活性、比三磷酸腺苷（SATP）、污泥的沉降比（SV30）、污泥容积指数（SVI）、硝化速率〔4〕、pH〔5〕、过氧化氢酶活性〔6〕等。

1.1SOUR

SOUR是指单位活性污泥在单位时间内所利用氧的量，是评价污泥微生物代谢活性的一个重要指标〔7〕。在活性污泥法中，微生物的生存及基质的降解都需要消耗一定量的氧气，因此SOUR可以间接反映污泥的活性生物量〔8〕。SOUR可以反映微生物新陈代谢的强弱及水力负荷对底物利用率的影响〔9〕。它受底物浓度及污泥活性的共同作用，体现了曝气池中的总需氧量，并由于活性污泥法去除COD、氮等需要氧气而成为表征污水处理效果的重要方法。另外，SOUR与微生物的呼吸及废水中有机综合体的生物降解速率直接相关，是一种测量微生物活性适当且可行的分析方法〔10〕。

在活性污泥法中，SOUR容易受废水类型及有毒物质等的影响〔11〕。根据不同时期污泥SOUR的变化可以判断进水特性及污泥性质的变化。X.F.Wang等〔12〕研究了SOUR的变化、污染物浓度以及SBR工艺控制参数之间的相关性。结果表明，SOUR能有效反映SBR工艺的生化反应进程，且反映重金属毒性作用的灵敏性高，与COD、DO和pH有很好的相关性。当SBR系统中活性污泥受到重金属污染后其活性降低，SOUR的抑制率与COD去除率的降低情况相似，这表明SOUR可以更有效地表征污泥活性的变化。孙晓莹等〔13〕对SOUR在污水处理厂运行状况监测中的应用进行了研究，结果表明，当处理系统遭到有毒物质（如重金属、H2S等无机物和氰、酚等有机物）冲击时，污泥中的SOUR会突然下降，因此SOUR可作为监测进水中是否含有毒物质的最为灵敏的早期警报。

1.2DHA

在有机物的生物氧化过程中，脱氢酶是作用在代谢物上的第一种酶，是微生物降解有机污染物获得能量的关键酶。脱氢酶能够激活某些特殊的氢原子，使这些氢原子可以被适当的受氢体脱除而将原来的物质氧化，它在有机物的生物氧化导致电子得失的整个过程中发挥着重要作用，因此生物体的脱氢酶活性（DHA）很大程度上可反映生物体的活性。W.von Mersi等〔14〕首次采用DHA表征并检测了污泥的活性。由于基质脱氢是活性污泥法中污水生化处理反应的关键步骤，这使得DHA成为表征污泥活性的一个重要指标〔15〕。DHA的高低直接关系到有机物的降解速度，可以表征活性微生物对其基质降解能力的强弱，反映处理体系内活性微生物的量及生物处理设施的运行效果〔16〕。

目前DHA已经广泛用于检测活性污泥中微生物的呼吸活性〔17〕。通过检测DHA可及时反映BOD负荷、pH、温度、DO以及有毒物质等对污泥活性的影响，并能体现出污水处理过程中活性污泥的浓度及活细胞数目〔16〕。Zhaosong Huang等〔18〕研究动态好氧膜生物反应器ADMBR的污水处理性能时发现，DHA的变化与反应器COD、NH4+-N、TP、TN等污染物的去除率变化情况相似，这说明DHA可以反映污染物的去除效果，从而表征活性生物量及污泥活性。

1.3ETS活性

在活性污泥污水处理系统中，污染物的去除主要是通过污泥中微生物的代谢过程来实现的，其中有机物的脱氢（即脱电子）过程是生物代谢的关键步骤。在微生物好氧代谢过程中，脱掉的电子会通过一系列电子载体（如O2、NO3-、SO42-、CO32-等）最终转移到各种电子受体中，从而实现有机污染物的矿化，按电子亲和力递增顺序排列的电子载体构成了电子传递体系（ETS）〔7，19〕，这些电子的传递速率即 ETS活性。比电子传递体系活性（SETS活性）是指单位污泥电子的传递速率。检测活性污泥系统中SETS活性时常用的人工电子受体有2，3，5-氯化三苯基四唑氮（TTC）及碘硝基氯化四氮唑蓝（INT），因此SETS活性可分为TTC-SETS及INT-SETS两种活性〔20〕。当微生物的电子传递系统受到冲击时，TTC接受电子的能力首先受到较大影响，从而影响污泥活性，因此TTC-SETS活性更适合检测污泥活性，但其检测过程中容易受到氧的干扰，还需要除氧步骤〔21〕。通过测定污泥中微生物的SETS活性可以间接指示微生物的呼吸活性，从而定量污泥活性〔22〕。ETS活性一方面可从微生物学角度反映污水生物处理系统中微生物降解有机物的能力，另一方面可从微生物活性的高低衡量有机物的降解速率以及污水处理设施的运行效果，因此，ETS活性是一项分析、评价和预测污水生物处理能力的重要指标〔23〕。目前ETS活性是应用较多的污泥活性评价方法之一。

ETS活性可以揭示有机物生物降解进程的变化以及系统受到有毒物质（如重金属、H2S等无机物和氰、酚等有机物）的冲击负荷，检测ETS活性可以较早地预告污水中重金属等有毒物质引起污泥活性的变化，甚至可以反映毒性物质影响污泥活性的等级〔21〕。谭学军等〔23〕研究了SBR工艺系统中污泥的TTC-ETS活性变化，结果表明，SBR工艺中的TTCETS活性随反应时间的延长而逐渐降低，即TTCETS活性随着COD的去除而不断降低，且提高处理系统的进水有机物浓度可一定程度上提高TTCETS平均活性。重金属一般会抑制某些酶系统的活性，进而影响微生物的电子传递体系活性，其中有些重金属容易与微生物的酶蛋白结合使之变性，而有些重金属（如Cu2+、Hg2+、Ag+等）容易与酶分子上的—SH发生可逆结合降低酶的活性，从而抑制微生物的生长。尹军等〔21〕研究了不同浓度的 Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Ni2+、Pb2+、Ag+对污泥TTC-ETS活性和INT-ETS活性的影响，系统比较了这2个参数在表征污泥活性受重金属抑制时的灵敏性。结果表明，两者均可有效表征污泥活性受重金属离子的影响，使重金属离子呈现不同的毒性作用，且TTC-ETS活性反映重金属毒性的敏感性大于INT-ETS活性。

1.4SATP

三磷酸腺苷（ATP）是微生物细胞一切生命活动所需能量的直接来源。比三磷酸腺苷（SATP）是指单位污泥在单位时间内所储存的能量。整个新陈代谢过程中，一系列生化反应及电子转移释放的能量以ATP的形式保存起来。ATP含量降低将导致污泥中微生物能量的匮乏，进而使微生物的生长受到影响。因此，SATP对正常的新陈代谢及能量分配有重要意义〔24〕。污泥中SATP的含量可表征生物降解过程中微生物数量的多少和新陈代谢速度的快慢，反映活性污泥的浓度，从而表征污泥的活性。此外在一定条件下，SATP能一定程度上反映微生物的动力学特性和污泥的沉降性能。通过测定SATP能及时有效地反馈曝气池的运行信息，并能比较系统中不同处理时期活性污泥的量及活细胞数目，是衡量活性污泥系统中微生物活性的重要指标〔25〕。

1.5其他指标

污泥的沉降比（SV30）、污泥容积指数（SVI）、硝化速率〔7〕、pH〔8〕、过氧化氢酶活性〔9〕等有时也用于表征污泥活性。

污泥沉降比是指污泥混合液在100 mL量筒中静止沉降30 min后污泥所占的体积百分比，而污泥的容积指数（SVI）是指污泥混合液经过30 min静置沉淀后单位污泥所占的容积，它们能反映污泥的松散凝聚程度以及沉降性能的变化，但不能真正体现污泥活性。符成泽等〔4〕采用硝化速率反映污泥活性的大小，从而间接反映水样中生物的毒性。但污泥活性并非只有硝化作用一方面，因此用硝化速率来表征污泥活性不够准确。H.C.Shi等〔26〕研究表明，pH一定程度上可反映污泥的活性，pH偏离正常值时，生物活性有不同程度的下降，但对酸性环境的耐受能力远远大于对碱性环境的耐受能力。污水生物处理系统中的pH范围较广，pH变化并不能准确反映污泥活性的变化。过氧化氢酶是一类能够催化氧化还原反应的酶，通过活性污泥的过氧化氢酶作用可以分解对微生物有毒性的过氧化氢，从而保证污水的处理效率，因此过氧化氢酶活性可一定程度上表征污泥的活性，但污泥的过氧化氢酶活性对pH的变化非常敏感，强酸强碱状态下过氧化氢酶活性较低，同时温度过低或过高都会抑制其活性〔6〕。由于温度和pH是影响过氧化氢酶活性的关键因素，而这2种因素又很难控制，因此过氧化氢酶活性不能成为表征污泥活性的有效指标。

以上指标均存在不足，只能大致表征污泥活性受微生物环境因素的影响，并不是表征污泥活性的有效指标。但在实际污水处理过程中，可通过它们快速判断活性污泥是否受到影响，如通过SV30及SVI判断污泥是否出现膨胀，若沉降性能变差，则应加大曝气量，延长曝气时间；pH若已偏离正常范围，则污泥活性出现问题，应及时采取有效措施，但通过这些指标无法真正了解活性污泥变化的内在原因。

2　4种活性污泥活性表征指标的检测方法

2.1SOUR

SOUR的测定通常采用分批试验法，包括密闭间歇曝气和连续曝气2种方法，两者都是基于液相中氧气补充量和消耗量之间的质量平衡而求得SOUR，目前最常用的是密闭间歇曝气法〔13〕。在实际应用中由于测定过程简单、无需添加试剂，SOUR已广泛应用于活性污泥的毒性物质鉴别和在线毒性监测〔27〕。尽管SOUR被认为是测量污泥整体呼吸活性的一种简便技术，但其测量时所需的电极和溶氧仪可能会限制样品测定的数量〔28〕。

2.2DHA

为了定量测定DHA，需通过作为受氢体的指示剂的还原变色来确定脱氢过程强度，常用的指示剂有亚甲基蓝、刃天青、2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）等。这些指示剂从氧化状态接受脱氢酶活化的氢而被还原时会发生颜色变化，通过比色法得到脱氢酶的活性，目前应用较多的是TTC-DHA测定法。

亚甲基蓝测定DHA是一个褪色过程。在生物新陈代谢过程中，有机质在脱氢酶作用下脱氢而被氧化，并将氢传递给亚甲基蓝，蓝色的亚甲基蓝接受氢后转化为无色的还原型亚甲基蓝，依据其褪色速度可推测脱氢酶的活性。刃天青的测定与亚甲基蓝基本相同，但反应过程相对较复杂，其作为指示剂时颜色变化规律为蓝色-紫色-粉紫色-粉红色-白色，变色所需时间较长〔29〕。TTC-DHA测定法是以氧化还原性染料TTC作为指示剂，无色的TTC被引入电子得失的反应链后，在活性微生物细胞内充当最终受氢体，当微生物细胞内发生脱氢反应时，TTC会接受氢原子而被还原，还原后的TTC形成红色的三苯基甲酯（TF），根据TF的生成量可反映脱氢酶活性〔30〕。TF可用特定的萃取剂（如丙酮）从细胞中提取，并用分光光度法测定浓度（485 nm）。

研究表明，采用DHA测定污泥活性能反映曝气池中污泥性质的变化，且测定方法简便、灵敏可靠，因此非常适于污水厂的日常运行管理工作〔16〕。然而，由于DHA值代表的是一定时间内电子传递的总和，而过低的生物量可能导致DHA测定困难，因此受污泥浓度的影响比较大〔31〕。另外，TTC-DHA测定法存在显色浅、易褪色、反应时间长、测定较费时（约2 h）、不能及时准确地反馈微生物群体的生物活性状况及对处理系统中生物活性的量化不够精确等问题〔10，30-31〕。

2.3SETS活性

污泥SETS活性的检测是向单位污泥混合液中加入电子受体（如氧化还原染料TTC或INT），这些电子受体在微生物电子传递体系的作用下会接受电子而生成TF，并发生颜色变化，通过测定吸光度的变化得到其生成速率，即SETS活性〔22〕。

在测定TTC-SETS活性时，首先需向污泥混合液中加入一定量偏碱性的Tris-HCl缓冲溶液以稳定反应体系的pH，在加入TTC时还需加入起到除氧作用的Na2SO3，测定过程生成的红色TF可用丙酮萃取，并在485 nm下检测，同时还需测定离心后的沉淀污泥干重，进而得出单位污泥单位时间生成的TF〔21-22〕。INT-SETS活性的检测方法与TTC-SETS活性的检测大致相似，但由于INT的氧化还原电位较高而不受氧的干扰，因此没有除氧步骤〔21〕。

SETS活性可以同时检测的样品数量不受限制，且操作简便，适于现场应用，所需仪器设备如水浴振荡器和分光光度计等均为实验室常规仪器，但所用电子受体的价格相对较昂贵〔23〕。此外，目前测定污泥SETS活性时使用的萃取剂种类很不一致，致使其测定的实验结果无法进行横向比较〔32〕。

2.4SATP

SATP的测定方法包括层析法、高效液相色谱分析法、紫外分光法和荧光素酶法等。这4种检测方法中目前最常用的是荧光素酶法。

层析法通常以正丁醇+丙酮+冰乙酸+5%氨水+水（体积比7∶5∶3∶3∶2）为展开剂，样品在以硅胶GF为吸附剂的薄板上进行层析并通过测定其吸收斑点的紫外吸光度而得到SATP值。高效液相色谱法测定SATP前需先用体积分数为8%的高氯酸将其分离出来，再加入KCl使其与高氯酸反应生成KClO4沉淀然后提取ATP，或者用三氯乙酸分离出ATP后用无水乙醚提取ATP，然后通过高效液相色谱测定ATP含量，其检测波长为254 nm〔33〕。紫外分光法是利用ATP在260 nm处的特征吸收峰，用Tris提取液提取ATP后测定离心上清液的吸光度，根据吸光度得到ATP含量，进而计算SATP〔34〕。荧光素酶法测定ATP前，需先用Tris提取液将ATP从污泥混合液中提取出来，然后再依次加入荧光素和荧光素酶，在荧光素酶作用下ATP与荧光素结合反应会产生荧光，由于产生的光和ATP含量成正比，采用生物发光仪检测产生荧光的强度就可以选择性定量测定ATP的含量，再计算得到SATP〔35〕。在实际检测中，通常使用ATP检测试剂盒，它可以精确定量地测试所需的提取剂和荧光素酶溶液，简化了操作步骤，避免资源浪费。

污泥活性的SATP检测方法具有分析操作简单、快速灵敏、急性毒性检测的反应时间短、稳定性和重复性好等优点〔34-35〕。但SATP检测的影响因素较多（pH、有毒物质CN-、S2-等环境因子），且常用的荧光素酶法所需仪器、荧光素酶或ATP检测试剂盒等价格昂贵，荧光素酶配成溶液后不能反复冻融保存。

3　4个常用表征指标及其检测方法的比较

3.14个表征指标的比较

由于原理不同，当污泥活性受到进水水质、温度、pH、溶解氧、重金属等因素影响时，尤其是受到重金属等有毒物质冲击时，污泥活性的4个表征指标会表现出不同的敏感性。这些参数中，DHA和SATP都与微生物的新陈代谢途径联系起来，因此能够区分活性和非活性的生物量，并且DHA与SOUR、ETS活性、SATP之间存在着良好的线性关系〔36〕。

L.G.Zhang等〔20〕研究发现，受到重金属抑制时，尽管污泥的TTC-SDHA与系统COD的去除抑制程度相似，但污泥的SOUR对重金属的影响更敏感。相比于INT-ETS与TTC-SDHA，SOUR更适合表征活性污泥受重金属的影响。C.W.Kim等〔37〕用3个污泥活性指标（DHA、SOUR及SATP）评估了有毒物质（氯气和过氧化氢）对污泥活性的抑制作用，结果表明，SATP相对而言最不敏感，而另2个指标的敏感性相似。

有研究表明，当活性污泥的SV30和SVI发生变化时，SATP能更加准确地反映活性污泥的实际代谢状态；当活性污泥的MLSS和pH变化时，用DHA会更加准确可靠〔38〕。TTC-DHA活性和TTC-SETS活性都是通过人工电子受体TTC接受电子而还原生成TF，并发生颜色变化，通过分光光度计进行测定。TTC-SETS通过TF的生成速率来反映污泥活性，而TTC-DHA则通过TF的生成量来反映污泥活性，其值代表的是一定时间内电子传递的总和，包括基质产生的外源呼吸活性和自身内源呼吸活性两者之和〔20〕。DHA测定实质是相同的，SOUR是直接测定系统中的最终受氢体，即氧的消耗速率；而TTCDHA是以氧化还原染料TTC作为人工受氢体以取代O2，测得的是最终与氧结合的氢原子量，在受到反应异常的pH和有毒物质对污泥活性的影响时，两者具有很好的相关性〔39〕。

总之，从对有毒物质的敏感程度来看，SOUR最为敏感，SATP相对最不敏感。DHA和SATP、DHA 与SETS活性、SOUR与DHA之间呈现良好的相关性，在污水处理厂的日常管理中，它们均可反映污泥的活性。通常选用SOUR作为运行管理中表征污泥活性的最佳指标。

3.24个指标常用检测方法的比较

表1总结了4个指标常用检测方法的优缺点。

从灵敏度、准确性、快速性及经济性等方面对污泥活性4个指标常用检测方法的优缺点进行了比较，发现它们均操作简便，灵敏可靠。从检测的快速性来讲，SOUR测定过程简单、无需添加试剂，SATP检测也较简单、快速，而DHA测定费时（约2 h）且不够精确。在指标检测的经济性方面，SATP需要较为昂贵的仪器，且荧光素酶或ATP检测试剂盒等价格昂贵，此外DHA及SETS活性检测需要的氧化还原染料比较昂贵。综合而言，SOUR测定更适合表征污泥活性。

表1　表征污泥活性的4个指标常用检测方法的优缺点

4　结语

为使污水处理工艺高效运行，需要快速而可靠的活性污泥微生物活性表征指标及检测方法。SOUR、DHA、SETS活性及SATP是4个常用且可有效表征污泥活性的指标，它们之间有良好的相关性。通常选择SOUR作为运行管理中表征污泥活性的最佳指标。最常用及最适合的检测方法有SOUR测定、TTC-DHA测定、TTC-SETS测定以及荧光素酶法测定SATP，它们各有优缺点，在污水处理厂条件不是很充裕的情况下均可使用，但主要以SOUR测定使用最为广泛。

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Research on the characterization and detection methods for the activity of activated sludge

Li Jing1，2，Yan Hong2，Xiao Benyi1
（1.Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China；2.College of Environmental and Chemical Engineering，Dalian University，Dalian 116622，China；）

Activated sludge process has widely been used for treating wastewater，because it has advantages，such as good purification effect，easy management，etc.In order to discover abnormal situations on time，maintain normal treatment effects，and regulate the efficient operation of wastewater treatment process，it is necessary to quest quick，easy，reliable and economic indicators which can characterize the activity of activated sludge.The situation of research on its commonly used detection indicators are summarized.The principles，characteristics，application，detecting methods，and advantages&disadvantages of four indicators which can effectively characterize the activity of activated sludge：specific oxygen uptake rate，dehydrogenase activity，the activity of specific electron transport system，and specific adenosine triphosphate are expounded emphatically，so as to provide references on effective management for wastewater treatment plants using activated sludge.

activated sludge；activity；characterization；detection

X703

A

1005-829X（2016）08-0005-06

国家自然科学基金（51378492）

李静（1989—），硕士研究生。电话：18211137827，

E-mail：connie12138@126.com。通讯作者：肖本益，博士，副研究员。E-mail：byxiao@rcees.ac.cn。

2016-07-08（修改稿）