污泥活性指数测量仪器的研究与应用

文/姜 威 王连杰 张 麟 刘 鹏

活性污泥中的微生物在降解有机物及完成一系列生化过程中会消耗水体中的溶解氧（DO），微生物消耗水体中DO的速率是评价污水处理系统中活性污泥性能的指标[1～2]之一，称为氧气吸收速率或耗氧速率（OUR）。

目前，测定OUR的操作都是基于生物量从液相中吸收DO的速率来评估，相关仪器的种类繁多，但此类设备均需测量混合液悬浮固体浓度（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS），测试过程中有机残渣对检测结果的影响难以避免。此外，温度对测量结果的影响，在该类仪器的研究中少见报道。有研究表明，温度每升高1 ℃，微生物代谢活性将随之提高约12%[3]，因此温度对污泥活性的影响不可忽视。

本文改进了测定活性污泥性能的方法，设计并搭建了一套新的仪器，设计过程中着重考虑了反应体系温度和环境温度的一致性；研究了污泥活性评价的标准和影响检测精度的因素；通过新的数据处理方法提高了检测结果的准确性。

1 测量原理与装置设计

1.1 污泥活性指数

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机质的生物代谢动力学参数，其计量方法是

但是以往的研究报道中污泥耗氧速率（比耗氧速率）的测量、计算方法一般用（单位数量）活性污泥中微生物消耗水体中的溶解氧量和时间的比来表示[4]

即选取溶解氧衰减曲线上两点，计算两点所在直线的斜率。这种计算方法受计算点的选取影响较大，不同的点计算结果差别较大，见图1。

为了便于表征污泥活性的变化趋势，本文提出了一种评价污泥性能的指标——污泥活性指数k。污泥活性指数是试验水体中的溶解氧饱和度，溶解氧饱和度是指一定温度条件下水体中溶解氧的测量值占该温度下蒸馏水的饱和溶解氧的百分比，其意义是溶解氧饱和度衰减曲线与时间的积分的倒数和活性污泥常数的乘积，见图2。

图1 传统耗氧速率评价方法

图2 污泥活性指数

式中：f（t）——溶解氧饱和度随时间的衰减函数；

N——为污泥活性常数，取10000；

1.2 测量装置的设计和组建

为了精确检测污泥活性的变化，设计并组装一套自动化的取样检测装置，见图3。

图3 污泥活性测定仪

整个装置包括进水系统、反应系统、温度检测和维持系统、料液定量补加系统、数据检测系统、逻辑控制和数据处理系统。

2 试验材料与方法

2.1 污水处理系统

所用活性污泥取自天津某污水处理厂AAO+AO工艺的二级O段，见图4。

图4 污水处理工艺

该污水处理厂主要接纳生活污水。活性污泥为黄褐色，pH 值为6.8～7.5，混合液悬浮固体质量浓度(MLSS)为1200～2500 mg/L，挥发性悬浮固体(VSS)浓度与总固体悬浮物(SS)浓度之比约为0.68～0.74，污泥沉降指数(SVI)为67～125。

2.2 试验试剂及仪器

1）试验仪器包括本文所述污泥活性测定仪、哈希公司的便携式溶解氧仪、恒温干燥箱、万分之一天平、真空泵。

2）试验试剂有CH3COONa（分析纯）和CuSO4（分析纯）。

2.3 研究内容

2.3.1 可重复性试验

由于污泥活性不同，检测周期也可能不一致。随着活性污泥中微生物代谢过程的进行，有机质不断被消耗，微生物呼吸作用可能受到影响。因此研究一段时间内呼吸作用的可重复性，进而确定污泥活性随时间的变化就显得尤为必要。这也是活性污泥性能测量设备间歇运行并能够最大程度重复历史性能的基础。

2.3.2 温度对耗氧速率的影响

比呼吸速率是比外源呼吸速率与比内源呼吸的综合。同一批次的好氧污泥，当污泥性质稳定时，比内源呼吸速率基本是恒定的。活性污泥内源呼吸与微生物本身的活性息息相关，如果温度随环境温度时刻发生变化，将会引起微生物活性的变化，因此保证检测体系的温度与被测体系一致对于检测污泥呼吸速率的真实性非常重要。

2.3.3 碳源对污泥活性的影响

外部底物的浓度影响着微生物的代谢活性，如果需要全面检测污泥的活性就需要考虑碳源对污泥活性的影响。这就需要深入研究碳源的种类、同一种碳源的浓度、外加碳源的作用时长和同一种碳源与温度共同作用下的污泥活性。

2.3.4 重金属对污泥活性的影响

污水处理厂进水受到重金属污染物冲击时，可能导致污泥中毒，从而使污泥活性降低或失去活性。该中毒过程的微观表现是重金属使微生物新陈代谢有关的酶失去活性[6]。污泥中毒时，污泥耗氧速率通常会突然下降，因此可以通过检测污泥的耗氧速率实现重金属污染的早期预警。

3 试验结果与讨论

3.1 污泥活性检测可重复性试验

试验条件：温度40 ℃，搅拌速度150 rad/min，试验结果见图5。

图5 重复曝气耗氧试验

由图5可以看出，在2 h、5个呼吸周期内耗氧积分面积基本稳定，污泥活性指数基本不变。这表明在可以预测的呼吸周期内不会因为反应周期的细微不同影响试验结果。该试验为评价活性污泥性能的设备间歇运行方法的可行性奠定了基础。

3.2 温度对污泥活性的影响

试验条件：温度25～40 ℃，搅拌速度150 rad/min。122～137 min为升温调节时间，试验结果见图6。

图6 温度对污泥活性的影响

从图6 可以看出，反应温度为25 ℃时候，污泥活性指数基本没有变化。温度上升到40 ℃以后污泥活性指数显著增加。说明温度对测量结果的影响是显著的，这就对污泥活性测量仪器的温度控制和与环境温度保持一致性上提出了较高要求。

3.3 碳源对污泥活性的影响

1）温度和碳浓度一定。试验条件：温度为38 ℃，搅拌速度150 rad/min。第49 min 投加乙酸钠，投加至反应体系浓度为60 mg/L，试验结果见图7。

图7 乙酸钠污泥活性的影响

由图7 可以看出，第一个反应周期测量到的污泥活性指数为6.37，第二个测量周期开始时加入乙酸钠，反应周期明显缩短，污泥活性指数增加到11.9，但是第三个反应周期时污泥活性指数又回归到第一个反应周期水平。可以推断，在第二个反应周期内，环境体系内的乙酸钠已经消耗完全。

2）碳浓度一定，温度变化。试验条件：温度29～39 ℃，搅拌速度150 rad/min。第57、107 min投加乙酸钠，投加至反应体系浓度为60 mg/L，69～96 min 为升温调节时间，试验结果见图8。

图8 温度对乙酸钠消耗速率试验的影响

由图8 可以看出，在投加碳源和温度升高双重因素作用下，污泥活性指数显著增加。结合图7 结论可知，第三个反应测试开始时候环境中的乙酸钠已经消耗完，第三测量周期内的变化都是温度变化引起的。

3）温度一定，碳浓度变化。试验条件：温度35 ℃，搅拌速度150 rad/min。第二个测量周期开始时分别向反应体系内投加乙酸钠，使NO.2～NO.4 反应体系乙酸钠浓度分别为30、50、80 mg/L，NO. 1 为空白对照组。试验结果见图9。

图9 不同浓度乙酸钠对污泥活性的影响

从图9 可以看出，一定温度条件下污泥活性指数随外投加碳源量的增加而增大，而且污泥活性指变化随浓度增加的线性度较好，因此本方法还可以用来检测未知碳源的浓度和评价不同碳源被活性污泥利用的难易程度。

3.4 重金属对污泥活性的影响

投加不同浓度的CuSO4，研究不同重金属浓度对污泥活性影响，试验结果见图10。

图10 CuSO4对污泥活性的影响

由图10可以看出，在CuSO4为15～60 mg/L的浓度范围下，污泥活性指数呈下降趋势。可以判断重金属铜对活性污泥毒性的阈值在15 mg/L，其毒性与重金属浓度呈现较好的线性关系[6]。因此本方法还可以用来定性检测毒性物质的浓度和评价不同物质对污泥活性的影响。此外，在废水质量严重恶化之前，使用本方法可以检测到有毒或高有机负荷，这对活性污泥法处理工艺的正常运行很有意义。

4 结论

1）本文所述的方法和装置可以快速、直接测量活性污泥的性能，从而让污水处理运行者短时间内得到生物池运行状态。通过污泥活性指数判断出污泥的生物活性和结构特征，从而评估污泥系统的运行状态。

2）本文引入了新的评价污泥活性的指标——污泥活性指数k，与以往的耗氧速率和比耗氧速率相比，污泥活性指数的测量结果减少了计量误差，这对评价微生物活性意义重大。

3）温度对测量结果的影响是显著的，这就对污泥活性测量仪器的温度控制和与环境温度保持一致性上提出了较高要求。

4）一定温度条件下污泥活性指数随着外投加碳源量的增加而增大，而且污泥活性指变化随浓度增加的线性度较好，因此本方法还可以用来评价不同碳源被活性污泥利用的难易程度。

5）本文中方法可以用来定性检测毒性物质的浓度和评价不同物质对污泥活性的影响。