污水处理系统中比耗氧速率的测定及其应用

朱荣霞, 刘树信, 谭周亮, 罗俊丞, 陈扬武

(1.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川 绵阳 621000；2. 中国科学院环境与应用微生物重点实验室，成都 610041； 3. 四川省环境微生物重点实验室，成都 610041)

引 言

生物法以其净化效果好、成本低、无二次污染等诸多优势在污水处理中应用广泛[1-2]。微生物是污水生物处理系统中的功能主体，其活性与污染物的降解效果密切相关。与此同时，微生物的活性易受多种因素如进水、运行参数、环境条件等影响[3-4]，进而引起污水处理工艺性能的变化。因此，对微生物活性进行跟踪检测并及时调控对于保障工艺的稳定运行十分关键。目前，表征微生物活性的常用指标有混合液悬浮固体浓度(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)、污泥沉降比(SV)、污泥体积指数(SVI)、脱氢酶活性(DHA)、电子传递体系活性(ETS)等[5]。然而，这些指标均存在不够准确灵敏、分析耗时长等缺点，发展快速、简单、可靠、经济的微生物活性表征方法手段是必然趋势。近年来，比耗氧速率[6]与三磷酸腺苷(ATP)[7]已被广泛报道可用于表征微生物活性，且具有分析操作简单、快速灵敏、稳定性和重现性好等优点。需指出的是，ATP检测的影响因素较多，且检测过程所需仪器、试剂等价格昂贵，综合而言，SOUR 测定更适合表征污泥活性，可作为运行管理中表征污泥活性的最佳指标[5]。

SOUR[单位：mgO2/(gMILSS·h)]是指单位重量的活性污泥在单位时间内消耗的溶解氧量，从微生物呼吸速率角度反映了活性污泥生理状态和基质代谢状况[8]，是表征污泥生物活性的重要参数之一。早在1961年，研究发现当系统遭受毒物冲击时活性污泥的SOUR会骤降，这是监测进水有毒物质的最灵敏的早期警报，可指导工艺运行[9]。此后，SOUR在分析、评价和预测污水处理系统运行状况及处理能力方面受到国内外的普遍重视[10-11]。SOUR常见的测定方法有两种：密闭间歇曝气法和连续曝气法，计算分别见公式(1)、(2)：

(1)

(ΔDO：溶解氧浓度的差值，mgO2/L；ΔT：消耗ΔDO的氧气所需要的时间，h；MLSS：污泥浓度，gMLSS/L)

(2)

(DO1：一个时间点对应的溶解氧浓度，mgO2/L；DO2：另取一个时间点对应的溶解氧浓度，mgO2/L；T：混合液在密闭容器中停留的时间，h；MLSS：污泥浓度，gMLSS/L)

目前，国内外针对污水系统中微生物的SOUR开展了广泛研究，本文主要介绍SOUR在表征微生物活性、指示污染物去除效果、生物毒性预警、工艺优化调控等方面的研究报道，并对SOUR在污水厂中的应用方向进行展望。

1 SOUR表征微生物活性与指示污染物去除效果

1.1 微生物活性表征

正常运行的污水处理系统中，SOUR值通常为8～20 mgO2/(gMLSS·h)[12]。若高于正常值，则表示污泥负荷过高或排泥量过大；当长期低于正常值则是活性污泥负荷低，也有可能是有毒物质抑制了微生物的活性[13-14]。李志华等[15]研究了不同活性污泥的呼吸速率，结合其物理性质进行分析，发现污泥粒径与SOUR呈负相关(R2>0.9)，并结合系统正常运行状态得到污泥最佳状态SOUR为6.27～7.55 mgO2/(gMLSS·h)，d为205.80～228.12 μm。其团队还对活性污泥的内源呼吸进行了研究，发现内源呼吸速率占总呼吸速率的比值越大，污泥的活性越差[16]。

SOUR不仅可表征污水生物处理系统中总的微生物活性，同时亦可分别表征系统中的AOB、NOB以及异养菌微生物的活性及其比例变化(图1)[13]。

图1 不同类型微生物的SOURFig.1 SOUR of different types of microorganisms

如张淼等[17]研究了三级串联式生物接触氧化反应器中不同有机物浓度对SOUR的影响。依据SOUR粗略计算出AOB在三个反应器中的占比依次为43.47%、54.94%和63.83%，NOB的占比为11.65%、21.87%和18.23%；氨氧化细菌的比耗氧速率、亚硝酸盐氧化细菌的比耗氧速率的最高值分别为实际污水处理厂的1.9倍和1.2倍，表明生物接触氧化工艺中两类菌群活性更高，硝化性能更好。Bei[18]通过对异养菌的SOUR异和总的SOUR总比值的测定发现，随着C/N的增加，SOUR异/SOUR总从3.98增加到5.29，同时硝化菌比例显著下降。

不同进水水质以及运行条件等均会对微生物的活性产生影响。如李志华等[19]发现温度的降低会导致OUR的减小，但在20℃降到10℃时活性趋于稳定。利用好氧/缺氧-序批式反应器(O/A-SBR)处理海水养殖废水时，发现当好氧/缺氧时间从2h/8h逐渐变为0.5h/9.5h时，污泥的SOUR从36.49mg O2/(gMLSS·h)逐渐降低到31.93 mgO2/(gMLSS·h)。SAOR和SNOR在好氧时间长的情况下相对较高，但对反硝化速率具有抑制作用[20]。考察不同pH下氨氧化速率(AOR)和氧化亚氮释放速率(N2OR)之间的关系，发现pH=6.5和8.5时，SAOR降至其最大值(SOURmax，pH=7.5)的50%[21]。采用SBR处理含盐废水，在COD/N分别为20、10、6和30的条件下，SAOR、SNOR和 SOUR均随COD/N从20降低到6增加[22]。

基于SOUR的检测可动态追踪系统中微生物活性以及污水处理系统运行状态，进而可为微生物活性与菌群调控提供理论指导。然而，AOB、NOB及其他微生物的SOUR检测需要添加抑制剂，且不同系统中的微生物对抑制剂的耐受浓度存在差异，可能导致检测过程中某一类微生物活性并未完全抑制的情况发生。

1.2 SOUR指示污水处理系统中污染物去除效果

SOUR能较为准确反映生物处理系统中污染物的去除效果，该方法较传统水质指标的检测更方便、快捷，用于快速评估污水处理系统的性能、判断出水水质十分有效。

Shama研究发现出水水质的COD与瞬时最大比耗氧速率(SOURim)的水平密切相关，因此，SOURim适合用于过程控制策略的参数[23]。张淼等[24]利用 SOUR的数值估算了AOB和NOB在各段中的相对比例分别为25.64±4.89%，34.59±5.02%，42.50±1.57%； 23.52±3.35%，39.65±4.26%，40.69±2.19%，发现与各段中的脱氮效果较一致。农药废水属典型难降解废水，Zou[25]通过添加生物增效剂对农药废水进行处理，结果表明，添加生物增效剂氨氮去除率较对照组提高51.4%，硝化效率明显提高，SOUR高于对照组，说明在生物强化菌剂的作用下，实验组中废水的可生化性优化对照组。类似的结论在石化废水生物强化处理过程中得到[26]。

图2 微生物呼吸曲线Fig.2 Microbial respiration curve

此外，SOUR是评价废水可生化性的技术指标之一。如图2所示，以内源呼吸线b为基准，其斜率为OURb，当实际曲线位于b的上方时，OURa大于OURb表明废水中有机物可被微生物降解；曲线c位于b下方时，OURc小于OURb表明废水中没有微生物可降解的有机物，且存在抑制微生物生长的物质；当曲线与内源呼吸曲线重合时，废水中的有机物不能被微生物降解，也不会抑制微生物的生长。据此，可为后续工艺的优化调控提供参考[27]。

2 SOUR应用于废水毒性预警

污水生物处理系统中，进水中的有毒有害物质的存在将对微生物细胞产生破坏作用，进而导致SOUR的骤降。因此，SOUR常用于进水毒性预警，常见的有毒有害物质包括有毒有害有机物、有毒有害无机物以及重金属离子[28]。

2.1 有毒有害有机物对活性污泥SOUR的影响

有毒有害有机废水包括石化废水、农药废水、抗生素废水、印染废水等，对微生物细胞有毒害作用，甚至导致微生物死亡。例如当苯酚浓度为200 mg/L时，SOUR为12.74 mgO2/(gMLVSS·h)；而当苯酚浓度为1000 mg/L时，SOUR仅为4.9 mgO2/(gMLVSS·h)[29]。Wei Hong等[30]研究了5种典型除草剂对活性污泥的影响，灭草松、乙草胺、扑灭通、扑灭津和异丙甲草胺分别降低活性污泥的SOUR分别为17.0%、28.4%、25.8%和31.1%；而乙草胺浓度仅为10 mg/L时，SOUR就下降了37.1%。随着四羟甲基硫酸磷THPS浓度增加，SOUR先升高后降低，SOUR达到最高时THPS的浓度为1.87 mgO2/(gMLVSS·h)，低于这个值可以增强污泥活性，反之高于这个值抑制污泥活性[31]。

此外，利用好氧颗粒污泥处理实际印染废水，实际印染废水的比例从50%逐渐增加到100%，最大COD去除率高达87%，最佳染料去除率约为42.6%。由于染色废水的毒性作用，运行90d后观察到SOUR减少了43.3%[35]。

2.2 有毒有害无机物对活性污泥SOUR的影响

无机有毒污染物主要包括重金属离子、氰化物和氟化物等，这些有毒物质的存在对污水处理系统中的微生物产生明显毒害作用，进而对硝化过程产生严重抑制[36～38]。

研究表明，当进水Cr(Ⅵ)浓度≥0.2 mg/L时，氨氧化性能明显受到抑制，当Cr(Ⅵ)浓度从0增加到0.5mg/L，系统的SOUR、SAOR和SNOR分别从53.24、6.31和7.33 mgN/ (gVSS·h)下降到18.17、1.68和2.88 mgN/(gVSS·h)，AOB对重金属毒性的敏感性高于NOB[39]。高浓度的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)均对硝化微生物具有毒性作用，且Cr(Ⅵ)比Cr(Ⅲ)的抑制作用更强[37]。较低浓度的Cr对污泥性能没有显著影响，而10 mg/L的Cr导致63%的生物量、42%的SOUR抑制；相比之下，Pb2+对微生物的抑制作用则更明显，在低浓度(2 mg/L和5 mg/L)下即发生14.7%、40%的生物量与72%、83%的SOUR抑制[40]。Cu2+对污泥SOUR的影响也被广泛报道[41]。此外，废水的理化性质与金属纳米粒子(NPs)的稳定性有关，TiO2NPs的聚集尺寸及其对底物的特异性吸附受底物类型与废水中悬浮固体存在的影响，与合成废水或过滤废水相比，原料废水中的TiO2NPs严重抑制了微生物SOUR[42]。

氰化物与三价亚铁血红素蛋白的亲和力，破坏了蛋白质的结构和功能，会使微生物失去活性[43]。Vikram Kapoor等[44]证明了CN-与SOUR呈良好的线性关系，且随着CN-的增加，SOUR明显降低；当CN-浓度为0.1 mg/L时，硝化活性下降50%以上。RT-qPCR结果显示amoA和hao的转录水平均随着CN-浓度的增加而显著降低，该结果与通过SOUR测量的氨氧化活性非常一致。

2.3 其他有毒有害无机物对活性污泥SOUR的影响

一定浓度的无机盐的存在对微生物活性不具有影响，甚至对微生物活性有促进作用[45]。超过一定浓度时则会对微生物细胞的渗透压以及代谢活性产生不利影响[46-47]。在SBR中，随着盐度从0.5%增加到4%，活性污泥的SOUR从22.47 mgO2/(gMLVSS·h)增加到43.16 mgO2/(gMLVSS·h)，随后在盐度为6%时，SOUR降至18.3 mgO2/(g MLVSS·h)[48]。另有研究指出，当盐度胁迫增加到20 g/L时，NH3-N的去除率从98.4%下降到42.0%。微生物群落分析发现，Nitromonas在高盐度条件下受到明显抑制[49]。Gao[32]研究了厌氧-好氧工艺中活性污泥能够承受的硫酸盐的临界浓度，结果发现随着硫酸盐浓度的增加，由于硫酸盐和硫化物的抑制，污泥的SOUR 逐渐减弱。

在一序批式短程硝化反应器中，通过控制低DO浓度运行100d，出水NO2-N/NH3-N比值平均为1.3，NO3-N浓度较低；SOUR数据表明，SAOR、SNOR分别从21.73±0.52和27.39±0.50 mgO2/(gMLVSS·h)变为36.37±0.85和12.04±0.17 mgO2/(gMLVSS·h)[50]。季民等[51]研究了高氨氮废水中FA对硝化菌活性的影响，结果表明，FA在<8.1 mg/L时，增加FA浓度能够促进硝化活性，而当FA急性冲击负荷>8.1 mg/L时，会对硝化作用造成抑制。孙洪伟[52]进行了游离氨(FA)对Nitrobacter活性动力学试验研究，发现在FA>7.3 mg/L时，SOUR值随FA浓度升高而减小；当FA浓度>22.2 mg/L时，SOUR降为0 g N/(gVSS·d)，最大SOUR为0.62 gN/(gVSS·d)。

研究不同类型有毒有害物质作用下微生物的SOUR的变化情况，有助于我们更为深入的理解不同类型有毒有害物质对活性污泥的毒性作用。如V. J. Inglezakis等[53]对氰化物和两种酚类物质进行实验，发现苯酚、4-硝基苯酚对于废水处理中活性污泥工艺中SOUR、SAOR、SNOR均有着抑制作用，且4-硝基苯酚对微生物活性的抑制作用最大。Xing等[54]批次实验发现，Zn2+、Cu2+和抗生素对污泥活性产生不利影响，对硝化反应的抑制作用为：SMZ(磺胺二甲嘧啶)>铜离子>锌离子>OTC(土霉素)。

微生物SOUR的变化与有毒有害物质的种类、浓度、生物毒性等密切相关，当前基于SOUR的变化来判别有毒有害物质的种类尚不具特异性，将来针对进水中特异性有毒有害物质的判断仍需更为深入系统的探索。

3 工艺优化调控

SOUR不仅可表征微生物的活性，同时亦可指示污染物的去除效果，这些研究成果为污水处理系统的优化运行提供了理论指导。目前，基于SOUR变化规律可动态监控污水处理系统的运行状态、调控工艺、控制曝气时长[55～57]等，在污水处理系统稳定运行，实现工艺的节能降耗等方面发挥了重要作用。

3.1 工艺运行状态的动态监控

早在1992年，SOUR在线检测设备就被用于对加拿大埃德蒙顿市GOLD BAR废水处理厂进水进行全天候监控，以获取废水毒性和生物降解性等重要信息[58]。另外，Maria Arias-Navarroa等[59]采用呼吸测量试验测评西班牙马拉加一个污水处理厂可能存在的故障，并提出改进方案，通过比较系统出水样品的因子负荷(0.9～1.5)、有机负荷率(>0.5 gBOD/(gMLVSS·d)以及混合液SOUR(>10 mgO2/(gMLVSS·h))的参考值与实验值的对比，发现该系统处于低效超负荷运行状态。我国张景炳[60]采用SOUR在线测定仪动态测试了上海竹园第二污水处理厂的曝气池沿程点位的OUR，发现OUR沿程逐渐下降，且在60 m、120 m处出现明显的拐点，碳降解OUR、SAOR、SNOR的比例为4.4∶2.65∶1；说明OUR可动态指示基质降解阶段，而分段调控可为污水处理系统的设计与运行优化提供借鉴与参考。

3.2 工艺的优化调控

目前，利用SOUR指标对污水处理系统运行状态进行实时监控的案例报道还较少，基于SOUR变化规律优化调控污水处理系统的工程实践较为缺乏。因此，如何将SOUR指标有机整合到现有污水处理厂的控制系统中，使该指标在污水处理系统的运行与管理中发挥出实际作用有待研究。

4 结论与展望

SOUR是表征污泥生物活性的重要参数之一，从微生物活性的角度反映了活性污泥生理状态和基质代谢状况，可指示污染物的去除情况、对进水毒性起着预警作用，并能基于SOUR动态监控污水处理系统的运行状态，优化调控污水处理工艺，这对于污水处理系统的稳定、经济、高效运行十分重要。为更好的使SOUR指标服务于污水处理系统的运行与管理过程，今后可从以下两个方面开展进一步的研究工作。

5.1 污水生物处理系统是一个动态变化系统，只有通过实时监控才能更好的掌握系统的运行状况。SOUR在线检测能很好地反映污水处理系统的运行状况，目前国内外针对SOUR在线检测的研发与应用方面开展了相关研究，但目前市场上关于商业化、成熟的SOUR在线检测设备的应用案例还很少，SOUR在线检测设备在污水处理系统中的应用缺乏统一的标准，今后应针对SOUR在线检测设备的应用开展更为系统的工作。

5.2 稳定、经济、高效是污水生物处理追求的目标，要实现这一目标就需要对污水处理系统进行精细化管理与调控。如何基于大数据技术构建海量SOUR数据与污染物去除效果之间的逻辑关系，并用于指导污水处理的运行管理过程，实现精细化管理与调控十分重要。因此，基于在线检测设备获得的大量微生物学指标数据的处理与挖掘将是污水生物处理领域未来的研究重点方向之一。