呼吸圖譜法評(píng)估活性污泥反硝化性能

張亞立 ，李志華 ，鄒家庚 ，楊成建

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710055；2.西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710055）

影響反硝化性能的因素已被廣泛研究，其中有機(jī)物（碳源）是決定反硝化進(jìn)程及系統(tǒng)脫氮能力和效率的關(guān)鍵因素〔1〕。目前我國(guó)大部分城鎮(zhèn)污水處理廠均面臨污水碳源不足而無(wú)法正常生物脫氮的情況，乙酸鈉等外源性碳源被廣泛應(yīng)用〔2〕，但外源性碳源過(guò)量投加會(huì)使運(yùn)行成本大幅上漲。因此，如何有效利用反硝化過(guò)程的碳源備受關(guān)注。目前已有幾種方法被成功應(yīng)用于污水處理廠，包括控制硝化回流液殘余氧濃度和多點(diǎn)進(jìn)水等技術(shù)〔3〕。同時(shí)也有研究證明基于pH、氧化還原電位（ORP）和溶解氧（DO）的控制策略可用于生物脫氮〔4-6〕。盡管這些方法在脫氮過(guò)程控制中取得成功，但在反硝化過(guò)程中氮?dú)忉尫艑?duì)活性污泥在微觀上產(chǎn)生的影響還不夠明確，反硝化過(guò)程對(duì)后續(xù)好氧階段產(chǎn)生的影響尚不清楚，需要進(jìn)一步研究以更好地控制整個(gè)污水處理過(guò)程。

耗氧速率（OUR）被廣泛應(yīng)用于硝化過(guò)程的控制，能反映活性污泥中的活性生物量，且檢測(cè)方法快捷。呼吸圖譜為微生物各耗氧速率的組成，之前已有研究將其應(yīng)用于活性污泥系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估和性能優(yōu)化方面〔7〕。筆者研究了缺氧反硝化條件下呼吸圖譜檢測(cè)的可行性，以期在好氧單元完成缺氧反硝化過(guò)程的監(jiān)測(cè)，拓展呼吸圖譜在反硝化過(guò)程控制中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 污泥混合液

試驗(yàn)用活性污泥混合液取自西安4個(gè)污水處理廠的生物反應(yīng)池，各污水廠基本信息如表1所示。

表1 不同污泥來(lái)源的污水處理廠基本信息

1.2 試驗(yàn)方法

采用批次靜態(tài)試驗(yàn)方法，設(shè)置有效容積分別為6、2 L的有機(jī)玻璃反應(yīng)器作為反應(yīng)裝置。

考察反硝化過(guò)程中活性污泥特性的變化時(shí)，采用2 L反應(yīng)器。用無(wú)水乙酸鈉和NaNO3分別配制COD和-N為10 g/L的溶液。反硝化初始條件：COD約為100 mg/L，-N約為20 mg/L，保證反硝化碳源充足。反硝化過(guò)程中定時(shí)檢測(cè)混合液中的-N、-N和COD，同時(shí)測(cè)定污泥平均粒徑。為保證準(zhǔn)確性，重復(fù)試驗(yàn)3次。

分別設(shè)置相應(yīng)數(shù)量（5個(gè)）的反應(yīng)裝置，取表1中活性污泥，研究不同類型活性污泥和不同MLSS下（3 195、5 133、6 250、8 525、12 530 mg/L）反硝化對(duì)呼吸圖譜的影響，反應(yīng)環(huán)境與試驗(yàn)過(guò)程同上。

為考察厭氧攪拌時(shí)長(zhǎng)對(duì)反硝化特性的影響，將污泥樣品裝至6 L反應(yīng)器中厭氧攪拌，分別經(jīng)0、30、120、300 min后取1.5 L該裝置內(nèi)的污泥樣品，置于有效容積為2 L的反應(yīng)器中進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，分別編號(hào)1#、2#、3#和4#。 分別投加乙酸鈉和-N 溶液，使反應(yīng)初始條件為COD約175 mg/L、-N約為25 mg/L，保證反硝化所需碳源充足。反硝化過(guò)程中定時(shí)檢測(cè)混合液中的N-N、-N和COD，并在反應(yīng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)分別取0.3 L活性污泥于工作站中進(jìn)行呼吸速率測(cè)定。

1.3 分析方法

1.3.1 呼吸速率測(cè)定方法

采用呼吸計(jì)量法，通過(guò)污水處理智慧運(yùn)行工作站（WBM450，西安綠標(biāo)水環(huán)境科技有限公司）獲取氧吸收速率。該工作站由1.2 L有機(jī)玻璃恒溫反應(yīng)器〔外加恒溫水浴層，溫度設(shè)定為（25±1） ℃〕、溶解氧探頭、pH探頭、加藥系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和軟件分析系統(tǒng)等組成。工作站在線連續(xù)采集DO數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件分析計(jì)算獲得活性污泥的呼吸速率〔8〕。

首先取污泥樣品各0.3 L（污泥樣品質(zhì)量濃度約為3 000 mg/L），用清水定容至1.2 L后置于工作站，再用PBS緩沖溶液洗泥3次，測(cè)定準(zhǔn)內(nèi)源呼吸速率（OURq）；曝氣 2 h，測(cè)定其內(nèi)源呼吸速率（OURe）；然后投加足夠的基質(zhì)，測(cè)定其最大呼吸速率（OURt）。用比呼吸速率（SOUR=OUR/MLSS）消除污泥濃度對(duì)生物活性的影響。

1.3.2 其他指標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 反硝化過(guò)程中污泥平均粒徑和沉降性的變化

圖1為反硝化過(guò)程中污泥特性的變化情況。

圖1 反硝化過(guò)程中污泥特性的變化

在有機(jī)碳源充足的條件下，隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，有機(jī)物被氧化、硝酸鹽被還原，根據(jù)-N和COD的變化情況可將整個(gè)反應(yīng)分為4個(gè)階段〔見(jiàn)圖1（a）〕。反應(yīng)開(kāi)始60 min內(nèi)，-N被微生物迅速還原，還原速率最高可達(dá) 24.77 mg/（L·h），-N 發(fā)生一定積累，且該階段污泥平均粒徑迅速增加，60 min時(shí)的污泥粒徑較初始污泥平均粒徑增大了0.4倍；60～150 min期間-N還原速率降低，上一階段積累的-N同時(shí)被還原，污泥粒徑的增長(zhǎng)速度變緩；150 min后反硝化脫氮結(jié)束，反應(yīng)器內(nèi)的COD變化較小，污泥平均粒徑基本不再增長(zhǎng)；270 min后COD突然增大，污泥平均粒徑減小。此外，活性污泥經(jīng)反硝化后，SV5由93%增大到95%，SV30由56%增加到69%，沉降性能變差。由此可見(jiàn)，活性污泥在反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體會(huì)使污泥絮體發(fā)生膨脹，反硝化結(jié)束不再產(chǎn)生氣體，絮體不再膨脹。

2.2 厭氧時(shí)長(zhǎng)對(duì)活性污泥反硝化性能的影響

經(jīng)歷不同厭氧時(shí)長(zhǎng)（0、30、120、300 min，編號(hào)1#、2#、3#和 4#）后，反硝化過(guò)程中 NO3--N 和 COD 的變化情況如圖2所示。

圖2 反應(yīng)器中-N和COD的變化情況

由圖2可見(jiàn)，無(wú)前置厭氧（1#）或前置厭氧時(shí)間為30 min（2#）時(shí)，溶液中的-N可被快速去除，分別反應(yīng)120、90 min時(shí)-N已被完全去除。當(dāng)前置厭氧時(shí)間較長(zhǎng)，分別為 120、300 min（3#、4#）時(shí)，反應(yīng)前期溶液中的-N快速降低，但3#反應(yīng)器中，反應(yīng)210 min后溶液中的-N升高；4#反應(yīng)器中，反應(yīng)90 min后溶液中的-N升高。由此可知，在活性污泥反硝化前置一段厭氧攪拌，可一定程度上縮短-N的還原時(shí)間，但厭氧時(shí)間的過(guò)度延長(zhǎng)會(huì)使反硝化作用受到影響。其原因可能是厭氧時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，微生物通過(guò)分解糖原來(lái)提供所需能量〔10〕，導(dǎo)致部分污泥絮體失去生物活性，反硝化還原-N的速度降低，部分被吸附但未被生物降解的污染物在反應(yīng)后期被重新釋放到溶液中。

2.3 活性污泥反硝化過(guò)程對(duì)呼吸圖譜的影響

圖3 活性污泥的NO3--N還原速率與呼吸圖譜的變化關(guān)系

對(duì)不同污水處理廠的污泥絮體進(jìn)行短期反硝化研究，在同樣的碳源和氮源環(huán)境下，出水-N均為0，反硝化過(guò)程時(shí)長(zhǎng)不等。且反硝化使得SOURe和SOURq增大，ΔSOURq（反硝化前后的差值）在 0.23～3.1 mg/（g·h）范圍內(nèi)變化，不同類型活性污泥樣品的還原速率隨ΔSOURe的增加而增大〔見(jiàn)圖 3（a）〕。為進(jìn)一步驗(yàn)證這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改變污泥濃度進(jìn)行短期反硝化。發(fā)現(xiàn)MLSS由3 195 mg/L提高到8 525 mg/L 時(shí)，還原速率由 1.18 mg/（g·h）提升至 1.91 mg/（g·h），且 SOURe和 SOURq同樣增大，ΔSOURq在 0.74～5.6 mg/（g·h）范圍內(nèi)變化，還原速率隨ΔSOURe的增加而增大〔見(jiàn)圖 3（b）〕。

為進(jìn)一步探究反硝化效果較差時(shí)SOURe和SOURq的變化情況，改變活性污泥的厭氧時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行短期反硝化。不同厭氧時(shí)長(zhǎng)下活性污泥反硝化作用對(duì)呼吸圖譜的影響如圖4所示。

圖4 不同厭氧條件下活性污泥的反硝化作用對(duì)呼吸圖譜的影響

由圖2、圖4可知，反硝化前厭氧時(shí)長(zhǎng)為0、30min時(shí)，反硝化作用較好還原完全，SOURe和SOURq均增大；厭氧時(shí)長(zhǎng)為120、300 min時(shí)，反硝化脫氮效果變差，出水均大于0，SOURe和SOURq均減小。

如2.1所述，短期反硝化使得污泥粒徑增大，絮體膨脹。有效的反硝化使SOURq和SOURe值增大（見(jiàn)圖 4），且 ΔSOURe越大時(shí)，還原速率越快（見(jiàn)圖3），呈指數(shù)增長(zhǎng)變化，這表明還原速率的提高存在限值。一方面，污泥系統(tǒng)保持較高的SOURq表示污泥結(jié)構(gòu)較松散〔11〕，對(duì)后續(xù)處理單元會(huì)帶來(lái)不利影響，如二沉池污泥有效沉降等；另一方面，較高的SOURe通常表明微生物群處于生存狀態(tài)而不是生長(zhǎng)模式，如嚴(yán)重的沖擊負(fù)荷、中毒負(fù)荷或長(zhǎng)期饑餓等〔7，12〕。 因此在污水處理廠的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，應(yīng)避免使用很高的SOURq和SOURe值，并可根據(jù)兩者的變化情況判斷污泥系統(tǒng)的反硝化性能。

2.4 呼吸圖譜監(jiān)測(cè)缺氧反硝化的實(shí)施方案

根據(jù)以上研究結(jié)果，在污水處理廠的日常運(yùn)行中，可通過(guò)呼吸圖譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺氧反硝化過(guò)程的監(jiān)測(cè)，該方案中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于污泥系統(tǒng)中溶解氧上升的位置點(diǎn)。如圖5所示，以我國(guó)常見(jiàn)的2種污水處理廠工藝為例（A2/O工藝和氧化溝工藝），A2/O工藝的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為好氧池前端，氧化溝工藝的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為曝氣轉(zhuǎn)刷上游。根據(jù)污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中SOURq的變化判斷反硝化性能，穩(wěn)定運(yùn)行的污水處理廠的SOURq一般穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，若SOURq明顯降低，則表明系統(tǒng)的反硝化性能變差，可通過(guò)調(diào)整碳源投加量等措施提高反硝化性能，并根據(jù)RI值（OURe/OURt）判斷污泥性質(zhì)的恢復(fù)情況〔13〕。

圖5 我國(guó)污水處理廠常見(jiàn)的2種工藝

3 結(jié)論

（1）反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體可導(dǎo)致污泥絮體膨脹，絮體粒徑增大。

（2）反硝化前污泥經(jīng)歷一段厭氧適應(yīng)時(shí)間可有效提高反硝化速率，但當(dāng)厭氧時(shí)間長(zhǎng)至300 min時(shí)，污泥的反硝化性能惡化，出水硝酸鹽含量較高。

（3）有效的反硝化作用可使活性污泥的SOURe和SOURq顯著增大，ΔSOURe與NO3-還原速率呈指數(shù)相關(guān)變化。但在污水處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)避免過(guò)高的SOURe和SOURq。當(dāng)兩者發(fā)生明顯降低時(shí)可判斷活性污泥的反硝化性能發(fā)生惡化。