不同類型活性污泥內源呼吸過程典型特征解析
不同類型活性污泥內源呼吸過程典型特征解析
李志華，孫垂猛，柴波
（西安建筑科技大學環境與市政工程學院西北水資源與環境生態教育部重點實驗室，陜西西安 710055）
摘要：采用呼吸圖譜技術，對以處理市政污水和垃圾滲濾液為代表的不同活性污泥內源呼吸過程中的典型特征進行了解析。結果表明，對于清洗后的污泥，自養菌與異養菌進入內源呼吸是否同步與污泥類型有關。根據內源呼吸比例的變化特征，內源呼吸過程可分為三個區域：低平穩區、高效代謝區和高平穩區。結合對西安市6家污水處理廠的統計分析，一般運行良好的污水處理廠普遍處于高效代謝區，其對應的內源呼吸比例為8%~16%。該研究深化了對內源呼吸特征的認識，其成果可用于污水處理廠的運行管理。
微生物的呼吸速率包括外源呼吸速率和內源呼吸速率，前者與污水中的污染物有關，后者與維持基本生命活動有關。對好氧活性污泥而言，其呼吸速率常用耗氧速率OUR表征，OUR值的大小及其變化趨勢可以指示處理系統負荷和有機物降解情況。大量研究表明，外源呼吸OUR是活性污泥運行管理的重要參數。內源呼吸雖在整個呼吸過程比例較小，但亦有重要的意義。
作者在前期研究的基礎上，采用不同來源的活性污泥（包含市政污水與垃圾滲濾液）進行了系統的內源呼吸過程分析，旨在進一步探明內源呼吸過程的典型特征及其與活性污泥健康狀態的內在聯系，從而為污水處理廠的安全穩定與優化運行提供理論基礎。
1 材料與方法
1.1 污泥來源
選取兩類典型的活性污泥，其中活性污泥A來源于西安市某垃圾填埋場污水工藝的曝氣池，活性污泥B來源于西安市某市政污水處理廠曝氣池。
1.2 試驗分析
內源呼吸特征分析在BM400型微生物狀態分析平臺上進行，該平臺由恒溫好氧反應器、溶解氧探頭和pH計、PLC控制系統、加藥系統和軟件分析系統組成。
基于呼吸計量法，微生物的總呼吸速率由內源呼吸速率OURen、自養菌呼吸速率OURA和異養菌呼吸速率OURH組成。公式表示如下：
通過投加不同基質來實現不同菌種呼吸速率的測定。為進一步進行研究，定義內源呼吸比例為內源呼吸速率占總呼吸速率的比例，即OURen/OURT 。
2 結果與討論
為減小污泥濃度變化對OUR的影響，將呼吸速率OUR除以MLVSS得到比呼吸速率SOUR，將實驗得到的SOURen、SOURA、SOURH和SOURT繪制成呼吸圖譜。從圖1和圖2可以看出，比內源呼吸速率SOURen的整體水平較低，變化幅度小。污泥A和污泥B的總比呼吸速率SOURT分別在0~22h和0~6h逐漸下降，在22~68h和6~18h略有上升，可能是由于部分水解物質存在，如胞外物質EP、被絮體吸附的物質以及胞內存儲物PHB等，也可能是微生物適應新環境（饑餓）后，活性略有提升。
由圖1看出，污泥A的SOURT由上升轉為下降的轉折點是68h，與SOURH同步，表明異養菌進入內源呼吸；而自養硝化菌呼吸速率SOURA在56h出現拐點，即自養菌進入內源呼吸。由此可見，與異養菌相比，自養菌較異養菌更易進入內源呼吸。
由圖2看出，污泥B的SOURT由上升轉為下降的轉折點是18h，與SOURH和SOURA同步，表明異養菌和自養菌在18h同時進入內源呼吸。處理難降解垃圾滲濾液的污泥A比處理市政廢水的污泥B進入內源呼吸的時間要長得多，且自養菌與異養菌進入內源呼吸是否同步，與污泥類型有關。污泥A和污泥B的SOURT在272 h均降到最低，之后維持平穩，微生物進入休眠狀態，表明兩類活性污泥微生物進入休眠期的時刻相同，可能與污泥的類型和污泥齡的長短無關。
2.2 內源呼吸比例的變化特征
圖3為污泥A和污泥B內源呼吸比例的變化，在曝氣培養的初始階段內源呼吸比例均維持在低水平階段，隨著曝氣進行，內源呼吸比例快速上升，最后維持在高水平階段。根據內源呼吸比例的變化，內源呼吸過程也呈現三個明顯的區域特征，分別為內源呼吸比例低平穩區（比例低于8%）、高效代謝區（比例在8%-16%之間）和高平穩區（比例高于16%）.
圖3 內源呼吸比例隨曝氣時間的變化
圖4為常規化學法測得COD和NH4+-N在不同內源呼吸比例下的比降解速率，可以看出COD和NH4+-N在內源呼吸比例低平穩區和高平穩區比降解速率小；高效代謝區比降解速率大，有明顯的升高。COD和NH4+-N的比降解速率隨著內源呼吸比例的增加呈明顯的拋物線趨勢，說明內源呼吸比例在高效代謝區時，污泥具有較高的活性，去除污染物效率高。
圖4 降解速率隨內源呼吸比例的變化
圖5為分析平臺直接測得的異養菌比呼吸速率SOURH和自養菌比呼吸速率SOURA。可以看出，以去除BOD為主的異養菌比呼吸速率SOURH在低平穩區和高效代謝區較大，在高平穩區較低。以硝化菌為主的自養菌比呼吸速率SOURA也呈現明顯的拋物線趨勢，在低平穩區和高平穩區較小，在高效代謝區較大。通過對比常規化學法和呼吸速率法測的降解速率，可知化學法測得的COD和NH4+-N的比降解速率高于比呼吸速率SOURH和SOURA，主要原因在于呼吸速率法測試的降解速率與耗氧過程有關，而化學法測得的是宏觀總體變化，不僅包括微生物本身的呼吸過程，還包括絮體吸附、卷掃沉淀等物化過程，盡管如此，無論是呼吸法測試的SOUR還是化學法測試的降解速率，在三個區域表現的特征相同。
圖5 SOURH和SOURA隨內源呼吸比例變化
對市政污水污泥B，本研究將內源呼吸比例為8%~16%的高效代謝區定義為污泥活性健康區。為了證實這一觀點，監測西安市6家污水處理廠實際運行過程中的內源呼吸比例變化范圍及污水廠實際運行健康狀況，污水廠編號分別為C、D、E、F、G、H，如表1所示。其中C、D、E和F污水廠污泥內源呼吸比例長期處在8%~16%的健康范圍內，實際運行狀況良好，污泥穩定，污染物去除率高，出水達標。G和H污水廠內源呼吸比例分別長期處在6.17%~7.83%和21.35%~31.59%之間，即分別處在內源呼吸比例低平穩區和高平穩區，污水廠在實際運行時經常出現污泥沉淀性能差、曝氣池產生泡沫、出水水質波動大等問題。
表1 不同污水處理廠的內源呼吸比例和運行狀況
污泥A與污泥B在形態上有較大差異，如圖6所示。污泥A表現為微生物緊密聚集，形成較小的污泥聚集體，污泥更加密實，該污泥雖具有較好的沉淀性能，但曝氣池泡沫嚴重。污泥A盡管污泥齡長，但其內源呼吸比例維持在3.54%~6.46%之間，低于傳統活性污泥最低健康比例值8%，該廠由于進水濃度高，曝氣池在污染物降解過程中熱效應明顯，甚至需要開啟冷卻塔才能達到活性污泥正常運行水溫條件，由此可見，該廠運行條件已超出常規活性污泥法。上述結果表明，本研究定義內源呼吸比例8%~16%為健康代謝區，適用于常規的活性污泥法，對于其它工藝或特殊條件下的運行還需要進一步的研究。
圖6 污泥A和污泥B形態
3 結論
采用呼吸圖譜技術對傳統市政活性污泥和垃圾滲濾液活性污泥呈現出的內源呼吸特征的分析，得出污泥進入內源呼吸的時刻與污泥的類型和污泥齡有關，而污泥進入休眠期的時刻可能與污泥的類型和污泥齡無關。根據內源呼吸比例的變化特征，內源呼吸過程可分為低平穩區、高效代謝區和高平穩區三個區，運行良好的污水處理廠一般處于高效代謝區，對常規污水處理廠而言，該區域對應的內源呼吸比例為8%-16%。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第7期“論述與研究”欄目）
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