不同类型活性污泥内源呼吸过程典型特征解析

不同类型活性污泥内源呼吸过程典型特征解析

李志华，孙垂猛，柴波

（西安建筑科技大学环境与市政工程学院西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安 710055）

摘要：采用呼吸图谱技术，对以处理市政污水和垃圾渗滤液为代表的不同活性污泥内源呼吸过程中的典型特征进行了解析。结果表明，对于清洗后的污泥，自养菌与异养菌进入内源呼吸是否同步与污泥类型有关。根据内源呼吸比例的变化特征，内源呼吸过程可分为三个区域：低平稳区、高效代谢区和高平稳区。结合对西安市6家污水处理厂的统计分析，一般运行良好的污水处理厂普遍处于高效代谢区，其对应的内源呼吸比例为8%~16%。该研究深化了对内源呼吸特征的认识，其成果可用于污水处理厂的运行管理。

微生物的呼吸速率包括外源呼吸速率和内源呼吸速率，前者与污水中的污染物有关，后者与维持基本生命活动有关。对好氧活性污泥而言，其呼吸速率常用耗氧速率OUR表征，OUR值的大小及其变化趋势可以指示处理系统负荷和有机物降解情况。大量研究表明，外源呼吸OUR是活性污泥运行管理的重要参数。内源呼吸虽在整个呼吸过程比例较小，但亦有重要的意义。

作者在前期研究的基础上，采用不同来源的活性污泥（包含市政污水与垃圾渗滤液）进行了系统的内源呼吸过程分析，旨在进一步探明内源呼吸过程的典型特征及其与活性污泥健康状态的内在联系，从而为污水处理厂的安全稳定与优化运行提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 污泥来源

选取两类典型的活性污泥，其中活性污泥A来源于西安市某垃圾填埋场污水工艺的曝气池，活性污泥B来源于西安市某市政污水处理厂曝气池。

1.2 试验分析

内源呼吸特征分析在BM400型微生物状态分析平台上进行，该平台由恒温好氧反应器、溶解氧探头和pH计、PLC控制系统、加药系统和软件分析系统组成。

基于呼吸计量法，微生物的总呼吸速率由内源呼吸速率OUR_en、自养菌呼吸速率OUR_A和异养菌呼吸速率OUR_H组成。公式表示如下：

通过投加不同基质来实现不同菌种呼吸速率的测定。为进一步进行研究，定义内源呼吸比例为内源呼吸速率占总呼吸速率的比例，即OUR_en/OUR_T 。

2 结果与讨论

为减小污泥浓度变化对OUR的影响，将呼吸速率OUR除以MLVSS得到比呼吸速率SOUR，将实验得到的SOUR_en、SOUR_A、SOUR_H和SOUR_T绘制成呼吸图谱。从图1和图2可以看出，比内源呼吸速率SOUR_en的整体水平较低，变化幅度小。污泥A和污泥B的总比呼吸速率SOUR_T分别在0~22h和0~6h逐渐下降，在22~68h和6~18h略有上升，可能是由于部分水解物质存在，如胞外物质EP、被絮体吸附的物质以及胞内存储物PHB等，也可能是微生物适应新环境（饥饿）后，活性略有提升。

由图1看出，污泥A的SOUR_T由上升转为下降的转折点是68h，与SOUR_H同步，表明异养菌进入内源呼吸；而自养硝化菌呼吸速率SOUR_A在56h出现拐点，即自养菌进入内源呼吸。由此可见，与异养菌相比，自养菌较异养菌更易进入内源呼吸。

由图2看出，污泥B的SOUR_T由上升转为下降的转折点是18h，与SOUR_H和SOUR_A同步，表明异养菌和自养菌在18h同时进入内源呼吸。处理难降解垃圾渗滤液的污泥A比处理市政废水的污泥B进入内源呼吸的时间要长得多，且自养菌与异养菌进入内源呼吸是否同步，与污泥类型有关。污泥A和污泥B的SOUR_T在272 h均降到最低，之后维持平稳，微生物进入休眠状态，表明两类活性污泥微生物进入休眠期的时刻相同，可能与污泥的类型和污泥龄的长短无关。

2.2 内源呼吸比例的变化特征

图3为污泥A和污泥B内源呼吸比例的变化，在曝气培养的初始阶段内源呼吸比例均维持在低水平阶段，随着曝气进行，内源呼吸比例快速上升，最后维持在高水平阶段。根据内源呼吸比例的变化，内源呼吸过程也呈现三个明显的区域特征，分别为内源呼吸比例低平稳区（比例低于8%）、高效代谢区（比例在8%-16%之间）和高平稳区（比例高于16%）.

图3 内源呼吸比例随曝气时间的变化

图4为常规化学法测得COD和NH₄⁺-N在不同内源呼吸比例下的比降解速率，可以看出COD和NH₄⁺-N在内源呼吸比例低平稳区和高平稳区比降解速率小；高效代谢区比降解速率大，有明显的升高。COD和NH₄⁺-N的比降解速率随着内源呼吸比例的增加呈明显的抛物线趋势，说明内源呼吸比例在高效代谢区时，污泥具有较高的活性，去除污染物效率高。

图4 降解速率随内源呼吸比例的变化

图5为分析平台直接测得的异养菌比呼吸速率SOUR_H和自养菌比呼吸速率SOUR_A。可以看出，以去除BOD为主的异养菌比呼吸速率SOUR_H在低平稳区和高效代谢区较大，在高平稳区较低。以硝化菌为主的自养菌比呼吸速率SOUR_A也呈现明显的抛物线趋势，在低平稳区和高平稳区较小，在高效代谢区较大。通过对比常规化学法和呼吸速率法测的降解速率，可知化学法测得的COD和NH₄⁺-N的比降解速率高于比呼吸速率SOUR_H和SOUR_A，主要原因在于呼吸速率法测试的降解速率与耗氧过程有关，而化学法测得的是宏观总体变化，不仅包括微生物本身的呼吸过程，还包括絮体吸附、卷扫沉淀等物化过程，尽管如此，无论是呼吸法测试的SOUR还是化学法测试的降解速率，在三个区域表现的特征相同。

图5 SOUR_H和SOUR_A随内源呼吸比例变化

对市政污水污泥B，本研究将内源呼吸比例为8%~16%的高效代谢区定义为污泥活性健康区。为了证实这一观点，监测西安市6家污水处理厂实际运行过程中的内源呼吸比例变化范围及污水厂实际运行健康状况，污水厂编号分别为C、D、E、F、G、H，如表1所示。其中C、D、E和F污水厂污泥内源呼吸比例长期处在8%~16%的健康范围内，实际运行状况良好，污泥稳定，污染物去除率高，出水达标。G和H污水厂内源呼吸比例分别长期处在6.17%~7.83%和21.35%~31.59%之间，即分别处在内源呼吸比例低平稳区和高平稳区，污水厂在实际运行时经常出现污泥沉淀性能差、曝气池产生泡沫、出水水质波动大等问题。

表1 不同污水处理厂的内源呼吸比例和运行状况

污泥A与污泥B在形态上有较大差异，如图6所示。污泥A表现为微生物紧密聚集，形成较小的污泥聚集体，污泥更加密实，该污泥虽具有较好的沉淀性能，但曝气池泡沫严重。污泥A尽管污泥龄长，但其内源呼吸比例维持在3.54%~6.46%之间，低于传统活性污泥最低健康比例值8%，该厂由于进水浓度高，曝气池在污染物降解过程中热效应明显，甚至需要开启冷却塔才能达到活性污泥正常运行水温条件，由此可见，该厂运行条件已超出常规活性污泥法。上述结果表明，本研究定义内源呼吸比例8%~16%为健康代谢区，适用于常规的活性污泥法，对于其它工艺或特殊条件下的运行还需要进一步的研究。

图6 污泥A和污泥B形态

3 结论

采用呼吸图谱技术对传统市政活性污泥和垃圾渗滤液活性污泥呈现出的内源呼吸特征的分析，得出污泥进入内源呼吸的时刻与污泥的类型和污泥龄有关，而污泥进入休眠期的时刻可能与污泥的类型和污泥龄无关。根据内源呼吸比例的变化特征，内源呼吸过程可分为低平稳区、高效代谢区和高平稳区三个区，运行良好的污水处理厂一般处于高效代谢区，对常规污水处理厂而言，该区域对应的内源呼吸比例为8%-16%。

（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第7期“论述与研究”栏目）

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