一种基于呼吸图谱判别活性污泥微生物休眠与流失的方法与流程

本发明属于污水处理领域，涉及一种通过对活性污泥通过对活性污泥现场与标准条件呼吸图谱的分析，判定污水厂活性污泥休眠与流失状况的方法。

背景技术：

目前我国污水处理厂污水处理的主体工艺主要采用活性污泥法。活性污泥微生物的活性直接关系到污水处理的效果，而温度在很大程度上影响着微生物的活性，从而影响污水处理厂的处理效率。当温度较低时，部分微生物会进入休眠状态而无法发挥污水处理作用，若温度继续降低，微生物则会发生流失，严重影响活性污泥的污水处理能力。我国寒冷地区冬季污水处理厂的运行依然是一个难题。活性污泥微生物的休眠与流失状况与污水处理厂的处理效果密切相关，当活性污泥微生物处于休眠状态时，只需适当调整运行参数条件即可使微生物恢复活性；当活性污泥微生物流失时，则需通过加大泥龄等方式保障出水水质达标。但目前微生物的休眠与流失尚缺乏准确的判断依据，故此方法对污水处理厂的运行管理具有指导性意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于呼吸图谱判别活性污泥微生物休眠与流失的方法，该方法利用现场与标准条件下微生物耗氧速率为一个活性污泥指标，通过测定的现场与标准条件下呼吸图谱来判定活性污泥微生物休眠与流失的状况，及时采取强化措施，为污水厂的越冬水质保障提供了理论依据。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

根据本发明实施例提供的一种基于呼吸图谱判别活性污泥微生物休眠与流失的方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)取污水处理厂活性污泥；

2)对活性污泥进行连续2～7天现场条件下呼吸图谱测试，分别得到现场条件下现状好氧速率OUR_s、准内源耗氧速率OUR_q、内源耗氧速率OUR_e、加氮源后耗氧速率OUR_en和总耗氧速率OUR_enc测量数据；

3)由测量数据计算得到

OUR_n＝OUR_en-OUR_e，

OUR_c＝OUR_enc-OUR_en；

其中，OUR_n为现场条件下自养菌耗氧速率；OUR_c为现场条件下异养菌耗氧速率；

4)对污水厂活性污泥进行连续2～7天标准条件下呼吸图谱测试，分别得到标准条件下OUR’_s、准内源耗氧速率OUR’_q、内源耗氧速率OUR’_e、加氮源后耗氧速率OUR’_en和总耗氧速率OUR’_enc；

5)由测量数据计算得到

OUR’_n＝OUR’_en-OUR’_e，

OUR’_c＝OUR’_enc-OUR’_en；

其中，OUR’_n为标准条件下自养菌耗氧速率；OUR’_c为标准条件下异养菌耗氧速率；

6)在多组连续的数据中：

当标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n稳定不变，且现场条件下自养菌耗氧速率OUR_n减小时，则活性污泥自养菌存在休眠状况；如果标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n与现场条件下自养菌耗氧速率OUR_n差值越大，则活性污泥自养菌休眠量越多；

当标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c稳定不变，且现场条件下异养菌耗氧速率OUR_c减小时，则活性污泥异养菌存在休眠状况；如果标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c与现场条件下异养菌耗氧速率OUR_c差值越大，则活性污泥异养菌休眠量越多；

7)在多组连续的数据中：

当标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n明显减小时，则活性污泥自养菌开始流失，同时标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n降低的越多，活性污泥自养菌量流失越多；

当标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c明显减小时，则活性污泥异养菌开始流失，同时标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c降低的越多，活性污泥异养菌量流失越多。

进一步，步骤2)中现场条件下呼吸图谱测试的具体过程为：

在温度保持与污水厂反应池一致条件下，取污水处理厂活性污泥，并用体积比1:3的比例添加自来水稀释，测定现场条件下现状耗氧速率OUR_s；将活性污泥样品通过搅拌、沉淀、去上清液、定容至活性污泥稀释液的1/2体积，用PBS缓冲溶液洗泥，测定污泥的准内源耗氧速率OUR_q；之后添加自来水将活性污泥混合液定容至活性污泥稀释液的原体积，曝气，活性污泥进入内源呼吸状态，测定其内源耗氧速率OUR_e；再按一定质量比加入氯化铵，测加氮源后耗氧速率OUR_en＝OUR_e+OUR_n；最后加入足量的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总耗氧速率OUR_enc＝OUR_e+OUR_n+OUR_c。

进一步，步骤3)中，标准条件下呼吸图谱测试的具体过程为：

在温度为20℃条件下，取污水处理厂活性污泥，并用体积比1:3的比例添加自来水稀释，测定标准条件下现状耗氧速率OUR’_s；将活性污泥样品通过搅拌、沉淀、去上清液、定容至活性污泥稀释液的1/2体积，用PBS缓冲溶液洗泥，测定污泥的准内源耗氧速率OUR’_q；之后添加自来水将活性污泥混合液定容至活性污泥稀释液的原体积，曝气，活性污泥进入内源呼吸状态，测定其内源耗氧速率OUR’_e；再按一定质量比加入氯化铵，测加氮源后耗氧速率OUR’_en＝OUR’_e+OUR’_n；最后加入足量的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总耗氧速率OUR’_enc＝OUR’_e+OUR’_n+OUR’_c。

本方法采用的缓冲溶液为以下组分混合液：

A：KH₂PO₄浓度为1.5～2.5mmol·L^-1；B：Na₂HPO₄浓度为8～12mmol·L^-1；C：NaCl浓度为135～140mmol·L^-1；D：KCl浓度为2.5～3.0mmol·L^-1。用PBS缓冲溶液洗泥3～5次。

进一步，添加自来水将活性污泥混合液定容至活性污泥稀释液的原体积，曝气2～4h。

进一步，按照40～60mg/L加入氯化铵。

进一步，按照250～350mg/L加入无水乙酸钠。

本发明针对传统污水处理厂无法判别活性污泥微生物休眠与流失状况从而无法评估污水厂的污水处理能力的局限，从污泥自身特性，通过活性污泥的呼吸图谱给出一种判别活性污泥微生物休眠与流失状况的简易方法，为冬季低温条件下污水处理厂的稳定运行与运行调控提供了理论意义。

相对于现有技术，本发明的特点在于：

1)本发明方法快速有效。基于活性污泥的现场与标准条件下的呼吸图谱判定活性污泥微生物休眠与流失状况，能够有效快速地判定活性污泥的处理能力，及时采取强化措施，保障污水处理厂的稳定运行。

2)本发明方法检测方便。步骤简单易行，测试设备自动化。例如使用西安绿标水环境科技有限公司提供的WBM400型污水处理智慧运行工作站，即可在无人操作的情况下自动化对待检测污泥进行检测。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为现场与标准条件下自养菌OUR、异养菌OUR以及总OUR的变化图；

图2(a)、图2(b)分别为降温过程中出水COD变化和出水NH₄⁺-N和TN变化。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明通过测定现场与标准条件下活性污泥的呼吸图谱来判定活性污泥微生物休眠与流失的状况。

本发明基于呼吸图谱判别活性污泥微生物休眠与流失的方法，包括下述步骤：

1)取某处理工艺为A²O的污水厂好氧池中未经任何处理的污水厂污泥；

2)对污水厂活性污泥进行现场条件下呼吸图谱测试：在温度保持与污水处理厂反应池一致条件下，取污水厂污泥0.3L并用自来水稀释至1.2L，测定现状耗氧速率OUR_s；之后将污泥样品通过搅拌15s、沉淀10min、去上清液定容至0.6L，用PBS缓冲溶液洗泥3～5次，优选为3次；测定污泥的准内源耗氧速率OUR_q；然后用自来水将反应器内活性污泥混合液定容至1.2L，通过对污泥样品曝气2～4h，优选为2h；使活性污泥进入内源呼吸状态，测定其内源耗氧速率OUR_e；

缓冲溶液为以下组分混合液：

A：KH₂PO₄浓度为1.5～2.5mmol·L^-1；

B：Na₂HPO₄浓度为8～12mmol·L^-1；

C：NaCl浓度为135～140mmol·L^-1；

D：KCl浓度为2.5～3.0mmol·L^-1。

3)在步骤2)结束后，向污泥中加入氯化铵40～60mg/L，优选为50mg/L；测加氮源后耗氧速率OUR_en＝OUR_e+OUR_n；最后加入250～350mg/L的无水乙酸钠，优选为300mg/L；以保证基质充足，测定总耗氧速率OUR_enc＝OUR_e+OUR_n+OUR_c。可得到5个现场条件下耗氧速率：现状耗氧速率OUR_s、准内源耗氧速率OUR_q、内源耗氧速率OUR_e、加氮源后耗氧速率OUR_en和总耗氧速率OUR_enc，并作如下计算：OUR_n＝OUR_en-OUR_e，OUR_c＝OUR_enc-OUR_en；

4)对污水厂活性污泥进行标准条件下呼吸图谱测试：标准条件下呼吸图谱测试除温度条件改为20℃外，其余过程与现场条件下呼吸图谱测试方法一致。分别得到标准条件下现状耗氧速率OUR’_s、准内源耗氧速率OUR’_q、内源耗氧速率OUR’_e、加氮源后耗氧速率OUR’_en和总耗氧速率OUR’_enc；并作如下计算：OUR’_n＝OUR’_en-OUR’_e，OUR’_c＝OUR’_enc-OUR’_en。

测量数据及计算见表1所示。

表1现场及标准条件下的耗氧速率

5)根据现场条件下自养菌耗氧速率OUR_n、异养菌耗氧速率OUR_c以及总耗氧速率OUR_enc与标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n、异养菌耗氧速率OUR’_c以及总耗氧速率OUR’_enc的变化分别绘制现场条件下与标准条件下自养菌耗氧速率、异养菌耗氧速率以及总耗氧速率的变化图，见图1(a)、图1(b)、图1(c)所示。

本实验采用SBR反应器，接种污泥取自西安某处理工艺为A²O的污水厂好氧池。反应器有效容积为7L，充水比为1/3。反应器的运行温度通过水浴层外接温度控制器进行控制。反应器运行周期为8h，每个周期内运行工况为：进水0.2h→曝气搅拌6h→沉淀1.6h→排水0.2h。

实验方法采用呼吸计量法，通过智能分析平台监测恒温好氧反应器中的氧平衡浓度，计算得到氧吸收效率，实验通过投加不同基质实现不同菌种呼吸速率的测定。整个分析过程由仪器通过PLC进行自动控制，保持曝气量稳定、搅拌均匀。测定呼吸图谱时的温度与反应器运行温度相同时定义为现场条件呼吸图谱；测定呼吸图谱时的温度控制在20℃时定义为标准条件呼吸图谱。

实施例分析：

降温实验过程中，现场条件呼吸图谱反映的是现场条件下微生物的活性，与出水水质有密切关系，可以表征活性污泥微生物在一定条件下的污水处理能力。而标准条件呼吸图谱反映的是活性污泥微生物的内在特性。由图可知，随着温度的逐渐降低，现场条件的自养菌耗氧速率OUR_n、异养菌耗氧速率OUR_c和总耗氧速率OUR_enc均逐渐减小。说明温度降低会导致现场条件下微生物的活性降低，从而导致污水处理能力下降。

由图1(a)、(b)、(c)可以看出，标准条件呼吸图谱均可以分为三个阶段，第一阶段为20℃条件下驯化培养至稳定阶段，第二阶段为温度由20℃降至10℃标准条件呼吸图谱未明显变化阶段，第三阶段为温度由10℃降至5℃，标准呼吸图谱开始减小阶段。

第二阶段的标准条件呼吸图谱明显高于第一阶段，这是由于在此阶段反应器运行温度逐渐减低，而标准条件呼吸图谱的测定温度20℃对于微生物而言是一种升温刺激，温度的突然升高会使活性污泥微生物产生应激反应，从而使得微生物的耗氧速率增大。第二阶段内的标准条件耗氧速率均基本保持稳定，而现场条件耗氧速率却逐渐减小，说明在此阶段内活性微生物的内在活性并未降低，只是在现场条件下的污泥活性在逐渐减小，部分微生物由于温度降低进入了休眠状态，此时若升高温度可以使活性污泥快速恢复活性。由此说明当现场条件呼吸图谱减小而标准条件呼吸图谱并未发生明显变化时，部分微生物进入休眠状态，此时升高温度可使快速激活微生物的活性。

第三阶段的标准条件呼吸图谱明显小于第二阶段。由图2(a)、图2(b)可知，第三阶段污泥基本丧失硝化能力，有机物去除能力也急剧恶化，由物料平衡可知微生物在此阶段生长缓慢，自养菌甚至没有增长，但由于定时排泥导致活性污泥微生物尤其是自养菌发生了流失，此时升高温度也无法使微生物恢复活性，故标准条件呼吸图谱明显减小。由此说明当标准条件耗氧速率出现明显减小时，说明微生物出现了流失。

第二阶段温度由20℃降至10℃的过程中，现场条件下自养菌耗氧速率OUR_n与异养菌耗氧速率OUR_c的降幅分别为40％和25％左右，第三阶段的标准条件自养菌耗氧速率OUR’_n相比第二阶段减小了31.48％，而标准条件异养菌耗氧速率OUR’_c减小了12.17％，由此说明了异养菌对低温的适应能力明显强于自养菌，低温条件下活性污泥中自养菌较异养菌更容易发生休眠与流失。

6)从图中可以看出，在多组连续的数据中：

当标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n稳定不变，且现场条件下自养菌耗氧速率OUR_n减小时，说明活性污泥中自养菌存在休眠状况，同时如果标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n与现场条件下自养菌耗氧速率OUR_n差值越大，则活性污泥中休眠的自养菌量越多；当标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c稳定不变，且现场条件下异养菌耗氧速率OUR_c减小时，说明活性污泥中异养菌存在休眠状况；同时如果标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c与现场条件下异养菌耗氧速率OUR_c差值越大，活性污泥中休眠的异养菌量越多。

7)在多组连续的数据中：当标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n明显减小时，说明自养菌开始流失，同时标准条件下自养菌耗氧速率OUR’_n降低的越多，自养菌量流失越多；当标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c明显减小时，说明活性污泥中异养菌开始流失，同时标准条件下异养菌耗氧速率OUR’_c降低的越多，活性污泥中异养菌量流失越多。

本发明方法可以根据活性污泥呼吸图谱有效地判别活性污泥微生物休眠与流失状态，使污水厂的技术工作人员了解当前活性污泥的处理能力，及时调整运行参数，为冬季低温条件下污水处理厂的稳定运行与运行调控提供了指导性意见。

以上所述，仅是本发明针对发明应用的实施例，可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但并非对本发明做任何限制。按照本发明技术方案，上述实施例可举出很多例子。凡是根据本发明技术方案所给出的范围和对以上实施例所做的任何简单的修改和变更，均属于本发明技术方案的保护范围。大量的实验结果表明，在本发明权利要求书所提出的范围，均可达到本发明的目的。