一种基于钙的强化作用评估活性污泥系统稳健性的方法与流程

本发明属于污水处理领域，涉及一种从钙对微生物的强化作用角度，创新提出了一种评估活性污泥系统稳健性的方法。

背景技术：

在实际污水厂的运行中，环境的扰动普遍存在且不可避免，包括温度、do、水质、水量等等。因此微生物生理特征会随着生存环境的变化而发生改变。对于环境的扰动，系统的感应和表现却不相同。有些系统是敏感和脆弱的；而有些系统却不受影响可以维持其系统性能。然而目前，这两种不同的系统表现却未能引起人们过多的关注。人们反而似乎更聚焦于系统的稳定性，在此，将系统的敏感程度以及脆弱性的变化定义为稳健性，它包含了功能、微生物群落以及代谢的稳定三个方面，与稳定性不同，它表明了环境变化时，系统抵抗风险的能力。对于污水处理厂运行管理者而言，他们不希望微生物的状态发生变化或者是变化发生的过快，不仅希望系统能够稳定运行，而且要能稳健运行。因此，对系统稳健性的研究是十分必要的。

然而目前为止，除了直接测各个方面指标外，并没有一个很好的方法来描述这种稳健性，也没有一种方法可以对冲击类型作出判断，因此，提供判定系统稳健性以及为判断系统受到的冲击类型提出新的方法，从而为污水处理厂的运行提供指导意见成为目前本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于钙的强化作用指示系统稳健性的方法，该方法利用标准条件下微生物比呼吸速率作为活性污泥指标，通过测定不同冲击条件下，对比投加cacl2后，系统的微生物呼吸图谱变化，以sourn值的大小表示系统受到冲击的强度，ri值指示系统受到冲击的类型，从而判定系统的稳健性，为污水厂的运行提供指导意见。

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钙的强化作用评估活性污泥系统稳健性的方法，该方法包括下述步骤：

1)从污水处理厂a²o系统曝气池取泥，接种到sbr反应器内，在实验室条件下驯化培养，待运行稳定后驯化结束，开始进行降温实验；

2)分别在快速降温和慢速降温实验过程，在各温度条件下投加cacl2，测定加钙前后的微生物呼吸图谱；

3)从污水处理厂a²o系统曝气池取泥，分别接种到sbr和a²o两个反应器内，在实验室室温条件下驯化培养，待运行稳定后驯化结束，开始进行水质冲击实验,冲击后恢复；

4)用氨氮对步骤3)的系统进行冲击，向反应器中投加cacl2，测定加钙前后的微生物呼吸图谱；

5)用垃圾渗滤液对步骤3)的系统进行冲击，向反应器中投加cacl2，测定加钙前后的微生物呼吸图谱；

6)由步骤2)和步骤4)、步骤5)得到的微生物呼吸图谱测定包括现场呼吸速率ours、准内源呼吸速率ourq、内源呼吸速率oure、加氮后呼吸速率ouren和总呼吸速率ourenc的呼吸图谱参数；

7)由步骤6)获得的呼吸图谱参数，得到自养菌呼吸速率ourn＝ouren-oure，通过自养菌活性速率变化，判断系统稳健性：

当投加cacl2后，自养菌呼吸速率ourn无变化，则系统稳健；

当投加cacl2后，自养菌呼吸速率ourn提升，则系统不稳健；

且投加cacl2后，ca²⁺对ourn提升率越大系统不稳健程度越高；

8)由步骤6)获得的呼吸图谱参数，得到内源呼吸比ri＝oure/ourenc，通过内源呼吸比上升，判断系统微生物是否受到冲击：

当投加cacl2后，内源呼吸比上升，则系统微生物受到冲击，系统不稳健；

当投加cacl2后，内源呼吸比未上升，则ca²⁺对系统微生物自养菌无效果，系统稳健。

进一步，所述步骤1)中，sbr反应器初始培养时的污泥浓度为3000mg/l；在实验室条件下驯化培养白天三个周期，晚上一个周期，包括：进水→曝气搅拌→沉淀→排水；充水比为1/3，进水cod为550mg/l，进水氨氮为75mg/l。

进一步，所述步骤2)中，快速降温过程为20℃→8℃→5℃；在各温度条件下投加cacl2，保证ca²⁺浓度为100mg/l。

进一步，所述步骤3)中，实验装置为a²o和sbr两个反应器，均外加水浴套筒使其温度控制在24±1℃；初始培养时的污泥浓度为3500mg/l，两个反应器有效容积均为15l。

进一步，所述a²o反应器中，厌氧:缺氧:好氧池体积比＝1:1:3，水力停留时间为7.5h。

进一步，所述sbr反应器每天4个周期，每个周期为6h，包括：进水→厌氧搅拌→曝气搅拌→沉淀→排水；体积交换比为1/2，进水cod为400mg/l，进水氨氮为20mg/l，进水磷为5mg/l，氨氮冲击期氨氮含量提高到140mg/l。

进一步，所述步骤3)中，实验过程的驯化期为1～38天，冲击期为39～45天，恢复期为45～50天。

进一步，所述步骤6)中，测定微生物呼吸图谱的具体过程为：

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呼吸速率ours；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，测定污泥的准内源呼吸速率ourq；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2～4h，活性污泥进入内源呼吸状态，测定其内源呼吸速率oure；按照40～60mg/l加入氯化铵，测加氮后呼吸速率ouren＝oure+ourn；最后加入足量的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总呼吸速率ourenc＝oure+ourn+ourc。

进一步，为了消除污泥浓度对呼吸速率的影响，活性污泥的微生物活性以每克污泥每小时消耗的氧量的比耗氧速率sour来表征，其中，sour＝our/mlss。

进一步，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。

相对于现有技术，本发明的特点在于：

1)本发明提出的方法，可以在一定程度上对系统稳定性实现预警功能。该方法简单易用，成本低，且及时快速、准确。且是一种无损伤的测试方法，另外，ca²⁺还可以强化不稳健系统中微生物活性。

2)本发明证实，向反应器中投加cacl2可快速、准确的判断系统稳健性，污水处理厂一般是对水质、流量按最不利(峰值)来设计的，实际运行时，很多时候是有很大闲置力的，这种闲置力可提高系统稳定性，对环境冲击是一种缓冲力。如果将稳健性评价引入和水质同等重要性的评估，继而可以对风险予以评估，对稳健的系统可适当降低安全系数，优化污水处理厂的运行管理，达到节能增效的目的。

附图说明

图1为温度冲击时,微生物our变化；图1(a)为温度渐变冲击下,sbr加钙对比；图1(b)为渐变温度冲击下,sbr内源呼吸比；图1(c)为快速降温冲击下,sbr加钙对比；图1(d)为快速降温冲击下,sbr内源呼吸比。

图2为氨氮冲击时,微生物的our变化；图2(a)为氨氮冲击下,sbr加钙soura对比；图2(b)为氨氮冲击下,sbr内源呼吸比；图2(c)为氨氮冲击下,aao加钙oura对比；图2(d)为氨氮冲击下,aao内源呼吸比。

图3为垃圾渗滤液冲击时,微生物的our变化；图3(a)为垃圾渗滤液冲击下,sbr加钙oura对比；图3(b)为垃圾渗滤液冲击下,sbr内源呼吸比；图3(c)为垃圾渗滤液冲击下,aao加钙oura对比；图3(d)为垃圾渗滤液冲击下,aao内源呼吸比。

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。

本发明通过测定添加钙前后微生物呼吸图谱来评估系统的稳健性。

本发明基于钙的强化作用评估活性污泥系统稳健性的方法，包括下述步骤：

1)从西安市某污水处理厂a²o系统曝气池取泥，接种到sbr反应器内，在实验室条件下驯化培养，待运行稳定后驯化结束，开始进行降温实验。

本发明基于钙的强化作用指示系统稳健性的方法采用的反应器由有机玻璃制成。其中sbr反应器通过plc控制曝气泵、搅拌器、电磁阀等，进水采用潜水泵结合液位继电器控制，整个实验装置实现全自动控制。sbr反应器的有效容积为6l，初始培养时的污泥浓度为3000mg/l。白天三个周期，每个周期为5.5h，每周期内动作如下：进水→曝气搅拌(5h)→沉淀(0.5h)→排水。晚上一个周期，周期为7.5h，周期内动作如下：进水→曝气搅拌(6h)→沉淀(1.5h)→排水。充水比为1/3，进水cod为550mg/l，进水氨氮为75mg/l。反应器带有恒温水浴系统，通过连接温度控制器实现反应器温度的改变。

2)降温的过程中，在第一次试验中，温度由20℃逐减降低并最终长期维持至5℃，此时间断地向反应器中投加cacl2；在第二次试验中快速降温，在第5天时，温度由20℃直接降至8℃，第8天降温至5℃，期间连续投加cacl2，保证ca²⁺浓度为100mg/l，监测自养菌呼吸速率ourn以及微生物内源呼吸比的变化。

3)从市政污水处理厂a²o系统曝气池取泥，分别接种到间歇式sbr和连续流a²o反应器，实验装置为a²o和sbr两个反应器，均外加水浴套筒使其温度控制在24±1℃；初始培养时的污泥浓度为3500mg/l，两个反应器有效容积均为15l。a²o反应器中，厌氧:缺氧:好氧池体积比＝1:1:3，hrt为7.5h。sbr反应器每天4个周期，每个周期为6h，包括：进水→厌氧搅拌→曝气搅拌→沉淀→排水；体积交换比为1/2，进水cod为400mg/l。连续投加cacl2。

4)在实验期第38天时施加了氨氮冲击用以模拟中度冲击，进水氨氮为20mg/l，进水磷为5mg/l，冲击时间持续6天，氨氮浓度从20mg/l提高到140mg/l，而后又恢复至20mg/l，其后进入恢复期，监测自养菌呼吸速率ourn以及微生物内源呼吸比的变化。实验过程的驯化期为1～38天，冲击期为39～45天，恢复期为45～50天。

5)对间歇式sbr，在实验期第21天时施加了垃圾渗滤液冲击用以模拟重度冲击，对连续流a²o反应器，实验期第18天时施加了垃圾渗滤液冲击用以模拟重度冲击，在垃圾渗滤液冲击之前投加cacl2，冲击时间持续8天，监测自养菌呼吸速率ourn以及微生物内源呼吸比的变化。

6)测定微生物呼吸图谱包含现场呼吸速率ours、准内源呼吸速率ourq、内源呼吸速率oure、加氮后呼吸速率ouren、总呼吸速率ourenc在内的5个参数。

具体测定过程如下：

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呼吸速率ours；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，测定污泥的准内源呼吸速率ourq；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2～4h，活性污泥进入内源呼吸状态，测定其内源呼吸速率oure；按照40～60mg/l加入氯化铵，测加氮源后呼吸速率ouren＝oure+ourn；最后加入足量的无水乙酸钠，保证基质充足，测定总呼吸速率ourenc＝oure+ourn+ourc。

为了消除污泥浓度对呼吸速率的影响，活性污泥的微生物活性通常以每克污泥每小时消耗的氧量的比耗氧速率(sour)来表征，其中sour＝our/mlss。绘制自养菌耗氧速率、自养菌内源呼吸比速率的变化图，见图1(a)-图1(d)、图2(a)-图2(d)、图3(a)-图3(d)所示。

本方法采用的pbs缓冲溶液为以下组分混合液：

a:kh2po4浓度为1.5～2.5mmol·l^-1，b:nahpo4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。

7)以自养菌呼吸速率ourn＝[ouren-oure]表示自养菌活性，通过钙的强化作用判断系统稳健性：

当投加cacl2后，自养菌呼吸速率ourn无变化，则系统稳健；

当投加cacl2后，自养菌呼吸速率ourn提升，则系统不稳健；

且投加cacl2后，ca²⁺对ourn提升率越大系统不稳健程度越高；

8)由步骤6)获得的呼吸图谱参数，得到内源呼吸比ri＝[oure/ourenc]，通过内源呼吸比上升，判断系统微生物是否受到冲击：

当投加cacl2后，内源呼吸比上升，则系统微生物受到冲击，系统不稳健；

当投加cacl2后，内源呼吸比未上升，则ca²⁺对系统微生物自养菌无效果，系统稳健。

实施例分析：

本实验选择西安绿标水环境科技有限公司提供的wbm450系列智慧运行工作站作为测定微生物呼吸图谱的设备。

(1)由图1(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，温度由20℃逐减降低并最终长期维持至5℃，此时间断地向反应器中投加cacl2，一个显著的提高可以被观察到，ourn^ca2+明显高于ourn(图1(a))。而降温过程中内源呼吸比也会出现波动，另外，值得一提的是，在降温之初ourn均有突然升高(如图1(a)a、b区域)，同时，内源呼吸比与之对应的区域a’、b’，也有一个突然地升高而后回落，而加cacl2的区域无明显变化(图1(b))。

在第二次实验中快速降温，期间连续投加cacl2，总体上，投加cacl2的oura^ca2+要比oura高(图1(c))，表明ca²⁺的强化效应与温度变化无关。区域a平均提升18.81％(p＝0.0068<0.01)较区域b平均提升8.60％(p＝0.1827>0.05)明显提升更显著。另外，一个有趣的现象也被观察到，即，在每次降温之初，投加cacl2提升值更大。例如，第5天(区域c)，温度由20℃直接降至8℃，ourn^ca2+大幅高于oura，而后提升效果微弱；第8天降温至5℃，投加cacl2，虽然our有所下降，但提升作用仍存在，ourn^ca2+高于oura也较为明显。再者在快速降温过程中内源呼吸比持续上升，且其标准差达到2.44，变化较第一次实验的渐变降温波动大得多(图1(d))。区域a’(标准差为2.15)较区域b’(标准差为0.85)明显波动更大，说明温度不变时，随着时间的推移，内源呼吸比逐渐趋于稳定。而且，每一段降温过程中，其内源呼吸比均呈现先上升而后稍微减小的趋势(c’和d’)，这一点与第一次实验观察到的情况相同。

(2)氨氮冲击过程，由图2(a)-图2(d)可以看出，对比两种反应器内源呼吸比的变化，在冲击期，两者内源呼吸比均有上升，另外sbr的内源呼吸比波动更大一些(图2(b)、图2(d))，不论在驯化期还是在冲击期内a²o内源呼吸比标准差均小于sbr，另外，在一个反应器内进行纵向对比，经过一轮氨氮冲击之后，sbr恢复稳定以后的内源呼吸比标准差远小于驯化期内源呼吸比标准差。相同的情况也发生在a²o中。说明经历一轮冲击后，系统稳定性增强了。

另一方面，对比两种反应器中自养菌比呼吸速率，总体来说，对于间歇式sbr反应器，如图2(a)所示，整个实验过程中投加cacl2对系统内自养菌比呼吸速率几乎均有不同程度的提高，与氨氮冲击与否无关。在第1—38天的驯化期内oura平均提升12.85％，从第1天到第8天，soura波动较大，投加cacl2，soura^ca2+大于soura(p＝0.001<0.05)。从第9天至第38天，soura较稳定，在此期间投加cacl2其soura^ca2+会稍高于soura(p＝0.002<0.05)，只是提升量没有驯化初期的高。在第39天到第44天的冲击期内投加cacl2，oura平均提升22.69％，显然在冲击期的提升效果明显大于驯化期，几乎是驯化期提升率的2倍，且冲击前3天提升量大于冲击后3天。从第45天开始恢复，至第50天起，ca²⁺的提升效果开始失效。

然而，对于连续流a²o反应器，却与sbr有着不同的表现，除氨氮冲击期外，加cacl2对自养菌活性几乎均无效。如图3(c)所示，从第1天到第7天，投加cacl2对自养菌的活性稍有提升作用，soura^ca2+与soura几乎一样(p＝0.8322>0.05)。但从第8天起到第38天，soura^ca2+小于soura。从第39天开始冲击，冲击期投加cacl2对自养菌活性的提升作用重新开始生效，同sbr冲击期相同，冲击前3天提升量大于冲击后3天。第44天冲击结束，负荷恢复到驯化阶段，恢复期伊始氯化钙对自养菌活性仍有提升作用，恢复后期氯化钙的提升效果失效。

(3)对于垃圾渗滤液的冲击过程，由图3(a)-图3(d)可以看出，两系统均已驯化一段时间，图3(a)为sbr反应器中自养菌比呼吸速率，与氨氮冲击前期相同，在垃圾渗滤液冲击之前投加cacl2，sourn^ca2+均大于sourn。而与氨氮冲击中sbr的表现不同的是，在垃圾渗滤液冲击期，sourn^ca2+均小于sourn，即投加cacl2对自养菌呼吸作用无提升效果。而对于a²o反应器，同样的，在垃圾渗滤液冲击其表现了与氨氮冲击前相同的特性，sourn^ca2均小于sourn，投加cacl2对自养菌活性无提升效果，然而，与氨氮冲击中a²o的表现不同的是，在垃圾渗滤液冲击过程中投加cacl2无法提升自养菌呼吸速率(图3(c))，这一点与同样处于垃圾渗滤液冲击的sbr反应器相同。另外，如图3(a)-图3(d)所示在垃圾渗滤液冲击期间，sbr和a²o反应器中sourn均迅速减小，而内源呼吸比增大。

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。