污泥活性指标在低碳氮比污水处理厂脱氮工艺中的应用

2023-01-11李晓曼潘国强余青青杨菲菲王海钢熊艳梅谢文英

云南化工 2022年12期

李晓曼，潘国强，余青青，李杰，杨菲菲，王海钢，熊艳梅，谢文英

(昆明城市污水处理运营有限责任公司，云南昆明 650299)

活性污泥系统的比耗氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR)是指单位时间内单位质量生物量消耗氧气的质量。其中，生物量一般用MLSS(混合液悬浮固体质量浓度)或者MLVSS(混合液挥发性悬浮固体质量浓度)表示[1]。SOUR是表征污泥生物活性的重要参数之一，可以反映活性污泥的生理状态和活性情况[2-3]。反硝化速率是指单位质量的污泥微生物在单位时间内去除的硝酸盐氮的质量。由于反硝化过程需要以有机碳源作为电子供体，进水碳源不足是大多数污水处理厂脱氮效率低的主要影响因素[4-5]。近年来，活性污泥系统的比耗氧速率和反硝化速率在分析评估系统污泥生物活性及运行情况方面受到国内外的普遍重视[6-11]，但是对于同时利用SOUR和反硝化速率检测指导生产工艺调控的方法鲜有报道。

昆明市位于城乡结合部的多座城镇污水处理厂，因受管网建设及面源污染等的影响，普遍存在水质水量季节性波动大、来水碳氮比低的情况，造成污泥活性差，出水总氮去除率低，需依赖大量投加外碳源才能保证水质，导致运行成本高。针对该问题，本文以一个污水处理厂为研究对象，通过利用SOUR和反硝化速率两种污泥活性检测方法，对该低碳氮比污水处理厂污泥活性进行了试验，并对应用污泥活性指标指导污水处理厂脱氮工艺调控进行了分析研究。

1 材料与方法

1.1 研究对象基本情况

本文的研究对象为昆明市城乡结合部某城镇污水处理厂，设计处理规模为6万m3/d，采用改良型A2/O工艺，共有3组生物反应池。2021年进水碳氮的量比n(C)/n(N)平均值为4.70，全年分布在0.99～10.34，进水碳氮比不足5的天数达70%。2021年投加复合碳源 1207 t，水耗复合碳源量为 48 mg/kg，吨水碳源成本为 0.11元/t。

1.2 活性污泥比耗氧速率的测定

1.2.1 实验材料

10 L 左右圆柱型封闭式反应器，磁力搅拌器一台(型号：INTLLAB MS-500)，便携式溶解氧测定仪(型号：哈希HQ30d)，曝气设备，计时器。

1.2.2 测定方法

取 5 L 好氧池末端活性污泥，倒入反应器内，对活性污泥进行曝气。待溶解氧达到饱和状态(7～9 mg/L)后，停止曝气。将反应器置于磁力搅拌器上使污泥保持完全混合状态，每隔 2 min 记录一次溶解氧的浓度；绘制溶解氧-时间变化曲线图，得到的直线斜率即为耗氧速率(OUR)；再根据反应器中的污泥浓度计算污泥比耗氧速率(比耗氧速率=OUR/MLSS)[12]。

1.3 活性污泥反硝化(潜力)速率的测定

1.3.1 实验材料

硝酸盐氮快速检测试剂及分光光度仪(型号：哈希：DR200)，便携式溶解氧测定仪(型号：哈希HQ30d)，离心机(型号：SCJLOGEX D3024)，磁力搅拌器(型号：INTLLAB MS-500)，500 mL 锥形瓶 (带瓶塞)，10 mL 注射器，计时器。液体复合碳源T50(COD为 548000 mg/L，深圳长隆科技有限公司生产)，固体葡萄糖(葡萄糖含量99.8% ，西王药业有限公司)，液体乙酸钠(COD为 198600 mg/L ，中源环保有限公司)。

1.3.2 测定方法

1.4 指标检测方法

硝酸盐氮用快速检测仪分光光度法测定，DO采用便携式溶解氧仪测定，其余水质指标，如COD、TN、氨氮及MLSS、MLVSS等均按《水和废水监测分析方法》(第四版)[15]测定。

2 结果与讨论

2.1 污泥活性检测结果及分析

2.1.1 比耗氧速率判断污泥活性

由图1可得，污水处理厂活性污泥OUR为 0.1377 mg/(min·L)，根据测得的污泥质量浓度 3180 mg/L，可以计算出该厂的SOUR为 0.04 mg/(g·min)。据文献报道[16]，当SOUR低于 0.1333 mg/(g·min)时，表明系统F/M(食物-微生物比)过低或有轻微中毒现象。经过计算，该污水处理厂F/M值比设计范围稍微偏低，SOUR仅为 0.04 mg/(g·min)，初步判断该污水处理厂有污泥轻微中毒的可能，污泥活性较差。

y代表溶解氧质量浓度，单位为mg/L，x代表时间，单位为min，R代表相关系数。图1 某污水处理厂溶解氧-时间曲线

2.1.2 反硝化(潜力)速率判断污泥反硝化性能

通过采集该污水厂好氧末段活性污泥混合液，保证在低COD、低氨氮和高硝态氮的情况下，进行反硝化(潜力)速率试验。在初始硝酸盐氮质量浓度为 10.1 mg/L 条件下，分别投加5倍和7倍硝酸盐质量浓度的碳源(以COD计)，按照测定方法进行试验，结果见图2和表1。

y代表硝酸盐氮质量浓度，单位为mg/L，x代表时间，单位为min，R代表相关系数。图2 不同碳源倍数下反硝化速率曲线

表1 反硝化速率(潜力)试验结果

根据反硝化(潜力)速率试验结果，投加5倍复合碳源条件下，活性污泥反硝化速率为 2.88 mg/(g·h)，投加7倍复合碳源条件下，活性污泥反硝化潜力速率为 3.91 mg/(g·h)。根据周乙新等[17]文献报道，一般城镇污水处理厂的反硝化潜力为4～10 mg/(g·h)。由此可见，该污水处理厂活性污泥反硝化(潜力)速率相对偏低，反硝化性能不好。

2.2 接种活性污泥效果评估

根据该厂比耗氧速率和反硝化(潜力)速率试验结果，判定该厂污泥活性较差，反硝化性能不好，污泥中反硝化菌群丰度相对较低，故尝试采取活性污泥接种驯化的方式，改善污泥活性及反硝化性能。对接种污泥进行驯化培养1个月后，再次进行污泥活性检测试验，结果见图3～图4、表2。

y代表溶解氧质量浓度，单位为mg/L，x代表时间，单位为min，R代表相关系数。图3 某污水处理厂污泥接种前后溶解氧-时间曲

y代表硝酸盐氮质量浓度，单位为mg/L，x代表时间，单位为min，R代表相关系数。图4 不同碳源倍数下污泥接种前后反硝化速率曲线

表2 污泥接种前后活性及反硝化速率对比

根据SOUR试验结果，接种污泥前后，该厂比耗氧速率提升150%，达到 0.1 mg/(g·min)，基本接近 0.133 mg/(g·min)，可见污泥活性得以恢复。根据反硝化(潜力)速率结果，接种污泥后，5倍和7倍碳源浓度条件下，反硝化(潜力)速率分别提升32%和23%。通过对比污泥接种前后的污泥活性试验数据，表明污泥接种驯化培养有效果，接种污泥后污泥活性及反硝化性能均有所提升。