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'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#低温条件下活性污泥呼吸图谱特征变化*李志华，张亚伟（西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055）5摘要：通过实验模拟污水厂低温条件，研究了温度降低过程中出水水质以及活性污泥呼吸图谱的变化规律。结果表明，有机物去除和脱氮效果明显恶化的临界温度分别为10℃和8℃；活性污泥系统经过短暂低温冲击后恢复至原温度运行，微生物活性和污水处理能力可快速恢复。现场条件呼吸图谱反映的是现场条件下微生物的活性，可以表征活性污泥微生物在此条10件下的污水处理能力。温度降低会导致现场条件下OUR减小，从而导致系统污水处理能力降低。标准条件呼吸图谱反映的是活性污泥微生物的内在特性。温度由20℃降至10℃过程中，标准条件下OUR基本保持稳定，表明在此阶段内微生物的内在活性基本保持稳定，此时升高反应器温度可以使微生物的活性和污水处理能力很快得到恢复。通过对比现场和标准条件下呼吸图谱，可以对污水处理厂的冬季运行调控提供一定理论参考。15关键词：市政工程；低温；活性污泥；呼吸图谱；中图分类号：X703ChangesofActivatedSudgeRespirogramunderLowTemperature20LIZhihua,ZHANGYawei(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi"anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi"an710055)Abstract:Thechangesofeffluentwaterqualityandactivatedsludgerespirogramwerestudiedduringtheprocessoftemperaturereductionbysimulatingthelowtemperatureconditionofthesewage25plant.Theresultsshowedthatthecriticaltemperaturefortheremovaloforganicmatterandnitrogenremovalefficiencywere10℃and8℃,respectively.Thesystemisrestoredtotheoriginaltemperatureoperationafterabrieflowtemperatureimpact,andmicrobialactivityandsewagetreatmentcapacitycanalsobequicklyrestored.Thefieldconditionalrespirogrampatternreflectstheactivityofmicroorganismsinthefieldconditions,whichcanbeusedtocharacterizethesewagetreatment30capacityofactivatedsludgemicroorganisms.ThedecreaseoftemperatureleadstothedecreaseofthefieldconditionalOUR,whichleadstothedecreaseofthesewagetreatmentcapacity.Thestandardconditionrespirogramreflectstheintrinsiccharacteristicsofactivatedsludgemicroorganisms.Intheprocessofthetemperaturefrom20℃downto10℃,thestandardconditionOURbasicallyremainedstable.Theresultsindicatedthattheintrinsicactivityofthemicroorganismsremainedstableatthis35stage,andtheincreasingthereactortemperatureatthistimeallowsthemicrobialactivityandwastewatertreatmentcapacitytoberecoveredquickly.Bycomparingthefieldandstandardconditionrespirogram,itcanprovidesometheoreticalreferencefortheoperationofthesewagetreatmentplantinwinter.Keywords:municipalengineering;lowtemperature;activatedsludge;respirogram;400引言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处理效果，而温度在很大程度影响着微生物的活性，从而影响污水处[1-3]理厂的处理效率。低温会抑制活性污泥微生物的活性，尤其是硝化菌和反硝化菌的活性，基金项目：2013年博士点基金联合资助课题（20136120110002）作者简介：李志华(1976-),男,教授、博士生导师，主要研究方向为废水生物处理技术与理论.E-mail:lizhihua@xauat.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[3]45从而影响污水处理厂污染物尤其是含氮污染物的去除效果。硝化细菌的最适生长温度为25~30℃，当温度较低时，部分硝化菌会由于活性降低而无法发挥硝化作用，严重影响活性污泥的脱氮效果。因而在寒冷地区污水处理厂的冬季运行始终是一个难题。污水处理中好氧微生物的耗氧速率（OxygenUptakeRate，OUR）可以作为评价活性污泥生命代谢活性的一个重要指标，OUR可以表征污泥微生物的生理状态和生物活性状态。[4,5]50耗氧速率法作为一种快速生物检测法，可以反映环境变化对微生物的影响。如微生物种群发生变化会引起呼吸速率的变化，从而引起各呼吸速率比例的变化。因而在污水厂实际运行中，可以用OUR及其比例的变化来指示处理系统的运行状况及活性污泥的健康状态等[6-9]。本文基于呼吸计量法，运用SBR反应器，模拟污水厂低温条件，对降温过程中出水水55质、活性污泥呼吸图谱的变化进行分析，研究污水处理厂在冬季低温条件下活性污泥系统的处理能力、活性污泥的活性变化及微生物种群的变化规律，为冬季低温条件下污水处理厂的稳定运行和运行调控提供理论基础。1材料与方法1.1实验材料与装置60本实验采用的SBR反应器，接种污泥取自西安某处理工艺为A2O的污水厂的好氧池。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，每个周期内的运行工况为：进水0.2h→曝气搅拌6h→沉淀1.6h→排水0.2h。实验中活性污泥的呼吸图谱采用污水处理智慧运行工作站（WBM400，西安绿标水环境65科技有限公司）进行测定，该智慧运行工作站由恒温好氧反应器、溶解氧探头、pH计、PLC控制系统、加药系统和数据分析系统组成。其中，恒温好氧反应器是有效容积为1.2L的有机玻璃密闭容器，内置均匀充氧曝气头，外侧有循环恒温水浴层。分析平台在线连续采集溶解氧和pH值数据，采集周期设定为2s，数据自动存入数据库。1.2实验方案70本实验中SBR反应器的进水采用人工配水，以乙酸钠作为碳源，氯化铵作为氮源，磷-1+-1酸二氢钾作为磷源，具体的进水水质如下：COD为650mg·L，NH4-N为80mg·L，TP-1-1-1-1为8mg·L，微量元素为0.4mL·L。微量元素组成为：0.15g·LH3BO3，0.03g·LCuSO4-1-1-1-1•5H2O，0.18g·LKI，0.12g·LMnCl2•4H2O，0.06g·LNa2MoO4•2H2O，0.12g·L-1-1-1ZnSO4•7H2O，0.15g·LCoCl2•6H2O，1.54g·LFeSO4•7H2O，12.74g·LEDTA。75实验初期，控制SBR反应器的运行温度为20℃，进行污泥驯化培养，待反应器运行稳+定后温度逐步降低5℃。同时分析不同温度下反应器对COD、NH4-N和TN的去除效果，并对曝气搅拌末期的污泥进行取样，分析污泥现场条件下（测定呼吸图谱温度与反应器运行温度相同）及标准条件下（测定呼吸图谱温度为20℃）活性污泥呼吸图谱的变化。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.3分析方法801.3.1呼吸速率测定及计算方法本实验采用呼吸计量法，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。SBR反应器处于曝气搅拌末期时取活性污泥0.3L，加入智能分析平台后稀释至1.2L，测定现场OURs。之后将污泥样品通过搅拌15s、沉淀10min、去上清液定容至0.6L，用缓冲溶液（PBS）洗泥3次，测定污泥的准内源OURq。然后将反应器内活性污泥混合液-185定容至1.2L，通过对污泥样品曝气2h测定其内源OURe，再加入50mg·L的氯化铵测定-1OURen，此呼吸速率包括自养菌呼吸速率OURn和内源OURe。最后加入300mg·L的乙酸钠，保证基质充足，测定总呼吸速率OURenc，此呼吸速率中包括自养菌呼吸速率OURn，异养菌呼吸速率OURc、内源呼吸速率OURe。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。各呼吸速率关系如式1、2所示：90OURen=OURe+OURn（1）OURenc=OURe+OURn+OURc（2）此外，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OURe/OURenc；同理，OURn/OURenc为自养菌呼吸比例，OURc/OURenc为异养菌呼吸比例。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95定义为标准条件呼吸图谱。1.3.2水质分析方法+COD采用快速消解分光光度法测定；NH4-N采用纳氏试剂分光光度法测定；TN采用[10]过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定。2结果与讨论1002.1降温过程中反应器出水水质变化降温过程中COD的去除效果如图1（a）所示。在温度从20℃逐渐降低至8℃的过程中，-1出水COD基本保持稳定且均在60mg·L以下，去除率均在90%以上，温度变化对COD的去除效果影响较小。这是因为温度降低虽然会降低异养菌的活性，减缓有机物的降解速率，但由于异养菌庞大的生物量以及足够的水力停留时间，故温度在此范围内降低对有机物的去105除效果影响不大。但温度由8℃降低至5℃时，COD去除效果急剧恶化，出水COD降至-1275mg·L左右，COD去除率降至55%左右。+降温过程中NH4-N和TN的去除效果如图1（b）所示。在温度从20℃逐渐降低至10℃+的过程中，出水NH4-N和TN基本保持稳定，系统可以维持较高的脱氮效率。其中，出水+-1-1NH4-N均小于等于2mg·L，去除率保持在97%以上，而出水TN约为20mg·L左右，110去除率为75%左右。这说明10~20℃条件下温度降低对生物硝化及脱氮效果影响较小。但是+-1当温度由10℃降低至8℃时，系统的脱氮能力急剧降低，出水NH4-N急剧升高至65mg·L-1左右，出水TN升高至72mg·L左右，去除率分别降为18%和10%左右。温度继续降低至5℃时，系统基本丧失脱氮能力。此时，低温严重抑制了微生物尤其是硝化菌的活性，微生物开始流失，严重影响到污水处理效果。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn115此外，由图1（a、b）可知，将反应器运行温度由10℃降至8℃运行一天后，立即升温+至10℃，出水COD、出水NH4-N和TN均有明显升高后又降低，说明当系统经过短暂的低温冲击并立即恢复原温度运行时，系统的污水处理能力可以很快恢复。综上所述，可以得出8℃为此水质条件下系统去除有机物的效果急剧恶化的临界温度，而脱氮能力急剧恶化的临界温度为10℃左右。30020（a）出水COD变化25015200反应器运行温度15010出水COD温度/℃100出水COD/mg/L5500001020304050时间/d120100+（b）出水NH-N和TN变化2048015-160反应器运行温度+出水NH-N104温度/℃出水TN40出水水质/mg·L5200001020304050时间/d图1出水水质变化Fig.1Variationofeffluentwaterquality2.2降温过程中活性污泥呼吸图谱变化1252.2.1现场与标准条件下呼吸图谱变化降温过程中现场条件与标准条件下呼吸图谱变化如图2所示。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。由图2可知，随着温度的逐渐降低，现场条件下的自养菌OURn、异养菌OURc和总OURenc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130而导致污水处理效果变差。温度由20℃降至10℃的过程中，现场条件下自养菌OURn的降幅高达40%以上，而现场条件下异养菌OURc的降幅仅为25%左右，说明异养菌对低温的适应能力明显强于自养菌。温度由10℃继续降低时，现场条件下自养菌OURn和异养菌OURc均开始大幅下降，说明当环境温度低于10℃时，低温严重抑制了微生物的现场活性，活性污泥系统的污水处理能力急剧下降。135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2可知，反应器温度由20℃逐渐降低至10℃过程中，标准条件下自养菌OURn、异养菌OURc和总OURenc基本保持稳定，说明在此阶段内活性微生物的内在活性并未降低，若将反应器温度升高为20℃，活性污泥微生物可以很快恢复活性和污水处理能力。相比常温下运行时，反应器运行温度为14℃、12℃和10℃时的标准条件下自养菌OURn、异养菌OURc和总OURenc均明显增大。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn140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OUR增大。反应器温度由10℃继续降至8℃、5℃时，标准条件下自养菌OURn、异养菌OURc和总OURenc均明显减小，说明此时微生物尤其是硝化菌的内在活性急剧降低，生物量急剧减少，此时升高温度也无法使微生物恢复活性，应及时采取相应的生物强化措施。145通过对比现场和标准条件下呼吸图谱，可以对污水处理厂的实际运行调控提供一定理论参考。18（a）自养菌OUR变化2015-11512·h-19·L210温度/℃/mgOn6OUR5反应器运行温度3现场条件下自养菌OUR标准条件下自养菌OUR0001020304050时间/d反应器运行温度20现场条件下异养菌OUR80标准条件下异养菌OUR1560-1·h-1·L10402温度/℃/mgOcOUR520（b）异养菌OUR变化0001020304050时间/d100（c）总OUR变化208015-160·h-1·L210温度/℃40/mgOenc5OUR20反应器运行温度现场条件下总OUR标准条件下总OUR0001020304050时间/d150图2现场与标准条件下呼吸图谱变化Fig.2Variationofthefieldconditionandthestandardconditionrespirogram2.2.2现场与标准条件下呼吸比例变化降温过程中现场条件与标准条件下呼吸比例变化如图3所示。由图3（a）可知，随着温度的降低，现场条件自养菌呼吸比例逐渐减小，而异养菌呼吸比例逐渐增大，说明温度降155低对异养菌的影响较小而对自养菌的影响较大。由图3（b）可知，温度由20℃降至10℃的过程中，标准条件自养菌呼吸比例和异养菌呼吸比例均保持稳定，说明在此阶段活性污泥微生物的内在活性基本保持稳定，温度降低对-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn污泥的内在生理特性影响较小。尽管由于低温导致污泥的现场条件呼吸比例发生变化，但此时升高温度可以很快恢复活性污泥微生物尤其是自养菌的活性，从而提高现场条件自养菌呼160吸比例。温度由10℃继续降低8℃、5℃，标准条件下自养菌呼吸比例开始减小，而异养菌呼吸比例开始增大，说明此时低温对微生物的种群结构产生了一定影响，自养菌流失严重，也表明异养菌较自养菌对低温的适应能力更强。温度由20℃降至8℃的过程中，现场条件与标准条件下的内源呼吸比例均基本保持稳定。温度由8℃继续降至5℃，现场条件与标准条件下的内源呼吸比例均开始增大，说明低165温对微生物的生理活性产生重大影响，污泥的健康状态恶化，应及时采取强化措施。90（a）现场条件下各呼吸比例变化208015反应器运行温度异养菌呼吸比例70自养菌呼吸比例内源呼吸比例10温度/℃20呼吸比例/%5100001020304050时间/d90（b）标准条件下各呼吸比例变化208015反应器运行温度70异养菌呼吸比例自养菌呼吸比例内源呼吸比例10温度/℃20呼吸比例/%5100001020304050时间/d图3现场与标准条件下呼吸比例变化Fig.3Variationofthefieldconditionandthestandardconditionrespirationratio1703结论本文给出了在降温过程中有机物去除效果恶化的临界温度为10℃，脱氮效果恶化的临界温度为8℃。系统经过短暂低温冲击后恢复至原温度运行，微生物活性及污水处理能力可以快速恢复。随着温度的逐渐降低，现场条件下的自养菌OURn、异养菌OURc和总OURenc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，从而导致污水处理效果变175差。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。反应器温度由20℃逐渐降低至10℃过程中，标准条件下自养菌OURn、异养菌OURc和总OURenc基本保持稳定，说明在此阶段内活性微生物的内在活性并未降低，若将反应器温度升高为20℃，污泥可以很快恢复活性和污水处理能力。标准条件呼吸图谱反映的是活性污泥微生物的内在特性。低温会导致活性污泥180微生物种群结构的变化，随着温度的降低，现场条件自养菌呼吸比例减小，异养菌呼吸比例增大。温度由8℃降至5℃时，现场条件与标准条件内源呼吸比例均增大，低温严重影响污-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn泥的健康状态，此时应及时采取强化措施。185[参考文献](References)[1]王阿华,杨小丽,叶峰.南方地区污水处理厂低温生物脱氮对策研究[J].给水排水,2009,35(10):28-33[2]姚俊芹,易红星,魏震华,等.AB工艺污水厂冬季运行效果分析[J].环境工程学报,2008,2(12):1644-1646[3]李捷,张杰.温度对A/O工艺反硝化除磷效果的影响[J].中国给水排水,2008,24(19):99-100190[4]王建华,陈永志,彭永臻.低碳氮比实际生活污水A2O-BAF工艺低温脱氮除磷[J].中国环境科学,2010,30(9):1195-1200[5]AbbassiBE.EffectofHydraulicLoadingVariationsonthePerformanceofDecentralizedSmallScaleActivatedSludgeTreatmentPlant[J].American-EurasianJournalofAgriculturalandEnvironmentalSciences,2008,4(5):617-624195[6]MajoneM,ValentinoF,VillanoM,etal.EffectofhydraulicandorganicloadsinSequencingBatchReactoronmicrobialecologyofmixedculturesandstorageofpolyhydroxyalkanoates[J].JournalofBiotechnology,2010,150:71[7]李志华,白旭丽,张芹,等.基于呼吸图谱的自养菌与异养菌内源呼吸过程分析[J].环境科学,2014,35(9):3492-3497200[8]李志华,柴波,孙垂猛,等.冲击与恢复条件下活性污泥OUR的变化规律[J].中国给水排水,2015,31(9):1-5[9]李志华,孙垂猛,柴波.不同类型活性污泥内源呼吸过程典型特征解析[J].中国给水排水,2015,31(7):25-28[10]国家环保局.水和废水监测分析方法（第四版）[M].北京：中国环境科学出版社2002.205-7-'