一種基於呼吸圖譜判別活性汙泥微生物休眠與流失的方法與流程
2023-09-18 21:43:00 3
本發明屬於汙水處理領域，涉及一種通過對活性汙泥通過對活性汙泥現場與標準條件呼吸圖譜的分析，判定汙水廠活性汙泥休眠與流失狀況的方法。
背景技術：
目前我國汙水處理廠汙水處理的主體工藝主要採用活性汙泥法。活性汙泥微生物的活性直接關係到汙水處理的效果，而溫度在很大程度上影響著微生物的活性，從而影響汙水處理廠的處理效率。當溫度較低時，部分微生物會進入休眠狀態而無法發揮汙水處理作用，若溫度繼續降低，微生物則會發生流失，嚴重影響活性汙泥的汙水處理能力。我國寒冷地區冬季汙水處理廠的運行依然是一個難題。活性汙泥微生物的休眠與流失狀況與汙水處理廠的處理效果密切相關，當活性汙泥微生物處於休眠狀態時，只需適當調整運行參數條件即可使微生物恢復活性；當活性汙泥微生物流失時，則需通過加大泥齡等方式保障出水水質達標。但目前微生物的休眠與流失尚缺乏準確的判斷依據，故此方法對汙水處理廠的運行管理具有指導性意義。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於呼吸圖譜判別活性汙泥微生物休眠與流失的方法，該方法利用現場與標準條件下微生物耗氧速率為一個活性汙泥指標，通過測定的現場與標準條件下呼吸圖譜來判定活性汙泥微生物休眠與流失的狀況，及時採取強化措施，為汙水廠的越冬水質保障提供了理論依據。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
根據本發明實施例提供的一種基於呼吸圖譜判別活性汙泥微生物休眠與流失的方法，其特徵在於，包括下述步驟：
1)取汙水處理廠活性汙泥；
2)對活性汙泥進行連續2～7天現場條件下呼吸圖譜測試，分別得到現場條件下現狀好氧速率OURs、準內源耗氧速率OURq、內源耗氧速率OURe、加氮源後耗氧速率OURen和總耗氧速率OURenc測量數據；
3)由測量數據計算得到
OURn＝OURen-OURe，
OURc＝OURenc-OURen；
其中，OURn為現場條件下自養菌耗氧速率；OURc為現場條件下異養菌耗氧速率；
4)對汙水廠活性汙泥進行連續2～7天標準條件下呼吸圖譜測試，分別得到標準條件下OUR’s、準內源耗氧速率OUR』q、內源耗氧速率OUR』e、加氮源後耗氧速率OUR』en和總耗氧速率OUR』enc；
5)由測量數據計算得到
OUR』n＝OUR』en-OUR』e，
OUR』c＝OUR』enc-OUR』en；
其中，OUR』n為標準條件下自養菌耗氧速率；OUR』c為標準條件下異養菌耗氧速率；
6)在多組連續的數據中：
當標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n穩定不變，且現場條件下自養菌耗氧速率OURn減小時，則活性汙泥自養菌存在休眠狀況；如果標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n與現場條件下自養菌耗氧速率OURn差值越大，則活性汙泥自養菌休眠量越多；
當標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c穩定不變，且現場條件下異養菌耗氧速率OURc減小時，則活性汙泥異養菌存在休眠狀況；如果標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c與現場條件下異養菌耗氧速率OURc差值越大，則活性汙泥異養菌休眠量越多；
7)在多組連續的數據中：
當標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n明顯減小時，則活性汙泥自養菌開始流失，同時標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n降低的越多，活性汙泥自養菌量流失越多；
當標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c明顯減小時，則活性汙泥異養菌開始流失，同時標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c降低的越多，活性汙泥異養菌量流失越多。
進一步，步驟2)中現場條件下呼吸圖譜測試的具體過程為：
在溫度保持與汙水廠反應池一致條件下，取汙水處理廠活性汙泥，並用體積比1:3的比例添加自來水稀釋，測定現場條件下現狀耗氧速率OURs；將活性汙泥樣品通過攪拌、沉澱、去上清液、定容至活性汙泥稀釋液的1/2體積，用PBS緩衝溶液洗泥，測定汙泥的準內源耗氧速率OURq；之後添加自來水將活性汙泥混合液定容至活性汙泥稀釋液的原體積，曝氣，活性汙泥進入內源呼吸狀態，測定其內源耗氧速率OURe；再按一定質量比加入氯化銨，測加氮源後耗氧速率OURen＝OURe+OURn；最後加入足量的無水乙酸鈉，保證基質充足，測定總耗氧速率OURenc＝OURe+OURn+OURc。
進一步，步驟3)中，標準條件下呼吸圖譜測試的具體過程為：
在溫度為20℃條件下，取汙水處理廠活性汙泥，並用體積比1:3的比例添加自來水稀釋，測定標準條件下現狀耗氧速率OUR’s；將活性汙泥樣品通過攪拌、沉澱、去上清液、定容至活性汙泥稀釋液的1/2體積，用PBS緩衝溶液洗泥，測定汙泥的準內源耗氧速率OUR』q；之後添加自來水將活性汙泥混合液定容至活性汙泥稀釋液的原體積，曝氣，活性汙泥進入內源呼吸狀態，測定其內源耗氧速率OUR』e；再按一定質量比加入氯化銨，測加氮源後耗氧速率OUR』en＝OUR』e+OUR』n；最後加入足量的無水乙酸鈉，保證基質充足，測定總耗氧速率OUR』enc＝OUR』e+OUR』n+OUR』c。
本方法採用的緩衝溶液為以下組分混合液：
A：KH2PO4濃度為1.5～2.5mmol·L-1；B：Na2HPO4濃度為8～12mmol·L-1；C：NaCl濃度為135～140mmol·L-1；D：KCl濃度為2.5～3.0mmol·L-1。用PBS緩衝溶液洗泥3～5次。
進一步，添加自來水將活性汙泥混合液定容至活性汙泥稀釋液的原體積，曝氣2～4h。
進一步，按照40～60mg/L加入氯化銨。
進一步，按照250～350mg/L加入無水乙酸鈉。
本發明針對傳統汙水處理廠無法判別活性汙泥微生物休眠與流失狀況從而無法評估汙水廠的汙水處理能力的局限，從汙泥自身特性，通過活性汙泥的呼吸圖譜給出一種判別活性汙泥微生物休眠與流失狀況的簡易方法，為冬季低溫條件下汙水處理廠的穩定運行與運行調控提供了理論意義。
相對於現有技術，本發明的特點在於：
1)本發明方法快速有效。基於活性汙泥的現場與標準條件下的呼吸圖譜判定活性汙泥微生物休眠與流失狀況，能夠有效快速地判定活性汙泥的處理能力，及時採取強化措施，保障汙水處理廠的穩定運行。
2)本發明方法檢測方便。步驟簡單易行，測試設備自動化。例如使用西安綠標水環境科技有限公司提供的WBM400型汙水處理智慧運行工作站，即可在無人操作的情況下自動化對待檢測汙泥進行檢測。
附圖說明
圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)分別為現場與標準條件下自養菌OUR、異養菌OUR以及總OUR的變化圖；
圖2(a)、圖2(b)分別為降溫過程中出水COD變化和出水NH4+-N和TN變化。
具體實施方式
下面通過附圖及實施例對本發明做進一步說明。
本發明通過測定現場與標準條件下活性汙泥的呼吸圖譜來判定活性汙泥微生物休眠與流失的狀況。
本發明基於呼吸圖譜判別活性汙泥微生物休眠與流失的方法，包括下述步驟：
1)取某處理工藝為A2O的汙水廠好氧池中未經任何處理的汙水廠汙泥；
2)對汙水廠活性汙泥進行現場條件下呼吸圖譜測試：在溫度保持與汙水處理廠反應池一致條件下，取汙水廠汙泥0.3L並用自來水稀釋至1.2L，測定現狀耗氧速率OURs；之後將汙泥樣品通過攪拌15s、沉澱10min、去上清液定容至0.6L，用PBS緩衝溶液洗泥3～5次，優選為3次；測定汙泥的準內源耗氧速率OURq；然後用自來水將反應器內活性汙泥混合液定容至1.2L，通過對汙泥樣品曝氣2～4h，優選為2h；使活性汙泥進入內源呼吸狀態，測定其內源耗氧速率OURe；
緩衝溶液為以下組分混合液：
A：KH2PO4濃度為1.5～2.5mmol·L-1；
B：Na2HPO4濃度為8～12mmol·L-1；
C：NaCl濃度為135～140mmol·L-1；
D：KCl濃度為2.5～3.0mmol·L-1。
3)在步驟2)結束後，向汙泥中加入氯化銨40～60mg/L，優選為50mg/L；測加氮源後耗氧速率OURen＝OURe+OURn；最後加入250～350mg/L的無水乙酸鈉，優選為300mg/L；以保證基質充足，測定總耗氧速率OURenc＝OURe+OURn+OURc。可得到5個現場條件下耗氧速率：現狀耗氧速率OURs、準內源耗氧速率OURq、內源耗氧速率OURe、加氮源後耗氧速率OURen和總耗氧速率OURenc，並作如下計算：OURn＝OURen-OURe，OURc＝OURenc-OURen；
4)對汙水廠活性汙泥進行標準條件下呼吸圖譜測試：標準條件下呼吸圖譜測試除溫度條件改為20℃外，其餘過程與現場條件下呼吸圖譜測試方法一致。分別得到標準條件下現狀耗氧速率OUR’s、準內源耗氧速率OUR』q、內源耗氧速率OUR』e、加氮源後耗氧速率OUR』en和總耗氧速率OUR』enc；並作如下計算：OUR』n＝OUR』en-OUR』e，OUR』c＝OUR』enc-OUR』en。
測量數據及計算見表1所示。
表1現場及標準條件下的耗氧速率
5)根據現場條件下自養菌耗氧速率OURn、異養菌耗氧速率OURc以及總耗氧速率OURenc與標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n、異養菌耗氧速率OUR』c以及總耗氧速率OUR』enc的變化分別繪製現場條件下與標準條件下自養菌耗氧速率、異養菌耗氧速率以及總耗氧速率的變化圖，見圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)所示。
本實驗採用SBR反應器，接種汙泥取自西安某處理工藝為A2O的汙水廠好氧池。反應器有效容積為7L，充水比為1/3。反應器的運行溫度通過水浴層外接溫度控制器進行控制。反應器運行周期為8h，每個周期內運行工況為：進水0.2h→曝氣攪拌6h→沉澱1.6h→排水0.2h。
實驗方法採用呼吸計量法，通過智能分析平臺監測恆溫好氧反應器中的氧平衡濃度，計算得到氧吸收效率，實驗通過投加不同基質實現不同菌種呼吸速率的測定。整個分析過程由儀器通過PLC進行自動控制，保持曝氣量穩定、攪拌均勻。測定呼吸圖譜時的溫度與反應器運行溫度相同時定義為現場條件呼吸圖譜；測定呼吸圖譜時的溫度控制在20℃時定義為標準條件呼吸圖譜。
實施例分析：
降溫實驗過程中，現場條件呼吸圖譜反映的是現場條件下微生物的活性，與出水水質有密切關係，可以表徵活性汙泥微生物在一定條件下的汙水處理能力。而標準條件呼吸圖譜反映的是活性汙泥微生物的內在特性。由圖可知，隨著溫度的逐漸降低，現場條件的自養菌耗氧速率OURn、異養菌耗氧速率OURc和總耗氧速率OURenc均逐漸減小。說明溫度降低會導致現場條件下微生物的活性降低，從而導致汙水處理能力下降。
由圖1(a)、(b)、(c)可以看出，標準條件呼吸圖譜均可以分為三個階段，第一階段為20℃條件下馴化培養至穩定階段，第二階段為溫度由20℃降至10℃標準條件呼吸圖譜未明顯變化階段，第三階段為溫度由10℃降至5℃，標準呼吸圖譜開始減小階段。
第二階段的標準條件呼吸圖譜明顯高於第一階段，這是由於在此階段反應器運行溫度逐漸減低，而標準條件呼吸圖譜的測定溫度20℃對於微生物而言是一種升溫刺激，溫度的突然升高會使活性汙泥微生物產生應激反應，從而使得微生物的耗氧速率增大。第二階段內的標準條件耗氧速率均基本保持穩定，而現場條件耗氧速率卻逐漸減小，說明在此階段內活性微生物的內在活性並未降低，只是在現場條件下的汙泥活性在逐漸減小，部分微生物由於溫度降低進入了休眠狀態，此時若升高溫度可以使活性汙泥快速恢復活性。由此說明當現場條件呼吸圖譜減小而標準條件呼吸圖譜並未發生明顯變化時，部分微生物進入休眠狀態，此時升高溫度可使快速激活微生物的活性。
第三階段的標準條件呼吸圖譜明顯小於第二階段。由圖2(a)、圖2(b)可知，第三階段汙泥基本喪失硝化能力，有機物去除能力也急劇惡化，由物料平衡可知微生物在此階段生長緩慢，自養菌甚至沒有增長，但由於定時排泥導致活性汙泥微生物尤其是自養菌發生了流失，此時升高溫度也無法使微生物恢復活性，故標準條件呼吸圖譜明顯減小。由此說明當標準條件耗氧速率出現明顯減小時，說明微生物出現了流失。
第二階段溫度由20℃降至10℃的過程中，現場條件下自養菌耗氧速率OURn與異養菌耗氧速率OURc的降幅分別為40％和25％左右，第三階段的標準條件自養菌耗氧速率OUR』n相比第二階段減小了31.48％，而標準條件異養菌耗氧速率OUR』c減小了12.17％，由此說明了異養菌對低溫的適應能力明顯強於自養菌，低溫條件下活性汙泥中自養菌較異養菌更容易發生休眠與流失。
6)從圖中可以看出，在多組連續的數據中：
當標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n穩定不變，且現場條件下自養菌耗氧速率OURn減小時，說明活性汙泥中自養菌存在休眠狀況，同時如果標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n與現場條件下自養菌耗氧速率OURn差值越大，則活性汙泥中休眠的自養菌量越多；當標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c穩定不變，且現場條件下異養菌耗氧速率OURc減小時，說明活性汙泥中異養菌存在休眠狀況；同時如果標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c與現場條件下異養菌耗氧速率OURc差值越大，活性汙泥中休眠的異養菌量越多。
7)在多組連續的數據中：當標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n明顯減小時，說明自養菌開始流失，同時標準條件下自養菌耗氧速率OUR』n降低的越多，自養菌量流失越多；當標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c明顯減小時，說明活性汙泥中異養菌開始流失，同時標準條件下異養菌耗氧速率OUR』c降低的越多，活性汙泥中異養菌量流失越多。
本發明方法可以根據活性汙泥呼吸圖譜有效地判別活性汙泥微生物休眠與流失狀態，使汙水廠的技術工作人員了解當前活性汙泥的處理能力，及時調整運行參數，為冬季低溫條件下汙水處理廠的穩定運行與運行調控提供了指導性意見。
以上所述，僅是本發明針對發明應用的實施例，可以使本領域的技術人員更全面的理解本發明，但並非對本發明做任何限制。按照本發明技術方案，上述實施例可舉出很多例子。凡是根據本發明技術方案所給出的範圍和對以上實施例所做的任何簡單的修改和變更，均屬於本發明技術方案的保護範圍。大量的實驗結果表明，在本發明權利要求書所提出的範圍，均可達到本發明的目的。