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好氧活性污泥活性检测 摘要 活性污泥法是在1914年由英国人提出的，1916年经美国人应用，现已在世界各国广泛使用[1]。在有机污水中，一段时间内通过搅拌或压缩空气等方式进行曝气，使得污水中的大量好氧微生物得以繁殖，由此生成的褐色、易于沉淀的絮状物称之为活性污泥[2]。活性污泥具有结构疏松、表面积大、对有机污染的吸附凝聚和氧化分解能力强，以及良好的自身凝聚和沉降性等特点[3]。活性污泥是以菌胶团为主体的一种生物处理方法，对有机物的降解分为两个阶段。第一阶段，吸附。因为活性污泥具有很大的表面积，微生物分泌的多糖类黏液具有很强的吸附作用，故与污水接触后，很短时间便会吸附大量的有机物质。此阶段污水中的大部分有机物得以除。第二阶段，摄取、分解阶段。细菌将被吸附的有机物摄入体内，进行代谢，一部分满足自身合成新的细胞，另一部分进行氧化分解，获得能量，在最后的细菌体内酶的作用下，最终生成二氧化碳和水，最终达标排放。目前该法因具有处理污水效率高、处理效果好、运行成本低等特点，使得其从创立至今80多年来，成为处理城市污水和有机工业废水中最有效的生物处理法。活性污泥法主要是通过吸附和生物氧化分解的方式去除污水中的溶解和胶状有机物，污水处理效果主要依赖于污泥的活性，因此在污水系统运行过程中，需对污泥活性进行检测。 一、引言 活性泥法废水处理工艺的处理效率与活性污泥中微生物的代谢状 态密切相关。微生物代谢状况越好，活性越大，处理效果就越好，反之，效果就越差。通常人们用有机污染物去除率、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、污泥沉降 比(SV30)、污泥容积指数(SVI)等常规指标来衡量微生物活性，但是在某些状态下用以上几种参数表示活性污泥的代谢状态不够确切的。为此，人们开始尝试用三磷酸腺苷(ATP)、脱氢酶活性(DHA)和耗氧速率(OUR)等生物指标来反映微生物活性。选取常规指标和三磷酸腺苷(ATP)、脱氢酶活性对活性污泥的性质进行测定。通过研究活性污泥中微生物的脱氢酶活性、ATP含量以及常规指标的大小与活性污泥代谢状态的关系，确定当活性污泥处于不同代谢状态时用哪种方法能更准确地反映其实际代谢状态。选取温度、沉降比、污泥浓度、污泥容积指数、pH 值和 DO 值、水力停留时间、曝气量等作为影响印染废水生物处理系统中活性污泥性质的主要环境因素，通过单因素试验确定活性污泥处于不同代谢状态下用何种方法检测更合适。 二、研究方法或技术介绍 (1)混合液污泥浓度 混合液污泥浓度是指 1L 泥水混合液中所含挥发性悬浮固体的质量(MLVSS) 或悬浮性固体的质量(MLSS)，单位为 g·L-1 或mg·L-1，常被用以代替微生物 数量作为表征曝气池中活性污泥性能状态的检测指标，其中MLSS范围一般为 2-4 mg·L-1。MLVSS相较于MLSS主要体现有机物的数量，去除了无机物质部分如无生物活性的无机物、其他惰性物质等，所以MLVSS更能真实地反映出活的微生物数量，但是我国普遍采用 MLSS。 (2)有机污染物(化学需要量 COD、生化需氧量 BOD)去除率 化学需氧量COD是指氧化1L水中还原性物质所消耗的氧化剂的数量，反映了水体受还原性物质污染的程度，单位为mg/L。我国规定用重铬酸钾法测定废水中的化学需氧量，其他方法还有库伦滴定法、高锰酸钾法等。生化需氧量BOD是指好氧微生物氧化分解水中有机物所消耗的溶解氧量，单位为 mg/L。常用的检测方法是生化培养法，另外有微生物电极法、库伦法等。同时测定进、出水的COD、BOD 的数值，能判断出活性污泥中微生物对废水中有机污染物物的降解能力。 (3)活性污泥沉降比 活性污泥沉降比(SV)指100mL浓度均匀的曝气池泥水混合液经30min 静 置沉淀后所得沉淀污泥的体积与原泥水混合液的体积之比，记为 SV30，即:一般静置半个小时后活性污泥的密度接近它的最大值，所以污泥沉降比可以 真实地反映曝气池正常运行时的污泥数量。在正常情况下活性污泥法废水处理系统中的污泥沉降比数值为20%-30%，人们根据活性污泥沉降比的数值来控制剩 余污泥的排放量，即当污泥沉降比超过这一范围时，就需要排放一部分污泥。同时，活性污泥沉降比还能及时反映出早期的污泥膨胀等异常情况。 (4)污泥体积指数 污泥体积指数(SVI)简称污泥指数，指从曝气池出口处取出的浓度均匀的混合液静置沉淀 30min 后，相应的每克干污泥所占的体积，以 g/mL 表示。SVI值反映活性污泥的凝聚沉降性能和松散程度。较小的SVI值说明污泥颗 粒紧密细小，污泥中矿物质多，缺乏活性、吸附性，容易凝聚沉降，沉淀性能佳， 能与澄清水迅速分离。较大的SVI值说明污泥颗粒质地松散，从而缺乏沉降性 能，即便沉降性能良好，也很难控制泥水分离效果，甚至可能导致污泥膨胀。综 合兼顾活性污泥的吸附、氧化能力和凝聚、沉淀性能，常将SVI控制在 80-150 mL·g-1 之间为宜。而对于有机物含量较高的废水，污泥指数则另当别论，可能远远高于上述值。 (5)活性污泥的耗氧速率 活性污泥的好氧速率(OUR)指活性污泥氧化基质时对溶解氧摄取、消耗的速率。在相同的污泥浓度和有机物、氨氮浓度，即相同的污泥负荷条件下，活性污泥中微生物的氧化活性与活性污泥中微生物的耗氧速率呈正相关。所以，微生物耗氧速率的大小可以间接地反映酶活性的强弱，从而判断活性污泥净化能力的好坏[4]。 (6)ATP法 ATP是生物内一种高能磷酸化合物，广泛存在于生物细胞内，参与生物体内蛋白质、脂肪的合成、吸收等，不仅为细胞代谢提供能量，也是能量代谢的重要 产物。ATP是白色无定形粉末，无臭无味，具有引湿性，易溶于水，不溶于醇、醚等其他有机溶剂。在活性污泥法废水处理过程中通过 ATP 的含量变化结合 微生物活性的情况、有机污染物的去除率，能够有效地分析、控制废水处理体系中的相关参数，改善出水水质，增强处理效果。 大庆石化公司研究结果表明，通过微生物ATP含量的变化判断曝气池中污活性泥状态的好坏较传统的活性污泥性质检测方法更具真实可靠性。Jorgensen 等人[5]研究表明处于指数生长期阶段的活性污泥中微生物ATP的含量和降解过程中微生物的数量、新陈代谢的速度具有很好的相关性。JudyA等人[6]通过实验研究了活性污泥反应器中所含DO浓度对ATP含量变化产生的影响，在不影响活性污泥法处理系统中微生物的活性的前提下，综合经济等方面的考虑，DO浓度应控制在2 mg·L-1以上，但也不宜超过4 mg·L-1。TobinR.S.等人[7]深入研究了温度对ATP含量变化的影响，得出活性污反应器的最佳温度应设为 25°C。因 为在15°C-25°C条件范围内，温度其主导作用，活性污泥中微生物的活性与温度呈正相关，而当温度高于25°C时ATP的含量基本没有大的变化。除了废水温度的高低、pH 值的大小、无机离子的浓度等常规因素，尹军等人[16]还较为系统地 研究了影响 ATP 法检测的准确性和灵敏度的其他诸多因素，例如微生物数量的 多少、紫外光的强弱、碱性磷酸酯酶等。 所以，当我们在使用ATP检测法来表征活性污泥中微生物代谢状态时，应了解此方法所需各类试剂的特性并有效规避此方法的局限性，扬长避短，充分利 用其操作方式简单、快速、灵敏的特点，从而得到准确度高、稳定性强、重复性 好的实验数据。 (7)DHA 法 DHA 是一种由活的生物体产生的、能酶促脱氢反应的蛋白质，它能利用受氢体适当地转移某些特殊的氢原子，并将原来的物质氧化分解，是微生物降解有机污染物、获得能量的必需酶。由于在很大程度上活性污泥中 DHA 的含量与活性污泥法废水处理系统中活性微生物的数量、增长繁殖情况、代谢状态密切相关，能够真实有效反映出活性污泥中微生物降解有机污染物能力的强弱、效果的好坏。 作为检测活性污泥状态的重要指标，常用测定 DHA 的方法有亚甲基蓝法、刃天青法、TTC法以及INT法等。相较于其他检测方法TTC法具有检测速度快影响DHA法测定效果好坏的因素有很多，比如温度的高低，pH值的大小，培养时间的长短，酶反应终止剂、萃取剂的选择等。DHA 检测法发展至今，国内外的很多学者都对其方法作过研究改进。在国内大多文献中经常引用或者介绍的DHA检测方法都是以A.Klapwuk和H.Ryssov-Nielsen所提出的改进方法为 理论依据的。Klapwijk[8]曾提出在90°C高温条件下萃取样品显色液，但是此方法 的局限性在于，相对于 90°C的高温条件丙酮等常用的萃取剂溶液沸点较低，进行萃取操作试剂溶液很容易蒸发，既造成药品试剂的浪费还会影响实验的稳定性和数据的可靠性。尹军和周春生以耗氧消化污泥为材料对影响 DHA 检测的主要实验条件如预处理方法、培养条件、酶反应终止剂等进行了实验研究，总结出在常温条件下萃取操作测定DHA的更为准确可靠的方法:在样品预处理阶段，用纯水清洗经消化后的活性污泥样品，然后在pH为7.5-8.4温度为 37±1°C的条件下培养30min，再用体积为反应液 1/10 的甲醛溶液终止酶反应，最后用80%的丙酮溶液萃取10min。尹军等据此还设计研制了国内第一台 DHA 测定仪，根据微生物的呼吸机理以数学形式直接显示单位体积样品在单位时间内还原TTC所产生的TF的微克数，测定范围0.5-1000μg TF/mL·h该仪器操作简单、灵敏度高、便携小巧，可被广泛应用。与国内一些学者采用生理盐水预处理活性污泥样品的观点不同，H.Ryssov-Nielsen主张用10%的磷酸盐缓冲液对活性污泥样品进行洗涤预处理。朱南文以硫化钠代替连二亚硫酸钠作为还原剂、甲苯作为萃取剂，解决了绘制标准曲线时繁琐、稳定性能差的问题。牛志卿等用超纯水洗涤污泥样品，以三氯甲烷作为萃取剂，对pH值、温度、显色时间和终止剂对酶的活性影响做了研究，改进了TTC-DHA的测定方法。韩晓云等[29]研究了在不同低温条件对生物膜中DHA含量检测效果的影响，结果发现检测生物膜中 DHA 含量的最佳温度为 30°C时，此时生物膜的DHA最高，当温度接近 50°C时 生物膜会丧失活性。 随着科学水平不断进步，研究方法不断创新，DHA的含量不仅成为了废水生物处理中检测活性污泥状态好坏的重要指标，也广泛涉及到其他多个领域的研究中[9][10][11]，例如，DHA的含量可以反映出食品、化妆品中菌落、活性微生物的数 量，DHA的受抑制程度可以判断污染物的浓度和对土壤中微生物性能的影响等。因此，DHA的检测方法越来越受到广大科研者们的重视。 (8)OUR 法 实际废水的水质特征、活性微生物的生物量浓度、微生物的代谢状态、活性 污泥的性质状态都可以通过测量 OUR 进行研究，反映出处理体系中活性污泥的 基本信息。 测定耗氧速率的方法有极谱法、华氏法、排气法和原电池氧测定法等。李冰 和李玉瑛等人[11][12]经过大量实验研究设计改进了两种检测活性污泥中OUR的呼吸测量仪:一种是Merit呼吸测量仪，是一个顶部装有NaOH固体的小托盘的密 闭反应器，注入反应器内部的底物发生降解反应开始消耗O2并生成 CO2，逸出的 CO2 会被固体NaOH吸收，同时有其他设备不断给反应器内补给 O2，维持反应器内部O2浓度恒定。计录补给的O2量就可得到活性污泥样品中OUR的变化曲线;另一种是RODTOX呼吸测量仪，起初通过曝气和搅拌作用不断为反应器提供DO并使其保持在一定数值，记录下初始的恒定DO数值，由于反应底物不断耗氧，DO浓度随着反应底物的降解反应而越来越少，此时记录DO浓度的变化，结合氧传质系数，就可得出活性污泥样品中OUR的变化曲线。虽然两种测量仪都能更加真实的模拟检测环境，反复重现实验条件，但是他们的检测过程耗时较长。 郝晓地和张自杰利用原电池氧测定法对影响OUR测定的因素进行实验分析，发现较为常规且显著的因素有pH值、温度、有机物浓度等，而李冰和李玉瑛等人提出的检测活性污泥中OUR的呼吸测量仪，对其他影响因子如时间、生物质、基质以及基质浓度等做了进一步研究，所以我们要在实际工作中根据实 际情况选择所需要的条件。 镜检也是检测活性污泥性质的重要方法，但从种类繁杂的微生物形态上不易 辨别其代谢状态的好坏。欲从微生物种群、数量的变化上判断活性污泥的状态，往往需要较长的时间。也有些文献报道研究了废水生物处理系统中微生物群落和运行参数之间的 关联性，但所用方法涉及的周期都比较长。因此，现有的活性污泥检测方法尚不能满足对活性污泥系统运行异常进行预警的要求，迫切需要开发研究能够快速检测活性污泥代谢状态激变的新方法。WuX.Z.等人提出了一种基于光偏转原理快速判断单细胞生死状态的方法。活细胞代谢的结果是在细胞膜与膜外溶液的界面附近形成代谢物的浓度梯度。当光束穿过细胞膜与外部溶液的界面薄层时，沿浓度梯度的方向，膜外溶液的折射率逐渐改变，使入射到界面薄层的光发生偏转。相反，死细胞在膜外界面几乎不存在浓度梯度，因而不会使入射光偏转。基于上述原理，通过检测光偏转的不同情况，对单细胞的生、死状态以及对极端环境的响应进行鉴别(如在强紫外光照射下生物细胞突然死亡)。该法对于单细胞生死状态的判断操作简单、快捷。在后续研究中，他们又将该法用于对植物不同部位代谢物质迁移的观察，不仅成功地检测到叶面与根部代谢状态的差异，并且将叶面与根部的代谢随不同时间呈现的差异也迅速反映出来。
Developing grey-box model to diagnose.pdf
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