一种基于呼吸图谱评估活性污泥是否适应新环境的方法与流程

本发明属于污水处理领域，涉及一种通过对活性污泥呼吸图谱的分析，评估活性污泥是否适应新环境的方法。

背景技术：

活性污泥工艺是目前应用最为广泛的污水处理技术，占城市污水处理工艺的90％以上和工业废水处理工艺的50％左右。而活性污泥工艺的核心就是活性污泥，污废水处理效果的优劣取决于活性污泥中微生物的特性，然而环境条件的变化往往会影响活性污泥结构和活性的变化，从而影响污废水的处理效果。由此，了解活性污泥对环境变化的耐受程度，或者说评估活性污泥是否适应新环境就显得尤为重要。

目前，大量研究主要集中在活性污泥的活性测定上，而鲜有对活性污泥是否适应新环境进行评估的方法。测定活性污泥活性的方法有很多，包括活性污泥ATP含量测定法、活性污泥耗氧速率测定法、以及脱氢酶活性法等。活性污泥中ATP含量比较稳定，生物的生长速度不会影响ATP/活生物量比例，生物死亡后ATP马上消失。ATP的浓度与活性污泥生物量直接相关，也与活性污泥微生物的新陈代谢速度直接相关。高活性的活性污泥，微生物具有高新陈代谢速度，细胞内有高浓度的ATP；活性污泥耗氧速率(OUR)可以提供活性污泥活性的基本信息，当OUR值为20～40g O2/(kgVSS·h)时，表明活性污泥具有活性，若OUR值为5～10g O2/(kgVSS·h)时，其值较低，表明活性污泥活性较差；脱氢酶活性法是利用脱氢酶催化有机物脱氢，然后氢被传递给特定的受氢体(在好氧处理时，最后的受氢体是分子氧)，而废水的生物处理就是利用微生物的作用而使废水中的有机物分解为较为简单的化合物，因此，脱氢酶的活性也代表了活性污泥的活性。但是以上这些都是对活性污泥活性的测定，目前并没有直接的方法评估活性污泥是否适应新环境。

再加上在现有的中小型污水处理厂中，由于人才、设备的缺乏，无法简单、快捷的对环境(如：DO、温度、pH、化学药剂添加量等)条件变化下活性污泥是否能适应环境的改变，进行准确的评估和判断。基于以上现状，提出一种方法，即通过呼吸图谱分析建立了一种简单易行的评估活性污泥是否适应新环境的方法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呼吸图谱评估活性污泥是否适应新环境的方法，该方法利用好氧条件下获得活性污泥呼吸图谱DO-t曲线，通过拟合得到其斜率，继而绘制出OURe/OURt-t的一条曲线，由OURe/OURt-t曲线的变化趋势，准确评估活性污泥是否适应环境。

作为一种评估活性污泥是否适应环境的方法，污水厂活性污泥测试结果表明：我们发明的基于呼吸图谱评估活性污泥是否适应新环境的方法能够准确、高效的对活性污泥是否适应新环境进行评估。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

1.根据本发明实施例提供的一种基于呼吸图谱评估活性污泥是否适应新环境的方法，该方法包括以下步骤：

1)取污水处理厂活性污泥，用缓冲溶液对活性污泥进行多次清洗，并且充分曝气，使活性污泥进入内源呼吸状态；

2)在活性污泥进入内源呼吸状态后，充分搅拌，得到第一段呼吸图谱DO-t曲线，拟合得到其斜率，即为活性污泥内源呼吸速率OURe；

3)在步骤2)活性污泥中分别加入氮源和碳源，然后充分曝气至溶氧DO达7mg/L以上，充分搅拌，得到另一段呼吸图谱DO-t曲线，拟合得到其斜率，即为总呼吸速率OURt；

4)重复步骤1)-3)，分别得到随时间变化的内源呼吸速率OURe值与污泥总呼吸速率OURt值；

5)用OURe/OURt比值绘制关于时间t的曲线，根据OURe/OURt-t曲线的变化趋势，评估活性污泥是否适应新环境，若曲线呈先上升后平稳或先上升后下降趋势，预示活性污泥可以适应新环境；若曲线呈持续上升趋势，预示活性污泥不适应新环境；

所述可适应的新环境包括：活性污泥从正常溶氧转为低溶氧的环境；活性污泥中加氯量为低氯量的环境；

所述活性污泥不适应的新环境包括：活性污泥中加氯量为高氯量的环境。

进一步，所述步骤1)中，活性污泥进入内源呼吸状态的具体过程为：

取污水处理厂的活性污泥300ml，并用体积比1:3的比例添加自来水对泥进行稀释，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，然后用PBS缓冲溶液以0.2ml/s，进3s洗涤活性污泥一次，如此重复洗泥3次，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，即1.2L，曝气2h，活性污泥进入内源呼吸状态。

进一步，所述步骤2)、3)中，呼吸图谱DO-t曲线通过下述条件控制获得：

控制DO下降阶段持续时间t：5≤t≤25min和DO下降阶段变化范围：6.0≤DO≤4.0mg/L。

进一步，步骤2)、3)中获得呼吸图谱DO-t曲线过程的温度控制为8～45℃。

进一步，步骤1)中，所述清洗污泥的缓冲溶液为PBS缓冲溶液，该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。

进一步，步骤3)中所述对污泥加入氮源按质量比每1g活性污泥中加入3～14mg氮元素质量含氮化合物。

进一步，步骤3)中所述对污泥加入氮源为含氮元素无机物或含氮元素有机物，所述含氮元素无机物为氯化铵或硫酸铵；所述含氮元素有机物为尿素。

进一步，步骤3)中所述对污泥加入碳源按质量比每1g活性污泥中加入200～700mg含碳元素有机物；所述碳源为单一碳源：乙酸钠、葡萄糖，或淀粉。

进一步，所述投加氮源与碳源的质量比按照干活性污泥比例投加。

进一步，所述正常溶氧DO为2-4mg/L，所述低溶氧为DO＜0.5mg/L；

所述低氯量为活性污泥中NaClO≤8‰，高氯量为活性污泥中NaClO≥15‰。

进一步，所述活性污泥是否适应新环境的判定方法为：

根据OURe/OURt-t曲线的变化趋势判断活性污泥是否适应新环境：①曲线呈先上升后平稳或先上升后下降趋势，预示活性污泥可以适应新环境；②曲线在环境条件改变一周后仍在上升，即呈持续上升趋势，说明内源呼吸速率OURe在增加，相应的功能性菌群的呼吸速率在减弱，预示活性污泥无法适应新环境，功能性菌群的活性将持续下降直至消失，最终解体；③曲线呈下降趋势，预示新环境有利于功能性菌群的生存，有利于活性污泥的生长。

本发明具有以下优点：

1)本发明找到呼吸图谱中内源呼吸速率OURe与总呼吸速率OURt比值(OURe/OURt)随时间t的变化趋势与活性污泥适应新环境与否之间的关系，可以准确评估活性污泥是否适应新环境，进而为解决指示活性污泥适应新环境的指标提供了有效的判定方法，具有一定的指导意义。

2)本发明方法检测方便。步骤简单易行，且测试设备自动化，例如使用西安绿标水环境科技有限公司提供的WBM系列污水处理智慧运行工作站，即可在无人操作的情况下自动化对待测试污泥进行测试。

3)本发明所运用的参数并非水质这种非直观表征污水厂运行情况的指标，而是关注在污水处理的核心主体污泥上。污泥的自身状态才是真正影响污水厂运行的关键。而本发明所提供的以活性污泥内源呼吸比(OURe/OURt)关于时间t的变化趋势，作为活性污泥是否适应新环境的预示指标，更是在检测中简单直观易行。

附图说明

图1(a)(b)(c)(d)分别为西安市某污水厂活性污泥在降低DO和投加不同量的次氯酸钠条件下，所得到的(OURe/OURt)-t曲线。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明做进一步的说明。

本发明通过对活性污泥呼吸图谱分析来评估活性污泥是否适应新环境。

本发明评估活性污泥是否适应新环境，包括以下步骤：

1)取污水处理厂活性污泥300ml，用体积比1:3的比例添加自来水对泥进行稀释，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，然后用PBS缓冲溶液以0.2ml/s，进3s洗涤活性污泥一次，如此重复洗泥3次，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，即1.2L，并且充分曝气2h，使活性污泥进入内源呼吸状态；

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。

2)进入内源呼吸状态后进行充分搅拌，获得第一段DO-t曲线，拟合得到其斜率，即为活性污泥内源呼吸速率OURe；

3)在步骤2)结束后，污泥加入氮源按质量比每1g活性污泥中加入3～14mg含氮元素无机物(氯化铵或硫酸铵)或含氮元素有机物(尿素)。再加入碳源按质量比每1g活性污泥中加入200～700mg含碳元素有机物(乙酸钠，葡萄糖或淀粉)。充分曝气至溶氧DO达7mg/L以上，充分搅拌，最后得到另一段呼吸图谱DO-t曲线，拟合得到其斜率，即为总呼吸速率OURt；

呼吸图谱DO-t曲线满足条件：控制DO下降阶段持续时间t：5≤t≤25min和DO下降阶段变化范围：6.0≤DO≤4.0mg/L。获得呼吸图谱DO-t曲线过程的温度控制为8～45℃。

投加氮源与碳源的质量比按照干活性污泥比例投加。

4)重复步骤1)～3)，分别得到随时间变化的内源呼吸速率OURe值与污泥总呼吸速率OURt值。

5)用OURe/OURt比值绘制关于时间t的曲线，根据OURe/OURt-t曲线的变化趋势，评估活性污泥是否适应新环境：①曲线呈先上升后平稳或先上升后下降趋势，预示活性污泥可以适应新环境；②曲线在环境条件改变一周后仍在上升，即呈持续上升趋势，说明内源呼吸速率OURe在增加，相应的功能性菌群的呼吸速率在减弱，预示活性污泥无法适应新环境，功能性菌群的活性将持续下降直至消失，最终解体；③曲线呈下降趋势，预示新环境有利于功能性菌群的生存，有利于活性污泥的生长。

其中，功能性菌群包括自养菌和异养菌。

总呼吸速率OURt＝内源呼吸速率OURe+以去除氨氮为主的自养菌的呼吸速率+去除BOD₅的异养菌的呼吸速率。

活性污泥可适应新环境包括：

①活性污泥在正常溶氧转为低溶氧的环境；正常溶氧DO为2-4mg/L，所述低溶氧为DO＜0.5mg/L；②活性污泥中加氯量≤8‰的环境。

活性污泥无法适应新环境包括：活性污泥中加氯量为NaClO≥15‰的环境。

下面通过具体实施例进一步说明本发明效果。

1)对来源于西安市某污水处理厂A²/O工艺活性污泥进行取样；

2)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获得活性污泥呼吸图谱DO-t曲线的设备；

3)取污水处理厂活性污泥300ml，并用体积比1:3的比例添加自来水稀释，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3次，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，即1.2L，充分曝气2h，活性污泥进入内源呼吸状态；

4)在步骤3)污泥进入内源呼吸后，进行充分搅拌30min，获得呼吸图谱DO-t曲线，取溶氧为6-4mg/l的区间段，拟合得到其斜率，即得到内源呼吸速率OURe；

表1给出了本实验中不同实施例工艺参数情况例举。

表1不同实施例原料工艺参数

5)在步骤4)结束后，加入氮源，使得氨氮浓度为50mg/l，加入碳源，使得容器内COD浓度为300mg/l，然后充分曝气至溶氧DO达7mg/L以上水平，之后进行充分搅拌30min，在温度下得到另一段呼吸图谱DO-t曲线，取溶氧为6-4mg/l的区间段，拟合得到其斜率，则会得到污泥加氮加碳后的总呼吸速率OURt；

6)在降低DO(<0.5mg/l)和投加不同量的次氯酸钠(2‰、8‰、15‰)的基础上重复以上步骤对污泥进行了连续监测，得到各自条件下随时间变化的内源呼吸速率OURe值与污泥总呼吸速率OUR值，用OURe/OURt比值绘制关于时间t的曲线。

实施例分析：

取西安市某污水处理厂A²/O工艺活性污泥，通过降低DO(其中正常DO为2-4mg/L)，和投加不同量的次氯酸钠，测得各自条件下的呼吸图谱DO-t曲线。由获得的呼吸图谱DO-t曲线，得到各环境条件下的OURe/OURt曲线，如图1所示。图1(a)是反应器在正常溶氧下运行一段时间，后转为低溶氧(<0.5mg/L)环境，一段时间后再改变其环境，将其恢复至正常溶氧同时加入15‰的NaClO，活性污泥OURe/OURt-t的曲线变化图；而图1(b)是重启实验后，活性污泥在正常溶氧下生存一段时间，后转为低溶氧(<0.5mg/L)下生存的OURe/OURt-t曲线变化图；图1(c)(d)为同时间的两个试验，图中矩形折线表示NaClO的投加过程，在加入2‰后一段时间加入8‰而后停止投加NaClO的活性污泥OURe/OURt-t曲线变化图。发现在投加不同量的次氯酸钠后，高氯量(15mg/g SS)下污泥发生解体，即污泥无法适应新环境；而在低氯量(2‰、8‰)下污泥则不会解体，即污泥可以适应新环境，在降低DO的试验中，污泥未发生解体，即污泥可以适应新环境。对比其各自条件下的OURe/OURt-t曲线，显而易见：①曲线在低溶氧或低氯量环境条件下呈先上升后平稳或先上升后下降趋势，在加入2‰后一段时间再加入8‰NaClO后停止加氯，曲线也呈先上升后下降趋势，预示活性污泥可以适应新环境，其短暂性上升是因为微生物在进行适应性调整；②在15‰的高氯量环境条件下曲线呈持续上升趋势，预示活性污泥无法适应新环境，功能性菌群的活性持续下降直至消失，最终解体。③曲线呈直接下降趋势，预示新环境有利于功能性菌群的生存，有利于活性污泥的生长。这与实验获得的OURe/OURt-t曲线变化趋势所反映的活性污泥情况一致，完全吻合。也就是说，通过取污水处理厂活性污泥获得呼吸图谱DO-t曲线，根据其得到OURe/OURt-t曲线，通过此曲线的变化趋势，便可准确评估活性污泥是否适应新环境。

综上可见，本发明是一种基于呼吸图谱评估活性污泥是否适应新环境的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，采用调整DO量和氯的投加量的方式，控制DO-t曲线DO下降阶段持续时间t、DO下降阶段的变化范围，从而得到呼吸图谱DO-t曲线，继而得到OURe/OURt-t曲线过程中，在此仅仅给出了较佳的实施例，除此，本发明权利还包括其他环境因素的改变，如温度、pH等。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。