基于耗氧速率的毒性預警裝置影響因素分析

張 超，陳亞松,2，陳振國，董文杰，徐冰心

（1. 宜興市建邦環境投資有限責任公司，江蘇宜興 214200；2. 南京大學環境學院污染控制與資源化國家重點實驗室，江蘇南京 210023）

工業企業排放的污染廢水的中重金屬和毒性有機物等物質的含量經常會超出納管標準[1]，當污水處理廠廢水中毒物含量超過微生物生長需要時，會影響活性污泥微生物的正常代謝，對活性污泥造成中毒現象，甚至破壞整個生化系統[2]，給污水處理廠運營與管理帶來不便。因此，研究廢水生物毒性的監測預警技術，對污水處理廠的穩定運行具有重要的意義。活性污泥耗氧速率（OUR）的變化一定程度反應了微生物的抑制性程度，基于活性污泥耗氧速率（OUR），利用污水處理廠自身的污泥活性判斷進水水質變化的預警方法，能夠直觀的反饋廢水毒性對活性污泥的影響，陳亞松等[3]已開發了基于OUR 的生物毒性預警方法和裝置，試驗驗證了不同的重金屬、毒性有機物對生物抑制性的影響。

由于影響預警裝置的影響因素很多，不同的毒性物質、不同的毒物劑量對活性污泥OUR 的抑制率不同，預警反應器的影響因素還包括：污泥種源與濃度（MLSS）、反應溫度，暴露接觸時間（HRT）。由于污泥種源來自于應用的污水處理廠，預警反應器可以實現溫度控制達到統一，因此，預警反應器的污泥濃度、暴露接觸時間（HRT）是影響預警裝置靈敏度和準確度的重要因素，本研究分別針對主要影響因素進行了單因素試驗及正交試驗，并對預警反應器的運行參數進行了優化。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗污泥：本試驗中所有污泥取自宜興市某污水處理廠好氧中段。該廠進水70%為生活污水，30%為工業廢水，pH 為7.5 左右。MLSS 約4 000 mg／L，VSS 約1 700 mg／L，SVI 約為70～100。該廠排放標準執行國家一級A 標準。

分析純藥品：氯化鎳、苯酚、硫酸、氫氧化鈉。

試驗沖擊液：本試驗中所有毒性物質濃度按照離子物質的量濃度計算，人工配比不同濃度的重金屬沖擊液。

1.2 OUR 測量方法

圖1 顯示了OUR 的測量方法：首先由水廠進水與活性污泥充分攪拌混合，根據所需的污泥濃度，調整污泥濃度MLSS（1～5 g／L）。接觸時間HRT（0～60 min），曝氣器將泥水混合液曝氣至溶解氧飽和狀態，再進入密封的耗氧反應器中，開啟磁力攪拌器。待溶氧儀數值穩定后，每隔1min 讀取數據，利用溶解氧（DO）與時間的相關性計算出OUR。假設第n 種毒性物質沖擊后OUR 為：OURn，空白樣為（OUR0），則抑制率=（OUR0-OURn）／OUR0×100 %。

圖1 OUR 試驗裝置與方法Fig.1 Test Apparatus and Methods for OUR

2 結果與討論

2.1 污泥濃度（MLSS）對OUR 的影響

配置廢水中毒物劑量（C=10 mg／L）；接觸時間（HRT）為20 min，分別加入MLSS 為1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 mg／L 的混合液中，以Ni2+、苯酚為例測定了不同污泥濃度下的抑制率變化，結果如圖2、3。

圖2 MLSS 對OUR 抑制率的影響（Ni2+）Fig.2 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by MLSS（Ni2+）

圖3 MLSS 對OUR 抑制率的影響（苯酚）Fig.3 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by MLSS（Phenol）

由圖2、3 可知，隨著污泥濃度的升高，抑制率呈下降趨勢。活性污泥組成可分為：有活性的微生物（Me）；微生物自身氧化殘留物（Ma）；吸附在活性污泥上不能被生物降解的有機物（Mi）；無機懸浮固體（Mii）四個部分。其中活性污泥對有機物的降解可分為2 個階段：吸附階段和降解階段，通常吸附階段時間約為15～45 min。當MLSS 為5 000 mg／L 時，其中的Ma、Mi、Mii 濃度約為2 900 mg／L。并對重金屬進行吸附作用，從而稀釋了可直接被微生物吸收的致毒物質總量。當MLSS 為1 000 mg／L 時Ma、Mi、Mii 濃度約為575 mg／L，對重金屬的吸附量有限，大部分重金屬與微生物直接結合，導致微生物耗氧速率下降。部分研究表明微量的重金屬濃度是微生物正常新陳代謝所需要的，當濃度過高時，會導致微生物死亡，濃度在一定范圍內可促進微生物生長代謝[4]。因此，可以看出高污泥濃度對致毒物質的沖擊有一定的緩沖能力，表現為污泥濃度升高，抑制率下降。

2.2 接觸時間（HRT）對OUR 的影響

毒性物質劑量（C） 為20 mg ／L，污泥濃度（MLSS）為2 000 mg ／L，接觸時間（HRT）分別為0，20，40，60 min，以Ni2+、苯酚為例，測定了不同反應時間里抑制率變化，結果如圖4、5。

圖4 接觸時間（HRT）對抑制率的影響（Ni2+）Fig.4 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by HRT（Ni2+）

圖5 接觸時間（HRT）對抑制率的影響（苯酚）Fig.5 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by HRT（Phenol）

由圖4、5 可知，兩種毒性物質HRT 在0 min 時抑制率均達到40 %以上，毒性物質與微生物有機配位體結合，如堿基、核酸和帶有機能基團的酶結合，表現出非常強的親和力。使微生物失活甚至裂解。HRT 在0～20 min 時Ni2+、苯酚抑制率上升了30.73%、9.34 %，微生物的中毒過程分為2 個階段，第1 階段是微生物體內的活性酶或有機基團與重金屬離子結合，第2 階段是被吸附的重金屬離子參與到細胞代謝過程，引起的細胞蛋白質變性，或加速細胞代謝，表現為隨著微生物呼吸反應鏈的進行，微生物活性逐漸降低。HRT 在20～60 min 時兩種毒性物質抑制率趨于平穩，浮動范圍在5 %左右。不同的微生物對致毒物質的作用機理不同，同種微生物在不同的代謝周期內對致毒物質的敏感程度也有區別，活性污泥中的大多數微生物會在0～20 min 內，表現出對致毒物質的中毒現象。但時間-抑制率曲線呈非線性關系。因此毒性預警裝置的反應時間應控制在0～20 min 內，取大多數微生物中毒反饋最明顯的時間點為易。

2.3 pH 值對OUR 的影響

污泥濃度（MLSS）為2 000 mg／L；接觸時間（HRT）為20 min，調整pH 值分別為2，4，5，6，7，8，9，10，12。測得不同pH 條件下的活性污泥微生物耗氧速率（OUR）變化，結果如圖6、7。

圖6 堿性廢水對OUR 的影響Fig.6 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by Alkaline Wastewater

圖7 酸性廢水對OUR 的影響Fig.7 Effect on Inhibitory Rate of Active Sludge by Acidic Wastewater

由圖6、7 可知，活性污泥對酸堿度較為敏感。當pH 值在6～9 時，為活性污泥的適應范圍，可以看出活性污泥微生物在堿性條件下的適應范圍寬于酸性條件，這與鄭秋輝[5]得出的結論一致。當pH=6時，活性物耗氧速率（OUR）有微弱的促進作用，分析可能原因：該污水處理廠進水偏酸性，經過很長一段時間的馴化，從而能夠適應酸性條件下的進水。當pH 超過6、10 以后微生物的耗氧速率微弱，嚴重影響了微生物的正常代謝功能。

2.4 多因素的正交試驗分析

根據以上單因素試驗結論，結合污水處理廠實際可能的毒物劑量范圍（5～15 mg／L），以OUR 的抑制率為評價指標設計了正交試驗，正交試驗的MLSS、HRT、毒物劑量均比單因素試驗水平低，各影響因素和水平見表1，以苯酚為例開展的正交試驗結果見表2。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factor Level for Orthogonal Experiment

表2 苯酚的多因素正交試驗結果Tab.2 Multi-Factor Orthogonal Experiment Results of Phenol

由表2 可知，各因素對試驗指標抑制率的影響按大小順序：C 苯酚劑量、A 污泥濃度、B 接觸時間。最優方案即：C3 苯酚劑量：15 mg／L，A1 污泥濃度：500 mg／L，B2 接觸時間：10 min。當苯酚劑量不高時，篩選出最優的預警反應器運行參數：MLSS=500 mg／L，HRT=10 min。

由表1、2 可知，當苯酚劑量不高時，篩選出最優的預警反應器運行參數：MLSS=500 mg／L，HRT=10 min，且HRT 在影響因素中均屬于次要影響因素。不同的類別的毒性物質對污泥濃度、毒性劑量的敏感度不同，苯酚首要影響因素為污泥濃度，而苯酚劑量提高到一定程度后對抑制率的影響不明顯。

3 結論

（1）隨著預警反應器污泥濃度（MLSS）的升高，Ni2+、苯酚毒性物質的抑制率呈下降趨勢，以Ni2+和苯酚為例，隨著MLSS 由5 000 mg／L 降低至1 000 mg／L 時，抑制率分別從20.19 %、33.45 %逐步提高至60.62 %、75.52 %；因此，污泥濃度會直接影響微生物對重金屬的靈敏程度和抗沖擊性，降低污泥濃度可以提高預警裝置的靈敏度。

（2）HRT 在0 min 時，Ni2+、苯酚對OUR 的抑制率均在40 % 以上，說明活性污泥微生物對致毒物質十分敏感。HRT 在0～20 min 時Ni2+、苯酚抑制率上升了30.73 %、9.34 %，隨著接觸時間（HRT）的延長，抑制率逐步提高，但時間-抑制率曲線呈非線性關系。HRT 在40～60 min 時，抑制率浮動在5%以內，說明活性污泥中的大多數微生物會在0～20 min內，表現出對致毒物質的中毒現象。

（3）當pH 值超過6、9 時，對活性污泥的抑制率上升速率加快，可以看出活性污泥微生物在堿性條件下的適應范圍寬與酸性條件。當pH 超過6、10以后微生物的耗氧速率微弱，嚴重影響了微生物的正常代謝功能。

（4）以苯酚為例，通過正交試驗對預警反應器進行了優化，結合毒物劑量范圍（C＜15 mg／L），篩選出最優的預警反應器運行參數：MLSS=500 mg ／L，HRT=10 min，其中首要影響因素為污泥濃度，HRT在影響因素中均屬于次要影響因素。

［1］曹秀芹, 崔偉莎, 徐鉞, 等. 城市污水處理廠污泥中重金屬去除方法研究進展[J]. 凈水技術, 2014, 33(2)： 22-26.

［2］ Ren Shijin. Assessing wastewater toxicity to activated sludge： recent research and developments[J]. Environment international,2004, 30(8)： 1151-1164.

［3］陳亞松, 杜郁, 楊廣文, 等. 溶解氧突變預警活性污泥重金屬中毒的研究[J]. 凈水技術, 2014, 33(3)： 65-68.

［4］李洪亮, 陳玉成. 污水生物處理中重金屬的毒理學研究進展[J].微量元素與健康研究, 2006, 23(1)： 49-52.

［5］鄭秋輝. 廢水OUR 值在線監測初步研究[D]. 廣州： 廣州大學,2010： 37-38.