活性污泥二次啟動的探究

王慧慧

摘要：研究了好氧活性污泥饑餓儲存過程中，存放條件對污泥活性的影響，探究了污泥活性降低后，是否可以成功二次啟動、能夠使污泥成功恢復活性的最長存放時間及最短啟動時間。結果表明：當不同光照條件和不同基質濃度的好氧絮狀活性污泥在恒溫25℃條件下存放365 d后，呼吸速率OUR變為0.03～0.05mgO2/（L·min）。經過4次馴化實驗，累計生化時闖60 h，污泥樣品被重新激活。存放過程中，污泥活性隨著存放時間的延長呈一致規律性的降低。長期饑餓后的好氧絮狀活性污泥經過多次馴化，都能夠被重新激活。活性損失量和二次啟動累計耗時隨著存放時間增加而增多。延長閑置時間，污泥不會完全喪失活性，再次運行時，可直接進行馴化，一段時間內即可二次啟動。

關鍵詞：好氧活性污泥;二次啟動;污泥活性;呼吸速率

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0098-05

1引言

活性污泥法，是污水處理領域中最常用的生化處理方法之一。根據各地污水處理廠的進水水質不同，目前逐漸衍生出諸如厭氧活性污泥法、好氧活性污泥法、氧化溝法、AB法及接觸氧化法等多種活性污泥法工藝。這些工藝的本質都是通過工作人員前期對活性污泥進行調試馴化，使得活性污泥菌群微生物保持較高的活性，能夠達到高效的處理效果。

水處理行業中，有許多季節性特征明顯、特定季節需要停產擱置的項目，在淡季時廠里污水站部分反應器閑置停用，而操作和環境的變化會對廢水處理系統產生影響。由于活性污泥微生物是污水處理的主體，因此，饑餓環境必然會對反應器的運行造成極大影響。從環境工程的角度，儲存穩定性，活性污泥的物理化學特性和再活化性能對其工程實踐至關重要。

目前已有許多學者探究了不同特性下的污泥儲存，并考察了污水處理系統中微生物在饑餓條件下的種群結構變化。胡怡杉等采用聚合酶鏈式一變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）技術發現在貧營養條件下膜生物反應器和傳統活性污泥工藝反應器中的微生物均會發生明顯的種群結構變化;劉文龍等利用Illumina高通量測序平臺分別考察了活性污泥好氧饑餓處理3 d、7d、14 d和30 d后的微生物種群結構特性及差異，并發現功能細菌的種群豐度隨著好氧饑餓時間的延長均逐漸減少。高敬等對活性污泥生長機理和動力學規律進行研究，發現基質投加方式對有機碳基質儲存與消耗有重要影響。

以厭氧氨氧化污泥和好氧顆粒污泥為研究對象的有關報道相對較多。這兩種污泥都具有較好的應用潛力;但是，厭氧氨氧化菌是中溫菌、體積小、易流失、細胞產率低、世代時間長（11 d），對于氧氣、溫度、營養物質等一系列環境因素變化極為敏感，導致厭氧氨氧化微生物很難快速富集、反應器很難快速啟動。好氧顆粒污泥經歷長期閑置或儲存后，會出現優勢菌衰減、厭氧內核水解、絲狀菌過度生長等功能結構的破壞性變化，該過程受到儲存時間、營養基質和環境溫度等因素的影響，并且存在常溫下儲存易發生解體和失活，活化難度高，啟動時間長等問題，在實際工程中相對于好氧絮狀污泥應用受到限制。絮狀污泥長期以來被各地污水處理站廣泛應用，該技術不僅運行高效、經濟合理，而且工藝十分簡單，操作便利。

目前，很少看到文獻報道過，儲存基質、光照條件對好氧絮狀活性污泥長期儲存和后續再活化性能的相關研究。本研究對好氧絮狀活性污泥長時間擱置存放后，探究污泥的活性變化規律，并考察了活性污泥能否快速重新恢復活性，以期對實際應用提供有用的信息和為反駁前人的常有觀點找出證據。

2材料和方法

2.1試驗樣品的制備

好氧活性污泥取自鄭州市五龍口污水處理廠，污泥取回后進行充氧曝氣6 h，去除殘留的有機物和氨氮等。調節初始污泥濃度MLSS為3400 mg/L，以葡萄糖為唯一基質碳源。

考慮光照條件（光照與黑暗）、基質濃度（COD為50mg/L、100 mg/L和300 mg/L）和存放時間（35 d、50 d、75 d、100 d、150 d、200 d、300 d、365 d）3個影響因素進行樣品分裝，如表1所示。

2.2試驗樣品的存放方法

每個污泥混合液樣品容積為500 mL，分裝并儲存在密閉聚乙烯容器中。黑暗條件下樣品用黑色遮光布遮蔽，避免光照影響。

存放聚乙烯容器采用的智能人工氣候箱設定條件：恒溫25℃，濕度恒定70。白天黑夜各12 h交替運行，白天光照中等強度66%，黑夜光照為0。

2.3活性污泥的二次啟動方法

基于兩種活性污泥再次啟動方式，即：先悶曝數小時再加營養馴化、直接加營養馴化。研究表明，直接加營養馴化的啟動時間更短。

因此，試驗采用直接加營養（蔗糖）馴化的方式，對存放后的污泥樣品進行二次啟動。同時，機械攪拌進行充氧生化。存放時間較長的污泥，有必要進行多次馴化，直到二次啟動成功。

2.4污泥活性的測定

2.4.1呼吸速率OUR測定

采用溶解氧測定儀測定溶解氧DO，將溶解氧DO與時間t的關系作圖，分析活性污泥的內源呼吸速率OUR值。恒溫25℃條件下，測得初始污泥呼吸速率OUR：0.618 mg/（L·min）。

2.4.2有機物降解速率分析

污泥樣品中，加入營養（按COD為400 mg/L計算，用白糖配制），開始機械攪拌方式進行充氧生化，然后計時開始，每兩個小時（2 h）測定一次水樣COD，直至COD降至50 mg/L停止，記錄所用時間，做COD—t曲線，和初始污泥降解速率比較。污泥保藏前測得其COD去除速率為35 mgCOD/（L·h）。

所有樣品的有機物降解速率COD—t的測定，均在SBR反應器中進行，條件：水浴恒溫25℃，采用機械攪拌充氧方式充氧（溶解氧DO大小一致），每間隔2個小時，直接取樣，并測定其COD大小，COD的測定采用消解法測定。

2.4.3其他項目測定

混合液體懸浮物（MLSS），污泥體積指數（SVI）和氮（NH⁴⁺-N）用標準方法測定。

3結果與討論

3.1光照條件下外部基質濃度和儲存時間對活性污泥儲存的影響

3.1.1不同基質條件和時間下活性污泥內源呼吸速率的變化規律

呼吸速率OUR作為活性污泥的重要代謝指標，可以有效地用于表征活性污泥的活性。但在測定過程，由于考慮到多組樣品的對照實驗，而外源呼吸速率測定的影響因素眾多，又因為內源呼吸速率和外源呼吸速率呈現正比例關系，變化規律表現一致，均能夠反應活性污泥的活性大小;活性污泥微生物進入休眠期的時刻與污泥的類型和污泥齡的長短無關，均為272h。所以本實驗從保藏35 d開始探究，此時基質已消耗殆盡，測定的呼吸速率為內源呼吸速率。結果如表2所示。

可見保藏時間為35 d時，基質濃度為50、100、150mg/L的污泥樣品的內源呼吸速率值均小于初始污泥的呼吸速率0.618 mg/（L·min），分別下降了47.73%、39.64%和一一%。當OUR減小時，表明微生物進入休眠狀態，且OUR減小值越大，進入休眠狀態的微生物數量越多，污泥活性越小。因此，污泥活性與初始相比有所下降。隨著樣品儲存時間延長至100 d時，3種不同基質濃度的污泥內源呼吸速率逐漸降低，但降低速率有區別：基質濃度100 mg/L>基質濃度300 mg/L>基質濃度50 mg/L。說明當存放100 d時，污泥活性均在下降，但活性下降速度有所不同。當保藏時間增加到300 d時，三種不同基質濃度的污泥樣品的內源呼吸速率值均下降至0.023～0.026 mg O2/（L·min）。說明好氧活性污泥經過長時間300 d存放，污泥活性會隨時間推移而逐步降低;且存放時基質濃度對污泥內源呼吸速率影響不大。儲存時間繼續延長至365 d，發現污泥樣品的內源呼吸速率不僅沒有消失，反而比300 d時有所升高，這是由于污泥對保藏條件的適應性。這與Gao的結論一致，長期饑餓條件下，微生物可以通過內源性呼吸維持活性，并不會由于儲存時間過長而失活。

3.1.2不同基質條件和時間下活性污泥的有機物去除能力

活性污泥凈化污水的過程分為初期吸附和微生物代謝兩個階段。吸附對廢水中污染物的去除機理以絮凝及吸附為主，以吸收和氧化為輔。污泥比內源呼吸速率OUR高說明活性生物所占比例高，表現為有機物去除速度快。因此，為了進一步驗證儲存過程中污泥活性的變化規律，繼續對污泥樣品進行有機物去除速率分析。污泥樣品中，加人營養（按COD為400mg/L計算，用白糖配制），測定單位時間內每個污泥樣品的COD去除速率，以進行有機物去除能力的鑒定。新鮮好氧活性污泥生化降解有機物，1 h內平均COD去除速率為33.8 mg/（L·h）。

樣品存放365 d過程中，光照條件下不同基質和時間對有機物去除能力的影響結果見表3。當保藏時間為35d時，不同基質濃度的污泥樣品的有機物降解速率與初始污泥的有機物去除速率33.8 mg/（L·h）相比分別下降了21.01%、15.68%。和對應OUR值的變化規律相一致，再次說明了污泥樣品經過35 d的存放出現了活性降低的現象。3種不同基質濃度的污泥儲存100d，有機物去除速率逐漸降低，但降低速率依然有：基質濃度100 mg/L>基質濃度300 mg/L>基質濃度50mg/L這一規律。說明當存放100 d時，和OUR值表征的結果相同：污泥活性下降速度和基質濃度有關。當保藏時間增加到365 d時，在這一過程中雖然部分取樣點出現去除速率上升的現象，但總體與100d時相比，依然呈現下降趨勢，三種不同基質濃度的污泥樣品的有機物去除速率均下降至16.79～12.40 mg/（L·h）。說明好氧活性污泥經過長時間365 d存放，污泥活性會隨時間推移而逐步降低;與此同時，污泥也會對保藏饑餓條件出現適應性應對。

3.1.3不同基質條件和時間下活性污泥的二次啟動時間

從存放過程中污泥樣品的呼吸速率和有機物去除速率的變化趨勢可知，即使經過365d長期儲存，仍然具有被重新激活的潛力。當污泥樣品對有機物的去除率達85%以上時，證明好氧絮狀污泥的活性得到恢復。探究不同存放條件下樣品的活性恢復時間可以對未來工程實踐提供借鑒意義。光照條件下各組活性污泥樣品的二次啟動時間見圖1。

從圖1中可以看出，存放35 d后，污泥樣品啟動時間達24 h。存放50 d后，兩次馴化都不能成功啟動，需要三次馴化，才能夠恢復到初始污泥相當的水平;啟動時間累計達到30 h。存放75 d、100 d、150 d、200 d、300d后，分別需要34 h、40 h、46 h、51 h、55 h的啟動可以重新恢復活性。說明好氧活性污泥在饑餓條件下儲存之后，活性逐漸降低。經過365 d存放，污泥經歷4次的馴化實驗，累計生化時間60h，重新被恢復到初始污泥的水平。在光照條件下，3種不同基質濃度的污泥需要的啟動時間均相同。說明基質濃度對活性污泥的二次啟動沒有影響。

3.2黑暗條件下外部基質濃度和儲存時間對活性污泥儲存的影響

3.2.1不同基質條件和時間下活性污泥內源呼吸速率的變化規律

黑暗條件下活性污泥樣品內源呼吸速率的變化如表4所示。可見污泥樣品經35 d的保藏，不同基質濃度下的污泥樣品的內源呼吸速率值均小于初始污泥的呼吸速率0.618 mg/（L·min），分別下降了32.68%、16.99%，均大于各自光照條件下保藏的樣品呼吸速率。說明活性污泥在黑暗條件下經過35 d存放，活性與初始狀態相比同樣有所下降;但下降速度小于光照條件下的污泥。

與光照條件的樣品相同的是：儲存時間延長至100d時，三種不同基質濃度梯度的污泥的內源呼吸速率逐漸降低，但依然存在：基質濃度100 mg/L>基質濃度300 mg/L>基質濃度50 mg/L的降低速率上的不同。當保藏時間增加到300 d時，三種不同基質濃度的污泥樣品的內源呼吸速率值均下降至0.025～0.031 mgO2/（L·min），比光照條件下的內源呼吸速率值增加8.70%～24.00%。說明好氧活性污泥經過長時間300d存放，光照條件下污泥活性的變化規律在黑暗條件依然成立，并且黑暗條件下總體樣品的活性略微高于光照條件下的樣品活性。儲存時間繼續延長至365d，發現黑暗條件下污泥樣品的內源呼吸速率同樣比300 d時有所升高。

3.2.2不同基質條件和時間下活性污泥的有機物去除能力

黑暗條件下不同儲存時間和基質濃度對有機物去除能力的影響結果見表5。保藏35 d時，基質濃度為50 mg/L和100 mg/L的污泥樣品的有機物降解速率與初始污泥相比分別下降了10.65%和13.02%，均大于各自光照條件下保藏的樣品有機物去除速率。同樣說明了活性污泥在黑暗條件下存放35 d后，與初始狀態相比污泥活性有所下降;但高于光照條件下存放的污泥。與光照條件的樣品相同的是：存放100 d時，3種不同基質濃度的污泥的有機物去除速率逐漸降低，但基質濃度為100 mg/L的樣品去除速率依然最高。儲存時間增加到365 d，光照條件下污泥活性的變化規律在黑暗條件依然成立，同樣說明污泥活性會隨饑餓儲存時間延長而逐步降低，但不會完全喪失活性，仍然具有被重新啟動的潛力。

3.2.3不同基質條件和時間下活性污泥的二次啟動時間

黑暗條件下各組活性污泥樣品的二次啟動時間見圖2。從圖2中可以看出，黑暗條件下3組不同基質濃度的污泥樣品的活性變化規律和二次啟動情況規律均和光照條件下樣品活性變化及啟動時間相一致，說明有無光照對活性污泥的二次啟動沒有影響。目前的研究已表明：EPS，特別是PN和微生物群落在好氧顆粒污泥的儲藏和重新激活過程中做主要貢獻。對于好氧絮狀污泥的重新被激活，還需要后續更加細致的研究。

4結論

本文研究了好氧絮狀污泥長時間未利用的活性變化規律以及當活性降低后，還能否成功二次啟動、能夠成功二次啟動的污泥最長存放時間及最短啟動時間。得出以下結論。

（1）好氧活性污泥經過365 d存放，污泥活性會隨保藏時間的延長而逐步降低。

（2）經過365 d儲存的污泥樣品仍然有活性恢復的潛力，經過多次馴化，均可以成功地二次啟動。

（3）存放過程中，隨著時間的推移，活性污泥的二次啟動累計時間逐漸變長，但是最短可以控制在60 h。

（4）好氧活性污泥的存放過程，不同存放條件下[基質（COD）;光照與否]，六組樣品的活性變化規律和二次啟動情況規律均一致。