基于OUR的垃圾渗滤液对城市污水厂活性污泥的抑制特征检测

Detection of Inhibition Characteristics of Activated Sludge in Urban Sewage Treatment Plants by Landfill Leachate Based on Oxygen Uptake Rate (OUR)

摘要: 垃圾渗滤液污染物成分复杂，存在对活性污泥生理活动抑制的物质。在垃圾渗滤液量较少，需要与城市生活污水合并处理时，需要考虑垃圾渗滤液对城市生活污水厂活性污泥的抑制特征，以及活性污泥对垃圾渗滤液的适应情况。本文针对某垃圾渗滤液出水，应用测定活性污泥氧吸收速率(OUR)的方法，来表征活性污泥被垃圾渗滤液抑制和适应情况。实验结果表明垃圾渗滤液会对活性污泥正常的生理活动产生抑制，在活性污泥OUR测定反应器(2.0 L)中，投加200 ml垃圾渗滤液后，活性污泥的OUR值从40~45 mg O₂/(L∙h)下降到25 mg O₂/(L∙h)左右，减少约50%；另外活性污泥对此垃圾渗滤具有一定的适应性，在运行一段时间后可以适应垃圾渗滤液抑制作用；本文为指导垃圾渗滤液处理方式的选择，合理、经济、有效地处理垃圾渗滤液提供了一种评价手段。

Abstract: Landfill leachate has complex pollutant components, and there are substances that inhibit the physiological activities of activated sludge. When the amount of landfill leachate is small and needs to be treated in combination with activated sludge, it is necessary to consider the inhibition characteristics of landfill leachate on activated sludge and the adaptation of activated sludge to landfill leachate. In this paper, for a certain landfill leachate effluent, the oxygen uptake rate (OUR) method was used to characterize the inhibition and adaptation of activated sludge to landfill leachate. The experimental results show that landfill leachate can inhibit normal physiological activities, and the OUR value of activated sludge decreased from 40~45 mg O₂/(L∙h) to 25 mg O₂/(L∙h) after adding landfill leachate of 200 ml into the 2.0 L OUR measurement device, reducing by about 50%; activated sludge has a certain adaptability to this landfill percolation, and can adapt to the inhibition of landfill leachate after a period of operation; this paper is to guide the selection of landfill leachate treatment methods, which are reasonable, economical, and Effective treatment of landfill leachate provides an evaluation tool.

1. 简介

垃圾渗滤液是生活垃圾收集、运输、堆放和处理过程中，由垃圾自身含水、有机物分解产生的水、地表降水和覆土层中持水量、地下水涌入填埋场等而形成的一种污染物成分复杂、浓度高、危害大的废水。垃圾渗滤液具有不同于一般城市污水的特点，包括有机物浓度高、重金属含量较高、水质水量变化大、氨氮的含量高以及微生物营养元素比例失调等[1]。

针对垃圾渗滤液的处理，需要因地制宜采取不同的处理措施。既可以采取单独的处理设施，处理后达到排入城市下水道标准后，再排入市政污水管网[2]，或者当垃圾渗滤液水量较少、浓度较低时，可直接排入市政污水管网，或者通过槽罐车运输至城镇污水处理厂，与城市生活污水合并处理[3] [4]。由于垃圾渗滤液成分较为复杂，存在多种对城市污水厂活性污泥的抑制物质，在考虑与生活污水合并处理时，需要考虑垃圾渗滤液对生活污水厂活性污泥的抑制情况，以及活性污泥对垃圾渗滤液的适应情况。从而避免垃圾渗滤液与生活污水合并处理时，对活性污泥产生不可逆的影响。

氧吸收速率(Oxygen Uptake Rate, OUR)是反映活性污泥混合液在单位时间内消耗溶解氧的量值，OUR可以反映活性污泥的活性，从而揭示活性污泥的正常生理活动是否被抑制[5]-[8]。当活性污泥受到有毒物质的抑制作用，会导致其呼吸速率下降，通过实验室装置或在线仪表测定OUR，可以间接地反映活性污泥微生物的受抑制的情况[9]。

在本文中，将对某城市垃圾填埋场渗滤液进行OUR测定，来界定其对活性污泥的抑制，以及活性污泥对垃圾渗滤液的适应情况。从而为选择垃圾渗滤液合适的处理方式提供科学决策依据。

2. 方法和材料

取某市拟排入城镇污水厂运行的某垃圾填埋场垃圾渗滤液2.0 L作为试验用水。垃圾渗滤液水样取回后，存于4℃冰箱内，并且在4日内完成实验，遗弃超过4天的水样，重新取样后完成剩余实验。垃圾渗滤液实验的测试指标主要为pH值、氨氮、总氮、总磷、化学需氧量(COD)、挥发酚，重金属离子(铬、砷、镉、铅、汞)。pH值采用电极法，依靠SX725多功能水质参数仪，测试流程参考HJ 1147-2020水质pH值的测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法，测试流程参考HJ 535-2009水质氨氮的测定；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，测试流程参考HJ 636-2012水质总氮的测定；总磷采用钼酸铵分光光度法，测试流程参考GB/T 11839-1989水质总磷的测定；氨氮、总氮、总磷的测定均依靠紫外分光光度计UV mini-1280进行测定；化学需氧量采用重铬酸盐法，依靠COD快速测定仪，型号为兰州连华5B-1B，测试流程参考GB 11914-89水质化学需氧量的测定；挥发酚采用4-氨基安替比林分光光度法，依靠765型紫外分光光度计，测试流程参考HJ 503-2009水质挥发酚的测定；汞采用原子荧光法，依靠BAF-300原子荧光光度计，测试流程参考HJ 694-2014水质汞、砷、硒、铋和锑的测定，重金属离子(铬、砷、镉、铅)采用电感耦合等离子体发射光谱法，依靠ICP-5000电感耦合等离子体质谱仪，测试流程参考HJ 776-2015水质32种元素的测定。该垃圾渗滤液主要水质监测指标见表1。

Table 1. Main water quality monitoring indexes of a landfill leachate

表1. 某垃圾渗滤液主要水质监测指标

检测指标		生活垃圾填埋场污染控制标准	检测结果
pH值		6.5~9.5	7.1
NH4 (mg/L)		25	263
总氮(mg/L)		40	304
COD (mg/L)		100	247
总磷(mg/L)		3	1.85
挥发酚(mg/L)		1	0.003
重金属离子 (mg/L)	总铬	0.1	0.014
	总砷	0.1	0.011
	总镉	0.01	0.1
	总铅	0.1	0.362
	总汞	0.001	0.04 μg/L

从当地城镇污水处理厂取曝气池活性污泥10 L作为OUR曲线测定所需活性污泥。该污水厂主要处理生活污水，日处理量约为20万吨/天，生化处理工艺采用CASS工艺。将污水厂取回的污泥在实验室持续曝气24小时以上，使其进入内源呼吸状态，再取2.0 L污泥置入OUR测定装置。

OUR测定装置为实验室自制，其主要构造见下图1，主要由计算机、数据采集控制模块、溶解氧探头、曝气泵、曝气扩散头、反应容器和搅拌装置组成。

溶解氧探头为哈希LDO II 9020000荧光溶解氧在线传感器。溶解氧探头测定的溶解氧读数经数据采集控制模块(美国NI USB-6009)被计算机读取。通过计算机设定反应器内溶解氧浓度的高值和低值。当反应器内溶解氧浓度低于设定低值时，由计算机发出指令，经过数据采集控制模块，控制曝气泵的开启，对反应器内混合液进行充氧，当反应器内溶解氧浓度到达设定高值时，自动关闭曝气泵。OUR测定过程中，搅拌器一直处于开启状态。

1. 计算机；2. 数据采集、控制模块；3. 曝气泵；4. 搅拌装置；5. 溶解氧探头；6. 曝气扩散头；7. 反应容器

Figure 1. Laboratory oxygen uptake rate (OUR) measuring device

图1. 实验室氧吸收速率(OUR)测定装置

图2为OUR的计算过程，在曝气停止的条件下，测定溶解氧下降的过程，对溶解氧测定时间和数据值点进行线性曲线拟合，所得的斜率即为OUR，图2示例的OUR计算值为33.174 mg O₂/(L∙h)。在测定OUR的同时，也对OUR反应器内的COD、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度进行测定。

Figure 2. Calculation of oxygen uptake rate OUR

图2. 氧吸收速率OUR的计算过程

3. 结果与讨论

3.1. 利用氧吸收速率测定垃圾渗滤液对活性污泥的抑制

为测定垃圾渗滤液对活性污泥的抑制，先测定正常运行条件下活性污泥的OUR。首先向体积为2.0 L的OUR反应器中加入1.8 L进入内源呼吸状态的活性污泥，同时加入醋酸钠(易生物降解COD)溶液200 ml，使反应器内的液体体积为2.0 L，COD浓度约为300~400 mg/L。OUR测定时，DO的变化设定在3~4 mg/L范围内，开始测定OUR。由图3所示，加入醋酸钠后[10] [11]，反应器内的OUR稳定在33~40 mg O₂/(L∙h)，装置运行约两个小时后，反应器内醋酸钠被降解完毕，污泥进入内源呼吸阶段，此时OUR值迅速降低至2~5 mg O₂/(L∙h)。这与Dold等人在活性污泥中添加易降解有机物(葡萄糖)后，OUR在一段时间内保持恒定后，下降到活性污泥内源呼吸阶段的OUR值的结果相似[12]，由图3可以得到在无抑制条件、易生物降解COD存在的条件下，活性污泥的OUR值在32.5~40 mg O₂/(L∙h)，活性污泥进入内源呼吸阶段的OUR值为2~5 mg O₂/(L∙h)。

Figure 3. OUR curve of activated sludge under normal operation without landfill leachate inhibition

图3. 正常运行无垃圾渗滤液抑制条件下活性污泥的OUR测定曲线

Figure 4. OUR activated sludge measured under landfill leachate inhibition conditions

图4. 垃圾渗滤液抑制条件下活性污泥的OUR测定

图4为加入少量垃圾渗滤液条件下活性污泥的OUR测试结果。在OUR测试的起始阶段，加入醋酸钠，此时反应器内的OUR值稳定在40~45 mg O₂/(L∙h)之间。反应运行两个小时左右，停止搅拌，沉淀20分钟，将200 mL上清液换成垃圾渗滤液。如图4所示，在加入200 mL垃圾渗滤液后，OUR值迅速从40~45 mg O₂/(L∙h)降低到22~27 mg O₂/(L∙h)，OUR值变为未投加垃圾渗滤液时的约50%，污泥活性受到明显抑制[13]。

3.2. 利用氧吸收速率界定活性污泥对垃圾渗滤液的适应特征

将体积为2.0 L的混合液通过24小时曝气，使其进入内源呼吸状态，沉淀20分钟后，剔除1400 ml上清液后，再补充1400 ml垃圾渗滤液，测定的OUR如图5所示。可以看到，受垃圾渗滤液的抑制作用，起始OUR值仅为9 mg O₂/(L∙h)左右(图6所示)，在经过150分钟的反应后，OUR从9逐渐提高到22 mg O₂/(L∙h)，并稳定在17~22 mg O₂/(L∙h)，表明活性污泥对垃圾渗滤液有一定程度的适应。与图3与没有抑制条件下的OUR值相比，OUR数值下降了约50%，说明添加垃圾渗滤液后，污泥活性明显受到影响。

Figure 5. OUR change after adding 1.4 L of landfill leachate

图5. 加入1.4 L垃圾渗滤液后的OUR变化

Spanjers和Vanrolleghem将70 ml未经处理的工业废水加到1500 ml的活性污泥中测试OUR，结果OUR在20分钟左右由0上升到0.6 mg O₂/(L∙h)，随后逐渐下降，直到污泥进入内源呼吸阶段[14] [15]，Coen等人将五个不同的工业废水样本进行曲线模拟，得出OUR在短时间内由较低值上升到稳定数值后，逐渐下降[16]，Ganesh等人认为与投加醋酸钠相对应的高OUR值相比，投加制革废水的OUR值较低，经过一段时间后，OUR上升，随后制革废水中的可降解有机物降解完毕，OUR降低，当再次投加底物时，OUR值再次上升[17]，Dold等人投加未经处理的工业废水后，OUR从11上升到35 mg O₂/(L∙h)并维持稳定[12]，于本实验投加1.4 L垃圾渗滤液后，OUR变化趋势一致，表明活性污泥在受到抑制后，经过一段时间适应后均能进行生理活动。

3.3. 氧吸收速率与垃圾渗滤液中污染物浓度变化关系

在测定活性污泥对垃圾渗滤液适应情况的同时，对反应器内的污水浓度指标进行采样测定，每隔一小时取样一次，连续取九个小时，9个小时之后每隔3个小时取样一次。当OUR值出现明显下降时(45小时左右)，取样一次。当活性污泥进入内源呼吸阶段后(55小时左右)，取样一次。在实验结束时(62小时左右)，取样一次。随后测定水样的COD、氨氮，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度。

测试结果见图6。在0~9小时时间段，垃圾渗滤液中COD浓度迅速下降，由300 mg/L下降到100 mg/L左右，氨氮浓度由180 mg/L下降到110 mg/L，硝酸盐氮由37 mg/L上升到50 mg/L左右，亚硝酸盐氮浓度由10 mg/L下降为0 mg/L，总氮去除约为67 mg/L。说明此时段发生了同步硝化反硝化反应，反硝化菌以垃圾渗滤液中的易生物降解COD为碳源，进行反硝化反应脱氮。

9~42小时内，此时垃圾渗滤液中COD浓度基本不变，维持在100 mg/L左右，氨氮浓度由110 mg/L下降到10 mg/L，硝酸盐氮基本不变，维持在40 mg/L，亚硝酸盐氮，由0 mg/L逐渐上升到了40 mg/L左右，出现了亚硝的积累，说明此时反应装置内发生的是短程硝化反应，推测可能是可利用碳源不足，反硝化菌活性受到抑制。装置运行42小时后，OUR值由16~18 mg O₂/(L∙h)迅速下降到8 mg O₂/(L∙h)左右，由图6知，此时氨氮含量基本为零，COD含量基本不变，硝化反应结束，使得OUR迅速降低。通过OUR的监测，可以反映装置内的氨氮、可生物降解COD含量变化[18]。

Figure 6. Changes in COD, ${\text{NH}}_4^{+}\text{-N}$ , ${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ , ${\text{NO}}_3^{-}\text{-N}$ concentrations after adding 1.4 L of landfill leachate

图6. 加入1.4 L垃圾渗滤液后COD，${\text{NH}}_4^{+}\text{-N}$ ，${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ ，${\text{NO}}_3^{-}\text{-N}$ 浓度变化

4. 结论与建议

1) 投加垃圾渗滤液后活性污泥的OUR值从40~45 mg O₂/(L∙h)下降到25 mg O₂/(L∙h)左右，减少约50%，表明垃圾渗滤液会对正常的生理活动产生抑制。

2) 活性污泥也对此垃圾渗滤具有一定的适应性，当投加1.4 L垃圾渗滤液后，OUR值在150分钟内，从9逐渐提高到22 mg O₂/(L∙h)；并稳定在18~22 mg O₂/(L∙h)，表明活性污泥可以适应垃圾渗滤液投加。

3) 本文提供了一种通过监测垃圾渗滤液投加后活性污泥OUR值的变化，来反映垃圾渗滤液对活性污泥的抑制和污泥微生物的适应情况，为指导垃圾渗滤液处理方式的选择，优化垃圾渗滤液添加垃圾渗滤液后城市污水厂的运行调试，提供了一种定量评价工具。