DO对有机物降解速率及污泥沉降性能的影响

高春娣，王淑莹，彭永臻，殷波

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

　　摘　要：就SBR法处理啤酒废水过程中溶解氧(DO)对有机物降解反应的影响进行了研究。结果表明，DO浓度对有机物降解速率的影响遵循Monod方程式。当反应过程中DO＞2.0 mg/L时，有机物比降解速率受DO浓度的影响不大；当DO＜0.8 mg/L时，有机物比降解速率与DO浓度呈正相关。试验中还求得了DO浓度影响有机物降解速率的动力学常数——氧饱和常数(KO2)与有机物最大比降解速率(Vmax)，同时对反应过程中不同恒定DO浓度与污泥沉降性能之间的关系进行了探讨。
　　关键词：DO；氧饱和常数；有机物降解速率；污泥指数
　　中图分类号：X703.1 
　　文献标识码：A 
　　文章编号：1000-4602(2001)05-0012-04

Influence of DO on Organic Matter Degradation Rate and Sludge Settling Pro
perty

GAO Chun-di，WANG Shu-ying，PENG Yong-zhen，YIN Bo

(School of Munic.and Environ.Eng.,Harbin Institute of Tech.,Harbin 150090,China)

　　 Abstract：The effect of DO concentration on organic matter degradation rate was studied when treating brewery wastewater by sequencing batch reactor (SBR) process.The experimental results show that the relationship between DO concentration and organic matter degradation rate follows the Monod equation.The DO concentration has little influence on organic matter specific degradation rate when it is above 2.0 mg/L.The former has a positive correlativity with the latter when DO concentration is below 0.8 mg/L.In addition,the kinetic constants which describe the influence of DO concentration on organic matter degradation rate,including oxygen saturation constant and maximum organic matter specific degradation rate,are obtained. The relationship between different constant DO concentrations and sludge settling property is also discussed.
　　Keywords:DO;oxygen saturation constant;organic matter degradation rate;sludge volume index

　　微生物对有机物的降解过程实质上就是对氧的利用过程。溶解氧在活性污泥法的运行中是一个重要的控制参数，曝气池中DO浓度的高低直接影响着有机物的去除效率和活性污泥的生长。低DO浓度一直被认为是引起丝状菌污泥膨胀的主要因素之一［1］。丝状菌(如Sphaerotilus natans)由于具有较大的比表面积和较低的氧饱和常数，在低DO浓度下比絮状菌增殖得快，从而导致丝状菌污泥膨胀。
　　SBR法是一种新的活性污泥工艺，其运行过程中的有机物去除特性与普通活性污泥法有所不同。SBR反应器内发生非稳态反应，反应过程受进水和供氧等多种因素的影响，有机物降解过程有着独特的规律，底物浓度随反应时间呈理想的推流状态，微生物耗氧速率也随时间改变［2］。由于SBR法工艺具有上述特性，在运行中可以用DO浓度作为过程控制和反应时间的控制参数［3］。此次试验主要研究了当采用SBR法处理啤酒废水时DO浓度对有机物降解速率的影响，并在此基础上进一步探讨有机物降解动力学常数的求定，DO浓度与污泥指数(SVI)之间的关系。

1　试验设备和方法

　　试验中采用的SBR法装置如图1所示。

　　反应器有效容积10 L，共三个，采用微孔曝气。溶解氧检测仪在线检测反应器内DO浓度，通过控制曝气量维持DO浓度恒定。DO或曝气量较小时，用搅拌器使混合液充分混合。试验所用原水为啤酒废水，其主要成分包括多种糖类、酵母、醇类、氨基酸和蛋白质等有机物，属于含糖量较高的易溶解性废水。为维持微生物的正常生长，按BOD∶N∶P=100∶5∶1的比例向原水中投加氯化铵和磷酸二氢钾配制而成的营养液。检测分析的项目有COD、DO、MLSS、SVI等。试验进水水质见表1。
　　试验中三个反应器内的有机物降解反应分别在高DO(3.5、3.0、2.5 mg/L)、中DO(2.0、1.5、1.2、1.0 mg/L)和低DO(0.8、0.6、0.3、0.1 mg/L)浓度的条件下进行，相对应的反应器依次命名为1#、2#和3#。进水COD为600 mg/L，混合液初始COD在400～500 mg/L之间；污泥浓度维持在1 900～2 100 mg/L之间；反应时间根据有机物的降解情况而定，1#、2#和3#反应器内的反应时间分别为：120 min、135～165 min、180～210 min。反应过程中维持DO浓度基本恒定。

2　试验结果和分析

2.1　DO对有机物降解反应速率的影响
　　反应开始，易降解有机物立即被微生物吸附，随着曝气的进行，剩余有机物不断被去除。在这一过程中，耗氧速率随被吸附有机物的降解而发生变化，开始需氧量大，耗氧速率高，随着剩余有机物的不断减少，有机物降解速率下降，耗氧速率降低。不同DO浓度下有机物降解规律以及反应过程中曝气量(Aeration Rate,简称AR)的改变见图2、3、4。

　　在反应前期，有机物降解迅速，约1 h左右有机物即降解完毕。在这个过程中，底物浓度与反应时间几乎呈线性关系，有机底物以最大的速率进行降解，与底物浓度关系不大；耗氧速率高，供气量大。从图2可以看到，高DO浓度下，不同DO有机物降解曲线几乎重合，这表明当DO＞2.0 mg/L时有机物降解速率受DO影响很小。而在中DO和低DO浓度的环境中，有机物降解速率受DO影响则较大(如图3、4所示)，尤其是低DO浓度。由于DO浓度的影响，有机物降解反应完成的时间不同。低DO浓度(＜1.0 mg/L)时，需100 min左右有机物才能降到100 mg/L以下。当有机物降解到一定浓度之后，降解速率及耗氧速率均开始减小，需氧量也随之降低，到反应后期，反应器内有机物浓度很低(COD在100 mg/L以下)，且大部分为不可生物降解的细胞残留物质，此后微生物进入内源呼吸期。

　　DO与有机物比降解速率关系的试验结果见图5。从图5中可以更明确地看到DO浓度对有机物比降解速率的影响。当DO＞2 mg/L时，有机物比降解速率接近最大值，DO对它几乎没有影响；而当DO＜2 mg/L时，则DO浓度越低，对有机物比降解速率影响越大。
　　根据IAWPRC推荐，有机物比降解速率与DO浓度之间的关系可用莫诺方程式表达为：

　　　　V=V_max·［SO₂／（KO₂+SO2）］　　　　(1)
　　式中　　V——有机物比降解速率，d-1
　　　　　　Vmax——有机物最大比降解速率，d-1
　　　　　　SO₂——DO浓度，mg/L
　　　　　　KO₂——氧饱和常数，mg/L，又称半速率常数，是反应速率为最大反应速率一半时的DO浓度

　　对式(1)两边取倒数可变为：
　　　　　1／V=KO₂／V_max·1／SO₂+1／V_max　　　　　(2)
　　以1／V对1／SO₂作图，可得到如图6所示直线。

　　用线性回归通过计算机可求出Vmax和KO₂：　

　　　　Vmax=4.62 d^-1
　　　　KO₂=0.194 mg/L
　　KO₂为0.194 mg/L比IAWPRC推荐的KO₂为0.2 mg/L略小，这表明在较高DO浓度下，DO对有机物降解速率影响很小，故为了节能没有必要维持曝气池中过高的DO浓度。
2.2　DO对污泥指数的影响
　　DO浓度对污泥沉降性能的影响见图7。
　　从图7可以看到，在中DO浓度(2.0～1.0 mg/L)和高DO浓度(＞2.0 mg/L)环境下，SVI一直较低，尤其是在高DO浓度条件下，SVI均在35mL/g左右。这是因为在DO适宜的情况下，微生物中絮状菌占优势，相反丝状菌的生长则受到抑制。根据相关文章报道，低DO浓度易引起丝状菌污泥膨胀［1］，而本试验中低DO浓度下却出现了截然相反的情况，非但没有发生污泥膨胀，SVI反而逐渐降低。经过长达61个周期(低DO浓度下)的运行，至DO=0.1 mg/L时(有机物降解反应结束后)，污泥迅速沉降，上清液混浊，悬浮物浓度较高，SVI降至25 mL/g左右，镜检时观察不到原生动物及丝状菌。以往，低DO浓度一直被认为是引起丝状菌污泥膨胀的主要因素之一，且在笔者以前做的试验中(恒定曝气量、低DO浓度条件下)也曾发生过丝状菌污泥膨胀。对于此次试
验结果，笔者认为可能是因为在低DO环境中细菌能量水平降低，活性减弱，代谢过程缓慢，使得在菌胶团的形成中起主要作用的荚膜的分泌量减少，污泥含水率下降，SVI值降低。另外，整个试验过程中DO浓度是逐渐降低的，且每一DO值都有较长一段时间的驯化，这也可能是导致低DO浓度下SVI降低的原因。

3　结论

　　通过对上述试验结果的分析与讨论，可以得出以下结论：
　　①SBR法处理啤酒工业废水中，DO浓度高(＞2.0 mg/L)时，有机物降解反应很快完成，DO对有机物降解速率的影响不大；相反，DO浓度较低(＜0.8 mg/L)时，有机物的降解则需较长时间，DO对有机物降解速率有明显的影响，DO浓度越低，有机物降解速率越小。
　　②DO浓度对有机物比降解速率的影响可用莫诺方程式描述。试验中求得有机物最大比降解速率Vmax=4.62d^-1，氧饱和常数KO₂=0.194 mg/L。当DO＞2.0 mg/L时，有机物比降解速率接近最大值Vmax，此时，再增大DO浓度并不能提高有机物降解速率，故为了节能，在曝气池中没有必要维持过高的DO浓度。
　　③一般认为，低DO浓度是引起污泥膨胀的主要原因之一。然而在本试验条件下，低DO浓度并没有引起污泥膨胀，相反却使SVI值降低，微生物活性减弱，代谢过程减慢，有机物降解速率降低。可见，在某种情况下，单独的低DO浓度并不是引起污泥膨胀的充分与必要条件，这一新的发现还有待于进一步研究和在实践中验证。

参考文献：
［1］Imre Takács,Erno Fleit.Modelling of the Micromorphology of the Activated Sludge Floc:Low DO,Low F/M Bulking［J］.Wat Sci Tech,1995,31:235-243.
［2］彭永臻.SBR法的五大优点［J］.中国给水排水,1993,9(2):29-31.
［3］曾薇，彭永臻，王淑莹，等.以溶解氧浓度作为SBR法模糊控制参数［J］.中国给水排水,2000,16(4): 5-10.

作者简介：高春娣(1973-)，女，河北唐山人，哈尔滨工业大学博士研究生，主要从事废水生物处理研究。
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收稿日期：2001-02-16