高春娣，彭永臻，高凱，殷波
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

　　摘　要：由于耗氧速率（OUR）直接反映了好氧生物處理過(guò)程中微生物的活性和有機(jī)物的降解速率，因此可用OUR作為反應(yīng)過(guò)程特性參數(shù)和控制參數(shù)。本研究根據(jù)SBR法特殊的反應(yīng)過(guò)程，發(fā)展了一種OUR在線檢測(cè)方法，并與靜態(tài)法（即傳統(tǒng)DO瓶法）作了比較。指出在溶解氧（DO）大于3mg／L時(shí)，在線檢測(cè)和靜態(tài)法均能準(zhǔn)確檢測(cè)OUR值，當(dāng)DO≤0.3mg／L只有在線法可以準(zhǔn)確檢測(cè)OUR值。
　　關(guān)鍵詞：耗氧速率（OUR）；溶解氧（DO）；在線檢測(cè)法
　　中圖分類號(hào)：X830.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009－2455（2001）02-0004-04

On-Line Detection of Oxygen Uptake Rate in SBR Process and Error Analysis
GAO Chun-di, PENG Yong-zhen, GAO Kai, YIN Bo
(Sch. of Municipal & Environ. Engin .Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,China)

　　Abstract: Since oxygen uptake rate (OUR) directly reflects the activity of microorganism and the degradation rate of organic matters during the process of aerobic biological treatment, OUR can be used an the characteristic Parameter and controlling parameter of reaction process. Based on the specific reaction process of the SBR method, an on-line OUR detecting method was developed and compared with the static method (conventional DO bottle method). It is pointed out that when dissolved oxygen (DO) is higher than 3 mg/ L, both on-line detection and static method may accurately detect the value of OUR, and when DO is≤0. 3 mg/L, only the on-line method may accurately detect the value of OUR.
　　Key words:　oxygen uptake rae(OUR); dissolved oxygen (DO); on-line detection method

　　活性污泥法的凈化反應(yīng)顯著特征之一就是消耗水中的溶解氧。微生物耗氧速率（oxygen uptake rate，簡(jiǎn)稱OUR的大小可以反映出酶活性的強(qiáng)弱和有機(jī)物降解速率。因此，OUR在活性污泥法工藝設(shè)計(jì)與過(guò)程控制中是一個(gè)十分重要的參數(shù)[1]。此外，由于OUR與其它參數(shù)相比對(duì)進(jìn)水負(fù)荷的波動(dòng)和毒物的沖擊能更快地做出響應(yīng)，所以，在活性污泥系統(tǒng)的控制中，可用于控制污泥回流量和排泥量、估算污水有機(jī)物負(fù)荷和毒性以及評(píng)價(jià)生物活性。
　　以往有關(guān)耗氧速率的研究大多是針對(duì)穩(wěn)態(tài)連續(xù)流系統(tǒng)^[2,3,4]。而SBR反應(yīng)過(guò)程中的底物和微生物濃度是變化的，本文研究了用于SBR過(guò)程監(jiān)測(cè)和自控的在線OUR檢測(cè)方法，考察了DO變化對(duì)OUR檢測(cè)值的影響。

1.試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)采用DO瓶法。對(duì)于連續(xù)流反應(yīng)器的OUR檢測(cè)，由于將活性污泥同連續(xù)供給的底物分隔，以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)裝瓶過(guò)程的耽擱，使得DO瓶的檢測(cè)結(jié)果可能產(chǎn)生低于實(shí)際值58％到高于實(shí)際值28％之間的誤差。因此在DO瓶法的基礎(chǔ)上，并考慮到SBR中不存在用DO瓶法會(huì)使活性污泥與連續(xù)供給的底物分隔的問(wèn)題，發(fā)展了一種在線檢測(cè)OUR的方法，檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

　　主反應(yīng)器為SBR反應(yīng)器。其中設(shè)置一個(gè)氣水分離器，以避免混合液中的氣泡干擾OUR的精確檢測(cè)。氣水分離器中插人一個(gè)帶有自攪拌器的DO傳感器1，另一個(gè)DO傳感器2安裝在密閉的DO檢測(cè)瓶中，用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌以保證瓶中混合液處于懸浮狀態(tài)。恒溫水浴用以保證檢測(cè)瓶中的水溫與反應(yīng)器中相同。反應(yīng)器中混合液連續(xù)地流人檢測(cè)瓶中，檢測(cè)瓶出水經(jīng)回流泵輸回到反應(yīng)器中。每次取樣后，立即將與水樣等量的水注人水位恒定筒中，以保證在取樣分析后反應(yīng)器內(nèi)水位與檢測(cè)瓶出水口之間水位差和進(jìn)人檢測(cè)瓶的流量（稱循環(huán)流量）不變。試驗(yàn)用水取自石油化工廠所排廢水經(jīng)稀釋而成，并投加NH4Cl和KH2PO4營(yíng)養(yǎng)液及NaOH中和液，水溫控制在20±1℃。
1.2 檢測(cè)方法與原理
　　由于水樣在檢測(cè)瓶中的停留時(shí)間（小于1min）相對(duì)于一個(gè)反應(yīng)周期（3－5h）來(lái)講很短，可以忽略底物濃度和生物量（即MLSS）在檢測(cè)瓶停留時(shí)間內(nèi)的變化。在此檢測(cè)系統(tǒng)中，DO的質(zhì)量平衡見(jiàn)圖2。

　　 這里，DO檢測(cè)瓶可以看作一個(gè)連續(xù)流反應(yīng)器，其質(zhì)量平衡式為
　　　　 Qm.Cr-Qm.Cm-OURm.Vm=Vm.dCm/dt　 (1)
　　式中：Vm——檢測(cè)瓶有效容積，L；
　　　　　Qm——循環(huán)流量，L／min；
　　　　　Cm——檢測(cè)瓶?jī)?nèi)DO濃度，ng/L；
　　　　　Cr--SBR反應(yīng)器中DO濃度，mg／L；
　　　　　OURm——檢測(cè)瓶中的耗氧速率，mg／（L.min）。
　　由于連續(xù)流反應(yīng)器通常在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行，這意味著dCm/dt=0，則式(1)化簡(jiǎn)為：
　　　　　OURm=Qm(Cr-Cm)/Vm=Cr-Cm/HRTm　　　　 (2)
　　式中：HRTm——檢測(cè)瓶中的水力停留時(shí)間，min。
　　式（2）表達(dá)了本裝置檢測(cè)OUR的原理。在本文中，又稱為動(dòng)態(tài)DO瓶檢測(cè)法（在線檢測(cè)）。此外，本裝置還有另一種運(yùn)行方式，即靜態(tài)的DO瓶檢測(cè)法。當(dāng)Cm穩(wěn)定后，關(guān)閉DO檢測(cè)瓶。進(jìn)水管和出水管上的閥門(mén)，這時(shí)Qm＝0，dCM/dt≠0，式（1）可簡(jiǎn)化為下述
形式：
　　　　　　　OUR=-dCm/dt　　 (3)
　　此式表示傳統(tǒng)的靜態(tài)DO瓶檢測(cè)法的原理。檢測(cè)OUR時(shí)，首先在檢測(cè)裝置安裝之前，在檢測(cè)瓶及其進(jìn)水管中充水，然后用量簡(jiǎn)測(cè)出檢測(cè)瓶和進(jìn)水管中水的體積，即為Vm。運(yùn)行時(shí)用容量法測(cè)得循環(huán)水流量，即為Qm，然后將DO儀1和2的讀數(shù)DO1、DO2、以及Qm、Vm代入式（2）即得OUR值。
　　　　　　 OUR=（DO1-DO2.Qm）/Vm （4）

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

　　在反應(yīng)器中有機(jī)物濃度和曝氣量等運(yùn)行條件相同的情況下，通過(guò)靜態(tài)法和在線檢測(cè)法得到的OUR值如圖3所示。從圖中可以看出，靜態(tài)法在檢測(cè)的開(kāi)始階段總有一個(gè)OUR從小到大的過(guò)程3在線檢測(cè)法的曲線較平直，DO濃度較低時(shí)的OUR值大于同一DO值下靜態(tài)法測(cè)得的OUR值；與靜態(tài)法相比，在線法在較低的DO濃度下，即可達(dá)到OURmax。造成以上差異的原因，主要是DO瓶法中的DO傳感響應(yīng)滯后所致。具體分析如下。

2.1 DO傳感器響應(yīng)速率
　　DO儀的氧電極由陰極和參比電極組成，兩極之間充以半飽和KCl溶液，頂端復(fù)以聚四氟乙烯薄膜。在電極表面的水膜中存在一個(gè)氧從電解液向電極轉(zhuǎn)移的膜擴(kuò)散過(guò)程。由此，存在下式
　　其中：K₃= K1.K₂·N·F／（6000M）
　　式中：K₁——常數(shù)，mg/(L.A）；
　　K₂——擴(kuò)散系數(shù)，L／ndn；
　　K₃——轉(zhuǎn)換系數(shù)；
　　N——電極反應(yīng)得失電子數(shù)，這里，N=4；
　　F——法拉第常數(shù)，9.64867×104C／mol；
　　M——氧摩爾質(zhì)量，M=64g／mol。
　　在滲透膜上也存在一個(gè)膜擴(kuò)散過(guò)程，擴(kuò)散速率表示如下：
　　　　　　?。╠O₂/dt)m=K₄(Cst-Cit) 　　 (6)
　　式中：(dO₂/dt)m——滲透膜上的氧擴(kuò)散速率，mg／min；
　　　　　Cst——t時(shí)刻水樣中實(shí)際溶解氧濃度，mg/L；
　　　　　K₄——擴(kuò)散系數(shù)，L／min。
　　所以，電解液中氧的變化可表示為：
　　　　　　　　V(dCi/dt)=K4(Cst-Cit)-K2C2t　　　　 (7)
　　式中：V電解液體積，L。
　　聯(lián)立上述各式并整理可得；
　　　　　　　　 V(dCmt/dt)=a(Cst-Cmt) 　　　　　　　　 (8)
　　式中：a——系數(shù)，L／nun；
　　　　　 Cmt——t時(shí)刻測(cè)得的DO值，mg/L；
　　　　　Cst——t時(shí)刻水樣中實(shí)際DO值，mg/L；
　　式中的a值可以反映氧電極響應(yīng)速率的快慢，a值越大，響應(yīng)越快。根據(jù)制造廠商提供的傳感器性能參數(shù)可以得出，DO濃度高時(shí)a＝13.8 L／min，DO濃度低時(shí)a=4.6L／min，平均值為9.2L／min。
2.2 傳感器響應(yīng)滯后對(duì)OUR檢測(cè)結(jié)果的影響
　　DO對(duì)OUR的影響可以采用以下形式[5]：
　　　　　　　　 OUR=OURmax(DO/K0+DO)　 (9)
　　式中：OURmax——在一定條件下，無(wú)溶解氧濃度限制時(shí)，所能達(dá)到的最大OUR值，mg[O₂］／（L.min）；
　　　　　Ko——飽和常數(shù)，mg／L，一般認(rèn)為Ko在0.2mg/L左右。
　　參照Monod公式非連續(xù)簡(jiǎn)化的方法，可將式（9）簡(jiǎn)化為以下兩個(gè)非連續(xù)函數(shù)：
　　i DO＞＞Ko，DO／（Ko+DO）→1；此時(shí)式（9）可簡(jiǎn)化為：
　　　　　　　　　 OUR＝OUR_max=K₁ 　 （10）
　　ii 　 DO≤Ko，根據(jù)古得曼等人提出的論點(diǎn)，只要DO≤Ko，式（9）即可簡(jiǎn)化為一級(jí)反應(yīng)式：
　　　　　　　　　OUR=K₂DO 　　　　 （11）
　　式中：K₁——為一常數(shù)，其值等于OURmax，mg／L；
　　　　　K₂——系數(shù)，其值等于OURmax／Ko,L／min。
　　①當(dāng)DO值較大時(shí)
　　由式(1)可以導(dǎo)出：
　　　　　　　　　 Cmt=Cst+OURs/a(1-e-at) 　　 (12)
　　式中：OURs——水樣實(shí)際OUR值，mg／（L.min）。
　　Cst與Cmt的偏差項(xiàng)為吸（l-e-at），偏差值隨響應(yīng)時(shí)間t增大而增大，并趨于一個(gè)極限值OURs/a。OURs越大，則偏差項(xiàng)也越大；a越大，傳質(zhì)速率越快，則偏差項(xiàng)就越小。
　　由式（12）可導(dǎo)出：
　　　　　　　　　OURm=OURs（1－e-at） （13）
　　式中：OURm——測(cè)得的OUR值，mg／（L.min）。
　　式(13）表明，在DO值較大的情況下，在反應(yīng)過(guò)程中的某一時(shí)刻，雖然OURs為一常數(shù)，OURm卻有一個(gè)響應(yīng)過(guò)程。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間t＝0時(shí)，OURm＝0；t→∞時(shí)，OURm→OURs;OURm是隨響應(yīng)時(shí)間由小到大并最后趨于OURs的。根據(jù)前面求出的a=9.2（L／min），當(dāng)響應(yīng)99％時(shí)，需要30s時(shí)間。另外，水中如果夾帶有少量微氣泡，也會(huì)延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。所以，在DO瓶法的檢測(cè)過(guò)程中，起始段的OUR檢測(cè)值偏低。實(shí)際檢測(cè)中，經(jīng)過(guò)1－2min，式（12）中偏差項(xiàng)值的變化就很小，可以認(rèn)為：
　　　　　Cmt=Cst+OURs/a 　　　　　　 (14)
　　　　　OURm=OURs 　　　　　　　　　 (15)
　　本試驗(yàn)中，OURm在1.35－0.21p／（L.min）之間，OURm／a在0.147－0.023mg／L之間，當(dāng))Cmt≥ 3mg／L時(shí)，Cmt相對(duì)誤差小于5％。所以，DO瓶法測(cè)得的數(shù)據(jù)基本可靠。
　?、诋?dāng)DO值較小時(shí)
　　由式（8）和式（9）可以導(dǎo)出：
　　　　Cmt=（a/a-K₂)C^st(1-K²²/a^2e(K₂-a)t　　　 (16)
　　由式(16）還可導(dǎo)出：
　　　　　OURm=(a/a-K₂)OURs(1-K₂/ae(k₂-a)t) (17)
　　通過(guò)以上兩式可以看出，當(dāng)DO值較低時(shí)，用DO瓶法測(cè)得的DO值和OUR值都始終不能反應(yīng)真實(shí)值，其偏差項(xiàng)來(lái)自于兩方面：一是不隨時(shí)間變化的因子a／（a－KZ）；二是與時(shí)間有關(guān)的兩項(xiàng)，[1-K22/a2e](k2-a)和1-K2/ae(k2-a)，當(dāng)t=0時(shí)，它們分別為a2-K22/a₂和(a-K₂)/a；當(dāng)→∞時(shí)都趙于趨于1。根據(jù)式（8）有：
　　　　　K2=[OURmax(k₀+DO)=OURmax/K₀ (18)
　　所以，1/k₀+DO=1/k0＝，即Ko+DO＝K₀本試驗(yàn)中OURmax一般在1.0mg／（L·min）左右，當(dāng)K₀+DO的值在0.1～0.5之間變化時(shí)，可得K₂≈2－10（L／min）。又由前面的結(jié)果，當(dāng)DO濃度很低時(shí)，a=4.62（L／min），可見(jiàn)K₂與a的值相差不大，在同一數(shù)量級(jí)。可以簡(jiǎn)單假設(shè) a=K2，則式（16）和式（17）可化為：
　　　　　　 Cmt=Cst (19)
　　　　　　 OURm=OUR， （20）
　　將上兩式代入式（8）得
　　　　　　 OURmt=(K₂/2)Cmt=K′2Cmt (21）
　　式中K2′=K2/2，即由測(cè)定的 DO、OUR得出的K2值，根據(jù)式(18)，類似的有：
　　　　　　K₂′=OURmax/K0′+DO 　　 (22)
　　式中：K0′——由測(cè)得的DO、OUR確定的飽和常數(shù)，mg/L；
　　又K0′=K₂／2，得
　　　　 OURmax/K0′+Cmt=(1/2)[OURmax/K0+Cst] (23)
　　即：
　　　　　 K0′+Cmt=2（K0+Cst）　　　　　 （24）
　　又由式(19)得
　　　　　 KO′＝ 2K0 （25）
　　式中：K0′——由測(cè)得的DO值、OUR值確定的飽和常數(shù)，mg/L。
　　可見(jiàn)，測(cè)得的K0′值為實(shí)際值的2倍，這個(gè)誤差是相當(dāng)大的。反映到OUR—DO曲線上，就是測(cè)得的曲線在DO值低的一端，其直線上升段較平，斜率比實(shí)際曲線小。這正好與本試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)與靜態(tài)兩者OUR—DO曲線的差別相符。雖然在分析過(guò)程中假設(shè)了一些參數(shù)，使得分析過(guò)程簡(jiǎn)化，式（25）的結(jié)果不能精確地定量反映出實(shí)際誤差的大小，但是它仍有重要的實(shí)際意義；即在 DO值很低時(shí)（DO≤0.3mg／L），由于氧電極的響應(yīng)滯后，用DO瓶法測(cè)得的K0′值的誤差是很大的。

3 結(jié)論

　　通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：在SBR法中，由于其獨(dú)特的反應(yīng)過(guò)程采用一種改進(jìn)的DO瓶法可以較準(zhǔn)確地在線檢測(cè)OUR。檢測(cè)過(guò)程中DO濃度和氧電極的響應(yīng)對(duì)檢測(cè)有很大影響，這種影響分兩種情況：當(dāng)DO濃度較高時(shí)（大于3.0mg／L），用動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法均能準(zhǔn)確檢測(cè)OUR值；當(dāng)DO濃度較低時(shí)（≤O.3mg／L），由于動(dòng)態(tài)法中兩個(gè)傳感器都是在近穩(wěn)態(tài)下工作，幾乎不受氧電極滯后的影響，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)DO、OUR和確定K0值，而靜態(tài)法則因氧電極響應(yīng)滯后給檢測(cè)帶來(lái)很大誤差。

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作者簡(jiǎn)介：高春娣（1973－），女，博士研究生。