高春娣，王淑瑩，彭永臻，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：就SBR法處理啤酒廢水過(guò)程中溶解氧(DO)對(duì)有機(jī)物降解反應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，DO濃度對(duì)有機(jī)物降解速率的影響遵循Monod方程式。當(dāng)反應(yīng)過(guò)程中DO＞2.0 mg/L時(shí)，有機(jī)物比降解速率受DO濃度的影響不大；當(dāng)DO＜0.8 mg/L時(shí)，有機(jī)物比降解速率與DO濃度呈正相關(guān)。試驗(yàn)中還求得了DO濃度影響有機(jī)物降解速率的動(dòng)力學(xué)常數(shù)——氧飽和常數(shù)(KO2)與有機(jī)物最大比降解速率(Vmax)，同時(shí)對(duì)反應(yīng)過(guò)程中不同恒定DO濃度與污泥沉降性能之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。
　　關(guān)鍵詞：DO；氧飽和常數(shù)；有機(jī)物降解速率；污泥指數(shù)
　　中圖分類號(hào)：X703.1 
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 
　　文章編號(hào)：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

　　微生物對(duì)有機(jī)物的降解過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是對(duì)氧的利用過(guò)程。溶解氧在活性污泥法的運(yùn)行中是一個(gè)重要的控制參數(shù)，曝氣池中DO濃度的高低直接影響著有機(jī)物的去除效率和活性污泥的生長(zhǎng)。低DO濃度一直被認(rèn)為是引起絲狀菌污泥膨脹的主要因素之一［1］。絲狀菌(如Sphaerotilus natans)由于具有較大的比表面積和較低的氧飽和常數(shù)，在低DO濃度下比絮狀菌增殖得快，從而導(dǎo)致絲狀菌污泥膨脹。
　　SBR法是一種新的活性污泥工藝，其運(yùn)行過(guò)程中的有機(jī)物去除特性與普通活性污泥法有所不同。SBR反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程受進(jìn)水和供氧等多種因素的影響，有機(jī)物降解過(guò)程有著獨(dú)特的規(guī)律，底物濃度隨反應(yīng)時(shí)間呈理想的推流狀態(tài)，微生物耗氧速率也隨時(shí)間改變［2］。由于SBR法工藝具有上述特性，在運(yùn)行中可以用DO濃度作為過(guò)程控制和反應(yīng)時(shí)間的控制參數(shù)［3］。此次試驗(yàn)主要研究了當(dāng)采用SBR法處理啤酒廢水時(shí)DO濃度對(duì)有機(jī)物降解速率的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)的求定，DO濃度與污泥指數(shù)(SVI)之間的關(guān)系。

1　試驗(yàn)設(shè)備和方法

　　試驗(yàn)中采用的SBR法裝置如圖1所示。

　　反應(yīng)器有效容積10 L，共三個(gè)，采用微孔曝氣。溶解氧檢測(cè)儀在線檢測(cè)反應(yīng)器內(nèi)DO濃度，通過(guò)控制曝氣量維持DO濃度恒定。DO或曝氣量較小時(shí)，用攪拌器使混合液充分混合。試驗(yàn)所用原水為啤酒廢水，其主要成分包括多種糖類、酵母、醇類、氨基酸和蛋白質(zhì)等有機(jī)物，屬于含糖量較高的易溶解性廢水。為維持微生物的正常生長(zhǎng)，按BOD∶N∶P=100∶5∶1的比例向原水中投加氯化銨和磷酸二氫鉀配制而成的營(yíng)養(yǎng)液。檢測(cè)分析的項(xiàng)目有COD、DO、MLSS、SVI等。試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。
　　試驗(yàn)中三個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)物降解反應(yīng)分別在高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)濃度的條件下進(jìn)行，相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器依次命名為1#、2#和3#。進(jìn)水COD為600 mg/L，混合液初始COD在400～500 mg/L之間；污泥濃度維持在1 900～2 100 mg/L之間；反應(yīng)時(shí)間根據(jù)有機(jī)物的降解情況而定，1#、2#和3#反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間分別為：120 min、135～165 min、180～210 min。反應(yīng)過(guò)程中維持DO濃度基本恒定。

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1　DO對(duì)有機(jī)物降解反應(yīng)速率的影響
　　反應(yīng)開(kāi)始，易降解有機(jī)物立即被微生物吸附，隨著曝氣的進(jìn)行，剩余有機(jī)物不斷被去除。在這一過(guò)程中，耗氧速率隨被吸附有機(jī)物的降解而發(fā)生變化，開(kāi)始需氧量大，耗氧速率高，隨著剩余有機(jī)物的不斷減少，有機(jī)物降解速率下降，耗氧速率降低。不同DO濃度下有機(jī)物降解規(guī)律以及反應(yīng)過(guò)程中曝氣量(Aeration Rate,簡(jiǎn)稱AR)的改變見(jiàn)圖2、3、4。

　　在反應(yīng)前期，有機(jī)物降解迅速，約1 h左右有機(jī)物即降解完畢。在這個(gè)過(guò)程中，底物濃度與反應(yīng)時(shí)間幾乎呈線性關(guān)系，有機(jī)底物以最大的速率進(jìn)行降解，與底物濃度關(guān)系不大；耗氧速率高，供氣量大。從圖2可以看到，高DO濃度下，不同DO有機(jī)物降解曲線幾乎重合，這表明當(dāng)DO＞2.0 mg/L時(shí)有機(jī)物降解速率受DO影響很小。而在中DO和低DO濃度的環(huán)境中，有機(jī)物降解速率受DO影響則較大(如圖3、4所示)，尤其是低DO濃度。由于DO濃度的影響，有機(jī)物降解反應(yīng)完成的時(shí)間不同。低DO濃度(＜1.0 mg/L)時(shí)，需100 min左右有機(jī)物才能降到100 mg/L以下。當(dāng)有機(jī)物降解到一定濃度之后，降解速率及耗氧速率均開(kāi)始減小，需氧量也隨之降低，到反應(yīng)后期，反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物濃度很低(COD在100 mg/L以下)，且大部分為不可生物降解的細(xì)胞殘留物質(zhì)，此后微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸期。

　　DO與有機(jī)物比降解速率關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中可以更明確地看到DO濃度對(duì)有機(jī)物比降解速率的影響。當(dāng)DO＞2 mg/L時(shí)，有機(jī)物比降解速率接近最大值，DO對(duì)它幾乎沒(méi)有影響；而當(dāng)DO＜2 mg/L時(shí)，則DO濃度越低，對(duì)有機(jī)物比降解速率影響越大。
　　根據(jù)IAWPRC推薦，有機(jī)物比降解速率與DO濃度之間的關(guān)系可用莫諾方程式表達(dá)為：

　　　　V=V_max·［SO₂／（KO₂+SO2）］　　　　(1)
　　式中　　V——有機(jī)物比降解速率，d-1
　　　　　　Vmax——有機(jī)物最大比降解速率，d-1
　　　　　　SO₂——DO濃度，mg/L
　　　　　　KO₂——氧飽和常數(shù)，mg/L，又稱半速率常數(shù)，是反應(yīng)速率為最大反應(yīng)速率一半時(shí)的DO濃度

　　對(duì)式(1)兩邊取倒數(shù)可變?yōu)椋?BR>　　　　　1／V=KO₂／V_max·1／SO₂+1／V_max　　　　　(2)
　　以1／V對(duì)1／SO₂作圖，可得到如圖6所示直線。

　　用線性回歸通過(guò)計(jì)算機(jī)可求出Vmax和KO₂：　

　　　　Vmax=4.62 d^-1
　　　　KO₂=0.194 mg/L
　　KO₂為0.194 mg/L比IAWPRC推薦的KO₂為0.2 mg/L略小，這表明在較高DO濃度下，DO對(duì)有機(jī)物降解速率影響很小，故為了節(jié)能沒(méi)有必要維持曝氣池中過(guò)高的DO濃度。
2.2　DO對(duì)污泥指數(shù)的影響
　　DO濃度對(duì)污泥沉降性能的影響見(jiàn)圖7。
　　從圖7可以看到，在中DO濃度(2.0～1.0 mg/L)和高DO濃度(＞2.0 mg/L)環(huán)境下，SVI一直較低，尤其是在高DO濃度條件下，SVI均在35mL/g左右。這是因?yàn)樵贒O適宜的情況下，微生物中絮狀菌占優(yōu)勢(shì)，相反絲狀菌的生長(zhǎng)則受到抑制。根據(jù)相關(guān)文章報(bào)道，低DO濃度易引起絲狀菌污泥膨脹［1］，而本試驗(yàn)中低DO濃度下卻出現(xiàn)了截然相反的情況，非但沒(méi)有發(fā)生污泥膨脹，SVI反而逐漸降低。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)61個(gè)周期(低DO濃度下)的運(yùn)行，至DO=0.1 mg/L時(shí)(有機(jī)物降解反應(yīng)結(jié)束后)，污泥迅速沉降，上清液混濁，懸浮物濃度較高，SVI降至25 mL/g左右，鏡檢時(shí)觀察不到原生動(dòng)物及絲狀菌。以往，低DO濃度一直被認(rèn)為是引起絲狀菌污泥膨脹的主要因素之一，且在筆者以前做的試驗(yàn)中(恒定曝氣量、低DO濃度條件下)也曾發(fā)生過(guò)絲狀菌污泥膨脹。對(duì)于此次試
驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為可能是因?yàn)樵诘虳O環(huán)境中細(xì)菌能量水平降低，活性減弱，代謝過(guò)程緩慢，使得在菌膠團(tuán)的形成中起主要作用的莢膜的分泌量減少，污泥含水率下降，SVI值降低。另外，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中DO濃度是逐漸降低的，且每一DO值都有較長(zhǎng)一段時(shí)間的馴化，這也可能是導(dǎo)致低DO濃度下SVI降低的原因。

3　結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，可以得出以下結(jié)論：
　?、賁BR法處理啤酒工業(yè)廢水中，DO濃度高(＞2.0 mg/L)時(shí)，有機(jī)物降解反應(yīng)很快完成，DO對(duì)有機(jī)物降解速率的影響不大；相反，DO濃度較低(＜0.8 mg/L)時(shí)，有機(jī)物的降解則需較長(zhǎng)時(shí)間，DO對(duì)有機(jī)物降解速率有明顯的影響，DO濃度越低，有機(jī)物降解速率越小。
　?、贒O濃度對(duì)有機(jī)物比降解速率的影響可用莫諾方程式描述。試驗(yàn)中求得有機(jī)物最大比降解速率Vmax=4.62d^-1，氧飽和常數(shù)KO₂=0.194 mg/L。當(dāng)DO＞2.0 mg/L時(shí)，有機(jī)物比降解速率接近最大值Vmax，此時(shí)，再增大DO濃度并不能提高有機(jī)物降解速率，故為了節(jié)能，在曝氣池中沒(méi)有必要維持過(guò)高的DO濃度。
　　③一般認(rèn)為，低DO濃度是引起污泥膨脹的主要原因之一。然而在本試驗(yàn)條件下，低DO濃度并沒(méi)有引起污泥膨脹，相反卻使SVI值降低，微生物活性減弱，代謝過(guò)程減慢，有機(jī)物降解速率降低。可見(jiàn)，在某種情況下，單獨(dú)的低DO濃度并不是引起污泥膨脹的充分與必要條件，這一新的發(fā)現(xiàn)還有待于進(jìn)一步研究和在實(shí)踐中驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：
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［3］曾薇，彭永臻，王淑瑩，等.以溶解氧濃度作為SBR法模糊控制參數(shù)［J］.中國(guó)給水排水,2000,16(4): 5-10.

作者簡(jiǎn)介：高春娣(1973-)，女，河北唐山人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生，主要從事廢水生物處理研究。
電　　話：(0451)6282443　　(010)67391827
E-mail:gaochundi@sina.com
收稿日期：2001-02-16