DO对有机物降解速率及污泥沉降性能的影响

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＞2.0mg/L时，有机物比降解速率受DO浓度的影响不大；当DO＜0.8mg/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Sphaerotilusnatans)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10L，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、2.5mg/L)、中DO(2.0、1.5、1.2、1.0mg/L)和低DO(0.8、0.6、0.3、0.1mg/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600mg/L，混合液初始COD在400～500mg/L之间；污泥浓度维持在1900～2100mg/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：120min、135～165min、180～210min。反应过程中维持DO浓度基本恒定。项目浓度COD600BOD5371TN18.42TP3.72pH6.52试验结果和分析2.1DO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(AerationRate,简称AR)的改变见图2、3、4。在反应前期，有机物降解迅速，约1h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＞2.0mg/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(＜1.0mg/L)时，需100min左右有机物才能降到100mg/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100mg/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。。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＞2mg/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＜2mg/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=Vmax·［SO2／（KO2+SO2）］(1)式中V——有机物比降解速率，d-1Vmax——有机物最大比降解速率，d-1SO2——DO浓度，mg/LKO2——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浓度中国城镇水网对式(1)两边取倒数可变为：1／V=KO2／Vmax·1／SO2+1／Vmax(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=4.62d-1KO2=0.194mg/LKO2为0.194mg/L比IAWPRC推荐的KO2为0.2mg/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。2.2DO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(2.0～1.0mg/L)和高DO浓度(＞2.0mg/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=0.1mg/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25mL/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。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(＞2.0mg/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(＜0.8mg/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=0.194mg/L。当DO＞2.0mg/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］ImreTakács,ErnoFleit.ModellingoftheMicromorphologyoftheActivatedSludgeFloc:LowDO,LowF/MBulking［J］.WatSciTech,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.中国城镇水网