高春娣，王淑瑩，彭永臻，殷波

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：就SBR法處理啤酒廢水過程中溶解氧(DO)對有機物降解反應的影響進行了研究。結果表明，DO濃度對有機物降解速率的影響遵循Monod方程式。當反應過程中DO＞2.0 mg/L時，有機物比降解速率受DO濃度的影響不大；當DO＜0.8 mg/L時，有機物比降解速率與DO濃度呈正相關。試驗中還求得了DO濃度影響有機物降解速率的動力學常數——氧飽和常數(KO2)與有機物最大比降解速率(Vmax)，同時對反應過程中不同恒定DO濃度與污泥沉降性能之間的關系進行了探討。
　　關鍵詞：DO；氧飽和常數；有機物降解速率；污泥指數
　　中圖分類號：X703.1 
　　文獻標識碼：A 
　　文章編號：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

　　微生物對有機物的降解過程實質上就是對氧的利用過程。溶解氧在活性污泥法的運行中是一個重要的控制參數，曝氣池中DO濃度的高低直接影響著有機物的去除效率和活性污泥的生長。低DO濃度一直被認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，在低DO濃度下比絮狀菌增殖得快，從而導致絲狀菌污泥膨脹。
　　SBR法是一種新的活性污泥工藝，其運行過程中的有機物去除特性與普通活性污泥法有所不同。SBR反應器內發生非穩態反應，反應過程受進水和供氧等多種因素的影響，有機物降解過程有著獨特的規律，底物濃度隨反應時間呈理想的推流狀態，微生物耗氧速率也隨時間改變［2］。由于SBR法工藝具有上述特性，在運行中可以用DO濃度作為過程控制和反應時間的控制參數［3］。此次試驗主要研究了當采用SBR法處理啤酒廢水時DO濃度對有機物降解速率的影響，并在此基礎上進一步探討有機物降解動力學常數的求定，DO濃度與污泥指數(SVI)之間的關系。

1　試驗設備和方法

　　試驗中采用的SBR法裝置如圖1所示。

　　反應器有效容積10 L，共三個，采用微孔曝氣。溶解氧檢測儀在線檢測反應器內DO濃度，通過控制曝氣量維持DO濃度恒定。DO或曝氣量較小時，用攪拌器使混合液充分混合。試驗所用原水為啤酒廢水，其主要成分包括多種糖類、酵母、醇類、氨基酸和蛋白質等有機物，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，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養液。檢測分析的項目有COD、DO、MLSS、SVI等。試驗進水水質見表1。
　　試驗中三個反應器內的有機物降解反應分別在高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)濃度的條件下進行，相對應的反應器依次命名為1#、2#和3#。進水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；反應時間根據有機物的降解情況而定，1#、2#和3#反應器內的反應時間分別為：120 min、135～165 min、180～210 min。反應過程中維持DO濃度基本恒定。

2　試驗結果和分析

2.1　DO對有機物降解反應速率的影響
　　反應開始，易降解有機物立即被微生物吸附，隨著曝氣的進行，剩余有機物不斷被去除。在這一過程中，耗氧速率隨被吸附有機物的降解而發生變化，開始需氧量大，耗氧速率高，隨著剩余有機物的不斷減少，有機物降解速率下降，耗氧速率降低。不同DO濃度下有機物降解規律以及反應過程中曝氣量(Aeration Rate,簡稱AR)的改變見圖2、3、4。

　　在反應前期，有機物降解迅速，約1 h左右有機物即降解完畢。在這個過程中，底物濃度與反應時間幾乎呈線性關系，有機底物以最大的速率進行降解，與底物濃度關系不大；耗氧速率高，供氣量大。從圖2可以看到，高DO濃度下，不同DO有機物降解曲線幾乎重合，這表明當DO＞2.0 mg/L時有機物降解速率受DO影響很小。而在中DO和低DO濃度的環境中，有機物降解速率受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，有機物降解反應完成的時間不同。低DO濃度(＜1.0 mg/L)時，需100 min左右有機物才能降到100 mg/L以下。當有機物降解到一定濃度之后，降解速率及耗氧速率均開始減小，需氧量也隨之降低，到反應后期，反應器內有機物濃度很低(COD在100 mg/L以下)，且大部分為不可生物降解的細胞殘留物質，此后微生物進入內源呼吸期。

　　DO與有機物比降解速率關系的試驗結果見圖5。從圖5中可以更明確地看到DO濃度對有機物比降解速率的影響。當DO＞2 mg/L時，有機物比降解速率接近最大值，DO對它幾乎沒有影響；而當DO＜2 mg/L時，則DO濃度越低，對有機物比降解速率影響越大。
　　根據IAWPRC推薦，有機物比降解速率與DO濃度之間的關系可用莫諾方程式表達為：

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

　　對式(1)兩邊取倒數可變為：
　　　　　1／V=KO₂／V_max·1／SO₂+1／V_max　　　　　(2)
　　以1／V對1／SO₂作圖，可得到如圖6所示直線。

　　用線性回歸通過計算機可求出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對有機物降解速率影響很小，故為了節能沒有必要維持曝氣池中過高的DO濃度。
2.2　DO對污泥指數的影響
　　DO濃度對污泥沉降性能的影響見圖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。這是因為在DO適宜的情況下，微生物中絮狀菌占優勢，相反絲狀菌的生長則受到抑制。根據相關文章報道，低DO濃度易引起絲狀菌污泥膨脹［1］，而本試驗中低DO濃度下卻出現了截然相反的情況，非但沒有發生污泥膨脹，SVI反而逐漸降低。經過長達61個周期(低DO濃度下)的運行，至DO=0.1 mg/L時(有機物降解反應結束后)，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，鏡檢時觀察不到原生動物及絲狀菌。以往，低DO濃度一直被認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中(恒定曝氣量、低DO濃度條件下)也曾發生過絲狀菌污泥膨脹。對于此次試
驗結果，筆者認為可能是因為在低DO環境中細菌能量水平降低，活性減弱，代謝過程緩慢，使得在菌膠團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，整個試驗過程中DO濃度是逐漸降低的，且每一DO值都有較長一段時間的馴化，這也可能是導致低DO濃度下SVI降低的原因。

3　結論

　　通過對上述試驗結果的分析與討論，可以得出以下結論：
　　①SBR法處理啤酒工業廢水中，DO濃度高(＞2.0 mg/L)時，有機物降解反應很快完成，DO對有機物降解速率的影響不大；相反，DO濃度較低(＜0.8 mg/L)時，有機物的降解則需較長時間，DO對有機物降解速率有明顯的影響，DO濃度越低，有機物降解速率越小。
　　②DO濃度對有機物比降解速率的影響可用莫諾方程式描述。試驗中求得有機物最大比降解速率Vmax=4.62d^-1，氧飽和常數KO₂=0.194 mg/L。當DO＞2.0 mg/L時，有機物比降解速率接近最大值Vmax，此時，再增大DO濃度并不能提高有機物降解速率，故為了節能，在曝氣池中沒有必要維持過高的DO濃度。
　　③一般認為，低DO濃度是引起污泥膨脹的主要原因之一。然而在本試驗條件下，低DO濃度并沒有引起污泥膨脹，相反卻使SVI值降低，微生物活性減弱，代謝過程減慢，有機物降解速率降低。可見，在某種情況下，單獨的低DO濃度并不是引起污泥膨脹的充分與必要條件，這一新的發現還有待于進一步研究和在實踐中驗證。

參考文獻：
［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法的五大優點［J］.中國給水排水,1993,9(2):29-31.
［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［J］.中國給水排水,2000,16(4): 5-10.

作者簡介：高春娣(1973-)，女，河北唐山人，哈爾濱工業大學博士研究生，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