SBR法中耗氧速率的在线检测及误差分析

高春娣，彭永臻，高凯，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：由于耗氧速率（OUR）直接反映了好氧生物处理过程中微生物的活性和有机物的降解速率，因此可用OUR作为反应过程特性参数和控制参数。本研究根据SBR法特殊的反应过程，发展了一种OUR在线检测方法，并与静态法（即传统DO瓶法）作了比较。指出在溶解氧（DO）大于3mg／L时，在线检测和静态法均能准确检测OUR值，当DO≤0.3mg／L只有在线法可以准确检测OUR值。
　　关键词：耗氧速率（OUR）；溶解氧（DO）；在线检测法
　　中图分类号：X830.2
　　文献标识码：A
　　文章编号：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

　　活性污泥法的净化反应显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，简称OUR的大小可以反映出酶活性的强弱和有机物降解速率。因此，OUR在活性污泥法工艺设计与过程控制中是一个十分重要的参数[1]。此外，由于OUR与其它参数相比对进水负荷的波动和毒物的冲击能更快地做出响应，所以，在活性污泥系统的控制中，可用于控制污泥回流量和排泥量、估算污水有机物负荷和毒性以及评价生物活性。
　　以往有关耗氧速率的研究大多是针对稳态连续流系统^[2,3,4]。而SBR反应过程中的底物和微生物浓度是变化的，本文研究了用于SBR过程监测和自控的在线OUR检测方法，考察了DO变化对OUR检测值的影响。

1.试验设备和方法

1.1 试验装置
　　试验采用DO瓶法。对于连续流反应器的OUR检测，由于将活性污泥同连续供给的底物分隔，以及现场检测对装瓶过程的耽搁，使得DO瓶的检测结果可能产生低于实际值58％到高于实际值28％之间的误差。因此在DO瓶法的基础上，并考虑到SBR中不存在用DO瓶法会使活性污泥与连续供给的底物分隔的问题，发展了一种在线检测OUR的方法，检测系统如图1所示。

　　主反应器为SBR反应器。其中设置一个气水分离器，以避免混合液中的气泡干扰OUR的精确检测。气水分离器中插人一个带有自搅拌器的DO传感器1，另一个DO传感器2安装在密闭的DO检测瓶中，用磁力搅拌器进行搅拌以保证瓶中混合液处于悬浮状态。恒温水浴用以保证检测瓶中的水温与反应器中相同。反应器中混合液连续地流人检测瓶中，检测瓶出水经回流泵输回到反应器中。每次取样后，立即将与水样等量的水注人水位恒定筒中，以保证在取样分析后反应器内水位与检测瓶出水口之间水位差和进人检测瓶的流量（称循环流量）不变。试验用水取自石油化工厂所排废水经稀释而成，并投加NH4Cl和KH2PO4营养液及NaOH中和液，水温控制在20±1℃。
1.2 检测方法与原理
　　由于水样在检测瓶中的停留时间（小于1min）相对于一个反应周期（3－5h）来讲很短，可以忽略底物浓度和生物量（即MLSS）在检测瓶停留时间内的变化。在此检测系统中，DO的质量平衡见图2。

　　 这里，DO检测瓶可以看作一个连续流反应器，其质量平衡式为
　　　　 Qm.Cr-Qm.Cm-OURm.Vm=Vm.dCm/dt　 (1)
　　式中：Vm——检测瓶有效容积，L；
　　　　　Qm——循环流量，L／min；
　　　　　Cm——检测瓶内DO浓度，ng/L；
　　　　　Cr--SBR反应器中DO浓度，mg／L；
　　　　　OURm——检测瓶中的耗氧速率，mg／（L.min）。
　　由于连续流反应器通常在稳态下运行，这意味着dCm/dt=0，则式(1)化简为：
　　　　　OURm=Qm(Cr-Cm)/Vm=Cr-Cm/HRTm　　　　 (2)
　　式中：HRTm——检测瓶中的水力停留时间，min。
　　式（2）表达了本装置检测OUR的原理。在本文中，又称为动态DO瓶检测法（在线检测）。此外，本装置还有另一种运行方式，即静态的DO瓶检测法。当Cm稳定后，关闭DO检测瓶。进水管和出水管上的阀门，这时Qm＝0，dCM/dt≠0，式（1）可简化为下述
形式：
　　　　　　　OUR=-dCm/dt　　 (3)
　　此式表示传统的静态DO瓶检测法的原理。检测OUR时，首先在检测装置安装之前，在检测瓶及其进水管中充水，然后用量简测出检测瓶和进水管中水的体积，即为Vm。运行时用容量法测得循环水流量，即为Qm，然后将DO仪1和2的读数DO1、DO2、以及Qm、Vm代入式（2）即得OUR值。
　　　　　　 OUR=（DO1-DO2.Qm）/Vm （4）

2 试验结果和分析

　　在反应器中有机物浓度和曝气量等运行条件相同的情况下，通过静态法和在线检测法得到的OUR值如图3所示。从图中可以看出，静态法在检测的开始阶段总有一个OUR从小到大的过程3在线检测法的曲线较平直，DO浓度较低时的OUR值大于同一DO值下静态法测得的OUR值；与静态法相比，在线法在较低的DO浓度下，即可达到OURmax。造成以上差异的原因，主要是DO瓶法中的DO传感响应滞后所致。具体分析如下。

2.1 DO传感器响应速率
　　DO仪的氧电极由阴极和参比电极组成，两极之间充以半饱和KCl溶液，顶端复以聚四氟乙烯薄膜。在电极表面的水膜中存在一个氧从电解液向电极转移的膜扩散过程。由此，存在下式
　　其中：K₃= K1.K₂·N·F／（6000M）
　　式中：K₁——常数，mg/(L.A）；
　　K₂——扩散系数，L／ndn；
　　K₃——转换系数；
　　N——电极反应得失电子数，这里，N=4；
　　F——法拉第常数，9.64867×104C／mol；
　　M——氧摩尔质量，M=64g／mol。
　　在渗透膜上也存在一个膜扩散过程，扩散速率表示如下：
　　　　　　　（dO₂/dt)m=K₄(Cst-Cit) 　　 (6)
　　式中：(dO₂/dt)m——渗透膜上的氧扩散速率，mg／min；
　　　　　Cst——t时刻水样中实际溶解氧浓度，mg/L；
　　　　　K₄——扩散系数，L／min。
　　所以，电解液中氧的变化可表示为：
　　　　　　　　V(dCi/dt)=K4(Cst-Cit)-K2C2t　　　　 (7)
　　式中：V电解液体积，L。
　　联立上述各式并整理可得；
　　　　　　　　 V(dCmt/dt)=a(Cst-Cmt) 　　　　　　　　 (8)
　　式中：a——系数，L／nun；
　　　　　 Cmt——t时刻测得的DO值，mg/L；
　　　　　Cst——t时刻水样中实际DO值，mg/L；
　　式中的a值可以反映氧电极响应速率的快慢，a值越大，响应越快。根据制造厂商提供的传感器性能参数可以得出，DO浓度高时a＝13.8 L／min，DO浓度低时a=4.6L／min，平均值为9.2L／min。
2.2 传感器响应滞后对OUR检测结果的影响
　　DO对OUR的影响可以采用以下形式[5]：
　　　　　　　　 OUR=OURmax(DO/K0+DO)　 (9)
　　式中：OURmax——在一定条件下，无溶解氧浓度限制时，所能达到的最大OUR值，mg[O₂］／（L.min）；
　　　　　Ko——饱和常数，mg／L，一般认为Ko在0.2mg/L左右。
　　参照Monod公式非连续简化的方法，可将式（9）简化为以下两个非连续函数：
　　i DO＞＞Ko，DO／（Ko+DO）→1；此时式（9）可简化为：
　　　　　　　　　 OUR＝OUR_max=K₁ 　 （10）
　　ii 　 DO≤Ko，根据古得曼等人提出的论点，只要DO≤Ko，式（9）即可简化为一级反应式：
　　　　　　　　　OUR=K₂DO 　　　　 （11）
　　式中：K₁——为一常数，其值等于OURmax，mg／L；
　　　　　K₂——系数，其值等于OURmax／Ko,L／min。
　　①当DO值较大时
　　由式(1)可以导出：
　　　　　　　　　 Cmt=Cst+OURs/a(1-e-at) 　　 (12)
　　式中：OURs——水样实际OUR值，mg／（L.min）。
　　Cst与Cmt的偏差项为吸（l-e-at），偏差值随响应时间t增大而增大，并趋于一个极限值OURs/a。OURs越大，则偏差项也越大；a越大，传质速率越快，则偏差项就越小。
　　由式（12）可导出：
　　　　　　　　　OURm=OURs（1－e-at） （13）
　　式中：OURm——测得的OUR值，mg／（L.min）。
　　式(13）表明，在DO值较大的情况下，在反应过程中的某一时刻，虽然OURs为一常数，OURm却有一个响应过程。当响应时间t＝0时，OURm＝0；t→∞时，OURm→OURs;OURm是随响应时间由小到大并最后趋于OURs的。根据前面求出的a=9.2（L／min），当响应99％时，需要30s时间。另外，水中如果夹带有少量微气泡，也会延长响应时间。所以，在DO瓶法的检测过程中，起始段的OUR检测值偏低。实际检测中，经过1－2min，式（12）中偏差项值的变化就很小，可以认为：
　　　　　Cmt=Cst+OURs/a 　　　　　　 (14)
　　　　　OURm=OURs 　　　　　　　　　 (15)
　　本试验中，OURm在1.35－0.21p／（L.min）之间，OURm／a在0.147－0.023mg／L之间，当)Cmt≥ 3mg／L时，Cmt相对误差小于5％。所以，DO瓶法测得的数据基本可靠。
　　②当DO值较小时
　　由式（8）和式（9）可以导出：
　　　　Cmt=（a/a-K₂)C^st(1-K²²/a^2e(K₂-a)t　　　 (16)
　　由式(16）还可导出：
　　　　　OURm=(a/a-K₂)OURs(1-K₂/ae(k₂-a)t) (17)
　　通过以上两式可以看出，当DO值较低时，用DO瓶法测得的DO值和OUR值都始终不能反应真实值，其偏差项来自于两方面：一是不随时间变化的因子a／（a－KZ）；二是与时间有关的两项，[1-K22/a2e](k2-a)和1-K2/ae(k2-a)，当t=0时，它们分别为a2-K22/a₂和(a-K₂)/a；当→∞时都赵于趋于1。根据式（8）有：
　　　　　K2=[OURmax(k₀+DO)=OURmax/K₀ (18)
　　所以，1/k₀+DO=1/k0＝，即Ko+DO＝K₀本试验中OURmax一般在1.0mg／（L·min）左右，当K₀+DO的值在0.1～0.5之间变化时，可得K₂≈2－10（L／min）。又由前面的结果，当DO浓度很低时，a=4.62（L／min），可见K₂与a的值相差不大，在同一数量级。可以简单假设 a=K2，则式（16）和式（17）可化为：
　　　　　　 Cmt=Cst (19)
　　　　　　 OURm=OUR， （20）
　　将上两式代入式（8）得
　　　　　　 OURmt=(K₂/2)Cmt=K′2Cmt (21）
　　式中K2′=K2/2，即由测定的 DO、OUR得出的K2值，根据式(18)，类似的有：
　　　　　　K₂′=OURmax/K0′+DO 　　 (22)
　　式中：K0′——由测得的DO、OUR确定的饱和常数，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′——由测得的DO值、OUR值确定的饱和常数，mg/L。
　　可见，测得的K0′值为实际值的2倍，这个误差是相当大的。反映到OUR—DO曲线上，就是测得的曲线在DO值低的一端，其直线上升段较平，斜率比实际曲线小。这正好与本试验中动态与静态两者OUR—DO曲线的差别相符。虽然在分析过程中假设了一些参数，使得分析过程简化，式（25）的结果不能精确地定量反映出实际误差的大小，但是它仍有重要的实际意义；即在 DO值很低时（DO≤0.3mg／L），由于氧电极的响应滞后，用DO瓶法测得的K0′值的误差是很大的。

3 结论

　　通过上述试验结果和分析，可以得出以下结论：在SBR法中，由于其独特的反应过程采用一种改进的DO瓶法可以较准确地在线检测OUR。检测过程中DO浓度和氧电极的响应对检测有很大影响，这种影响分两种情况：当DO浓度较高时（大于3.0mg／L），用动态法和静态法均能准确检测OUR值；当DO浓度较低时（≤O.3mg／L），由于动态法中两个传感器都是在近稳态下工作，几乎不受氧电极滞后的影响，能够准确检测DO、OUR和确定K0值，而静态法则因氧电极响应滞后给检测带来很大误差。

参考文献：

　 ［1］Charles N.Haas，Oxygen Uptake Rate as Activated Sludge Control Parameter[J].JWPCF，1979，51（5）：938－943.
　 ［2］郝晓地，张自杰.活性污泥耗氧速率的测定及其影响因素试验分析[J].环境科学与技术，1991，54（3）：35－39.
　　[3] 于忠民.污水厂耗氧量的测定及控制[J].中国给水排水，1991，7（2）：39－41.
　 ［4］StevenC.Chiesa，Michael G、Riteh，Therese。E.K.L.Ching.Evaluation of Activated Sludge Oxygen Uptake Rate Test Procedures[J]　Joumal of Environmental Engineering，1990，116（3）：472－485.
　 ［5］Joaquin Suescun.Dissolved Oxygen Control and Simultaneous Estimation of oxygen Uptake Rate in Activated Sludge Plants［J］.wat.Envir.ReS，1998，70（3）：316－322.

作者简介：高春娣（1973－），女，博士研究生。