活性污泥數(shù)學(xué)模型有機(jī)物組分的測定

活性污泥數(shù)學(xué)模型有機(jī)物組分的測定研究AssessmentmethodsofCODfractionsformodelingwithASMs摘要：有機(jī)物組分是活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASMs）正確模擬的關(guān)鍵因素之一。本研究在對不同的測試方法進(jìn)行比選的基礎(chǔ)上，提出了一套測定城市生活污水中有機(jī)物組分的方法。在對上海市各大生活污水處理廠的初沉池出水進(jìn)行測定后發(fā)現(xiàn)：對于不同的生活污水處理廠，各有機(jī)物組分占進(jìn)水總COD的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所差異，因此，在將活性污泥數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到實(shí)際生活污水處理廠時(shí)，首先要對該廠的廢水特性參數(shù)進(jìn)行分析，以便獲得準(zhǔn)確的模型輸入信息。在本文的最后，對污水的成分進(jìn)行了初步劃分，希望通過測定污水中的蛋白質(zhì)、糖類、脂肪以及其他物質(zhì)，找到這些物質(zhì)與ASMs模型有機(jī)物組分之間的關(guān)系，并得到了一些初步性的結(jié)論。關(guān)鍵詞：活性污泥數(shù)學(xué)模型、水質(zhì)特性參數(shù)、測試方法水質(zhì)特性參數(shù)是活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASMs）的輸入項(xiàng)，它與城市生活污水的性質(zhì)有關(guān)。不同的城市排水管道系統(tǒng)、不同的生物預(yù)處理方式、不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、不同的生活習(xí)慣[1]等都會對其產(chǎn)生影響。對于某個(gè)被模擬對象，如果直接采用模型默認(rèn)的水質(zhì)特性參數(shù)進(jìn)行模擬是十分危險(xiǎn)的。而且，就目前來說，廢水水質(zhì)特性參數(shù)的測定并沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法可循，這也在一定程度上制約了活性污泥數(shù)學(xué)模型的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用[2]。為此，有必要對城市生活污水的組分進(jìn)行研究，建立一套完整、簡便可行的測試方法，為ASM系列模型的研究與開發(fā)提供基礎(chǔ)。由于水質(zhì)特性參數(shù)中的氮組分、磷組分以及堿度等都可以用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定，因此，本研究主要以有機(jī)物組分（COD組分）的測定展開。有機(jī)物組分的測定研究根據(jù)ASM1對廢水中有機(jī)物質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以生物降解性為基礎(chǔ)，將廢水中的有機(jī)物質(zhì)劃分為易生物降解有機(jī)物SS、慢速生物降解有機(jī)物XS、溶解惰性有機(jī)物SI、顆粒惰性有機(jī)物XI以及異養(yǎng)菌XBH、自養(yǎng)菌XBA等[2]，相關(guān)的測定研究也是針對以上這些組分進(jìn)行的。易生物降解有機(jī)物SS的測定在傳統(tǒng)的間歇OUR呼吸計(jì)量法[3,4]的基礎(chǔ)上，甘立軍[5]對測試方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了兩段式間歇OUR呼吸計(jì)量法：即通過選用不同的F/M值，在兩條曲線上分別測算易生物降解有機(jī)物SS與慢速生物降解有機(jī)物XS。1.1.1改進(jìn)間歇OUR呼吸計(jì)量法（高F/M值）測試原理取F/M偏大值（實(shí)驗(yàn)推薦值0.3~0.5，具體值由實(shí)際生活污水中的SS濃度決定），使由SS引起的高OUR響應(yīng)持續(xù)時(shí)間保持在30分鐘以上，當(dāng)出現(xiàn)突降時(shí)，曲線轉(zhuǎn)為XS引起的水解代謝階段，由水解代謝曲線的延長線和高OUR曲線即可單獨(dú)求出SS，如圖1所示。圖SEQ表\*ARABIC1典型的改進(jìn)間歇OUR呼吸計(jì)量法測試曲線（高F/M值）F/M、ATU（硝化抑制劑）、溫度、污泥性質(zhì)等因素都會對測定結(jié)果產(chǎn)生影響[5]。1.1.2不同測試方法之間的比較除了改進(jìn)間歇OUR呼吸計(jì)量法之外，其他常用的測試方法還包括single-OUR呼吸計(jì)量法[6]以及混凝過濾法[7]。圖2三種Ss測試方法測定結(jié)果的比較（單位：mgCOD/l）注：1）水樣取自上海市曲陽水質(zhì)凈化廠2）濾膜的型號為amcAccupor-450采用混凝＋0.45濾膜過濾法測得的Ss值較其它兩種方法要稍高，這是因?yàn)槲鬯械囊恍┞倏缮锝到庥袡C(jī)物（如淀粉）不能吸附在進(jìn)水中的少量生物體上[2]。因此，在實(shí)際測試時(shí)，并不推薦采用該方法。而Single-OUR法通常在水樣體積較小、SS濃度較低的場合下使用。1.1.3SA（揮發(fā)酸/發(fā)酵產(chǎn)物）與SF（可發(fā)酵生物降解基質(zhì)）的測定在ASM2、ASM2D中，易生物降解有機(jī)物SS又可細(xì)分為SA和SF。城市生活污水中的SA主要是乙酸，它通常占這部分COD的60％~80％，這部分有機(jī)物可以通過蒸餾法[8]或滴定法[9]測得。而SF則可以通過生物法測得SS之后，由公式SF＝SS－SA計(jì)算得到。采用化學(xué)分析法分別測定溶解性蛋白質(zhì)和碳水化合物，兩者之和也可以近似等于SF。但是研究發(fā)現(xiàn)，用該法進(jìn)行測試會高估SF，從而引起測試偏差。1.2慢速生物降解有機(jī)物XS的測定采用改進(jìn)間歇OUR呼吸計(jì)量法（低F/M值，推薦取0.05-0.01)也可以對廢水中的XS進(jìn)行測定。但是由于水解過程的復(fù)雜性，利用該方法測得的結(jié)果較實(shí)際值要低[5]，因此在實(shí)驗(yàn)中，采用以BOD實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的XS測定方法[1,10]。測定原理如下：借助于一級反應(yīng)動力學(xué)方程，對每日監(jiān)測得到的BOD值（10天以上）進(jìn)行擬合，得到和，然后通過方程（取0.1~0.2）計(jì)算得到。在ASMs模型中，定義為SS和XS之和，因此，XS可以通過方程計(jì)算求得。研究結(jié)果表明：上海市城市生活污水的典型k值在0.3455~0.5984之間，這與國外文獻(xiàn)報(bào)道的0.1~0.8[1]是比較吻合的。然而，由于進(jìn)水中的微生物數(shù)量和活性的不同，k值的變化范圍比較大，即使是同一污水廠也是如此（如曲陽污水廠，測得的k值范圍在0.3455~0.5554之間），因此，[1]等人提出的利用長時(shí)間BOD實(shí)驗(yàn)測得的k值作為某一類污水的典型k值，然后用該k值與測得的來計(jì)算生活污水中的值是不可取的。ATU（硝化抑制劑）會影響B(tài)OD的測試，因此也會對XS的測定結(jié)果產(chǎn)生影響，BOD測試瓶內(nèi)加入的ATU應(yīng)保持在10～20mg/l。1.3溶解惰性有機(jī)物SI的測定如果反應(yīng)器具有比較長的SRT，那么出水的溶解性COD可以近似看作SI。因此，溶解惰性COD可以用以下方法進(jìn)行測定：取水樣用少量污泥接種，曝氣5天后，在pH＝10.5的條件下，向水樣中投加硫酸鋅，形成Zn(OH)2絮體，去除水中的膠體，然后用孔徑為0.45的濾膜過濾水樣。絮凝方法可以有效地去除水中的膠體有機(jī)物，剩余的COD即為SI[2,11]。用此方法對曲陽、北郊、東區(qū)、泗塘、吳淞[5]、曹楊[5]等生活污水廠的初沉池出水進(jìn)行了測定，典型的SI值在16.0~56mgCOD/l之間，約占初沉池出水總COD的15％左右。1.4顆粒惰性有機(jī)物XI的測定惰性顆粒有機(jī)物XI的估測可用COD的物料平衡關(guān)系式計(jì)算。污水中SS、SI、XS、XBH及XBA（方法在后面介紹）通過不同方法測定后，根據(jù)污水總COD的濃度，利用方程可求得XI。由于該方法是建立在其他組分的測定基礎(chǔ)之上的，因此準(zhǔn)確性不高。D.Orthon[12,13]提出了一種直接測定XI的方法：在3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分別加入2升原污水、過濾后污水以及與過濾后污水COD值相同的葡萄糖溶液，然后在反應(yīng)器內(nèi)加入少量接種的活性污泥，間歇運(yùn)行反應(yīng)器，通過監(jiān)測每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的COD變化，可以最終測得SI和XI。由于該方法測試周期長（一般為40天，對于城市生活污水，由于COD值可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到恒定，因此測試周期可以縮短至20天左右），所以并不常用。表1XI的直接測定法與間接測定法測試結(jié)果的比較（單位：mgCOD/l）直接法間接法水樣133.148.0水樣287.4108.8考慮到方法的易操作性及COD組分的物料平衡，最終選用間接測定法作為XI測試的主要方法。1.5異養(yǎng)菌XBH、自養(yǎng)菌XBA的測定生活污水中的微生物量只能通過微生物的整體活性來估計(jì)[2]。在實(shí)驗(yàn)中采取一定措施抑制自養(yǎng)菌的活動(投加硝化抑制劑ATU)，測定初始時(shí)刻的呼吸速率r（t0）（此時(shí)污水中的異養(yǎng)菌濃度沒有顯著增長），利用式（1.5-1）可以計(jì)算廢水中的XBH：(1.5-1)測定加入硝化抑制劑與不加硝化抑制劑兩種情況下的起始耗氧速率，兩值之差可用來計(jì)算廢水中的XBA：（1.5-2）上海市城市生活污水中有機(jī)物組分的測定曲陽水質(zhì)凈化廠各構(gòu)筑物出水中的有機(jī)物組分的測定使用上述選定的測試方法，對曲陽污水廠各構(gòu)筑物出水中的有機(jī)物組分（ASM2中定義的有機(jī)物組分）進(jìn)行了測定。根據(jù)污水在各構(gòu)筑物內(nèi)的停留時(shí)間，依次取樣，以考察同一批進(jìn)水中的有機(jī)物組分在經(jīng)過各構(gòu)筑物之后的變化情況。表2.1.1曝氣沉砂池出水中有機(jī)物組分的測定結(jié)果（單位：mgCOD/l）組分總CODSASFXSSIXIXBHXBA水樣149218.331.6314.125.44854.50.07水樣266014.633.9436.019.4108.846.60.68水樣367215.138.6399.640109.569.10.1％-2.735.7763.124.6814.189.470.04注：％表示各組分占總COD比例的平均值表2.1.2初沉池出水中有機(jī)物組分的測定結(jié)果（單位：mgCOD/l）組分總CODSASFXSSIXIXBHXBA水樣11879.723.179.425.47.541.20.54水樣22408.524.8152.319.411.423.6未檢出水樣321410.821.3100.04010.531.4未檢出％-4.599.9546.7318.694.9114.670表2.1.3二沉池出水中有機(jī)物組分的測定結(jié)果（單位：mgCOD/l）組分總CODSASFXSSIXIXBHXBA水樣140未檢出未檢出9.925.44.7未檢出未檢出水樣236未檢出未檢出15.519.41.1未檢出未檢出水樣356未檢出未檢出22.140未檢出未檢出未檢出由于初沉池的沉降作用，曝氣沉砂池出水中的大部分XI、XS以及部分XBH在初沉池內(nèi)就由沉降作用去除；而由于曝氣沉砂池出水中的溶解氧濃度較高，因此在初沉池內(nèi)，部分SA、SF以及Xs由生物反應(yīng)去除。二沉池出水中的有機(jī)物構(gòu)成相對簡單，除了一些惰性有機(jī)物之外，還存在一些未被生物去除的慢速生物降解有機(jī)物。溶解惰性組分SI在整個(gè)反應(yīng)過程中保持不變。上海市各大生活污水處理廠進(jìn)水中有機(jī)物組分的測定上海市東區(qū)、北郊、泗塘、曲陽等水質(zhì)凈化廠初沉池出水中有機(jī)物組分的典型值如表2.2所示。表2.2四大生活污水處理廠初沉池出水中有機(jī)物組分的測定結(jié)果（單位：mgCOD/l）東區(qū)污水廠北郊污水廠泗塘污水廠曲陽污水廠典型值％典型值％典型值％典型值％總COD619.7-419.3-435.7-213.7-SA59.49.5820.74.9427.46.299.74.59SF96.915.622.25.2949.211.323.29.95XS241.939.0215.751.4205.547.2110.646.7SI57.29.2338.19.0947.510.928.318.7XI99.716.176.218.263.014.59.84.91XBH64.310.446.311.042.99.8532.114.7XBA0.340.050.120.030.250.060.180注：％表示各有機(jī)物組分占總COD的比例。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：東區(qū)、北郊、泗塘、曲陽等生活污水處理廠初沉池出水中各有機(jī)物組分占總COD的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不盡相同，與國內(nèi)[5,11]、國外的報(bào)道值之間也有所差異[2]。因此，在將活性污泥數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到實(shí)際生活污水處理廠時(shí)，首先要對該廠的廢水特性參數(shù)進(jìn)行分析，以便獲得準(zhǔn)確的模型輸入信息。有機(jī)物組分測定的新探索隨著活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASMs）的發(fā)展，生活污水組分的劃分標(biāo)準(zhǔn)也逐漸細(xì)化，這在加深我們對污水處理過程的理解和認(rèn)識的同時(shí)，也在一定程度上推動著我們?nèi)ヌ剿鞲鼮椤拔⒂^”的物質(zhì)。因此，本研究也在這方面做了一些探索性的工作，從物質(zhì)層面上對污水成分進(jìn)行了初步地劃分。針對生活污水中的溶解性蛋白質(zhì)、溶解性糖類、脂肪等物質(zhì)進(jìn)行了測定，試圖找到這些物質(zhì)與ASMs組分之間的對應(yīng)關(guān)系，從而簡化測試方法，提高測試精度，最終強(qiáng)化活性污泥數(shù)學(xué)模型的預(yù)測能力。表3.1溶解性蛋白質(zhì)、溶解性總糖、脂肪等物質(zhì)的測定方法物質(zhì)測試方法溶解性蛋白質(zhì)Folin-酚法法[14]溶解性總糖蒽酮比色法[144]脂肪索式抽提法[155]選用上述方法對曲陽水質(zhì)凈化廠各構(gòu)筑物的出水進(jìn)行了測定。結(jié)果如表3.2所示。表3.2曲陽水質(zhì)凈化廠各構(gòu)筑物出水中的溶解性蛋白質(zhì)、總糖和脂肪含量（單位：mg/l）曝氣沉砂池出水初沉池出水二沉池出水蛋白質(zhì)總糖脂肪蛋白質(zhì)總糖脂肪蛋白質(zhì)總糖脂肪水樣130.34.926.422.72.76.410.06.1未檢出水樣235.77.3830.925.75.0819.614.52.7未檢出水樣336.76.663424.71.071211.37.36未檢出結(jié)合表2.2.1~2.2.3與表3.2，可以得到以下結(jié)論：二沉池出水中的SI主要由溶解性的蛋白質(zhì)和總糖組成的，兩者占出水SI的60％以上。二沉池出水中殘留的溶解性蛋白質(zhì)可能是難降解的大分子蛋白質(zhì)，而總糖的組成則比較復(fù)雜，可能是由微生物的代謝產(chǎn)物引起的。假定二沉池出水中的溶解性蛋白質(zhì)都屬于SI，那么，扣除這部分溶解性蛋白質(zhì)，曝氣沉砂池出水、初沉池出水中的SF可以近似等于溶解性蛋白質(zhì)與總糖之和，見表3.3。表3.3溶解性蛋白質(zhì)SD、總糖ST（扣除二沉池出水中殘留的溶解性蛋白質(zhì)）與SF的關(guān)系初沉池出水（mggCOD/ll）SFSD＋ST水樣123.121.9水樣224.822.2水樣321.321.1由于生活污水的成分比較復(fù)雜，除了蛋白質(zhì)、總糖、脂肪之外，還包括一些纖維素、灰分等，因此，通過測定污水成分來表征ASMs模型組分還有待于進(jìn)一步地研究。結(jié)論通過綜合比較，推薦選用以下方法對生活污水中的有機(jī)物組分進(jìn)行測定：實(shí)驗(yàn)確定組分：SS：改進(jìn)間歇OUR呼吸計(jì)量法（高F/M值）；SA：蒸餾法；XS：長時(shí)間BOD實(shí)驗(yàn)（T≧10d）；SI：長時(shí)間（T>5d）曝氣反應(yīng)，Zn(OH)2混凝后用0.45的濾膜過濾；XBH和XBA：整體活性估計(jì)；計(jì)算確定組分：SF：SF＝SS－SA；XI＝CODt－SS－XS－XBA－XBH－SI；曲陽水質(zhì)凈化廠各構(gòu)筑物出水的測定結(jié)果表明：在初沉池中，大部分的XI、XS和部分XBH由沉淀作用去除，而部分SA、SF、XS由生物反應(yīng)去除。二沉池出水主要由惰性組分以及慢速生物降解有機(jī)物組成。溶解惰性組分SI在整個(gè)反應(yīng)過程中保持不變。對于不同的生活污水處理廠，各有機(jī)物組分占進(jìn)水總COD的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不盡相同。因此，在將活性污泥數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到實(shí)際生活污水處理廠時(shí)，首先要對該廠的廢水特性參數(shù)進(jìn)行分析，以便獲得準(zhǔn)確的模型輸入信息。通過測定初沉池及二沉池出水中的可溶性蛋白質(zhì)及可溶性糖類，在假定二沉池出水中的溶解性蛋白質(zhì)都屬于SI的基礎(chǔ)上，可以用來估計(jì)SF。參考文獻(xiàn)：P.J.Roelevedld,M.C.M.vanLooddrecht，ExperiencewithguidelinesforwastewatercharacterizationintheNetherlands，.Vol.45，No.6，pp.77-87，2002；張亞雷、李詠梅譯，活性污泥數(shù)學(xué)模型，同濟(jì)大學(xué)出版社，2001；Sollfrank,U.W.Gujer,Characterizationofdomesticwastewaterformathematicalmodelingoftheactivatedsludgeprocess,Wat.Sci.Tech.Vol.45,pp:1057-1063,1991；HenriSpanjers,PeterVanrolleghem,Respirometryasatoolforrapidcharacterizationofwastewaterandactivatedsludge，Wat.Sci.Tech.vol.32,No.2,pp：105-114,1995；甘立軍，同濟(jì)大學(xué)碩士論文，2003；ShuLanXu,SerenaHasselblad,ASimpleBiologicalMethodtoEstimatetheReadilyBiodegradableOrganicMatterinWastewater,Wat.Sci.Tech.vol.30,No.4,pp：1023-1025,1996；D.Mamais.D.JenkinsP.Pitt,Arapidphysical-chemicalmethodforthedeterminationofreadilybiodegradablesolubleCODinmunicipalwastewater,Wat.Res.Vol.27,No.1,pp:195-197,1993；紐曉君、王萍，蒸餾法測定污水中脂肪酸方法的改進(jìn)，環(huán)境技術(shù)，2002，No.2，pp：33-35；韓潤平等，滴定法測定污水中的碳酸氫根和揮發(fā)性脂肪酸，河南科學(xué)，21（3）；10．StetanR.Weijers,OnBODTestsfortheDeterminationofBiodegradableCODforcalibratingActivatedSludgeModelNO.1,Wat.Res.Vol.39,No.4,pp:177-184,1999；11．劉芳，同濟(jì)大學(xué)博士論文，2004；12．D.Orhon,etal,TheEffectofResidualMicrobialProductsontheExperimentalAssessmentoftheParticulateInertCODinWastewater,Wat.Res.Vol.33,No.14,pp:3191-3203,1999；13．F.Germirli,etal,AssessmentoftheInitialInertSolubleCODinIndustrialWastewaters,.Vol.23,pp.1077-1086，2002；14．宋治軍、紀(jì)重光主編，現(xiàn)代分析儀器與測試方法，西安：西北大學(xué)出版社，1995；15．中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)UDC613.2:543.85食品中脂肪的測定方法GB5009.6-85。AssessmentmethodsofCODfractionsformodelingwit