污泥基质负荷与比外源呼吸速率关系的测定.pdf

第3 5 卷第4 期 2 0 0 6 年7 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 5N O ．4 J u l ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 0 4 5 8 0 4 污泥基质负荷与比外源呼吸速率关系的测定 何绪文1 ，杨云程1 ’2 ，宋英豪2 ，李福勤1 1 ．中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．北京市环境保护科学研究院，北京1 0 0 0 3 7 摘要采用蔗糖作为微生物降解的单一基质，利用呼吸速率测定仪研究了不同污泥浓度下污泥的 比外源呼吸速率与污泥基质负荷的关系，结果表明，对于不同的污泥浓度，污泥基质负荷和比外 源呼吸速率的关系曲线具有很好的吻合性，该曲线可用经典的米一门方程表示，求得最大比外源 呼吸速率 r 。。， 为3 5 ．0 4 37m g ／ g h ，饱和常数 KF 为1 ．0 0 61 ．测得活性污泥比内源呼吸 速率约为8 ．4m g ／ g h ． 关键词污泥基质负荷；比外源呼吸速率；米一门方程 中图分类号X8 3 0 ．3文献标识码A R e s e a r c ho nt h eR e l a t i o no ft h eS p e c i f i cE x o g e n o u s R e s r “ Respiration a t ea n d lS u b s t r a t e L o a d i n go fA c t i v a t e dS l u d g e H EX u w e n1 ，Y A N GY u n - c h e n g1 ”，S O N GY i n g - h a o2 ，L IF u q i n 1 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y 。B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．B e i j i n gR e s e a r c hI n s t i t u t eo fE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nS c i e n c e ，B e i j i n g1 0 0 0 3 7 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n gt h es u c r o s ea st h es i n g l es u b s t r a t e ，t h er e l a t i o no ft h es p e c i f i ce x o g e n o u sY e s p i r a t i o nr a t e ；a n ds u b s t r a t e l o a d i n go fa c t i v a t e ds l u d g ei nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e du s i n gar e s p i r o m e t r y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i o nc u r v e so ft h es p e c i f i ce x o g e n o u s r e s p i r a t i o nr a t ea n ds u b s t r a t e - l o a d i n go fa c t i v a t e ds l u d g ei nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa r eq u i t e s i m i l a r ，a n dt h ec u r v e sc a nb ee x p r e s s e dw i t hM i c h a e l i s - M e n t e ne q u a t i o n ．T h em a x i m u ms p e c i f i ce x o g e n o u sr e s p i r a t i o nr a t eo f3 5 ．0 4 37m g ／ g h a n dt h es a t u r a t i o nc o n s t a n to f1 ．0 0 61a r e a c h i e v e d ．B e s i d e s ，t h es p e c i f i ce n d o g e n o u sr e s p i r a t i o nr a t eo f8 ．4m g ／ g h i sm e a s u r e d ． K e yw o r d s s u b s t r a t e - l o a d i n g ；s p e c i f i ce x o g e n o u sr e s p i r a t i o nr a t e ；M i c h a e l i s M e n t e ne q u a t i o n 随着活性污泥工艺在污水处理特别是城市污 水处理中的广泛应用[ 1 七] ，污泥呼吸速率作为微生 物活动的直接体现近年来成为污水处理领域的一 个研究热点．2 0 世纪5 0 年代，人们首次将呼吸的 概念引入到废水生物处理中．此后，各国学者纷纷 致力于呼吸速率的研究，研究的主要领域包括测 量方法、影响因素、短期生化需氧量的计算以及过 程控制[ 3 。6 ] ．我国对呼吸速率的研究应用主要集中 于S B R 过程控制中[ 7 书] ． 呼吸速率也称为氧耗速率，是指单位时间内单 位体积混合液中微生物所消耗的氧气的量，对应的 比呼吸速率则是指单位时间内单位重量的微生物 所消耗的氧气量，即呼吸速率除以污泥浓度[ 9 ] ．呼 吸速率受多种因素 如底物浓度、毒物、负荷、氧气 浓度、絮体颗粒大小、污泥浓度、温度、p H 值 的影 响[ 1 引，它直接与微生物的生长和底物的去除相关 收稿日期2 0 0 5 1 2 1 0 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 项目 2 0 0 2 A A 6 0 1 2 0 0 ；国家自然科学基金项目 5 0 4 4 8 0 1 7 作者简介何绪交 1 9 6 4 - ，男，湖南省娄底市人，教授，博士生导师。工学博士，从事水污染控制及大气污染控制工程方面的研究 E - m a i l h e x u w e n s i n a ．c o l n ．c nT e l 0 1 0 6 2 3 3 1 3 6 0 万方数据 第4 期何绪文等污泥基质负荷与比外源呼吸速率关系的测定4 5 9 联。因此，活性污泥呼吸速率比其他测量变量更能 反映出微生物对底物的降解过程和降解活性． 呼吸速率可分为内源呼吸速率、瞬时呼吸速 率、最大呼吸速率以及外源呼吸速率，外源呼吸速 率是指瞬时呼吸速率与内源呼吸速率的差值，当基 质浓度为零时，外源呼吸速率为零；最大呼吸速率 是指易降解物质过量时的氧耗速率．呼吸是微生 物氧化多种基质的结果，所以从理论上讲，只有所 有种类的基质均过量时，才能测定最大呼吸速率． 1实验方法 用2 台蠕动泵分别向呼吸室打人一定浓度的 基质和污泥，基质采用人工配水，污泥来源于实验 室培养的活性污泥，调节进入呼吸室内污泥流量和 基质流量的比例，测定对应条件下的呼吸速率，实 验装置见图1 ． 图1呼吸速率测量装置 F i g ．1 T h em e a s u r i n gu n i t o ft h er e s p i r a t i o nr a t e 2 呼吸室内污泥基质负荷 本实验所采用的污泥基质负荷是指呼吸室内 的基质浓度和污泥浓度的比值，用L 剐w 表示，计算 公式如下 k 一鲁一塞石P s ， 1 式中P S - 为呼吸室中易降解有机物的质量浓度， m g ／L ；l 口B ．为微生物的质量浓度，用M L V S S 表示， m g ／L ；Q w 为呼吸室的进水流量，m L ／m i n , Q s 为呼 吸室进泥流量，m L ／m i n ；P s 为原水中易降解有机 物的质量浓度，用B O D 表示，r a g ／L ；P s 为旁通池 中微生物的质量浓度，m g ／L ． 呼吸室内污泥的质量浓度为 1 0 B ，一警． 2 1 0 B ，一膏 L z J 呼吸室内基质的质量浓度为 P s 一警， 3 一{ f ， L 3 式 2 ， 3 中Q t Q 。 Q s ，在实际的计算中 L s ／、v 值较小，为便于分析比较，用F 表示，即F 一 1 0 0 L s ／w ． 3 实验结果与讨论 3 ．1不同泥水流量比下呼吸速率比较 试验通过测量不同污泥浓度下的呼吸速率值， 确定达到最大呼吸速率时的最低污泥基质负荷值， 呼吸室混合液水温2 1 ℃，p H 值为7 ．6 ，旁通池 P M L V S S 为13 2 0m g ／L ，进水采用人工配水， p B O D 约为1 5 0m g ／L ．进入呼吸室污泥和水的 总流量为1 0 0m L ／m i n ，呼吸室体积为5 5 0m L ．进 水与进泥流量比通过调节蠕动泵转速控制．调节流 量比分别为0 5 0 ，2 4 8 ，4 4 6 ，6 4 4 ，8 4 2 ， 1 0 4 0 ，1 5 3 5 ，2 5 2 5 ，3 5 1 5 ．随着流量比的增 加，呼吸室内污泥质量浓度逐渐减少，而基质质量 浓度逐渐增大，呼吸速率值先升后降．为消除污泥 浓度对呼吸速率的影响，引入比呼吸速率的概念， 并比较了污泥基质负荷与比呼吸速率的关系，结果 见图2 ． f 卑 T∞ 矗 吕 ∑ 锝 制 图2不同污泥负荷下对应的 比呼吸速率与比外源呼吸速率 F i g ．2 T h es p e c i f i cr e s p i r a t i o nr a t ea n d s p e c i f i ce x o g e n o u sr e s p i r a t i o nr a t ei nd i f f e r e n t s u b s t r a t e - l o a d i n go fa c t i v a t e ds l u d g e 从图2 中可以看出，开始阶段随着呼吸室污泥 基质负荷的增加，污泥的比外源呼吸速率不断增 加，当流量比为1 0 4 0 时对应的比外源呼吸速率 达到最大值．最大值为3 2m g ／ g h ，此时的污泥 基质负荷为2 ．8 4 1 0 ～；其后，随着进水和进泥流 量比的增加，污泥基质负荷不断增加但比外源呼吸 速率不发生较大变化． 通过上述实验可以提出一种假设在通常条件 下，活性污泥比外源呼吸速率与基质质量浓度和污 泥质量浓度的比值 污泥基质负荷 有关，并且随着 污泥基质负荷的增加而增加，当污泥基质负荷增加 到一定值时，比外源呼吸速率达到最大值，此后随 着污泥基质负荷的增加，比外源呼吸速率基本不 变． 万方数据 4 6 0中国矿业大学学报第3 5 卷 3 ．2 不同污泥质量浓度下最大呼吸速率的测量 本实验的主要目的是用来验证前面所提出的 推论，即对于某一给定的污泥质量浓度，通过不断 加大进水基质的质量浓度来提高污泥基质负荷，并 测量每种基质负荷下对应的比外源呼吸速率值．污 泥质量浓度通过控制污泥龄进行调节，每变化一次 污泥龄，均要在活性污泥系统运行超过给定污泥龄 的3 倍时间后，测量污泥质量浓度，以保证系统运 f ， 。b D 6 0 g 辨 矧 餐 蛩 髓 丧 051 01 52 02 5 枵泥负荷 a 外源呼吸速率 行的稳定性．实验采用了3 种污泥质量浓度值，每 组实验呼吸室进水与进泥流量比均为5 4 5 ，呼吸 室内污泥的质量浓度分别为8 6 4 。7 ，16 5 4 。2 ， 27 6 4 ．5m g ／L ．对3 种不同的污泥质量浓度，所配 原水的』D B O D 值分别为17 7 3 ，30 2 6 ， 58 7 1m g ／L ．每种污泥质量浓度下，不同的基质质 量浓度通过调节原水的稀释比例来实现．结果见 图3 ． P 污泥 8 6 4 ．7m g ／L 一P 污泥 16 5 4 ．2m g ／L I 口 污泥 27 6 4 ．5m g ／L 51 01 52 02 5 污泥负荷 b 比外源呼吸速率 图3不同污泥质量浓度下外源和比外源呼吸速率与污泥负荷的关系 F i g ．3 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee x o g e n o u sr e s p i r a t i o nr a t ea n d s p e c i f i conea n ds u b s t r a t e - l o a d i n go fa c t i v a t e ds l u d g ei nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s 由图3 a 可以看出，活性污泥的外源呼吸速率 与污泥质量浓度密切相关，在同一基质质量浓度 下，不同污泥质量浓度对应的外源呼吸速率各不相 同，且污泥质量浓度越大，外源呼吸速率值越大；但 不同污泥质量浓度下呼吸速率随基质负荷的变化 趋势是相似的，开始阶段上升较快，而后比较平缓， 最后趋于稳定．图3 b 反应的是比外源呼吸速率和 污泥基质负荷的关系，从图3 中可以看出不同污泥 质量浓度下，呼吸速率随基质负荷的变化曲线略有 不同，但偏差不大．在污泥基质负荷为3 1 0 q 左 右时均接近最大呼吸速率．当污泥基质负荷超过 4 1 0 q 时，呼吸速率值几乎不发生变化，介于2 9 ～3 2r a g ／ g h 之间．此时的呼吸速率值可以认 为是最大比外源呼吸速率．这充分验证了上述分析 中提出的假设． 此外，实验中发现3 种污泥的比内源呼吸速率 值分别为8 ．2 8 ，8 ．4 3 ，8 ．5 7m g ／ g h ，比较稳定． 这表明3 种待测污泥均进入了内源呼吸阶段．也说 明内源呼吸速率和污泥浓度具有很好的线性相关 性． 4 模型推导及参数的确定 图3 b 中的曲线与经典的米- I 1 方程相似，因而 可以通过米- 1 3 方程来表述污泥基质负荷与比外源 呼吸速率的关系．用r 表示比外源呼吸速率，r m 。。表 示最大比外源呼吸速率，污泥基质负荷用F 表示； K ，表示饱和常数 半速率常数 ，即当比外源呼吸 速率r T m a x ／2 时的污泥基质负荷．用M A T L A B 程序对图3 b 中的曲线进行模拟，求得最大比外源 呼吸速率为3 5 ．0 4 37m g ／ g h ，饱和常数为 1 ．0 0 61 ，方程表达式见式 4 ． FF r 一7 “ m a x 南一3 5 0 4 37 币磊可可- 4 上式即为本实验所确定的污泥基质负荷与比 外源呼吸速率的关系方程．模拟结果见图4 ． f ， ‘∞ 邑o g 褂 瑙 昏 营 聪 瓠 蓝 图4 F i g ．4 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 l O 5 I D 污泥 8 6 4 ．7m g ／L I D 污泥 l6 5 42n l g ／L I D 污泥 27 6 4 ．5m g ／L 一模拟曲线 o 。亨j ■1 产“5 污泥负荷 污泥负荷为O ～2 1 0 _ 3 时的模拟曲线 T h ea n a l o g u ec u r v eo fs u b s t r a t e - l o a d i n go f a c t i v a t e ds l u d g eo f0 ～2 1 0 1 图4 在图3 的基础上利用式 4 进行了模拟， 可以看出，开始阶段模拟曲线与实测曲线能够很好 的吻合，当污泥基质负荷超过8 1 0 _ 2 以后，模拟 结果略大于实测值，这是由于用M A T L A B 程 序模拟的最大比外源呼吸速率r 。。为 3 5 ．0 4 37m g ／ g h ，理论上讲，要达到该值，污泥 所需的基质负荷是无穷大，而实验室条件下，这一 结果不可能实现；而且当污泥接近最大呼吸速率 时，要使呼吸速率发生很小的变化，需要增加的基 质负荷是很大的，因而实验误差也会增大．因此，可 以认为实验室条件下以蔗糖为单一基质，当污泥的 会∞巧加b m ， 0 一．，-宕．∞m＼碍爱餐管聪畚羞 万方数据 第4 期何绪文等污泥基质负荷与比外源呼吸速率关系的测定 4 6 1 基质负荷达到4 1 0 - 2 时，测得的比外源呼吸速率 即为最大比外源呼吸速率r 。，，约为 3 0r a g ／ g h ． 5结论 1 污泥的最大呼吸速率与污泥基质负荷有 关，在实验室条件下，采用蔗糖作为单一基质，当污 泥基质负荷大于4 1 0 _ 2 时，可以认为活性污泥达 到了最大呼吸速率，且对于不同的污泥质量浓度， 对应的最大比外源呼吸速率值相对稳定，约为 3 0m g ／ g h ； 2 不同污泥质量浓度下污泥的比外源呼吸速 率与基质负荷 F 的关系遵循于米一门方程，其中， 最大比外源呼吸速率r 。。。为3 5 ．0 4 37m g ／ g h ， 饱和常数K F 为1 ．0 0 61 ； 3 在给出污泥质量浓度的情况下，可以通过 测定污泥的比外源呼吸速率来求得原水的B O D 值，但必须要控制好呼吸室进水和进泥的流量比， 以保证比外源呼吸速率不超过最大值． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 张雁秋，张洁，许翱天，等．废水处理生物处理高效 硝化新工艺[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，3 3 2 1 9 7 1 9 9 ． Z H A N GY a n - q i u ，Z H A N GJ i e ，X UA o - t i a n ，e ta 1 ． A d v a n c e si ni n v e s t i g a t i o no fn e wt e c h n o l o g i e so nb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，3 3 2 1 9 7 1 9 9 ． H EX u w e n ，S A N GY i m i n ，W A N GS h o u z h o n g ，e t a 1 ．A p p l i c a t i o no fC A S Si nt r e a t i n gd o m e s t i cs e w a g e a tl o wt e m p e r a t u r e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t y o fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 1 2 1 6 9 1 7 2 ． S T E V E NCC ，M I C H A E LGR ，T H E R E S EEC 。E v a l u a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g eu p t a k et e s tp r o c e d u r e s [ J ] ．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 0 ， 1 1 6 3 4 7 2 4 8 5 ． [ 4 ] J O A Q U I NS ．D i s s o l v e do x y g e nc o n t r o la n ds i m u l t a neouse s t i m a t i o no fo x y g e nu p t a k er a t ei na c t i v a t e d s l u d g ep l a n t s [ J ] ．W a t ．E n v i r ．R e s ．，1 9 9 8 ，7 0 3 3 1 6 3 2 2 ． [ 5 ] W A T T SJB ，G A R B E RWF ．O n - l i n er e s p i r o m e t r y ap o w e rt o o lf o ra c t i v a t e dp l a n to p e r a t i o na n dd e s i g n [ J ] ．W a t e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 3 ，2 8 1 1 1 2 3 8 9 - 3 9 9 ． [ 6 ]R O SM ，D U L A RM ．D e t e r m i n a t i o no fs o m ek i n e t i c p a r a m e t e r sb yr e s p i r o m e t r y [ J ] ．W a t e rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，1 9 9 2 ，2 6 9 - 1 1 2 5 3 5 - 2 5 3 9 ． [ 7 ] 陈健波，施东文，奚旦立．基于S B R 工艺的活性污泥 呼吸速率在线软测量的研究[ J ] ．环境工程，2 0 0 5 ，2 3 3 6 2 6 4 ． C H E NJ i a n - b o ，S H ID o n g - w e n ，X ID a n - l i ．S t u d yo f o n - l i n es o f tm e a s u r e m e n to fr e s p i r a t o r yr a t eo fa c t i v a t e ds l u d g eb a s e do nS B Rm e t h o d [ J ] ．E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，2 3 3 6 2 6 4 ． [ 8 ] 高春娣，彭永臻，高凯，等．S B R 法中耗氧速率的在 线检测及误差分析[ J ] ．工业用水与废水，2 0 0 1 ，3 2 2 4 7 ． G A OC h u n - d i ，P E N GY o n g - z h e n ，G A 0K a i ，e ta 1 ． O n - l i n ed e t e c t i o no fo x y g e nu p t a k er a t ei nS B R p r o c e s sa n de r r o ra n a l y s i s [ J ] ．I n d u s t r i a lw a t e ra n d W a s t e w a t e r ，2 0 0 1 ，3 2 2 4 7 ． [ 9 ] ．卢少勇，宋英豪。申立贤，等．呼吸速率测定研究进展 [ J ] ．环境污染治理技术与设备，2 0 0 2 ，3 8 2 4 2 7 ． L US a o - 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