混合呼吸测量仪研制与活性污泥模型进水COD组分表征研究

摘要

活性污泥模型 (Activated Sludge Models, ASMs) 的研究开发与应用是当前国际水科学技术的前沿研究领域。然而，作为模型建模的基本依据和应用必需的基础数据，ASMs的COD组分表征是目前尚未解决的重要科学问题。我国一些科学工作者近年也开始进行这方面的初步探索。论文基于污染物生物化学转化的基本原理，开发了一种新的污染物好氧生物呼吸测量仪；运用所开发的呼吸测量仪，并联合应用一些常用的水质分析方法，对ASMs(进水)COD组分表征方法进行了系统研究。论文得到的主要研究成果如下： (1) 在呼吸测量仪研制开发中，专门设计了测量室组件，并采用了正压上向流的操作模式，使测量室中的液体处于强烈的湍流状态，溶解氧传感器膜附近的液体具有足够高的更新速度，解决了流速对溶解氧传感器测量值的影响；2个测量室分别位于呼吸室的进口与出口，使内置于测量室的溶解氧传感器能够准确测量进、出呼吸室液体的溶解氧浓度；完全相同的测量室消除了流态差异对溶解氧传感器测量值的影响；恒温水槽与磁力搅拌器的组合使用，保证了在对液体进行搅拌混合的同时，达到了保持整个反应器系统恒温的目的。 (2) 基于LabView开发的呼吸测量软件提高了所开发的呼吸测量仪的自动化程度，降低了呼吸测量的操作难度；采用7阶中值滤波技术消除干扰信号、线性拟合算法替代简单差分算法、“软校核”的方法对溶解氧传感器的互漂移进行校核，提高了测试结果的精度。 (3) 混合呼吸测量仪的评估实验结果显示：呼吸仪长期连续运行时，呼吸速率曲线的峰高和峰面积的变动系数(coefficience of variation, CV)均在3％以内，95％置信度下置信区间的宽度在均值的6％以内；基质加标回收率在89％-108％，测试结果的CV在4％以内；模型参数估计实验和毒性测试实验结果的CV分别在12％以内和10％以内。表明所研制开发的混合呼吸测量仪具有很好的长期运行稳定性，测试结果准确性高、重现性好。 (4) 城市污水COD组分的物理化学表征方法的试验研究表明：某些材料的滤膜有明显的“COD溶出”现象；4种物理化学方法(0.45μm滤膜过滤、0.1μm滤膜过滤、絮凝以及絮凝+0.45μm滤膜过滤)的重现性都很好，相互之间没有明显区别；4种方法得到的处理液的可生物降解COD仍然包含有降解速率存在明显差异的物质，其中快速易生物降解COD(readily biodegradable COD, RBCOD)仅占35％-45％; 呼吸测量法测得的4种处理液的RBCOD与原水的RBCOD没有明显差异。 (5) 测量城市污水活性异养菌组分的两种方法—批式呼吸测量方法和模型拟合方法的测量结果存在一定的相关性，后者约为前者的78％；模型拟合方法需要测量微生物指数生长过程，对于初始微生物浓度较高而RBCOD浓度较低的污水，不能得到很好的结果，投加基质或/和稀释原始污水可以大大改善测试结果；批式呼吸测量方法快捷、方便，干扰因素少，因此更具有实用价值。 (6) 呼吸测量法 (短期BOD测试) 测得的BCOD明显小于长期BOD测试方法的结果，这是由于后者得到的BCOD包括所有的活性微生物COD组分；短期BOD测试得到的BCOD与异养菌COD之和与长期BOD测试得到的BCOD比较接近，两者之比在0.88-1.02之间，平均值为0.94；长期BOD测试耗时长，测试用的微生物种群及其代谢类型都与实际活性污泥过程明显不同，因此，从测试结果的时效性和代表性方法考虑，短期BOD测试 (呼吸测量法) 更具优势。 (7) 呼吸测量法直接同时测定城市污水中RBCOD和SBCOD的实验结果显示，最佳的初始基质浓度(以总COD计)与初始微生物浓度(以MLVSS计)之比为0.20-0.60 gCOD/gMLVSS，此时测试结果的标准偏差在5mg/l以内，CV在8％以内；表明，依靠所研制开发的呼吸测量仪，同时测定城市污水中RBCOD和SBCOD在实践中是可行的。 （8）提出一种表征SI的新方法：对原水进行物理化学分离，测量处理液的总COD；对处理液进行呼吸测量，确定其中的可生物降解COD组分，两者之差即为原水的SI。这种方法的优点是不受惰性产物和残留可生物降解COD组分的干扰，能够真实反映原污水中的SI组分；从综合精确性、实用性和合理性3个方面的因素考虑，絮凝+0.45μm滤膜过滤方法更适用于作为试样的前处理方法。 (9) 提出一套表征城市污水COD组分的标准化方法建议，其特点在于：①以呼吸测量作为RBCOD和SBCOD的测量方法，与以往以物理化学方法为主的做法有着本质区别；②对原水直接进行分析测试来获得SI组分，不受溶解性惰性产物的干扰；③考虑了污水中活性异养微生物组分的单独测量；④所依赖的核心仪器－呼吸测量仪具有很高的自动化程度和简单友好的用户界面，使原本复杂的呼吸测量实验及其结果的分析统计简单化，所建议的标准化方法具有很好的实用性。 (10) 运用建议的标准化方法对重庆市某污水处理厂进水COD组分进行了测试表征，结果表明：① RBCOD与总COD具有较好的相关性，相关系数达到0.9，两者比例为8.25％-10.34％，平均值为9.35％，为文献报道结果的50％左右；② XH占总COD的23％-46％，平均为31％； ③ SBCOD与总COD的比值为26.85％-39.75％，平均为33.96％，低于文献报道结果；④ 溶解性惰性COD组分(SI)占总COD的1.40％-4.28％，平均为2.92％，低于文献报道的1-4倍；⑤ 颗粒性惰性COD组分(XI)占总COD的14.17％-36.31％，均值22.43％，高于文献报道的结果。