高春娣，彭永臻，高凱，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：由于耗氧速率（OUR）直接反映了好氧生物處理過程中微生物的活性和有機物的降解速率，因此可用OUR作為反應過程特性參數和控制參數。本研究根據SBR法特殊的反應過程，發展了一種OUR在線檢測方法，并與靜態法（即傳統DO瓶法）作了比較。指出在溶解氧（DO）大于3mg／L時，在線檢測和靜態法均能準確檢測OUR值，當DO≤0.3mg／L只有在線法可以準確檢測OUR值。
　　關鍵詞：耗氧速率（OUR）；溶解氧（DO）；在線檢測法
　　中圖分類號：X830.2
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　活性污泥法的凈化反應顯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，簡稱OUR的大小可以反映出酶活性的強弱和有機物降解速率。因此，OUR在活性污泥法工藝設計與過程控制中是一個十分重要的參數[1]。此外，由于OUR與其它參數相比對進水負荷的波動和毒物的沖擊能更快地做出響應，所以，在活性污泥系統的控制中，可用于控制污泥回流量和排泥量、估算污水有機物負荷和毒性以及評價生物活性。
　　以往有關耗氧速率的研究大多是針對穩態連續流系統^[2,3,4]。而SBR反應過程中的底物和微生物濃度是變化的，本文研究了用于SBR過程監測和自控的在線OUR檢測方法，考察了DO變化對OUR檢測值的影響。

1.試驗設備和方法

1.1 試驗裝置
　　試驗采用DO瓶法。對于連續流反應器的OUR檢測，由于將活性污泥同連續供給的底物分隔，以及現場檢測對裝瓶過程的耽擱，使得DO瓶的檢測結果可能產生低于實際值58％到高于實際值28％之間的誤差。因此在DO瓶法的基礎上，并考慮到SBR中不存在用DO瓶法會使活性污泥與連續供給的底物分隔的問題，發展了一種在線檢測OUR的方法，檢測系統如圖1所示。

　　主反應器為SBR反應器。其中設置一個氣水分離器，以避免混合液中的氣泡干擾OUR的精確檢測。氣水分離器中插人一個帶有自攪拌器的DO傳感器1，另一個DO傳感器2安裝在密閉的DO檢測瓶中，用磁力攪拌器進行攪拌以保證瓶中混合液處于懸浮狀態。恒溫水浴用以保證檢測瓶中的水溫與反應器中相同。反應器中混合液連續地流人檢測瓶中，檢測瓶出水經回流泵輸回到反應器中。每次取樣后，立即將與水樣等量的水注人水位恒定筒中，以保證在取樣分析后反應器內水位與檢測瓶出水口之間水位差和進人檢測瓶的流量（稱循環流量）不變。試驗用水取自石油化工廠所排廢水經稀釋而成，并投加NH4Cl和KH2PO4營養液及NaOH中和液，水溫控制在20±1℃。
1.2 檢測方法與原理
　　由于水樣在檢測瓶中的停留時間（小于1min）相對于一個反應周期（3－5h）來講很短，可以忽略底物濃度和生物量（即MLSS）在檢測瓶停留時間內的變化。在此檢測系統中，DO的質量平衡見圖2。

　　 這里，DO檢測瓶可以看作一個連續流反應器，其質量平衡式為
　　　　 Qm.Cr-Qm.Cm-OURm.Vm=Vm.dCm/dt　 (1)
　　式中：Vm——檢測瓶有效容積，L；
　　　　　Qm——循環流量，L／min；
　　　　　Cm——檢測瓶內DO濃度，ng/L；
　　　　　Cr--SBR反應器中DO濃度，mg／L；
　　　　　OURm——檢測瓶中的耗氧速率，mg／（L.min）。
　　由于連續流反應器通常在穩態下運行，這意味著dCm/dt=0，則式(1)化簡為：
　　　　　OURm=Qm(Cr-Cm)/Vm=Cr-Cm/HRTm　　　　 (2)
　　式中：HRTm——檢測瓶中的水力停留時間，min。
　　式（2）表達了本裝置檢測OUR的原理。在本文中，又稱為動態DO瓶檢測法（在線檢測）。此外，本裝置還有另一種運行方式，即靜態的DO瓶檢測法。當Cm穩定后，關閉DO檢測瓶。進水管和出水管上的閥門，這時Qm＝0，dCM/dt≠0，式（1）可簡化為下述
形式：
　　　　　　　OUR=-dCm/dt　　 (3)
　　此式表示傳統的靜態DO瓶檢測法的原理。檢測OUR時，首先在檢測裝置安裝之前，在檢測瓶及其進水管中充水，然后用量簡測出檢測瓶和進水管中水的體積，即為Vm。運行時用容量法測得循環水流量，即為Qm，然后將DO儀1和2的讀數DO1、DO2、以及Qm、Vm代入式（2）即得OUR值。
　　　　　　 OUR=（DO1-DO2.Qm）/Vm （4）

2 試驗結果和分析

　　在反應器中有機物濃度和曝氣量等運行條件相同的情況下，通過靜態法和在線檢測法得到的OUR值如圖3所示。從圖中可以看出，靜態法在檢測的開始階段總有一個OUR從小到大的過程3在線檢測法的曲線較平直，DO濃度較低時的OUR值大于同一DO值下靜態法測得的OUR值；與靜態法相比，在線法在較低的DO濃度下，即可達到OURmax。造成以上差異的原因，主要是DO瓶法中的DO傳感響應滯后所致。具體分析如下。

2.1 DO傳感器響應速率
　　DO儀的氧電極由陰極和參比電極組成，兩極之間充以半飽和KCl溶液，頂端復以聚四氟乙烯薄膜。在電極表面的水膜中存在一個氧從電解液向電極轉移的膜擴散過程。由此，存在下式
　　其中：K₃= K1.K₂·N·F／（6000M）
　　式中：K₁——常數，mg/(L.A）；
　　K₂——擴散系數，L／ndn；
　　K₃——轉換系數；
　　N——電極反應得失電子數，這里，N=4；
　　F——法拉第常數，9.64867×104C／mol；
　　M——氧摩爾質量，M=64g／mol。
　　在滲透膜上也存在一個膜擴散過程，擴散速率表示如下：
　　　　　　?。╠O₂/dt)m=K₄(Cst-Cit) 　　 (6)
　　式中：(dO₂/dt)m——滲透膜上的氧擴散速率，mg／min；
　　　　　Cst——t時刻水樣中實際溶解氧濃度，mg/L；
　　　　　K₄——擴散系數，L／min。
　　所以，電解液中氧的變化可表示為：
　　　　　　　　V(dCi/dt)=K4(Cst-Cit)-K2C2t　　　　 (7)
　　式中：V電解液體積，L。
　　聯立上述各式并整理可得；
　　　　　　　　 V(dCmt/dt)=a(Cst-Cmt) 　　　　　　　　 (8)
　　式中：a——系數，L／nun；
　　　　　 Cmt——t時刻測得的DO值，mg/L；
　　　　　Cst——t時刻水樣中實際DO值，mg/L；
　　式中的a值可以反映氧電極響應速率的快慢，a值越大，響應越快。根據制造廠商提供的傳感器性能參數可以得出，DO濃度高時a＝13.8 L／min，DO濃度低時a=4.6L／min，平均值為9.2L／min。
2.2 傳感器響應滯后對OUR檢測結果的影響
　　DO對OUR的影響可以采用以下形式[5]：
　　　　　　　　 OUR=OURmax(DO/K0+DO)　 (9)
　　式中：OURmax——在一定條件下，無溶解氧濃度限制時，所能達到的最大OUR值，mg[O₂］／（L.min）；
　　　　　Ko——飽和常數，mg／L，一般認為Ko在0.2mg/L左右。
　　參照Monod公式非連續簡化的方法，可將式（9）簡化為以下兩個非連續函數：
　　i DO＞＞Ko，DO／（Ko+DO）→1；此時式（9）可簡化為：
　　　　　　　　　 OUR＝OUR_max=K₁ 　 （10）
　　ii 　 DO≤Ko，根據古得曼等人提出的論點，只要DO≤Ko，式（9）即可簡化為一級反應式：
　　　　　　　　　OUR=K₂DO 　　　　 （11）
　　式中：K₁——為一常數，其值等于OURmax，mg／L；
　　　　　K₂——系數，其值等于OURmax／Ko,L／min。
　　①當DO值較大時
　　由式(1)可以導出：
　　　　　　　　　 Cmt=Cst+OURs/a(1-e-at) 　　 (12)
　　式中：OURs——水樣實際OUR值，mg／（L.min）。
　　Cst與Cmt的偏差項為吸（l-e-at），偏差值隨響應時間t增大而增大，并趨于一個極限值OURs/a。OURs越大，則偏差項也越大；a越大，傳質速率越快，則偏差項就越小。
　　由式（12）可導出：
　　　　　　　　　OURm=OURs（1－e-at） （13）
　　式中：OURm——測得的OUR值，mg／（L.min）。
　　式(13）表明，在DO值較大的情況下，在反應過程中的某一時刻，雖然OURs為一常數，OURm卻有一個響應過程。當響應時間t＝0時，OURm＝0；t→∞時，OURm→OURs;OURm是隨響應時間由小到大并最后趨于OURs的。根據前面求出的a=9.2（L／min），當響應99％時，需要30s時間。另外，水中如果夾帶有少量微氣泡，也會延長響應時間。所以，在DO瓶法的檢測過程中，起始段的OUR檢測值偏低。實際檢測中，經過1－2min，式（12）中偏差項值的變化就很小，可以認為：
　　　　　Cmt=Cst+OURs/a 　　　　　　 (14)
　　　　　OURm=OURs 　　　　　　　　　 (15)
　　本試驗中，OURm在1.35－0.21p／（L.min）之間，OURm／a在0.147－0.023mg／L之間，當)Cmt≥ 3mg／L時，Cmt相對誤差小于5％。所以，DO瓶法測得的數據基本可靠。
　?、诋擠O值較小時
　　由式（8）和式（9）可以導出：
　　　　Cmt=（a/a-K₂)C^st(1-K²²/a^2e(K₂-a)t　　　 (16)
　　由式(16）還可導出：
　　　　　OURm=(a/a-K₂)OURs(1-K₂/ae(k₂-a)t) (17)
　　通過以上兩式可以看出，當DO值較低時，用DO瓶法測得的DO值和OUR值都始終不能反應真實值，其偏差項來自于兩方面：一是不隨時間變化的因子a／（a－KZ）；二是與時間有關的兩項，[1-K22/a2e](k2-a)和1-K2/ae(k2-a)，當t=0時，它們分別為a2-K22/a₂和(a-K₂)/a；當→∞時都趙于趨于1。根據式（8）有：
　　　　　K2=[OURmax(k₀+DO)=OURmax/K₀ (18)
　　所以，1/k₀+DO=1/k0＝，即Ko+DO＝K₀本試驗中OURmax一般在1.0mg／（L·min）左右，當K₀+DO的值在0.1～0.5之間變化時，可得K₂≈2－10（L／min）。又由前面的結果，當DO濃度很低時，a=4.62（L／min），可見K₂與a的值相差不大，在同一數量級。可以簡單假設 a=K2，則式（16）和式（17）可化為：
　　　　　　 Cmt=Cst (19)
　　　　　　 OURm=OUR， （20）
　　將上兩式代入式（8）得
　　　　　　 OURmt=(K₂/2)Cmt=K′2Cmt (21）
　　式中K2′=K2/2，即由測定的 DO、OUR得出的K2值，根據式(18)，類似的有：
　　　　　　K₂′=OURmax/K0′+DO 　　 (22)
　　式中：K0′——由測得的DO、OUR確定的飽和常數，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′——由測得的DO值、OUR值確定的飽和常數，mg/L。
　　可見，測得的K0′值為實際值的2倍，這個誤差是相當大的。反映到OUR—DO曲線上，就是測得的曲線在DO值低的一端，其直線上升段較平，斜率比實際曲線小。這正好與本試驗中動態與靜態兩者OUR—DO曲線的差別相符。雖然在分析過程中假設了一些參數，使得分析過程簡化，式（25）的結果不能精確地定量反映出實際誤差的大小，但是它仍有重要的實際意義；即在 DO值很低時（DO≤0.3mg／L），由于氧電極的響應滯后，用DO瓶法測得的K0′值的誤差是很大的。

3 結論

　　通過上述試驗結果和分析，可以得出以下結論：在SBR法中，由于其獨特的反應過程采用一種改進的DO瓶法可以較準確地在線檢測OUR。檢測過程中DO濃度和氧電極的響應對檢測有很大影響，這種影響分兩種情況：當DO濃度較高時（大于3.0mg／L），用動態法和靜態法均能準確檢測OUR值；當DO濃度較低時（≤O.3mg／L），由于動態法中兩個傳感器都是在近穩態下工作，幾乎不受氧電極滯后的影響，能夠準確檢測DO、OUR和確定K0值，而靜態法則因氧電極響應滯后給檢測帶來很大誤差。

參考文獻：

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作者簡介：高春娣（1973－），女，博士研究生。