| 崔有為 王淑瑩 于德爽 祝貴兵 彭永臻
給水排水 Ｖｏｌ 29 Ｎｏ 6 200357
提要 采用ＳＢＲ工藝處理含鹽生活污水,研究了進水的鹽度、ＤＯ濃度和有機物降解過程三者之間的關系,驗證以ＤＯ作為ＳＢＲ工藝處理含鹽污水有機物降解過程中反應時間和過程控制參數的可行性。分別對經過無機鹽馴化穩定運行的活性污泥系統和鹽度沖擊期間非穩定運行的活性污泥系統進行試驗。結果表明:在穩定運行期間,無論進水的鹽度變化,還是進水的ＣＯＤ或曝氣量變化,ＤＯ和有機物的降解都有很好的相關性。根據這種相關規律可以用ＤＯ間接地指示出有機物降解的程度并可以對反應進程進行預測,從而實現對反應過程進行控制。但是,在鹽度沖擊期間,ＤＯ與有機物降解不具有相關性。所以,要實現ＤＯ作為ＳＢＲ處理含鹽污水的計算機控制參數,必須保證鹽度的穩定。
關鍵詞 含鹽污水 ＳＢＲ工藝 控制參數 鹽度 ＤＯ
國家十五科技攻關項目(2001ＢＡ610Ａ-09),北京市自然科學基金資助項目(編號:8002005)。 含鹽廢水主要來源于工業廢水,大型船艦廢水,異常地區地下水和海水直接利用過程中產生的廢水等。國內外利用各種反應器對含鹽廢水進行了研究。在國外,Ｈａｍｏｄａ和ＡＬ-Ａｔａｒ[1]利用完全混合式反應器研究了鹽度對活性污泥處理效率的影響;Ｌａｗｔｏｎ和Ｅｇｇｅｒｔ[2]利用滴濾池研究鹽度對生物膜的影響;Ｍｉｌｌｓ和Ｗｈｅａｔｌａｎｄ[3]使用滲濾器處理含鹽生活污水;Ｓｔｅｗａｒｄ[4]等用延時曝氣系統處理含鹽廢水。在國內,安林和顧國維[5]研究了鹽度對二段接觸氧化處理工藝的影響。但是,少見有利用間歇反應器進行含鹽污水處理的研究,對含鹽污水ＳＢＲ法處理自動控制的研究就更未見報道。由于ＳＢＲ法操作上的特點,須對其實行自動控制。而實現ＳＢＲ的高層次計算機在線控制,必須尋找既能反映有機物降解程度,又能在線檢測的控制參數,這是深化ＳＢＲ法自動控制的重要課題。ＤＯ,ＯＲＰ,ｐＨ這些可以在線檢測的參數,一直是污水處理自動控制系統研究的熱點。盡管已有研究指出將ＤＯ,ＯＲＰ作為間歇式活性污泥法的控制參數,但都是在對非含鹽廢水進行研究得到的結論[6]。對于含鹽污水,由于鹽度對活性污泥微生物處理系統有重大的影響,所以有必要進一步探討與驗證ＤＯ作為ＳＢＲ工藝反應時間控制參數和過程控制參數的可行性,從而實現ＳＢＲ處理含鹽污水的自動控制。
1 試驗材料和方法
試驗采用化糞池出水作為處理對象(水質見表1),用ＮａＣｌ調配鹽度。試驗研究了不同鹽度下穩定運行系統和鹽度沖擊期間的ＤＯ濃度與有機物降解的相關性。在反應過程中,在線檢測ＤＯ,并根據ＤＯ的變化在一定的時間取樣,測量ＣＯＤ以及混合液污泥濃度。由于氯離子影響ＣＯＤ的檢測,所以必須加掩蔽劑[7]。為了防止無機鹽對ＭＬＳＳ測定的影響,在過濾后至少要用100ｍＬ的蒸餾水進行沖洗濾紙,防止無機鹽結晶影響測定。溫控儀與加熱器控制水溫至20±2℃,將污泥濃度控制在2 5ｇ/Ｌ。ＳＢＲ法試驗裝置見圖1。試驗取樣和檢測在各鹽度馴化結束且處理效果穩定后進行。
表1 試驗用水水質 | CODcr/（mg/L） | 100~760 | 平均CODcr/（mg/L） | 320 | | SS/（mg/L） | 60~128 | 平均SS/（mg/L） | 82 | | BOD5/（mg/L） | 62.8~132.5 | 平均BOD5/（mg/L） | 128 | | pH | 7.3~8.9 | 總氮（mg/L） | 41.6 | | 總磷（mg/L） | 2.75 | | |
 2 試驗結果與分析
2．1 穩定運行期間
2．1．1 相同進水有機物濃度相同曝氣量不同鹽度
試驗原水ＣＯＤ濃度為320ｍｇ/Ｌ左右,反應過程中平均ＭＬＳＳ為2 5ｇ/Ｌ,曝氣量控制在0 3ｍ3/ｈ,從無鹽穩定運行系統開始,逐次調節進水鹽度至10ｇ/Ｌ,15ｇ/Ｌ,20ｇ/Ｌ,25ｇ/Ｌ,30ｇ/Ｌ和35ｇ/Ｌ等幾個梯度水平。在每個鹽度梯度系統馴化結束運行穩定后進入下一個鹽度水平的研究。
試驗結果(見圖2和圖3)表明在整個反應過程中,盡管鹽度不同但是有機物變化的時間曲線和ＤＯ的時間曲線都有很好的規律性,而且兩個曲線有很好的相關聯系。
由于生活污水中含有易被微生物降解和難于降解的兩類有機物,所以在ＣＯＤ變化曲線(見圖2)上會出現兩個階段,在反應初期有機物快速降解然后其降解速度大大降低最后甚至幾乎停止。而無機鹽的濃度主要影響了有機物的降解速度和降解程度。隨著鹽度的增加,易降解有機物降解速度逐漸降低,而且剩余難降解有機物濃度逐漸增加。
 
有機物降解過程以及鹽度對降解的影響特性在ＤＯ時間曲線(見圖3)上得到了很好的反映。在不同鹽度馴化系統內,ＤＯ在各個反應周期的變化規律基本相同,ＤＯ時間曲線大體上會出現兩個跳躍和兩個平臺,兩個平臺和兩個跳躍交替排列。在反應的初期,ＤＯ大幅度升高,出現第一個跳躍。這是因為反應剛剛開始的時候,反應器內的ＤＯ基本為零,此時供氧速率遠遠大于耗氧速率所致。之后進入有機物快速降解階段,由于生物降解有機物需要耗費大量氧,所以ＤＯ有所下降并趨于平緩,稱之為第一個平臺。鹽度不同,該水平段的ＤＯ水平值也不同。隨著鹽度的增大,此平臺的ＤＯ水平值降低,且這個平臺持續的時間也變長。因此可以通過此特點預測進水的鹽度和在該鹽度下的反應時間。當易降解有機物降解完,剩余的難降解有機物難于進一步被利用時,有機物降解的耗氧速率也接近于零,由于曝氣量恒定,供氧速率遠遠大于耗氧速率,致使ＤＯ大幅度上升,之后由于ＤＯ濃度的增加,氧轉移速率即供氧速率也逐漸減少,當微生物的內源呼吸的耗氧速率與供氧速率相等時,ＤＯ又出現新的平衡,即第二個平臺。ＤＯ時間曲線所呈現的這一特點可以作為曝氣結束的控制信號。和第一個平臺相似,第二個平臺的ＤＯ水平值隨著鹽度的增高,ＤＯ值下降。造成這種現象的原因可能是高鹽對微生物的抑制作用導致的微生物呼吸作用加強的緣故。Ｌｕｄｚａｃｋ和Ｎｏｒａｎ[8]的研究表明,隨著鹽度的增加,處理系統的比耗氧速率也增長。而且,經過鹽度馴化的活性污泥系統的比耗氧速率高于相同條件下未經馴化的污泥系統。在高鹽條件下,微生物為了平衡高鹽產生的滲透壓,會產生一些可溶性的物質并調節自身機能來適應惡劣環境。因此可以假設,在高鹽條件下,微生物受到高能滲透壓的侵襲,為了保持細胞質膜內的離子濃度均衡,微生物提高了耗氧速率來增強活性。而且,隨著鹽度在細胞內的積累,細胞體內的酶會受到抑制,為了消除鹽度對細胞酶系統的抑制,微生物只能通過增加呼吸的方法。
2．1．2 相同曝氣量相同鹽度不同進水有機物濃度
保持曝氣量為0 3ｍ3/ｈ,將進水ＣＯＤ調整為320ｍｇ/Ｌ和740ｍｇ/Ｌ兩個水平進行試驗。研究了三個典型鹽度馴化系統不同進水ＣＯＤ濃度下,ＤＯ與ＣＯＤ隨時間的變化規律,驗證ＤＯ作為處理含鹽生活污水控制參數的可行性。
從圖4ａ～ｃ可以看出,在相同的鹽度和曝氣量下,ＤＯ時間曲線的形狀基本和圖3相同。第一個平臺結束伴隨著ＤＯ的大幅跳躍,進入第二個平臺,宣告著易降解有機物的降解完成。
ＤＯ曲線第一個平臺的水平值和進水ＣＯＤ濃度呈現負相關性。進水ＣＯＤ濃度越低,第一個平臺的ＤＯ水平值越高。而且,第一個平臺的歷時與進水濃度呈現正相關性,進水濃度越高,歷時越長。這一點很好理解,因為進水ＣＯＤ濃度越高,其所含有易降解的有機物也越多,而反應控制污泥濃度相同,因此降解的時間會相應的變長。根據第一平臺的ＤＯ變化特點可以對進水ＣＯＤ進行預測,通過ＤＯ在第二個平臺到達穩定時中止曝氣可以實現對反應時間的控制。
  
圖4 不同進水有機物濃度下ＤＯ與ＣＯＤ隨時間變化曲線
2 1 3 相同鹽度相同進水有機物濃度不同曝氣量
試驗采用進水ＣＯＤ為320ｍｇ/Ｌ,曝氣量采用0 2ｍ3/ｈ,0 3ｍ3/ｈ和0 4ｍ3/ｈ三個水平。此處列出一個20ｇ/Ｌ的鹽度下的曲線(見圖5)。曝氣量與第一平臺段的ＤＯ水平值呈現正相關性。第一水平段持續的時間和曝氣量呈現負相關性。但是曝氣量對第二段的水平值的影響很小。
圖5 20ｇ/Ｌ鹽度不同曝氣量下ＤＯ與ＣＯＤ隨時間變化曲線
從上面的分析可以看出,由于ＤＯ在含鹽污水的處理中,同時受到鹽度、曝氣量和進水濃度等三個主要變化因素的限制,所以用ＤＯ作為含鹽污水處理的控制參數比用其作為無鹽污水處理的控制參數要復雜得多。但是ＤＯ與有機物的降解具有很好的相關性,表明在穩定運行期間用ＤＯ作為控制參數是可行的。
2．2 鹽度沖擊期間
在實際處理污水時鹽度時刻都在發生變化。因此,要判斷能否以ＤＯ作為含鹽污水處理的控制參數,必須考慮在鹽度沖擊期間, ＤＯ與ＣＯＤ降解是否具有相關性。
在試驗中,以在20ｇ/Ｌ鹽度下穩定運行的活性污泥系統為沖擊對象,在保持曝氣量和進水有機物濃度不變的前提下,突然增加和減少鹽度負荷,檢測ＤＯ與ＣＯＤ。試驗結果見圖6。
圖6 鹽度沖擊期間ＤＯ與ＣＯＤ隨時間變化曲線
從圖6可看出,ＤＯ曲線形狀完全改變,總體上一直攀升,只是上升的速度不同。且有機物降解時間曲線與ＤＯ時間曲線毫無相關性。隨ＤＯ的攀升,有機物的降解始終在緩慢地進行。造成這種現象的原因可能是由于鹽度沖擊造成大量活性污泥流失而導致耗氧量減少,同時在沖擊期間有機物降解速率和耗氧速率急劇下降所致。但還可能由于活性污泥系統中存在大量不同種屬的微生物,這些微生物對鹽度沖擊的耐受性不同,能適應惡劣環境的微生物還未發展成為優勢菌屬,所以有機物降解一直在緩慢進行,但耗氧量很少。這種結果表明,在鹽度沖擊期,ＤＯ無法作為反應時間的控制參數,也無法對鹽度和進水有機物濃度等進行預測。故要使用ＤＯ作為含鹽污水生物處理的自動控制參數,必須排除鹽度對系統的沖擊,保持進水鹽度的相對穩定。
3 結語
(1)采用ＳＢＲ法處理含鹽污水,在系統穩定運行期間,當易降解有機物降解完成時,ＤＯ迅速大幅度升高后進入一個平臺,ＤＯ這一變化特點可以作為有機物基本被去除的信號。而且ＤＯ在有機物降解過程中會出現兩個平臺,可以根據第一個平臺段的ＤＯ水平值對鹽度、曝氣量和進水有機物濃度進行預測。因此,以ＤＯ作為ＳＢＲ法處理海水沖廁污水反應時間的計算機控制參數是可行的。 (2)在鹽度沖擊期間,由于ＤＯ與有機物降解不再具有良好的相關性,所以ＤＯ無法作為ＳＢＲ處理含鹽污水的自動控制參數。 (3)要實現以ＤＯ作為ＳＢＲ法處理含鹽污水的計算機控制參數,必須保證進水鹽度的相對穩定。建議在ＳＢＲ前設置調節池,在調節池的進水口和出水口分別設鹽度檢測裝置,加強對鹽度變化的監控,使鹽濃度的波動控制在一定的范圍。
參考文獻
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5 An Li and Gu Guowei . (1993).The Treatment of Saline Wastewater Using a Two-Stage Contact Oxidation Method. Water Sci.Tech., 28(7):31-37.
6 王淑瑩等，用溶解氧濃度作為SBR法過程控制和反應時間控制參數，中國環境科學，Vol.18, No.5, 1998. P415-418.
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８Ludzack F.J.and Noran D.K.(1965) Tolerance of High Salinities by Conventional Wastewater Treatment Process .J.Wat.Pollut.Cont.Fed.37,1404-1416.
作者通訊處:100022北京朝陽區平樂園100號北京工業大學環境與能源學院 電話:(010)67392627 67393667
Ｅ ｍａｉｌ:ｅｎｖｉｒｏｔｔｏ@163．ｃｏｍ 王淑瑩 彭永臻150090哈爾濱工業大學
修回日期:2003－1－22
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