活性污泥数学模型有机物组分的测定

活性污泥数学模型有机物组分的测定研究AssessmentmethodsofCODfractionsformodelingwithASMs摘要：有机物组分是活性污泥数学模型（ASMs）正确模拟的关键因素之一。本研究在对不同的测试方法进行比选的基础上，提出了一套测定城市生活污水中有机物组分的方法。在对上海市各大生活污水处理厂的初沉池出水进行测定后发现：对于不同的生活污水处理厂，各有机物组分占进水总COD的质量分数有所差异，因此，在将活性污泥数学模型应用到实际生活污水处理厂时，首先要对该厂的废水特性参数进行分析，以便获得准确的模型输入信息。在本文的最后，对污水的成分进行了初步划分，希望通过测定污水中的蛋白质、糖类、脂肪以及其他物质，找到这些物质与ASMs模型有机物组分之间的关系，并得到了一些初步性的结论。关键词：活性污泥数学模型、水质特性参数、测试方法水质特性参数是活性污泥数学模型（ASMs）的输入项，它与城市生活污水的性质有关。不同的城市排水管道系统、不同的生物预处理方式、不同的经济发展水平、不同的生活习惯[1]等都会对其产生影响。对于某个被模拟对象，如果直接采用模型默认的水质特性参数进行模拟是十分危险的。而且，就目前来说，废水水质特性参数的测定并没有相应的标准方法可循，这也在一定程度上制约了活性污泥数学模型的进一步发展与应用[2]。为此，有必要对城市生活污水的组分进行研究，建立一套完整、简便可行的测试方法，为ASM系列模型的研究与开发提供基础。由于水质特性参数中的氮组分、磷组分以及碱度等都可以用标准方法进行测定，因此，本研究主要以有机物组分（COD组分）的测定展开。有机物组分的测定研究根据ASM1对废水中有机物质的划分标准，以生物降解性为基础，将废水中的有机物质划分为易生物降解有机物SS、慢速生物降解有机物XS、溶解惰性有机物SI、颗粒惰性有机物XI以及异养菌XBH、自养菌XBA等[2]，相关的测定研究也是针对以上这些组分进行的。易生物降解有机物SS的测定在传统的间歇OUR呼吸计量法[3,4]的基础上，甘立军[5]对测试方法进行了改进，提出了两段式间歇OUR呼吸计量法：即通过选用不同的F/M值，在两条曲线上分别测算易生物降解有机物SS与慢速生物降解有机物XS。1.1.1改进间歇OUR呼吸计量法（高F/M值）测试原理取F/M偏大值（实验推荐值0.3~0.5，具体值由实际生活污水中的SS浓度决定），使由SS引起的高OUR响应持续时间保持在30分钟以上，当出现突降时，曲线转为XS引起的水解代谢阶段，由水解代谢曲线的延长线和高OUR曲线即可单独求出SS，如图1所示。图SEQ表\*ARABIC1典型的改进间歇OUR呼吸计量法测试曲线（高F/M值）F/M、ATU（硝化抑制剂）、温度、污泥性质等因素都会对测定结果产生影响[5]。1.1.2不同测试方法之间的比较除了改进间歇OUR呼吸计量法之外，其他常用的测试方法还包括single-OUR呼吸计量法[6]以及混凝过滤法[7]。图2三种Ss测试方法测定结果的比较（单位：mgCOD/l）注：1）水样取自上海市曲阳水质净化厂2）滤膜的型号为amcAccupor-450采用混凝＋0.45滤膜过滤法测得的Ss值较其它两种方法要稍高，这是因为污水中的一些慢速可生物降解有机物（如淀粉）不能吸附在进水中的少量生物体上[2]。因此，在实际测试时，并不推荐采用该方法。而Single-OUR法通常在水样体积较小、SS浓度较低的场合下使用。1.1.3SA（挥发酸/发酵产物）与SF（可发酵生物降解基质）的测定在ASM2、ASM2D中，易生物降解有机物SS又可细分为SA和SF。城市生活污水中的SA主要是乙酸，它通常占这部分COD的60％~80％，这部分有机物可以通过蒸馏法[8]或滴定法[9]测得。而SF则可以通过生物法测得SS之后，由公式SF＝SS－SA计算得到。采用化学分析法分别测定溶解性蛋白质和碳水化合物，两者之和也可以近似等于SF。但是研究发现，用该法进行测试会高估SF，从而引起测试偏差。1.2慢速生物降解有机物XS的测定采用改进间歇OUR呼吸计量法（低F/M值，推荐取0.05-0.01)也可以对废水中的XS进行测定。但是由于水解过程的复杂性，利用该方法测得的结果较实际值要低[5]，因此在实验中，采用以BOD实验为基础的XS测定方法[1,10]。测定原理如下：借助于一级反应动力学方程，对每日监测得到的BOD值（10天以上）进行拟合，得到和，然后通过方程（取0.1~0.2）计算得到。在ASMs模型中，定义为SS和XS之和，因此，XS可以通过方程计算求得。研究结果表明：上海市城市生活污水的典型k值在0.3455~0.5984之间，这与国外文献报道的0.1~0.8[1]是比较吻合的。然而，由于进水中的微生物数量和活性的不同，k值的变化范围比较大，即使是同一污水厂也是如此（如曲阳污水厂，测得的k值范围在0.3455~0.5554之间），因此，[1]等人提出的利用长时间BOD实验测得的k值作为某一类污水的典型k值，然后用该k值与测得的来计算生活污水中的值是不可取的。ATU（硝化抑制剂）会影响BOD的测试，因此也会对XS的测定结果产生影响，BOD测试瓶内加入的ATU应保持在10～20mg/l。1.3溶解惰性有机物SI的测定如果反应器具有比较长的SRT，那么出水的溶解性COD可以近似看作SI。因此，溶解惰性COD可以用以下方法进行测定：取水样用少量污泥接种，曝气5天后，在pH＝10.5的条件下，向水样中投加硫酸锌，形成Zn(OH)2絮体，去除水中的胶体，然后用孔径为0.45的滤膜过滤水样。絮凝方法可以有效地去除水中的胶体有机物，剩余的COD即为SI[2,11]。用此方法对曲阳、北郊、东区、泗塘、吴淞[5]、曹杨[5]等生活污水厂的初沉池出水进行了测定，典型的SI值在16.0~56mgCOD/l之间，约占初沉池出水总COD的15％左右。1.4颗粒惰性有机物XI的测定惰性颗粒有机物XI的估测可用COD的物料平衡关系式计算。污水中SS、SI、XS、XBH及XBA（方法在后面介绍）通过不同方法测定后，根据污水总COD的浓度，利用方程可求得XI。由于该方法是建立在其他组分的测定基础之上的，因此准确性不高。D.Orthon[12,13]提出了一种直接测定XI的方法：在3个反应器内分别加入2升原污水、过滤后污水以及与过滤后污水COD值相同的葡萄糖溶液，然后在反应器内加入少量接种的活性污泥，间歇运行反应器，通过监测每个反应器内的COD变化，可以最终测得SI和XI。由于该方法测试周期长（一般为40天，对于城市生活污水，由于COD值可以在较短时间内达到恒定，因此测试周期可以缩短至20天左右），所以并不常用。表1XI的直接测定法与间接测定法测试结果的比较（单位：mgCOD/l）直接法间接法水样133.148.0水样287.4108.8考虑到方法的易操作性及COD组分的物料平衡，最终选用间接测定法作为XI测试的主要方法。1.5异养菌XBH、自养菌XBA的测定生活污水中的微生物量只能通过微生物的整体活性来估计[2]。在实验中采取一定措施抑制自养菌的活动(投加硝化抑制剂ATU)，测定初始时刻的呼吸速率r（t0）（此时污水中的异养菌浓度没有显著增长），利用式（1.5-1）可以计算废水中的XBH：(1.5-1)测定加入硝化抑制剂与不加硝化抑制剂两种情况下的起始耗氧速率，两值之差可用来计算废水中的XBA：（1.5-2）上海市城市生活污水中有机物组分的测定曲阳水质净化厂各构筑物出水中的有机物组分的测定使用上述选定的测试方法，对曲阳污水厂各构筑物出水中的有机物组分（ASM2中定义的有机物组分）进行了测定。根据污水在各构筑物内的停留时间，依次取样，以考察同一批进水中的有机物组分在经过各构筑物之后的变化情况。表2.1.1曝气沉砂池出水中有机物组分的测定结果（单位：mgCOD/l）组分总CODSASFXSSIXIXBHXBA水样149218.331.6314.125.44854.50.07水样266014.633.9436.019.4108.846.60.68水样367215.138.6399.640109.569.10.1％-2.735.7763.124.6814.189.470.04注：％表示各组分占总COD比例的平均值表2.1.2初沉池出水中有机物组分的测定结果（单位：mgCOD/l）组分总CODSASFXSSIXIXBHXBA水样11879.723.179.425.47.541.20.54水样22408.524.8152.319.411.423.6未检出水样321410.821.3100.04010.531.4未检出％-4.599.9546.7318.694.9114.670表2.1.3二沉池出水中有机物组分的测定结果（单位：mgCOD/l）组分总CODSASFXSSIXIXBHXBA水样140未检出未检出9.925.44.7未检出未检出水样236未检出未检出15.519.41.1未检出未检出水样356未检出未检出22.140未检出未检出未检出由于初沉池的沉降作用，曝气沉砂池出水中的大部分XI、XS以及部分XBH在初沉池内就由沉降作用去除；而由于曝气沉砂池出水中的溶解氧浓度较高，因此在初沉池内，部分SA、SF以及Xs由生物反应去除。二沉池出水中的有机物构成相对简单，除了一些惰性有机物之外，还存在一些未被生物去除的慢速生物降解有机物。溶解惰性组分SI在整个反应过程中保持不变。上海市各大生活污水处理厂进水中有机物组分的测定上海市东区、北郊、泗塘、曲阳等水质净化厂初沉池出水中有机物组分的典型值如表2.2所示。表2.2四大生活污水处理厂初沉池出水中有机物组分的测定结果（单位：mgCOD/l）东区污水厂北郊污水厂泗塘污水厂曲阳污水厂典型值％典型值％典型值％典型值％总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：％表示各有机物组分占总COD的比例。实验结果表明：东区、北郊、泗塘、曲阳等生活污水处理厂初沉池出水中各有机物组分占总COD的质量分数不尽相同，与国内[5,11]、国外的报道值之间也有所差异[2]。因此，在将活性污泥数学模型应用到实际生活污水处理厂时，首先要对该厂的废水特性参数进行分析，以便获得准确的模型输入信息。有机物组分测定的新探索随着活性污泥数学模型（ASMs）的发展，生活污水组分的划分标准也逐渐细化，这在加深我们对污水处理过程的理解和认识的同时，也在一定程度上推动着我们去探索更为“微观”的物质。因此，本研究也在这方面做了一些探索性的工作，从物质层面上对污水成分进行了初步地划分。针对生活污水中的溶解性蛋白质、溶解性糖类、脂肪等物质进行了测定，试图找到这些物质与ASMs组分之间的对应关系，从而简化测试方法，提高测试精度，最终强化活性污泥数学模型的预测能力。表3.1溶解性蛋白质、溶解性总糖、脂肪等物质的测定方法物质测试方法溶解性蛋白质Folin-酚法法[14]溶解性总糖蒽酮比色法[144]脂肪索式抽提法[155]选用上述方法对曲阳水质净化厂各构筑物的出水进行了测定。结果如表3.2所示。表3.2曲阳水质净化厂各构筑物出水中的溶解性蛋白质、总糖和脂肪含量（单位：mg/l）曝气沉砂池出水初沉池出水二沉池出水蛋白质总糖脂肪蛋白质总糖脂肪蛋白质总糖脂肪水样130.34.926.422.72.76.410.06.1未检出水样235.77.3830.925.75.0819.614.52.7未检出水样336.76.663424.71.071211.37.36未检出结合表2.2.1~2.2.3与表3.2，可以得到以下结论：二沉池出水中的SI主要由溶解性的蛋白质和总糖组成的，两者占出水SI的60％以上。二沉池出水中残留的溶解性蛋白质可能是难降解的大分子蛋白质，而总糖的组成则比较复杂，可能是由微生物的代谢产物引起的。假定二沉池出水中的溶解性蛋白质都属于SI，那么，扣除这部分溶解性蛋白质，曝气沉砂池出水、初沉池出水中的SF可以近似等于溶解性蛋白质与总糖之和，见表3.3。表3.3溶解性蛋白质SD、总糖ST（扣除二沉池出水中残留的溶解性蛋白质）与SF的关系初沉池出水（mggCOD/ll）SFSD＋ST水样123.121.9水样224.822.2水样321.321.1由于生活污水的成分比较复杂，除了蛋白质、总糖、脂肪之外，还包括一些纤维素、灰分等，因此，通过测定污水成分来表征ASMs模型组分还有待于进一步地研究。结论通过综合比较，推荐选用以下方法对生活污水中的有机物组分进行测定：实验确定组分：SS：改进间歇OUR呼吸计量法（高F/M值）；SA：蒸馏法；XS：长时间BOD实验（T≧10d）；SI：长时间（T>5d）曝气反应，Zn(OH)2混凝后用0.45的滤膜过滤；XBH和XBA：整体活性估计；计算确定组分：SF：SF＝SS－SA；XI＝CODt－SS－XS－XBA－XBH－SI；曲阳水质净化厂各构筑物出水的测定结果表明：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由生物反应去除。二沉池出水主要由惰性组分以及慢速生物降解有机物组成。溶解惰性组分SI在整个反应过程中保持不变。对于不同的生活污水处理厂，各有机物组分占进水总COD的质量分数不尽相同。因此，在将活性污泥数学模型应用到实际生活污水处理厂时，首先要对该厂的废水特性参数进行分析，以便获得准确的模型输入信息。通过测定初沉池及二沉池出水中的可溶性蛋白质及可溶性糖类，在假定二沉池出水中的溶解性蛋白质都属于SI的基础上，可以用来估计SF。参考文献：P.J.Roelevedld,M.C.M.vanLooddrecht，ExperiencewithguidelinesforwastewatercharacterizationintheNetherlands，.Vol.45，No.6，pp.77-87，2002；张亚雷、李咏梅译，活性污泥数学模型，同济大学出版社，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；甘立军，同济大学硕士论文，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；纽晓君、王萍，蒸馏法测定污水中脂肪酸方法的改进，环境技术，2002，No.2，pp：33-35；韩润平等，滴定法测定污水中的碳酸氢根和挥发性脂肪酸，河南科学，21（3）；10．StetanR.Weijers,OnBODTestsfortheDeterminationofBiodegradableCODforcalibratingActivatedSludgeModelNO.1,Wat.Res.Vol.39,No.4,pp:177-184,1999；11．刘芳，同济大学博士论文，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．宋治军、纪重光主编，现代分析仪器与测试方法，西安：西北大学出版社，1995；15．中华人民共和国国家标准UDC613.2:543.85食品中脂肪的测定方法GB5009.6-85。AssessmentmethodsofCODfractionsformodelingwit