（环境工程专业论文）废水cod组分ss、xs和sa的表征方法及其应用.pdf

中文摘要 摘要 准确掌握废水的生物降解特性是废水生物处理工程设计和处理设施运行优化 的必要前提，也是活性污泥系列模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，a s m ) 理论研究和 应用开发的基础工作。本论文基于活性污泥模型c o d 组分的划分概念，重点解决 其中几种关键组分( 认、r b c o d 和s b c o d 等) 的表征方法的科学性、准确性 和实用性等问题，并综合有关废水c o d 组分测试和表征方法的已有研究成果，提 出了一套废水c o d 组分表征基准化方法，并将这套方法进行了实例应用研究，得 到如下结论： ( 1 ) 发展了测定废水中挥发性脂肪酸( v i 冶) 的9 点p h 值滴定法。通过实 验验证表明该方法是一种操作方便、准确度和精确度较高、具有很好的重现性和 实用性的方法。 ( 2 ) 乙酸浓度为1 0 5 0 m g l 液时，测定结果的绝对误差在l m g l 以内，相 对误差介于6 6 - - 1 1 之间，变异系数小于6 。相对误差和变异系数均随乙酸 浓度的增大而减小，结果均在6 以内。当乙酸与碳酸盐缓冲体系、磷酸盐缓冲体 系以及氨缓冲体系等共存时，测定结果的相对误差控n d , 于8 ，变异系数n 4 , 于 5 。实验结果表明，9 点p h 值滴定方法准确度高、重现性好、简单实用，且受 其它缓冲体系存在的影响小。 ( 3 ) 应用9 点p h 值滴定法对实际废水中v f a 进行测试，通过离子色普法对 测试结果进行验证。试验结果表明：9 点p h 值滴定法的测试结果是废水中挥发性 脂肪酸的总量，使用的离子色谱法能够测试乙酸和丙酸的含量，乙酸与丙酸之和 大约占废水中总v f a 的9 0 左右，这也与之前的文献报道结果相符。 ( 4 ) 氧利用速率( o x y g e nu p t a k er a t e ，o u r ) 是异养微生物利用基质进行新 陈代谢的外部响应，呼吸速率曲线包含了大量的生物反应、物理化学反应信息。 论文基于活性污泥模型的好氧异养代谢过程动力学解析提出一种同时表征废水中 的r b c o d 与s b c o d 组分的呼吸测量方法，解决了之前呼吸测量o u r 曲线台阶 判别法的主观性问题。 ( 5 ) 论文提出的呼吸测量o u r 曲线a s m 解析法所得的结果与传统的o u r 曲线台阶判别法有着明显差异，r b c o d 小于后者，但前者所得s b c o d 大于后者。 这是由于后者认为s b c o d 的水解一直保持在一个恒定的速率直到r b c o d 降解完 毕，从而低估了s b c o d 降解的o u r ，也与a s m 的好氧水解理论相矛盾。 ( 6 ) 基于9 点p n 值滴定法、呼吸测量o u r 曲线a s m 解析法和常规水质分 析方法，提出了一套表征废水c o d 组分的基准化方法，运用这套方法可以测试废 重庆大学博士学位论文 水中可发酵易生物降解组分( s f ) 、发酵产物组分( s a ) 、慢速可生物降解组分( x s ) 、 溶解性不可生物降解组分( s i ) 和颗粒性不可生物降解组分( x i ) 等。 ( 7 ) 应用所提出的基准化表征方法对重庆市主城的井口污水处理厂、茄子溪 污水处理厂以及三峡库区的长寿污水处理厂的进水c o d 组分进行了表征，实验结 果表明，基准化表征方法所得的进水c o d 组分能很好地表达污水处理厂进水水质 特征，可以为污水处理厂针对水质特性优化工艺运行提供参考。 ( 8 ) 以加拿大h y d r o m a n t i s 公司开发的g p s x 5 0 软件为工具，在运用进水 c o d 组分表征结果和污水处理厂的具体工艺条件校核a s m l 后，对茄子溪污水处 理厂的污水处理过程进行了模拟，结果表明：污水处理厂出水c o d 、n i - h - n 以及 t n 的模拟结果与实测值的误差小于1 0 。准确的c o d 组分表征提高了模型模拟 的精度，更能真实地反映所研究污水厂运行中存在的实际问题。 关键词：p h 滴定测量，呼吸测量法，c o d 组分表征，基准化方法，废水生物处理 过程模拟 英文摘要 a b s t r a c t u n d e r s t a n d i n go fw a s t e w a t e rb i o d e g r a d a b l ec h a r a c t e r i s t i c si sn o to n l yan e c e s s a r y p r e c o n d i t i o n f o r d e s i g n i n g o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t e n g i n e e r i n ga n do p e r a t i o n o p t i m i z a t i o no ft r e a t m e n tf a c i l i t i e s ，b u ta l s ot h eb a s i cw o r kf o rf u r t h e rt h e o r e t i c a l r e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g em o d e l s ( a s m s ) t h i sd i s s e r t a t i o n , b a s e d o nc o dc o m p a r t m e n t a l i z a t i o no fa s m s ，f o c u s e so ns e i e n t i f i c a l n e s s ，a c c u r a c ya n d p r a c t i c a b i l i t y o fc h a r a c t e r i z i n gm e t h o do fs e v e r a li m p o r t a n tc o m p o n e n t s ( v f a ， r b c o da n ds b c o d ，e t c ) as e to fb e n c h m a r k m e t h o df o rc h a r a c t e r i z i n gw a s t e w a t e r c o d c o m p o n e n tw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e so nc o dc o m p o n e n t s t e s t i n ga n dc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d s t h r o u g ha p p l y i n gi tt os e v e r a lr e a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t s ( w w t p s ) i tc a nb ec o n c l u d e dt h a t ： ( 1 ) a9 - p o i n t sp h t i t r a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o dw a sd e v e l o p e dt ot e s tv o l a t i l e f a t t ya c i d s ( v f a ) o fw a s t e w a t e r t h ee x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dw a se a s yt o o p e r a t e ，w i t hah i 曲a c c u r a c ya n dp r e c i s i o n , s h o w i n gag o o dr e p r o d u c i b i l i t ya n d p r a c t i c a l ( 2 ) w h e na c e t i ca c i dc o n c e n t r a t i o nw a s10 5 0 m g l ，a b s o l u t ee r r o ro fn l e 弱u r e r e s u l t sw a sb e l o wl n 虮，r e l a t i v e l ye r r o rw a s - 6 6 1 1 a n dv a r i a n c ec o e f f i c i e n tw a s l e s st h a n6 b e s i d e s ，r e l a t i v e l ye r r o ra n dv a r i a n c ec o e f f i c i e n td e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g o fa c e t i ca c i dc o n c e n t r a t i o n w h e na c e t i ca c i dc o e x i s t e dw i t hc a r b o n a t e ，p h o s p h a t ea n d a m m o n i ab u f f e rs y s t e m s ，t h et e s tr e l a t i v e l ye r r o rw a sl e s st h a n8 a n dv a r i a n c e c o e 伍c i e n tw a sl e s st h a n5 ( 3 ) t h e9 - p o i n t sp ht i t r a t i o nm e t h o dw a su s e dt om e a s b l v f ac o n t e n to f w a s t e w a t e r , a n dt h er e s u l t sw e r ev a l i d a t e dt h r o u g hi o nc h o m a t o g r a mm e t h o d i tw a s s h o w e dt h a tt h et e s t i n gr e s u l t so b t a i n e db y9 - p o i n t sp ht i t r a t i o nm e t h o dw a st h et o t a l c o n t e n to fv f a ，w h i l et h er e s u l t sm e a s u r e db yi o nc h r o m a t o g r a mw a sj u s tt h es u i no f a c e t i ca c i da n dp r o p i o n i ca c i dw h i c ho c c u p i e da b o u t9 0 o ft h et o t a lv f ao f w a s t e w a t e r , a c c o r d i n g 、i mf o r m e rl i t e r a t u r er e p o r t s ( 4 ) o x y g e nu t i l i z a t i o nr a t e ( o u r ) i sa l le x t e r n a lr e s p o n s eo fh e t c r o t r o p h i c o r g a n i s m su s i n gs u b s t r a t ef o rm e t a b o l i s m , a n dt h eo u rc b r v ec o n t a i n sp l e n t yo f i n f o r m a t i o no nb i o l o g i c a lr e a c t i o n sa n dp h y s i c a l c h e m i c a lr e a c t i o n s t h ed i s s e r t a t i o n , b a s e do nk i n e t i c so fh e t e r o t r o p h i ca e r o b em e t a b o l i s m ，p r o p o s e su s i n gar e s p i r o m e t r y t e c h n i q u et os i m u l t a n e o u s l yc h a r a c t e r i z er b c o da n ds b c o d o fw a s t e w a t e r , a v o i d i n g m 重庆大学博士学位论文 s u b j e c t i v i t yp r o b l e m sw h e nd i s c r i m i n a t i n gs t e p so fo u r c u r v e ( 5 ) 硼1 er e s u l t so b t a i n e db yr e s p i r o m e t r yo u rc u r v ea s m - b a s e da n a l y s i sm e t h o d a n dt r a d i t i o n a lo u rc u r v es t e pd i s c r i m i n a t i o nm e t h o ds h o w e dg r e a td i f f e r e n c et h a tw a s t h ef o r m e rm e t h o dl e dt oas m a l l e rr e s u l to fr b c o dc o n t e n tb u tal a r g er e s u l to f s b c o dt h a nt h el a t t e ro n e t l l i si sb e c a u s et h et r a d i t i o n a lm e t h o ds u p p o s e st h a tt h e h y d r o l y s i sr a t eo fs b c o di sac o n s t a n tb e f o r ea l lr b c o dh a sb e e nd e c o m p o s e d ， u n d e r e s t i m a t i n gt h ed e c r e a s i n go f 咖己b ys b c o dh y d r o l y s i s ，w h i c h i sa l s o c o n t r a d i c t o r yw i t ha e r o b i ch y d r o l y s i st h e o r e t i c so f a s m ( 6 ) as e to fb e n c h m a r km e t h o df o rc h a r a c t e r i z i n gc o dc o m p o n e n t so fw a s t e w a t c rw a s p r o p o s e d , b a s e d0 1 19 - p o i n t sp ht i t r a t i o nm e a s u r e m e n t , r e s p i r o m e t r yo u rc u r v ea s m - b a s e d a n a l y s i sm e m o da n dc o n v e n t i o n a la n a l y s i sm e n l o d s t h i ss e to fm e l o dc o u l db eu s e dt o c h a l 触w a s t e w a t e rc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gr e a d i l yb i o d e g r a d a b l ec o m p o n e n t ( s f ) ，f e r m e n t a t i o n p r o d u c t s ( s a ) ，s l o w l yb i o d e g r a d a b l ec o m p o n e n t s ) ，s o l u b l eu n b i o d e g r a d a b l ec o m p o n e n t ( s o ，a n d p a r t i c u l a t eu n b i o d e g r a d a b l ec o m p o n e n t i ) ( 7 ) t h i sb e n c h m a r km e t h o dw a sa p p l i e dt oc h a r a c t e r i z ei n f l u e n tc o d c o m p o n e n t so fj i n g k o uw w t p ，q i e z i x im p a n dc h a n g s h o uw w t pl o c a t e di n t h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a 田kr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n f l u e n tc o dc o m p o n e n t s o b t a i n e db yt h eb e n c h m a r km e t h o dc o u l dw e l lr e f l e c ti n f l u e n tc h a r a c t e r i s t i c so f w 唧s ，o f f e r i n gr e f e r e n c ef o rw w t p s t oo p t i m i z et h et r e a t m e n tp r o c e s s ( 8 ) a f t e rc a l i b e r a t i n ga s m lb yt h er e s u l t so fi n f l u e n tc o dc o m p o n e n t s c h a r a c t e r i z a t i o na n da c t u a l o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ep a p e r s i m u l a t e dw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp r o c e s so fq i e z i x iw r 、7 l ，1 1 pu s i n gt h eg p s x 5 0s o l f f w a r ed e v e l o p e db y h y d r o m a n t i si n e ，c a n a d a , w i t har e s u l tt h a tt h ee r r o r sb e t w e e ns i m u l a t e dv a l u e sa n d m e a s u r e do n e so fw w t pe f f i u e n tc o d ，n h 4 - na n dt nw e r el e s st h a n10 t h u s ，i ti s p r o v e dt h a ta c c u r a t ec h a r a c t e r i z a t i o no fc o d c o m p o n e n t sc o u l dn o to n l yi m p r o v et h e s i m u l a t i n gp r e c i s i o nb u ta l s or e v e a lr e a lp r o b l e m so ft h ew w t po p e r a t i o n k e yw o r d s ：p ht i t r a t i o nm e a s u r e m e n t , r e s p i r o m e t r y , c o dc o m p o n e n t sc h a r a c t e r i z a t i o n , b e n c h m a r km e t h o d ，s i m u l a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的煎士学位论文廑盎塑组筮垒! 圣塑蔓。的麦延友选区 墓廛旦是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究 成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名： 芝治 导师签名：弘巾 签字日期： 签字日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程) ，愿意将本人的止士学位论文废丞堡塑组筮曼：整塑& 笪麦堑友法厘墓 应用提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全 文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文 数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知 识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意 按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：三七l 址聊签名：丝蚴 h 年1 名弱| b 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书弦，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书些逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 水是人类社会发展的基础性自然资源和战略性资源，是保障人类社会可持续 发展的首要元素之一。然而，随着急剧推进的城市化和工业化的过程，在人口与 资源矛盾空前尖锐的前提下，水资源的整体态势异常严峻和复杂，这主要表现在： 水资源短缺日趋突出，水体污染危害严重、水土流失形式严峻以及水生态迅速恶 化等方面。而作为世界人口大国的中国目前所面临的水问题也已经从区域性问题 发展为流域性和全局性问题。具相关统计，全国有近5 0 的河段、9 0 的城市水 域受到不同程度的污染。北方河流有水皆污，南方河流由于污染守着河流无水喝 的情形频频发生，近海海域局部污染严重，赤潮发生面积和频率逐年增加，地下 水污染问题日益突出，9 0 城市的潜层地下水不同程度的遭受有机或无机污染物 的污染。面对如此严峻的水体污染形势，完善现有污染预防和控制体系，并在社 会经济生产和生活中其实有效的实施已经迫在眉睫。 近几十年来，以废水净化处理、回用为目的的各种新型处理工艺竞相被研究 者发明。这些众多工艺可总体分为两大类，第一类是针对城市生活污水提出的各 种工艺( 其中以活性污泥处法为主) ；第二类是针对各种工业废水特性而提出的工 业废水处理工艺。尽管这些工艺看似各不相同，但它们都遵循着一个原则，即必 须对所要处理的废水的基本组成成分及特性进行研究，这是污水处理工程的最重 要的前提，离开了这一前提，人们发明的这些形形色色的工艺就缺乏科学依据、 显得盲目混乱。就废水来说，其水质特性受到多种因素的影响，如：社会因素、 经济因素、政治因素等的影响。不同的国家、不同城市、甚至相同城市的不同污 水处理厂的进水水质必然存在着明显的差异。这种差异决定了各城市生活污水厂 在主要生物处理工艺基本相同的情况下，运行模式、微生物种类、附加处理单元 等存在区别。 纵观现今的废水生物处理工艺，如s b r 、氧化沟、a 2 o 等等，其实质均是以 活性污泥法为基础，针对各类型污水的水质特性及处理的主要目的人为的把一系 列单元操作按照特定的方式组合起来。随着现代水科学技术、环境模型预测一决 策学科和现代计算机仿真技术的快速发展，一个废水处理厂中几乎所有的单元操 作都有对应的数学模型，如滴滤池模型【1 捌，生物转盘模型【3 】等其它类型的生物膜 模型 4 - 9 ，厌氧消化模型【l o , n ，活性污泥模型【1 2 - 1 5 1 以及流量分配器模型、均质池模 型、隔栅井模型、泵站模型等【1 6 】。 国际水协( i w a ) 提出的活性污泥系列模型( a s m s ) 详细描述了各种污染物 重庆大学博士学位论文 在反应池或单元操作中物理、化学和生物化学转化过程，成为废水生物处理工艺 设计、运行控制和管理的重要手段，并已在西方一些发达国家广泛应用。而应用 a s m s 模拟污水处理厂需要预先掌握该污水厂的一些基本参数，主要包括：( 1 ) 污 水厂的数据：工艺流程、各单个反应器及连通管道的物理尺寸、流动模式( 活塞 流或完全混合等) ，回流设置和剩余污泥的排放等；( 2 ) 污水厂的运行数据：进水 流量、控制变量和响应变量；( 3 ) 进水水质：模型的基本组分；( 4 ) 模型化学计 量学和动力学参数等。在以上须知条件中，有关污水厂的设计和运行方面的参数 是具备的，关于a s m s 模型中的化学计量学和动力学参数都有典型值。而进水水 质的模型组分的定量表征目前不管在污水厂的常规分析，甚或专业研究者都存在 着相当大的难度。这就使得活性污泥系列模型的推广受到了极大的限制，成为了 其发展的一个瓶颈。 理论和实践证明不同c o d 组分在生物反应池中所经历降解过程不同，并且相 互影响，这也决定了它们的生物降解特性不同，相同的c o d 总量但组成不同时其 处理去除特性也不同，虽然活性污泥系列模型已提出2 0 多年，但模型组分的定量 表征方法研究一直未曾得到系统化的发展，尽管有少数学者对其中某些组分的表 征方法进行过一定的探讨，但这些方法的科学性均有待商榷；对同一组分的不同 测试方法之间亦缺乏全面的对比研究，对其测试结果的准确性、相关性仍不清楚； 再者，已有的一些方法过于复杂，对人员和仪器要求很高，在实际废水处理厂实 施较为困难。因此，废水的c o d 组分表征已经成为了当前水科学领域的一个亟待 解决的问题。 a s m s 组分包括c o d 组分、含氮组分以及含磷组分等3 大类。含氮组分主要 以氨氮和硝态氮为主，含磷组分主要为正磷酸盐，这已经为研究者们所公认。而 a s m sc o d 组分是根据其在生物反应池所经历生物代谢过程及其动力学特性对总 量c o d 的组成进行描述。因此，活性污泥模型( 进水) 组分表征一般主要是指活 性污泥模型( 进水) c o d 组分表征。 1 2 研究的目的和意义 本课题组自2 0 0 3 年以来一直致力于废水c o d 组分表征基准化方法的研究， 从仪器的开发以及部分组分的测试方法的研究均已经做了大量的工作，并且也获 得了一些成果，提出了建立基准化方法的建议。但由于在某些组分的表征方法上 还存在着不足与缺乏，特别是测试废水中挥发性脂肪酸组分的实用方法；提 高呼吸测量法表征废水中r b c o d 与s b c o d 准确性等问题有待解决。因此，本论 文将重点解决上述2 个问题，并将其与之前课题组的研究工作进行整合，建立一 套基于活性污泥模型( a s m s ) 概念的表征废水处理厂进水c o d 组分基准化方法，并 2 1 绪论 将这一基准化方法应用于具体案例。论文研究的意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 通过对废水中c o d 组分表征方法的系统研究，提出一套较为完整的废水 c o d 组分表征基准化方法，使其成为准确测试和全面掌握废水的生物处理特性的 规范性基本方法，为针对废水特性提出针对性设计适宜的生物处理工艺以及优化 工艺运行操作提供全面准确的废水水质资料。通过对废水中有机物c o d 组成和分 布特性的全面深入了解，有助于推动废水生物处理工艺设计方法的反展和完善， 促进对现行废水生物处理法排放标准的重新审视。 ( 2 ) 废水c o d 组分表征基准化方法的建立，将大力推动我国这方面研究向 规范化方向发展，为活性污泥模型的理论研究和应用开发提供一个基础公共平台。 ( 3 ) 通过将这套c o d 组分表征方法在重庆市主城区及三峡库区几个污水处理 厂进行应用研究，一方面评估该方法的有效性和实用性，以便为方法的进一步完 善积累基础资料；另一方面可以对上述污水处理厂进水的水质特性有更加全面和 深入的认识，以便为优化污水处理厂的运行操作提供参考依据。 1 3 废水c o d 组分表征研究评述 1 3 1a s m 系列模型的发展 虽然传统稳态生化反应速率模型能满足工艺设计要求并得到了应用，但大量 的试验和运行数据证实，这类过于简单的模型不能很好的体现活性污泥法的许多 典型工艺特点，更无法描述系统运行的动态特性，尤其是不能有效地应用于污水 处理系统的动态模拟、自动控制和日常管理。另外，由于日益严格的出水氮磷标 准，新建污水处理厂需要考虑脱氮除磷，已建污水处理厂也要进行改造，这些对 发展活性污泥过程动力学模型提供了迫切的要求。为适应这种需要，原国际水污 染研究与控制协会i a w p r c ( 曾改名为国际水质协会，i a w q ；现改名为国际水协， i w a ) 从1 9 8 3 年起组织了丹麦、瑞士、荷兰、南非和日本等多个国家的专家成立了 废水生物处理厂设计运行数学模拟国际工作组，对活性污泥模型进行开发研究。 1 9 8 7 年，i a w q 推出了a s m l ，这个模型包括了有机物氧化及硝化和反硝化的生物 过程；1 9 9 5 年i a w q 推出了a s m 2 ，它在a s m l 的基础上增加了生物除磷的过程； 1 9 9 9 年i a w q 同时推出了a s m 2 d 和a s m 3 。a s m 2 d 是对a s m 2 的进一步完善，增加 了对磷聚集微生物( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m ，p a o ) 反硝化相关过程的 描述。而a s m 3 是在总结和修正a s m l 模型缺陷的基础上提出的，特别是增加了基 质在细胞贮存的描述，用内源呼吸替代了细胞死亡再生以描述细胞的衰减过程； 只包括有机物氧化、硝化和反硝化，没有生物除磷。2 0 0 1 年，由负责建_ 立a s m 3 的 学者推出了e a w a g b i o p 模型，采用了a s m 2 d 的一些观点，在a s m 3 的基础上增 加了生物除磷的过程，但不包括化学除磷。 3 重庆大学博士学位论文 在模型表达中采用矩阵形式来描述各组分在反应过程中的变化规律和相互关 系，这就简化了反应速率方程式的表达，有利于计算机程序的编码。反应速率中 采用了“开关函数”的概念，用来反映环境因素改变而产生的抑制作用，可以避免那 些因为具有不连续特性的反应过程在模拟过程中出现的数值不稳定的现象；例如 在反硝化反应速率中加入 1 ；舀八k o + s o ) 】项，其中为氧饱和速率常数，s o 为溶解 氧浓度，当溶解氧趋于o 时，此项为1 ，反硝化顺利进行，反之，当溶解氧浓度增 大到一定限度时，此项趋近于0 ，反硝化过程停止。研究者还可以根据理论发展及 实际情况的需要对现有的a s m 进行反应过程的增加或简化，这无疑扩大了a s m 应 用的灵活性。 1 3 2 废水c o d 组分的划分 废水c o d 是表示废水中有机物含量的一个间接指标，指单位体积废水中所含 有机物在强化学氧化剂k 2 c r 0 7 的作用下氧化所消耗的氧质量，它是一种集总性污 染物量化指标，并不能反映废水中有机物组分在物理化学和生物学性质等方面的 差异性，如生活废水c o d 一般包括2 8 6 0 的蛋白质，1 8 5 0 的碳水化合物和 1 0 3 1 的脂类【1 7 1 阳，还包括表面带负电荷的稳态的亲水有机胶体【1 9 1 。本文以生活 废水中c o d 组分的定量表征为主要研究对象。 根据组分的物理化学特性进行划分 在早期的研究中，依据粒径将废水组成划分为：可沉淀的，超胶体，胶体和溶 解性的4 类组分 2 0 1 。这些早期研究的重要结论之一是将粒径 1 0 , u m 的物质更快地生物降解【2 们。l e v i n ee t a 1 ( 1 9 8 5 ) 得到0 1 9 m 的膜能够有效分离溶解性和颗粒性组分， i a n ，占4 0 ) ，或者是溶解性( 1 0 0 0 名义 分子量，占4 0 ) ，而出水中约7 3 是溶解性的( 1 0 0 0 名义分子量或 l n m - - ， l e v i n ee ta 1 ( 1 9 9 1 ) 的研究表明，未处理的废水c o d 中 1 a n 为4 3 - 6 3 ，二沉池出水c o d 中 1 a n 为1 9 3 1 陋】。h ue t a l ( 2 0 0 2 ) 的研究表明， 经沉淀的原始废水c o d 中 1 a n 为 4 1 ，二沉池出水中 l a n 为8 【2 5 1 。 根据组分的生物学特性进行的划分 4 1 绪论 尽管根据粒径对c o d 组分进行的划分在一段时间内得到了很多研究者的认可 和应用，但废水毕竟是一个复杂的体系，仅靠物理化学方法去除是远远达不到环 境对废水处理的要求。因为，人们观察到c o d 中有不可降解组分的存在。理论上， 所有的有机物都能被微生物降解，严格“不可生物降解”的物质是不存在的，因而， 这是一个具有时间和空间相对性的概念。导致有机物不可生物降解的原因可能是： ( 1 ) 反应速率非常慢，在处理系统的停留时间内没有被降解；( 2 ) 没有降解它们 的生物酶；( 3 ) 受到环境中其它物质的抑制。这些因素对于纯培养物或处理特定 污染物的系统有较大影响，尽管在生物废水处理系统中微生物种群非常丰富，能 够适应进水，但在这个领域范围内把部分物质定义为“不可生物降解”是合理的嘲。 因此，可以根据废水c o d 组分的生物学特性对其进行划分，将废水c o d 划分为 微生物体、易降解c o d 、慢速降解c o d 和不可生物降解c o d 的尝试【2 7 】。1 9 8 6 年以来，国际水协i w a ( i n t e r n a t i o n a lw a t e ra s s o c i a t i o n ) 陆续推出的4 套活性污泥模 型( a s m l ，a s m 2 a s m 2 d ，a s m 3 ) 对废水c o d 组分划分理论和方法进行了发展和 应用，见图1 1 。 进水总c o d c o d t i n f 微生物细胞c o d x b ( x 、x a 、x p a o ) 可发酵易生 物降解c o d s f 阡 町生物降解c o d b c o d 快速易生物 降解c o d r b c o d ( s s ) 慢速可生物 降解c o d s b c o d ( x s ) 不可生物降解c o d u b c o d 溶解性小可生 物降解c o d s l 颗粒性不可生 物降解c o d x i 快警解i l 譬il 芒l l 警li 快芝解il 慢鬈解 图1 1 城市污水c o d 组分划分( 虚线框内为a s m l 的组分，实线框内为a s m 2 和a s m 2 d 组 分，框外为少数研究人员提出的新的组分) f i g1 1c o df r a c t i o n a t i o ni nm u n i c i p a lw a s t e w a t e r ( d o t l i n eb o xf o ra s m l ，r e a l l i n eb o x f o ra s m 2 a n da s m e d , t h eo u t e ra r es o m en e wc o m p o n e n t s ) 在a s m s 系列中，进水总c o d 首先被区分为活性生物体c o d 和有机质c o d 。 5 重庆大学博士学位论文 活性生物体包括自养菌、异养菌和聚磷菌，这些组分在常规废水中含量很少经常 被忽略。对于有机基质c o d ，首先依据其生物可降解性划分为可生物降解基质和 不可生物降解基质。不可生物降解组分代表那些不能反应或反应非常慢以致其降 解在污水处理系统中可忽略的物质，这部分物质依据其粒径被进一步划分为溶解 性惰性物质s i 和颗粒性惰性物质x i ； s i ：在a s m 中，s i 被认为在活性污泥系统中不发生变化，直接流出系统； x i ：来源于进水或微生物衰减，能够被污泥捕集而通过剩余污泥排放来去除。 在生物可降解组分内，有机物被依据降解速率划分为快速易降解基质s s 和慢 速降解基质x s ，这种划分最初是为了解释活性污泥系统的好氧动力学瞄刀。已经证 明，这种划分对设计方案脱氮除磷功能预测和控制策略开发非常重要【2 8 _ 3 3 】。实验 表明，s s 和x s 的降解速率相差约1 个数量级，尽管划分后的s s 和) ( s 各自包含了 生物降解速率不同的物质，但相对于s s 和憨的降解速率差异，它们的差异已经不 具有现实上的重要性瞰j 。 x s ：从物理学角度看，x s 可能由细小颗粒物、胶体物质和溶解性复杂有机大 分子组成，对于工业废水，一般三者都有，而对于生活污水，) ( s 主要由前两者组 成。由于胶体物质能够被活性污泥很快吸附而从液相中去除，其归宿必定与颗粒 物相联系，因此模拟生物反应器可以把所有的胶体和颗粒性可降解c o d 归为 x s f 2 6 j 。这类物质在被细胞吸收之前必须进行胞外水解。 s s ：被假定为由相对较小的分子组成( 如v f a 和低分子量的碳水化合物) ，很 容易进入细胞内部并引起电子受体( 0 2 或n 0 3 。) 被利用的快速响应。为了模拟生 物除磷过程，s s 又被划分为发酵产物s a 和可发酵的易生物降解有机物s f 。s f 可由 异养菌直接降解【3 引。 s a ：在i w a 的a s m 中，对所有化学计量学计算，假定s a 是乙酸，但事实上 还包括了其它发酵产物。在废水处理领域，短链脂肪酸s c v f a 和v f a 具有相同 的含义【3 6 】，一般指碳原子数野的脂肪酸p ，甲酸不支持强化生物除磷，己酸可忽 略，因此，s c v f a 主要是2 5 个碳原子的脂肪酣鲻j 。l i ee t a l ( 1 9 9 7 ) 的发酵实验发 现产物主要是乙酸，其次是丙酸，有时会有丁酸和异丁酸【3 圳。 随着人们对废水处理过程的日趋透彻了解，一些研究者发现活性污泥系列模 型( a s m s ) 对废水进水c o d 组分进行的初步划分已不能解释某些现象的发生。 因此，目前，已有相关学者在a s m s 关于c o d 组分划分的基础上提出了一些延伸。 o r h o n 等 4 0 , 4 1 】认为废水中的慢速可生物降解物质s b c o d ( x s ) 的水解过程符合双 水解过程动力学模型，而非a s m s 的单组分表面限制型反应动力学。由此，他们 也提出将x s 根据水解速率的快慢分为快速水解基质s m 以及慢速水解基质x s l 。 这两种水解基质的反应动力学方程形式上均符合m o n o d 方程，但两者之间的参数 6 1 绪论 却存在着较大差异，同时双水解模型的水解动力学参数与由表面限制型水解动力 学参数之间也存在着非常明显的差异。这种现象在工业废水中尤为突出，但在某 些生活废水中也存在。上述观点也得到了l a g a r d e 等人的认同【4 2 】，l a g a r d e 等认 为，慢速可生物降解物质的水解过程首先受限于其被微生物吸附的过程，快速水 解基质能迅速被微生物体吸附，通过胞外水解酶进行水解降解，而慢速水解基质 则反之。图1 2 为其提出的两种物质吸附、水解示意图，表1 1 则是两种水解过程 动力学及计量学矩阵。表1 2 列出的是通过试验研究的某一污水水样s b c o d 基质 两步水解的动力学参数的比较。 表1 2某种污水的两步水解动力学参数【柏】 ! 型堕! ：呈圣r j 翌皇垡曼巳璺璺竺旦皇! ! 塑羔旦! 垡堡垒! q ：墅堕卫垒y 垒翌垃! i ! 殳! 垒垦垫鱼旦! 竺望璺垒登竺塑 r u n n od u a lh y d r o l y s i sm o d e l s i n g l eh y d r o l y s i sm o d e l r a p i d l ys l o w l y p l a i ns e t t i n gc h e m i c a l h y d r o l y z a b l eh y d r o l y z a b l