好氧挂膜过程的溶解氧和pH值变化特征初步研究

曾善文，黄 锐，马若霞，石 广，伍 灵

(1.国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司，重庆 401122;2.国家电投集团远达环保股份有限公司，重庆 401123)

引 言

活性污泥法和生物膜法是污水处理过程中被广泛接受的两种方法，相较来说，活性污泥法有更为广泛的应用，但是在水环境要求越发严苛的当下，生物膜法因其耐冲击能力强、无污泥膨胀、无需回流、占地面积小、运行稳定等[1-2]优点越来越被人们重视。

关于好氧挂膜过程的研究，文献报道多集中在挂膜速率、方式、效果等。张杰等[3]研究了好氧条件下不同进水方式的挂膜效果，结果表明挂膜方法采用逐渐增加进水流量的方式可以加快挂膜过程的启动。林英姿等[4]研究不同启动方法对挂膜过程的影响，结果表明好氧预挂膜比低负荷启动法启动时间更短, COD去除率更好且出水pH更稳定。傅金祥等[5]以不同来源废水作基质开展了曝气生物滤池的挂膜研究，结果表明以污水处理厂初沉池出水为基质, 挂膜速度最快。施悦等[6]以高浓度难降解中药废水为底物、好氧污泥为种泥进行了好氧预挂膜研究，13d就完成快速启动。

DO、pH是水处理领域中最常见、便宜的在线监测手段[7]，因为生化过程常常伴随着DO及质子浓度的变化，DO、pH常常作为一种在线信号用于生化过程的在线指导，如，Johnson等[8]利用DO的跃迁信号来指示微生物合成聚羟基脂肪酸(PHAs)的终点，卢培利等[9]通过DO信号了测试废水中COD的组分，Zhang等[10]利用pH信号变化来指示控制短程硝化反硝化过程，王华等[11]利用pH信号来估计挥发性脂肪酸(VFAs)的浓度。然而，好氧挂膜研究领域的文献报道仅将DO及pH作为挂膜过程的条件控制，如张杰等[3]将供气量控制在200L/h及300L/h、石明岩等[12]采用间歇曝气的方式进行挂膜、魏巍等[13]将好氧挂膜过程的DO控制在2～4mg/L等等，但是还鲜少有文献将DO、pH作为在线信号来分析好氧挂膜过程。本研究对好氧挂膜过程的DO及pH在线信号进行分析，旨在为微生物好氧挂膜过程提供在线数据指导，对生物膜法在废水处理领域的实际应用具有深远意义。

1 材料与方法

实验在1个2L的大烧杯中进行，设置一组重复试验，实验周期为12h，水力停留时间(HRT)为24h。实验用接种微生物外购，挂膜用外购蜂窝状滤料直径约10mm，初始污泥浓度>2g/L。实验在磁力搅拌器上进行，保证实验过程为完全混合状态，同时通过增氧机连接微孔曝气头进行供氧，保证反应体系中的DO>2mg/L，微滤曝气头放置于烧杯底部，在磁力搅拌的共同作用下保证滤料为悬浮状态。实验温度在常温下进行，pH不控制。配置的人工碳源为乙酸钠，保证进水COD保持在300mg/L左右，COD∶N∶P=200～300∶5∶1[6]，在投加碳、氮、磷的同时投加少量微量元素保持微生物的生长。实验过程中采用哈希HQD便携式水质多参数检测仪对DO及pH进行30min间歇监测。取每日出水COD进行检测，COD的检测采用快速消解法[14]。

2 结果与讨论

2.1 好氧挂膜过程中的出水COD变化

如图1所示，在进水COD维持在300mg/L进行好氧条件下的挂膜操作，出水COD从135mg/L降低到最低51mg/L，对应的COD去除率从55%提高到83%。COD出水及去除率达在约7d达到最佳，后续基本维持平稳状态，这也意味着好氧挂膜过程在7d时间就能达到稳定，与张杰等[3]及石明岩等[12]报道的快速挂膜时间相近，略快于施悦等[6]报道的13d，陈寰等[15]报道的约20d及李悦等[16]报道的21d，远快于常规厌氧挂膜时间(8～12周)[17]。

图1 好氧挂膜过程中出水COD及COD去除率变化曲线Fig.1 The removal efficiency of COD and effluent COD in aerobic film cultivation process

2.2 好氧挂膜过程中的DO信号

图2表示好氧挂膜启动时刻(DAY1)、启动过程中(DAY3)及稳定状态(DAY7)的DO信号变化情况，DAY1、DAY3及DAY7的DO跃迁时刻分别为240min、210min、180min。明显的，随着好氧挂膜过程的进行，DO跃迁时刻点在逐渐缩短，这意味着挂膜体系中的活性污泥对COD的降解速率在加快。

图2 好氧挂膜过程中的DO信号Fig.2 The signal of DO in aerobic film cultivation process

好氧活性污泥降解COD所发生的生化反应简式如下：

(1)

如式(1)，COD在好氧条件下的的降解为微生物的生长提供物质和能量来源，如果详细的考虑COD降解与O2的系数关系，可以参考国际水协(International Water Association，IWA)开发的活性污泥1号模型(Activated sludge model No.1，ASM1)[18]，关系如下：

(2)

式中：SS表示溶解性可生物降解COD含量；

SO表示溶解氧含量；

YH表示异养菌的产率系数，在相同的污泥条件下，这一数值为常数。

从式(2)可知，COD降解和O2消耗存在一一对应的线性关系，这是在线DO信号能够用来表征挂膜过程的理论依据。

2.3 好氧挂膜过程中的pH信号

图3表示好氧过膜启动时刻(DAY1)、启动过程中(DAY3)及稳定状态(DAY7)的pH信号变化情况，3组pH在线信号表现出相似的变化趋势，变化有陡逐渐趋向于平顺，平顺时刻点意味着COD降解完全，DAY1、DAY3及DAY7的pH平顺时刻分别为240min、210min、180min，这一指示情况与DO相同。

图3 好氧挂膜过程中的pH信号Fig.3 The signal of pH in aerobic film cultivation process

在线pH平顺时刻可以用来指示好氧过膜过程，参考Guisasola等[7]解读好氧挂膜过程中pH变化的原理，pH变化主要由基质吸收及体系中CO2的变化引起。

本研究好氧挂膜过程选取的基质是乙酸钠，而乙酸的pKa小于5(25℃下，pKAc=4.8)。因此，在实验条件下，它们几乎完全以离子态形式存在。但是，微生物吸收基质时，乙酸钠被吸收时以中性分子态穿过细胞壁。因此，乙酸钠降解过程会产生OH-(见式1)，这是pH持续上升的原因(见图3)。该平衡的HP可计算为式(3)：

(3)

溶液中碳酸盐体系的平衡见式(4)：

(4)

(25℃下，pK1=6.36，pK2=10.35)

(5)

式中：CO2production、CO2stripping-CO2产生和吹脱量；

pH-系统pH值。

3 结 论

逐渐缩小的DO跃迁点时刻及pH的平顺点时刻表明挂膜过程在逐渐趋向于稳定，同时，DO的跃迁点信号及pH的平顺点信号预示着挂膜过程中COD的降解完全，微生物进入闲置状态。利用DO及pH的在线信号可以很好的表征好氧挂膜过程。