CN101556270A - 检测活性污泥系统动态比耗氧速率的装置 - Google Patents

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彭永臻
李凌云
王淑莹
吴蕾
李论
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Abstract

本发明涉及一种检测活性污泥系统动态比耗氧速率的装置，属于活性污泥法强化生物脱氮处理理论与技术。针对传统测量耗氧速率的方法离线测量、有滞后性和不能在线检测与反馈等问题，设计了一套在线检测，同时反馈SBR工艺活性污泥比耗氧速率的装置。本发明的最大特点在于将密封计量瓶，放在磁力搅拌器上，通过回流泵和反应器形成污泥循环回路；传感器为溶解氧传感器，有两个分别放置在密封的计量瓶以及SBR反应器中，可以实现SOUR的在线检测，同时反馈。该装置设计简洁，运行稳定和测量数据重现性好，通过直观的表述SOUR曲线，可以准确监控系统不同时刻的反应状态。

Description

检测活性污泥系统动态比耗氧速率的装置
技术领域
本发明涉及一种含氮废水的SBR生物处理的装置，尤其是能够进行深度脱氮和自动控制的SBR装置。所属技术领域为：活性污泥法强化生物脱氮处理理论与技术。
背景技术
活性污泥的比耗氧速率(SOUR)是表征污泥生物活性的重要参数之一，从微生物呼吸速率角度反映了活性污泥生理状态和基质代谢状况。在活性污泥法应用初期，好氧微生物的呼吸速率就被用来考察微生物量和底物利用率，近年来SOUR作为检测污泥生物活性的参数，在分析、评价和预测系统运行状况以及处理能力上受到国内外专家的普遍重视。研究和应用污水生物处理系统的SOUR检测技术，对于促进污水生物处理技术的发展，强化和提高污水生物处理系统的运行控制，具有十分重要的意义。
以前，多数呼吸仪采用溶解氧(DO)探针测定溶解氧浓度，从溶解氧浓度的变化计算呼吸速率。采用DO探针的呼吸仪可分间歇式和连续流通式呼吸仪。
闭式呼吸仪的操作步骤装待测混合液(例如来自曝气池的活性污泥试样)于带探头与分析仪相连的完全封闭小室，先曝气至溶解氧浓度接近饱和，再停止曝气，DO仪记录小室中溶解氧浓度变化。此变化曲线的斜率即为呼吸速率。在测定过程中用磁力搅拌器混合搅拌。此法曾被认为是标准法，但后续研究发现此法测定值低于实际值。因在取样时刻与实际测定时刻之间的时间差内呼吸速率会迅速下降。
连续流通式呼吸仪连续交替测定闭式呼吸室进、出口处的溶解氧浓度。污泥连续泵入呼吸室。以此两个溶解氧浓度的差值和停留时间计算出呼吸速率。此法实际上是上述闭式间歇呼吸仪的推流型。其他测定仪均采用有污泥连续泵入的完全混合呼吸室。在这些测定仪中曝气池中和呼吸室出口各有一个DO探针。在计算呼吸速率时均必须假设溶解氧浓度稳定。
传统测量SOUR的方法是离线测量，有滞后性，不能在线检测，在线反馈。许多测量方法仅仅用于实验室检测，而且许多测量方法要添加抑制剂，影响活性污泥系统的稳定运行，不能将其作为系统长期运行的一个指示参数。
随着自动控制设备(可编程控制器PLC)和在线检测仪表(DO仪、pH仪)的问世和成功的应用，为实现动态连续测量活性污泥系统的SOUR创造了有利条件。
发明内容
本发明在反复试验的基础上，建立了一套在线监控，同时反馈SBR工艺活性污泥SOUR的装置，通过考察SBR工艺中活性污泥SOUR的变化规律，制定了以SOUR为参数的控制策略。活性污泥的SOUR可以有效地表征SBR工艺的生化反应进程，当出现变化点(下文详述)，控制器根据收到的模拟量反馈信号作出判断，将控制信号传递给执行机构，直接控制鼓风机停止。
本发明提出的装置实现了在线检测SOUR，直观显示SOUR曲线，通过控制器(PLC)反馈给终端的执行器，控制反应的进程，解决了传统测量方法离线测量，有滞后性，不能在线反馈的问题。
本发明的反应器设备(图1)包括反应器系统、自动控制系统；
反应器系统依次包括水箱、水泵、SBR反应器、加药泵、曝气装置，
自动控制系统包括传感器、数据采集装置、控制器和计算机，数据采集装置的数据，通过数据总线输入到控制器中进行处理，由控制器发出的控制指令通过输出总线控制执行设备；控制器连接计算机；
其特征在于，还包括计量系统，计量系统包括密封的计量瓶，放在磁力搅拌器上，通过回流泵和SBR反应器形成污泥循环回路；传感器为两个溶解氧传感器分别放置在密封的计量瓶以及SBR反应器中，两个溶解氧传感器分别连接两套数据采集装置。可以实现SOUR的在线检测，同时反馈。
具体的反应器设备：生活污水引至水箱，经过水泵提升，经进水管进入SBR反应器。缺氧和厌氧的混合由搅拌器完成。而好氧的充氧是由鼓风机在流量计调节流速下由微孔曝气头布气完成，反硝化所需碳源由加药泵投加，排水通过排水阀完成。
计量系统包括密封的计量瓶，放在磁力搅拌器上，系统运行时，转子不断搅拌使污泥始终处于悬浮状态，回流泵控制污泥循环的流量，使整个污泥系统处于循环状态中。
自动控制系统主要由输入/输出信号系统，控制器和计算机组成。输入系统的作用是利用第一数据采集装置和第二数据采集装置分别采集1号溶解氧传感器(探头在液面以下，悬在SBR反应器中)和2号溶解氧传感器(探头用橡胶塞密封，悬在计量瓶中)的数据，通过数据总线输入到控制器中进行处理。由控制器发出的控制指令通过输出总线控制执行设备(如进水泵、搅拌器、鼓风机、排水阀)完成控制要求。
计算机的作用：借助工控软件，在操作界面上设有参数设置，系统运行、停止、趋势曲线、数据输出和系统报警等按钮。实现系统参数设置，数据处理与保存，绘制曲线、趋势分析与制表打印，状态分析与指示等功能。
本发明的工作原理及过程：
1)系统运行时，计量瓶下方的磁力搅拌器和回流泵启动，计量瓶与SBR反应器直接连通，磁力搅拌器转子不停的搅拌，使污泥处于悬浮状态，形成循环回流。同时水泵启动，进水根据需要设定，污水进入SBR反应器；
2)进水结束后开启鼓风机进行曝气，通过控制器控制污水中溶解氧浓度为某一定值(根据水质设定)，当水中溶解氧低于设定值，开始曝气；当溶解氧高于设定值，停止曝气。好氧去除水中有机物，之后在氨氧化细菌的作用下将水中氨氮氧化，曝气过程中产生的气泡使得污水和活性污泥充分接触，起到了搅拌混合的作用，两个溶解氧传感器每隔相同的时间间隔采集一个数值(时间间隔根据系统的灵敏度和准确度确定)，同时采集溶解氧值的电流信号经变送器输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，并再通过数据采集装置实时将所获得的数据信息通过数据线传输到控制器进行滤波和比较运算。
由于主体SBR反应器与计量瓶连通，携带一定溶解氧的污泥在计量瓶中停留一定时间t(t为计量瓶的体积V2除以蠕动泵的流速q)，因此同时测量的两个溶解氧值会出现差值，该差值为污泥在计量瓶中停留t时间的消耗值，则计量瓶中污泥的比好氧速率为SOUR＝(DO1-DO2)/MLSS·t，t＝V2/q。氨氧化反应是活性污泥消耗水中溶解氧的过程，在反应过程中DO2值会不断缓慢上升，当反应结束时污泥不再耗氧，两个溶解氧传感器测量的数值几乎相等，SOUR值变为零或一个非常小的值(特征点)(见图2)；
3)控制器经过信号处理后，得到控制变量；
4)将控制变量经数字模拟转换器D/A转换成控制信号；
5)控制信号通过输出信号线传递给控制执行机构，停止曝气。
本发明的优势特点：在线检测，同时反馈，可以作为控制反应进程的控制参数，准确控制生化反应的进程，节能降耗。
1)SOUR的测定方法具有操作简便、快速、灵敏和反应时间短等优点，通过测定该指标，可及时反馈曝气阶段的运行信息。
2)自动化程度高，采用可编程控制器PLC控制，可以准确控制主体反应器中稳定的溶解氧，即DO1恒定。
3)运行稳定，测量结果可靠，重现性好。DO2的测量在密闭的计量瓶中测量，不受外间曝气强度的干扰，测量结果稳定准确。
附图说明
图1本发明实施例装置示意图。
图2一个周期内SOUR的变化规律。
具体实施方式
本实施例所采用的反应装置包括反应器系统、计量系统和自动控制系统组成(如图1所示)。
反应器系统：生活污水引至水箱1，经过水泵2提升，经进水管3进入SBR反应器4。缺氧和厌氧的混合由搅拌器5完成。而好氧的充氧是由鼓风机6在流量计7调节流速下由微孔曝气头布气完成，反硝化所需碳源由加药泵8投加，排水通过排水阀9完成。
计量系统包括密闭的计量瓶10，放在磁力搅拌器11上，系统运行时，磁力搅拌器的转子不断搅拌使污泥始终处于悬浮状态，回流泵12控制污泥回流的流量，使整个污泥系统处于循环状态中。
自动控制系统利用第一数据采集装置15和第二数据采集装置16分别采集1号溶解氧传感器17和2号溶解氧传感器18数据，通过输入总线输入到控制器13中进行处理，控制器13连接计算机即计算机14，由控制器13发出的控制指令通过输出总线控制执行设备(如水泵、搅拌器、鼓风机、排水阀)完成控制要求。
系统运行的初始条件，生活污水水质COD＝127.8~279.7mg/L，NH4 +-N＝65~80mg/L，污泥浓度MLSS＝1210mg/L，温度为25℃。
1)启动系统运行时，计量瓶下方的磁力搅拌器(REO basic C)和回流泵(兰格600M)启动，计量瓶(有效体积为1升)与SBR反应器直接连通，磁力搅拌器转子不停的搅拌，使污泥处于悬浮状态，形成循环回流。同时水泵启动，进水1min，污水进水SBR反应器，反应器有效体积为10升。
2)曝气进水结束后，鼓风机启动，对系统进行曝气，通过控制器13维持污水中解氧浓度在1.0mg/L左右(开关控制)，好氧去除水中有机物，之后在氨氧化细菌的作用下将水中氨氮氧化，曝气过程中产生的气泡使得污水和活性污泥充分接触，起到了搅拌混合的作用，两个溶解氧传感器每隔10s采集一个数值，同时采集溶解氧值的电流信号经变送器输入模拟数字转换器A/D，转换成数字信号，并再通过数据采集装置实时将所获得的数据信息通过数据线传输到控制器进行滤波和比较运算。氨氧化反应是活性污泥消耗水中溶解氧的过程，随着硝化反应的进行，DO1维持1.0mg/L，DO2值会不断缓慢上升，当氨氧化结束时污泥不再耗氧，两个溶解氧传感器测量的数值几乎相等，SOUR值变为零(如图2所示)，维持1min，PLC发出指令关闭电磁阀，停止曝气。
3)加碳源反硝化加药泵启动，加入0.5mL乙醇作为系统反硝化的碳源，同时搅拌40min(设定的参数)，反硝化结束后，搅拌器停止。
4)静止沉淀系统在该阶段的时间设定为60min，此时进水阀门、进气阀门和排水阀门均关闭。
5)排水阶段排水阀开启，系统自动排水，时间设定为5min，排水结束后，关闭出水管上的阀门。
6)闲置阶段该阶段根据需要设置时间。当达到预先设定的闲置时间10min后，系统停止运行或进行下一个周期的运行。
从应用本装置得到的检测结果来看，系统的响应性良好，反应灵敏，两个溶解氧传感器每个10S反馈一个数值，同时控制器进行运算并在计算机上同步绘出SOUR的变化曲线；而闭式呼吸仪(检测过程如背景技术所述)需要等到系统中的溶解氧全部消耗完之后才能得到SOUR的数值，因此本发明就解决了离线测量和滞后性的问题。另外，通过直观的表述SOUR曲线，可以知道系统对应的不同时刻的反应状态，在氨氧化结束时，曲线上会出现特征点(见图2)，利用这些信息，通过控制器反馈给终端执行器(鼓风机等)，实现在线控制，本发明为以SOUR为参数进行实时控制奠定了理论基础和数据支持。

Claims (1)

1、一种检测活性污泥系统动态比耗氧速率的装置，包括反应器系统、自动控制系统；
反应器系统依次包括水箱、水泵、SBR反应器、加药泵、曝气装置；
自动控制系统包括传感器、数据采集装置、控制器和计算机，数据采集装置的数据，通过数据总线输入到控制器中进行处理，由控制器发出的控制指令通过输出总线控制执行设备；控制器连接计算机；
其特征在于，还包括计量系统，计量系统包括密封的计量瓶，放在磁力搅拌器上，通过回流泵和SBR反应器形成污泥循环回路；传感器为两个溶解氧传感器分别放置在密封的计量瓶以及SBR反应器中，两个溶解氧传感器分别连接两套数据采集装置。
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