CN102183910B - 通过变频调速在线检测活性污泥微生物比耗氧速率的方法 - Google Patents

Abstract

通过变频调速在线检测活性污泥微生物比耗氧速率的方法涉及污水生物处理过程中一种过程控制参数的快速在线检测方法。现有的耗氧速率检测方法在线检测大多存在费用昂贵，存在滞后性，准确度不高，维护困难等缺点。本发明方法主要利用鼓风机变频控制溶解氧的过程中得到的在线频率参数来监测SBR工艺曝气阶段比耗氧速率变化，从而获得曝气过程中微生物比耗氧速率曲线的拐点，自动控制系统在线识别出拐点之后，发出控制指令控制曝气装置停止，避免过量曝气，节省曝气阶段的能耗。本发明方法具有响应速度快，在线检测，操作方便，成本低，运行稳定等优点。

Description

通过变频调速在线检测活性污泥微生物比耗氧速率的方法

技术领域

本发明涉及污水生物处理过程中比耗氧速率(SOUR)的快速在线检测方法，尤其是能够进行变频控制和自动控制的SBR工艺。所属技术领域为：活性污泥法深度生物脱氮处理理论与技术。

背景技术

一般来说，采用罗茨鼓风机进行供氧的污水处理厂曝气费用占日常运行成本中的50-60％，曝气阶段节能降耗有很大的潜力和空间。因此越来越多的污水处理厂特别是SBR工艺中开始广泛采用变频供氧技术。作为目前污水处理过程中最有前景的技术，变频技术能够极大地降低污水处理过程中曝气能耗，节省日常运行成本，增强污水日处理能力。SBR工艺是间歇式活性污泥法污水处理工艺的简称，它的处理装置只有一个SBR反应池，进水、反应、沉淀、排水等步骤均在此反应池中进行，是一种常规的活性污泥法污水处理工艺。SBR工艺具有时间轴向特性和推动力大等优点，曝气过程耗氧速率变化曲线很有规律，非常适合作为SBR工艺的过程控制参数。

作为表征活性污泥微生物活性的重要参数之一，活性污泥的比耗氧速率(SOUR)从微生物呼吸速率角度反映活性污泥生理状态和基质代谢情况。在活性污泥法早期，好氧微生物的呼吸速率就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方面获得广泛的应用。研究和应用污水处理系统的OUR检测技术，对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)传感器检测DO浓度，根据DO的变化确定呼吸速率。采用DO传感器的呼吸仪可分为间歇式和连续式呼吸仪。

间歇式呼吸仪操作步骤装待测混合液于配备传感器与分析仪连接的完全封闭的小室，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。检测过程中用磁力搅拌器进行混合搅拌。离线测量具有滞后性，不能实时检测，在线反馈。而且这些离线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，不能作为系统长期运行的过程控制参数。

而连续式呼吸仪连续交替检测呼吸室进、出口处溶解氧浓度。污泥连续泵入此呼吸室。根据进口和出口溶解氧浓度的差之和停留时间计算出呼吸速率。同时必须假定溶解氧浓度维持稳定。但是由于目前在线OUR传感器费用昂贵，运行维护繁琐，性能不稳定，因此目前大部分的实际污水处理厂很少应用在线OUR传感器实时监测曝气过程，而是采用其它类型的传感器间接指示曝气过程的信息。

随着自动控制设备、在线检测仪表(DO传感器、pH传感器、ORP传感器)和变频技术的开发和广泛应用，为实现以鼓风机频率为基础在线检测活性污泥系统的SOUR创造了有利条件。

发明内容

本发明的目的是建立一种快速间接检测微生物比耗氧速率(SOUR)的方法，通过变频控制鼓风机实现恒定溶解氧(DO)技术而得到的频率参数曲线来间接指示曝气过程的比耗氧速率，通过在各种环境控制参数条件下检测其稳定性，达到快速检测比耗氧速率的目的，实现SBR工艺的实时过程控制。

本发明在理论推导和反复试验的基础上，以SBR工艺为研究对象，通过考察鼓风机频率参数与微生物比耗氧速率(SOUR)之间存在的相关性，建立了一个在线监测活性污泥SOUR的线性关系式，制定了以SOUR为控制参数的控制策略。活性污泥的SOUR曲线特征可以有效地指示生化反应进程，一旦拐点出现，控制系统根据收到的模拟量反馈信号做出判断，将控制信号传递给执行机构，直接关闭鼓风机。

本发明的反应器设备(图1)，包括反应器系统和自动控制系统；

反应器系统包括SBR反应器1、鼓风机2；鼓风机2与SBR反应器1底部的曝气管3相连，曝气管3与鼓风机2之间设置进气阀门4；

自动控制系统包括DO传感器、温度传感器、污泥浓度传感器、DO测定仪、污泥浓度测定仪、过程控制器和计算机；DO传感器5通过数据线与DO测定仪6相连后与过程控制器的数据信号输入接口11连接，DO测定仪6与变频器7相连，变频器7同时与鼓风机2、过程控制器13的数据信号输入接口11连接，过程控制器13的数据信号输出接口12与计算机14相连；由计算机14发出的控制指令通过输出总线控制鼓风机2；变频器7采集鼓风机2频率信号变化，过程控制器13中集成的逻辑程序根据变频器7反馈的在线频率信号、温度传感器8反馈的温度信号和污泥浓度传感器9反馈的污泥浓度信号计算SBR反应器1内微生物的实时比耗氧速率，获得的实时比耗氧速率数据通过数据线反馈给计算机14，从而在计算机14的软件界面上显示出来，最终实现曝气阶段微生物比耗氧速率的在线检测。

本发明的方法如下：

I)SBR反应器进水完成之后，鼓风机开始曝气，变频器根据DO测定仪反馈的DO信号和和鼓风机反馈的频率信号进行闭环控制，控制曝气阶段DO保持恒定；

II)过程控制器内逻辑程序集成了比耗氧速率与频率两者之间的线性关系式：SOUR_t＝η×f_t+λ；其中SOUR_t为t时刻的比耗氧速率，单位为mgO₂/gMLVSS.h，f_t为t时刻的频率值，T为水温，单位为℃，T在15～30℃范围内，η＝MLVSS/2000；λ＝α×β×k，其中α＝S_osat-S_o，S_osat为T℃时水中饱和溶解氧值，S_o为溶解氧测定仪显示的溶解氧值，β＝exp(T-20/T)，k值在1.0～2.5范围内，温度为15℃时k值为1.0，温度每升高1℃，k值在原来的基础上增加0.1，k值的选取对线性关系式的影响不大。过程控制器将污泥浓度传感器反馈的信号通过计算获得挥发性污泥浓度值，从而确定η；根据SBR反应器内水温信号和变频控制恒定溶解氧的浓度信号确定传质推动力因子α和β值，继而计算出λ值。确立比耗氧速率与频率之间的线性关系式之后，变频器每隔相同的时间间隔采集频率信号，过程控制器根据频率信号计算出在线比耗氧速率，比耗氧速率信号反馈给计算机，计算机绘制比耗氧速率的曲线，比耗氧速率曲线会出现指示曝气终点的拐点(见图2)；

III)计算机在曝气开始至少60分钟以后开始识别拐点，比耗氧速率拐点一旦出现，计算机将控制变量传递给过程控制器；

IV)过程控制器将控制变量经过数字模拟转换器D/A转换成控制信号；

V)控制信号通过输出总线传递给鼓风机，鼓风机曝气停止。

本发明的优势特点：在线检测，响应速度快，可以作为控制生化反应进程的控制参数，准确控制生化反应的进程，节能降耗。

I)SOUR的检测方法具有操作简便、快速和响应时间短等优点，通过频率在线检测该指标，可及时反馈曝气阶段的运行信息。

II)自动化程度高，采用可编程控制器PLC控制，根据反馈的频率信号，可以快速计算出在线SOUR值。

III)运行稳定，在线检测的结果可靠，重现性好。频率信号抗干扰能力强，测量结果在不同条件下具有较好的重现性。

附图说明

图1本发明装置示意图。

图2SOUR在线检测结果图。

图1中，1-SBR反应器；2-鼓风机；3-曝气管；4-进气阀门；5-DO传感器；6-DO测定仪；7-变频器；8-温度传感器；9-污泥浓度传感器；10-污泥浓度检测器；11-信号输入接口；12-信号输出接口；13-过程控制器；14-计算机。

具体实施方式

实施例，结合图1，图2说明本发明方法的运行操作工序。

以某大学家属区排放的生活污水作为实验对象(pH＝6.8～7.8，COD＝160.5～319.8mg/L，NH₄ ⁺-N＝40～80mg/L.所选择的SBR反应器有效体积为7m³，每周期进水为2.7m³，反应器内混合液的COD浓度维持在190～240mg/L，NH₄ ⁺-N浓度在30～40mg/L，温度为15℃。外加碳源采用体积分数为95％乙醇。具体过程如下：

I)比耗氧速率与频率之间线性关系式的确定：当系统条件(反应器尺寸，曝气装置类型，温度，气压)稳定的时候，K_LA的变化主要与曝气量的变化相关，而变频控制DO的过程中曝气量的变化主要由鼓风机的频率参数f来进行衡量和指示，SOUR可以由以下数学方程式表示：

SOUR_t＝η×f_t+λ

其中SOUR_t为t时刻的比耗氧速率，单位为mgO₂/gMLVSS.h)，f_t为t时刻的频率值，η为污泥浓度修正因子，η＝MLVSS/2000；λ＝α×β×k，其中α为传质常数，α＝S_osat-S_o，β为温度修正因子，β＝exp(T-20/T)，k为常数，其值在1.0～2.5范围内。过程控制器13将污泥浓度传感器9所反馈的信号经过处理获得挥发性污泥浓度值MLVSS信号之后，污泥浓度修正因子η＝MLVSS/2000＝2000/2000＝1；过程控制器采集温度传感器反馈的温度信号，温度为15℃，从计算机14中数据库中获取15℃时水中饱和溶解氧浓度，该饱和溶解氧浓度为S_osat，其值为10.15mg/L，DO传感器反馈的DO信号为S_o，其值为3mg/L，计算出α＝S_osat-S_o＝7.15；过程控制器13根据温度传感器8反馈的温度信号计算出β＝exp(T-20/T)＝0.72，根据温度的大小选定k为1.0。当温度为15℃时，确定频率与比耗氧速率之间线性关系式如下：SOUR_t＝1×f_t+7.15×0.72×1.0＝f_t+5.18。

II)SBR工艺的实时控制：

1)进水：生活污水进入到SBR反应器1，进水阶段持续15分钟，进水量为2.7m³。

2)曝气进水结束后，变频器7通过控制鼓风机2的转速快慢开始对SBR反应器进行变频控制，维持曝气阶段溶解氧浓度恒定在3.0mg/L左右，此时系统开始计时。过程控制器开始采集DO传感器5、温度传感器8和污泥浓度传感器9反馈的信号，根据这些传感器的信号确定比耗氧速率与频率之间的线性关系式。如果DO信号、温度信号和污泥浓度信号与上一周期的信号有偏差的话，过程控制器对线性关系式进行相应的修正。曝气阶段异养菌首先进行去除水中有机物的反应，然后氨氧化菌进行氨氧化反应。曝气开始至少60分钟之后，变频器每隔10秒采集一次鼓风机的频率信号，过程控制器可以获得频率的实时信号。控制器先对频率信号进行滤波和比较运算之后，再根据比耗氧速率和频率参数的线性关系式计算出SOUR信号值，线性关系式为SOUR_t＝f_t+5.18，其中f_t为t时刻鼓风机的频率值。过程控制器将SOUR信号反馈给计算机，计算机通过分析计算发出是否停鼓风机的控制指令，同时将控制指令经数字模拟转换器D/A转换成控制信号再传输给鼓风机。当氨氧化反应结束时微生物不再耗氧时，SOUR曲线会出现一个‘拐点’，表现为SOUR值急剧下降，SOUR曲线一阶导数由正变负，此状态维持5分钟，计算机14通过过程控制器13发出控制指令关闭鼓风机，曝气停止，结果如图2所示。

3)加碳源反硝化加药泵启动，加入400ml体积分数为95％的乙醇作为SBR系统反硝化碳源，同时搅拌60分钟，设定时间达到之后，计算机控制过程控制器发出控制指令关闭搅拌器，反硝化停止。

4)沉淀SBR系统在该阶段的时间设定为120分钟，此时进水阀门、进气阀门和排水阀门均关闭。

5)排水沉淀设定时间到之后，滗水器开启，系统自动排水，时间设定为30分钟，排水结束后，关闭滗水器。

6)闲置阶段该阶段根据需要设定闲置时间为4小时，排泥时间为10分钟，在过程控制器的调节下开启排泥泵，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵；当达到预先设定闲置时间4小时后，系统停止运行或进入下一个周期。

从应用本发明方法得到的检测结果来看，系统的响应速度快，反应灵敏，根据变频器每隔相同的时间间隔所反馈的频率信号可以快速测定曝气阶段微生物的比耗氧速率，同时计算机可以根据过程控制器反馈的信号实时绘出SOUR的变化曲线；而离线呼吸仪(检测过程参考背景技术)需要花费10-20分钟时间才能获得SOUR值，因此本发明解决了离线测量方法响应速度慢，有滞后性的问题；同时也在一定程度上克服了在线SOUR测定方法的维护繁琐，稳定性差的缺点。另外，通过在线检测的SOUR曲线，可以获得系统不同时刻的微生物生化反应状态，同时计算机上绘制的SOUR曲线在氨氧化终点时会出现拐点(如图2)，基于以上信息，通过过程控制器反馈控制指令给鼓风机，实现实时控制，本发明为变频控制溶解氧条件下以SOUR为参数进行实时控制奠定坚实的理论基础和技术支持。

Claims (1)

1.通过变频调速在线检测活性污泥微生物比耗氧速率的方法，所应用的检测设备包括反应器系统和自动控制系统；

反应器系统包括SBR反应器、鼓风机；鼓风机与SBR反应器底部的曝气管相连，曝气管与鼓风机之间设置进气阀门；

自动控制系统包括溶解氧传感器、温度传感器、污泥浓度传感器、污泥浓度检测器、溶解氧测定仪、变频器、过程控制器和计算机；污泥浓度传感器通过污泥浓度检测器连接到过程控制器；温度传感器通过溶解氧测定仪连接到过程控制器；溶解氧传感器通过数据线与溶解氧测定仪相连后与过程控制器的数据信号输入接口连接，溶解氧测定仪与变频器相连，变频器同时与鼓风机、过程控制器的数据信号输入接口连接，过程控制器的数据信号输出接口与计算机相连；由计算机发出的控制指令通过输出总线控制鼓风机；变频器采集鼓风机频率信号变化，过程控制器里集成的逻辑程序根据变频器反馈的在线频率信号、温度传感器反馈的温度信号和污泥浓度传感器反馈的污泥浓度信号计算SBR反应器内微生物的实时比耗氧速率，获得的实时比耗氧速率数据通过数据线反馈给计算机，在计算机的软件界面上显示；

其特征在于，包括以下步骤：

I)SBR反应器进水完成之后，鼓风机开始曝气，变频器根据溶解氧测定仪反馈的溶解氧信号和和鼓风机反馈的频率信号进行闭环控制，控制曝气阶段溶解氧为一定值；

II)过程控制器内逻辑程序集成了比耗氧速率与频率两者之间的线性关系式：SOUR_t＝η×f_t+λ；其中SOUR_t为t时刻的比耗氧速率，单位为mgO₂/gMLVSS.h，f_t为t时刻的频率值，η＝MLVSS/2000；λ＝α×β×k，其中α＝S_osat-S_o，S_osat为T℃时水中饱和溶解氧值，S_o为溶解氧测定仪显示的溶解氧值，β＝exp(T-20/T)，T为水温，单位为℃，T在15～30℃范围内，k值在1.0～2.5范围内，温度为15℃时k值为1.0，温度每升高1℃，k值在原来的基础上增加0.1，过程控制器将污泥浓度传感器反馈的信号通过计算获得挥发性污泥浓度值，从而确定η；根据SBR反应器内水温信号和变频控制恒定溶解氧的浓度信号确定传质推动力因子α和β值，继而计算出λ值；确立比耗氧速率与频率之间的线性关系式之后，变频器每隔相同的时间间隔采集频率信号，过程控制器根据频率信号计算出在线比耗氧速率，比耗氧速率信号反馈给计算机，计算机绘制比耗氧速率的曲线，比耗氧速率曲线会出现指示曝气终点的拐点；

III)计算机在曝气开始至少60分钟以后开始识别拐点，比耗氧速率拐点一旦出现，计算机将控制变量传递给过程控制器；

IV)过程控制器将控制变量经过数字模拟转换器D/A转换成控制信号；

控制信号通过输出总线传递给鼓风机，鼓风机曝气停止。

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