CN102495103B - 基于do突变率的城市污水生物抑制性实时监控系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于DO突变率的城市污水生物抑制性实时监控系统与方法，监控系统是利用由曝气混合槽和折流式生物反应器邻接组成的曝气混合折流式生物反应器，用DO1在线监测仪和DO2在线监测仪组成的DO检测系统监测曝气混合槽中DO1值与折流式生物反应器出口位置的DO2值，传输到PLC控制系统中，根据公式DO2T＝(DO22-DO21)/DO21*100％，计算DO2的突变率，与预设的DO2突变率值DO2T1、DO2T2以及DO2T3比较，可判断活性污泥中OUR的变化情况，进而判断活性污泥受抑制情况。
Description
技术领域
本发明涉及含工业废水的城市污水处理领域，尤其是涉及基于OUR的城市污水生物抑制性实时监控系统与方法。
背景技术
当前，活性污泥法是城市污水处理领域中的主要工艺。大多数城市污水由生活污水和工业废水混合组成，其中工业废水成分复杂，可能存在对活性污泥有抑制性的有毒有害物质，如果其含量超过一定的程度(如事故排放或偷排)，就会对污水处理厂生物处理单元造成危害，使出水水质恶化，不能达标排放，情况严重时甚至引起大量微生物的死亡，给生物处理单元造成不可恢复性的破坏，需重新接种培养活性污泥，给污水处理厂运行管理造成极大的困难，造成极大的经济损失和环境污染事故。因此，城市污水生物抑制性实时监控设备的研究与开发有着重要的实际意义，可提前预警城市污水生物抑制性程度，提早采取相应的运行管理措施(如加大污泥回流量、增加尾水回流等浓度稀释或排入调节池延后处理等)，保证污水处理厂生物处理单元的正常运行及出水水质达到排放标准。
在污水处理厂运行过程中，通常只会对常规的综合性指标(BOD5、COD等)进行监测，通过(BOD5/COD)判断污水的可生化性(或生物抑制性)，单检测BOD5就需要5天以上的时间，具有严重的滞后性，不能及时准确地为污水处理运行的调整提供依据。如果直接对污水中的有毒有害物质进行监测，监测项目多，成本高，有些项目耗时较长，同样难以及时准确地反映污水生物抑制性程度，并且目前还缺乏有毒有害物质对微生物抑制作用的综合评价体系，即有毒有害物质的种类、剂量等。
有毒有害物质对微生物的抑制性(毒性)可以从其生物速率、生物量等方面进行考察，目前的检测技术包括ATP发光、酶抑制和Microtox等毒性检测方法，这些方法的测试对象和测定条件与实际污水处理厂活性污泥系统完全不同，测试结果不能真实反映活性污泥中微生物的受抑制情况；也不能进行在线监测。
耗氧速率(又称为呼吸速率，OUR)是活性污泥微生物好氧利用有机物时的氧消耗速率，是表征活性污泥微生物活性的理论指标，即活性污泥OUR的变化情况就可反应微生物抑制性程度。在这一原理基础上开发的污水生物抑制性实时监控设备较少，已开发的设备存在系统复杂、需外加营养物质、响应时间长等问题。根据OUR值计算式为：OUR＝(DO1-DO2)/T(式中，T为生物反应器的水力停留时间)开展探讨，若保持进水端DO1相对稳定，则可通过DO2的变化来判定OUR值的变化，即DO2升高，OUR值降低，微生物活性受到抑制；DO2值相对不变或降低，表明微生物活性未受到抑制。基于DO突变率的城市污水生物抑制性实时监控系统比基于OUR的城市污水生物抑制性实时监控系统在结构更简单、操作简单、响应更快、系统稳定性更好，类似的设备及其应用未见报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于DO突变率的城市污水生物抑制性实时监控系统与方法，可通过DO的突变情况间接判断活性污泥中OUR的变化情况，进而判断活性污泥受抑制情况。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于DO突变率的城市污水生物抑制性实时监控系统，包括接通到污水供给系统1和污泥供给系统2的曝气混合折流式生物反应器5，曝气混合折流式生物反应器5由曝气混合槽5-1和折流式生物反应器5-2邻接组成，曝气混合槽5-1和折流式生物反应器5-2的底部平齐，槽壁相邻，曝气混合槽5-1与折流式生物反应器5-2共用一个槽壁19，槽壁19上有连通孔20，水位齐平，连通孔20位置低于水位，曝气混合槽5-1接通污水供给系统1和污泥供给系统2，折流式生物反应器5-2出口接到水位控制虹吸三通14的弯管，虹吸三通14的出液管连接排水管16，虹吸三通14的支管连接通气管15，DO检测系统包括DO1在线监测仪11和DO2在线监测仪13，DO1在线监测仪11的DO1电极探头10位于曝气混合槽5-1中，DO2在线监测仪13的DO2电极探头12位于折流式生物反应器5-2的出口，DO1在线监测仪11和DO2在线监测仪13的信号输出端连接到PLC控制系统17，PLC控制系统17接有报警系统18。
污水供给系统1与曝气混合折流式生物反应器5之间的连接管道上有污水泵3，污泥供给系统2与曝气混合折流式生物反应器5之间的连接管道上有污泥泵4。
所述曝气混合折流式生物反应器5底部配置有磁力搅拌器6，曝气混合槽5-1内底有曝气头9，曝气头9连接曝气机8，曝气混合槽5-1内底和折流式生物反应器5-2内底有搅拌子7。
本发明还提供了一种基于所述实时监控系统的监控方法，包括以下步骤：
步骤一，将污泥流量Q2和污水流量Q1按照体积比Q2∶Q1＝1∶4的比例泵入曝气混合折流式生物反应装置5中，打开曝气泵，曝气强度保证曝气混合槽5-1中DO1值为2-3mg/L以上，曝气混合槽5-1中泥水混合物水力停留时间为1～2min，使污泥和污水充分曝气混合；
步骤二，使充分曝气混合后的泥水混合物通过连通孔20流入折流式生物反应器5-2，利用DO1在线监测仪11和DO2在线监测仪13分别监测曝气混合后初始溶解氧DO1和折流式生物反应器5-2出口端溶解氧DO2；
步骤三，将DO1和DO2的值输入到PLC控制系统17，通过调节曝气机8曝气量控制DO1相对稳定为2-3mg/L，根据公式DO2T＝(DO22-DO21)/DO21*100％，计算DO2的突变率，其中DO21为T1时刻的DO2值，DO22为T2时刻的DO2值，DO2T为DO2的突变率；
步骤四，在PLC控制系统17中预设三个DO2突变率值DO2T1、DO2T2以及DO2T3，DO2T1＜DO2T2＜DO2T3，将步骤三中计算出的DO2突变率DO2T与预设值比较：
当DO2T≤DO2T1，不报警，表明废水中无生物抑制性物质；
当DO2T1＜DO2T≤DO2T2，PLC控制系统17控制报警系统18报警，表明废水中存在生物抑制性物质，但抑制性不强，需引起轻度关注；
当DO2T2＜DO2T≤DO2T3，PLC控制系统17控制报警系统18报警，表明废水中存在生物抑制性物质，抑制性较强，需引起适度关注，根据情况采取适当措施；
当DO2T＞DO2T3，PLC控制系统17控制报警系统18报警，表明废水中存在生物抑制性物质，抑制性很强，需引起严重关注。
步骤一种，可利用磁力搅拌器6和搅拌子7的搅拌作用保持曝气混合槽5-1和折流式生物反应器5-2中的污泥呈悬浮状态。
步骤四中，DO2T1最好取50％，DO2T2最好取100％，DO2T3最好取200％。当需要发出报警时，根据OURT的不同值，PLC控制系统17控制报警系统18发出不同的报警信号。
曝气混合折流式生物反应器中DO2的取样时间间隔的取值范围为2～5min，根据实际废水的情况定。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)直接采集污水和污泥并输送到曝气虹吸装置混合与充氧，不需要贮水池和贮泥池，减少了贮水池和贮泥池的搅拌设备；
(2)不需要外加碳源物质，减少了碳源物质贮水池、搅拌设备及投加设备；
(3)采用采用曝气混合折流式生物反应装置，即可曝气充氧、泥水混合，还可实现推流，基本消除返混和短流现象，与现有完全混合式生物反应器相比，缩短抑制性反应响应时间；还可减少现有技术中第一反应室到第二反应室之间的泵。
(4)只通过生物反应器出口端溶解氧DO2的突变率来判断活性污泥生物受抑制情况，可杜绝采用OUR的方式判断受到进口端与出口端的两只溶氧仪的系统误差而造成无法判断的情况(如检测值DO2＞DO1的情况，无法计算OUR值，就不能判断是否受到抑制了；因为理论上DO2值不会大于DO1值，溶解氧一直在消耗，即便一点未消耗，也只能是DO2＝DO1)。
(5)采用“保护对象、针对对象”的原则，污水处理厂(站)活性污泥为废水生物抑制性实时监控系统的保护对象，本系统就实时采集生物处理单元的活性污泥为检验对象，让污水直接与活性污泥接触并反应，自动检测生物反应器出口DO的突变情况来推断OUR的变化情况，以判断污水生物抑制性程度，针对性强。
(6)综合以上优点，与类似技术相比，设备小、结构简单、成本低、操作简单、实时性强、系统稳定性好、针对性强等。
附图说明
图1为本发明实时监控系统结构示意图。
图2为铜离子生物抑制性实时监测结果。
图3为铬离子生物抑制性实时监测结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如附图所示，本发明的实时监控系统21包括接通到污水供给系统1和污泥供给系统2的曝气混合折流式生物反应器5，污水供给系统1与曝气混合折流式生物反应器5之间的连接管道上有污水泵3，污泥供给系统2与曝气混合折流式生物反应器5之间的连接管道上有污泥泵4，以分别对污水和污泥的供给进行控制。
曝气混合折流式生物反应器5由曝气混合槽5-1和折流式生物反应器5-2邻接组成，曝气混合槽5-1和折流式生物反应器5-2的底部平齐，槽壁相邻，曝气混合槽5-1与折流式生物反应器5-2共用一个槽壁19，槽壁19上有连通孔20，水位齐平，连通孔20位置低于水位。曝气混合折流式生物反应器5底部配置有磁力搅拌器6，曝气混合槽5-1内底有曝气头9，曝气头9连接曝气机8，曝气混合槽5-1内底和折流式生物反应器5-2内底有搅拌子7，以实现对泥水混合物的充分曝气混合。
曝气混合槽5-1接通污水供给系统1和污泥供给系统2，折流式生物反应器5-2出口接到水位控制虹吸三通14的弯管，虹吸三通14的出液管连接排水管16，虹吸三通14的支管连接通气管15，虹吸三通14对折流式生物反应器5-2内液体的流出进行控制。
DO检测系统包括DO1在线监测仪11和DO2在线监测仪13，DO1在线监测仪11的DO1电极探头10位于曝气混合槽5-1中，DO2在线监测仪13的DO2电极探头12位于折流式生物反应器5-2的出口，DO1在线监测仪11和DO2在线监测仪13的信号输出端连接到PLC控制系统17，PLC控制系统17接有报警系统18。
基于该实时监控系统，监控方法步骤如下：
步骤一，将污泥流量Q2和污水流量Q1按照体积比Q2∶Q1＝1∶4的比例泵入曝气混合折流式生物反应装置5中，利用磁力搅拌器6和搅拌子7的搅拌作用保持曝气混合槽5-1和折流式生物反应器5-2中的污泥呈悬浮状态。打开曝气泵，曝气强度保证曝气混合槽5-1中DO1值为2-3mg/L以上，曝气混合槽5-1中泥水混合物水力停留时间为1～2min，使污泥和污水充分曝气混合；
步骤二，使充分曝气混合后的泥水混合物通过连通孔20流入折流式生物反应器5-2，利用DO1在线监测仪11和DO2在线监测仪13分别监测曝气混合后初始溶解氧DO1和折流式生物反应器5-2出口端溶解氧DO2；
步骤三，将DO1和DO2的值输入到PLC控制系统17，通过调节曝气机8曝气量控制DO1相对稳定为2-3mg/L，根据公式DO2T＝DO22-DO21/DO21*100％，计算DO2的突变率，其中DO21为T1时刻的DO2值，DO22为T2时刻的DO2值，DO2T为DO2的突变率；DO2取样时间间隔T的取值范围为2～5min，根据实际废水的情况定。
步骤四，在PLC控制系统17中预设三个DO2突变率值DO2T1、DO2T2以及DO2T3，DO2T1＜DO2T2＜DO2T3，根据实验以及理论经验，假定DO2T1＝50％，DO2T2＝100％，DO2T3＝200％，将步骤三中计算出的DO2突变率DO2T与预设值比较：
当DO2T≤DO2T1，不报警，表明废水中无生物抑制性物质；
当DO2T1＜DO2T≤DO2T2，PLC控制系统17控制报警系统18报警，表明废水中存在生物抑制性物质，但抑制性不强，需引起轻度关注；
当DO2T2＜DO2T≤DO2T3，PLC控制系统17控制报警系统18报警，表明废水中存在生物抑制性物质，抑制性较强，需引起适度关注，根据情况采取适当措施；
当DO2T＞DO2T3，PLC控制系统17控制报警系统18报警，表明废水中存在生物抑制性物质，抑制性很强，需引起严重关注。
当需要发出报警时，根据OURT的不同值，PLC控制系统17控制报警系统18发出橙色、黄色以及红色等不同的报警信号。
本发明的方法原理是：
呼吸速率(OUR)是表征活性污泥中微生物活性的一个参数，OUR值大表明微生物活性好，OUR值小表明微生物活性差，OUR值计算式为：OUR＝(DO1-DO2)/T，式中，T为生物反应器的水力停留时间。若保持进水端DO1相对稳定，则可通过DO2的变化来判定OUR值的变化，即，DO2升高，OUR值降低，微生物活性受到抑制。DO2值相对不变或降低，表明微生物活性未受到抑制。
图2为本系统在某污水处理厂现场运行时人工模拟生物抑制性物质铜离子的生物抑制性实时监测结果。在运行时段内，正常城市污水条件下活性污泥DO2平均值为1.33mg/L，人工模拟污水中含重金属铜的生物抑制性实时监测结果，Cu2+浓度为2mg/L，冲击时间为1h，冲击情况下DO2平均值为2.46mg/L，DO2突变率均值为85％，橙色预警，响应时间低于5min，恢复时间低于10min。
图3为本系统在某污水处理厂现场运行时人工模拟生物抑制性物质铬离子的生物抑制性实时监测结果。在运行时段内，正常城市污水条件下活性污泥DO2平均值为1.36mg/L，人工模拟污水中含重金属铜的生物抑制性实时监测结果，Cr6+浓度为1mg/L，冲击时间为1h，冲击情况下DO2平均值为2.88mg/L，DO2突变率均值为118％，黄色预警，响应时间低于5min，恢复时间低于10min。
Claims (7)
1.一种基于DO突变率的城市污水生物抑制性实时监控系统，包括接通到污水供给系统（1）和污泥供给系统（2）的曝气混合折流式生物反应器（5），其特征在于，曝气混合折流式生物反应器（5）由曝气混合槽（5-1）和折流式生物反应器（5-2）邻接组成，曝气混合槽（5-1）和折流式生物反应器（5-2）的底部平齐，槽壁相邻，曝气混合槽（5-1）与折流式生物反应器（5-2）共用一个槽壁（19）,槽壁（19）上有连通孔（20）,水位齐平,连通孔（20）位置低于水位，曝气混合槽（5-1）接通污水供给系统（1）和污泥供给系统（2），折流式生物反应器（5-2）出口接到水位控制虹吸三通（14）的弯管，虹吸三通（14）的出液管连接排水管（16）,虹吸三通（14）的支管连接通气管（15），DO检测系统包括DO1在线监测仪（11）和DO2在线监测仪（13），DO1在线监测仪（11）的DO1电极探头（10）位于曝气混合槽（5-1）中，DO2在线监测仪（13）的DO2电极探头（12）位于折流式生物反应器（5-2）的出口，DO1在线监测仪（11）和DO2在线监测仪（13）的信号输出端连接到PLC控制系统（17），PLC控制系统（17）接有报警系统（18）。
2.根据权利要求1所述的实时监控系统，其特征在于，污水供给系统（1）与曝气混合折流式生物反应器（5）之间的连接管道上有污水泵（3），污泥供给系统（2）与曝气混合折流式生物反应器（5）之间的连接管道上有污泥泵（4）。
3.根据权利要求1所述的实时监控系统，其特征在于，所述曝气混合折流式生物反应器（5）底部配置有磁力搅拌器（6），曝气混合槽（5-1）内底有曝气头（9），曝气头（9）连接曝气机（8），曝气混合槽（5-1）内底和折流式生物反应器（5-2）内底有搅拌子（7）。
4.一种基于权利要求1所述实时监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将污泥流量Q2和污水流量Q1按照体积比Q2:Q1=1:4的比例泵入曝气混合折流式生物反应器（5）中，打开曝气泵，曝气强度保证曝气混合槽（5-1）中DO1值为2-3mg/L以上，曝气混合槽（5-1）中泥水混合物水力停留时间为1~2min，使污泥和污水充分曝气混合；
步骤二，使充分曝气混合后的泥水混合物通过连通孔（20）流入折流式生物反应器（5-2），利用DO1在线监测仪（11）和DO2在线监测仪（13）分别监测曝气混合后初始溶解氧DO1和折流式生物反应器（5-2）出口端溶解氧DO2；
步骤三，将DO1和DO2的值输入到PLC控制系统（17），通过调节曝气机（8）曝气量控制DO1相对稳定为2-3mg/L，根据公式DO2T=（DO22-DO21）/DO21*100%，计算DO2的突变率，其中DO21为T1时刻的DO2值，DO22为T2时刻的DO2值，DO2T为DO2的突变率；
步骤四，在PLC控制系统（17）中预设三个DO2突变率值DO2T1、DO2T2以及DO2T3，DO2T1<DO2T2<DO2T3，将步骤三中计算出的DO2突变率DO2T与预设值比较：
当DO2T≦DO2T1，不报警，表明废水中无生物抑制性物质；
当DO2T1<DO2T≦DO2T2，PLC控制系统（17）控制报警系统（18）报警，表明废水中存在生物抑制性物质，但抑制性不强，需引起轻度关注；
当DO2T2< DO2T≦DO2T3，PLC控制系统（17）控制报警系统（18）报警，表明废水中存在生物抑制性物质，抑制性较强，需引起适度关注，根据情况采取适当措施；
当DO2T>DO2T3，PLC控制系统（17）控制报警系统（18）报警，表明废水中存在生物抑制性物质，抑制性很强，需引起严重关注。
5.根据权利要求4所述的监控方法，其特征在于，利用磁力搅拌器（6）和搅拌子（7）的搅拌作用保持曝气混合槽（5-1）和折流式生物反应器（5-2）中的污泥呈悬浮状态。
6.根据权利要求4所述的监控方法，其特征在于，DO2值取样时间间隔取值范围为2～5min。
7.根据权利要求4所述的监控方法，其特征在于，DO2T1=50%，DO2T2=100%，DO2T3=200%。
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