CN102520016B - 基于our的城市污水生物抑制性实时监控系统与方法 - Google Patents

Abstract

基于OUR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和污泥供给系统的曝气虹吸装置，曝气虹吸装置由曝气槽和虹吸槽邻接组成，曝气槽的槽壁高于虹吸槽的槽壁，曝气槽接通污水供给系统和污泥供给系统，虹吸槽通过虹吸管接通到密闭盘管推流式生物反应器的入口，DO检测系统检测密闭盘管推流式生物反应器入口和出口的DO值，其信号输出端连接到PLC控制系统，PLC控制系统接有报警系统；该系统核心部分采用密闭盘管推流式生物反应器，实时监测其入口和出口的DO值，自动计算活性污泥OUR的突变情况，通过大量实验确定不同抑制程度的OUR突变率，自动计算的OUR突变率与预设值对比就可判断污水生物可抑制性程度。

Description

基于OUR的城市污水生物抑制性实时监控系统与方法

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保证出水水质。

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。

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OUR的城市污水生物抑制性实时监控系统与方法，该系统核心部分采用密闭盘管推流式生物反应器，实时监测其入口和出口的溶解氧即DO值，自动计算活性污泥OUR及其突变情况；设计曝气虹吸装置5及虹吸水位控制装置，稳定进出口DO值及运行工况；通过大量实验确定不同抑制程度的OUR突变率，自动计算的OUR突变率与预设值对比就可判断污水生物可抑制性程度；采用PLC控制系统，界面美观，操作简单，易于维护。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于OUR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的曝气虹吸装置5，曝气虹吸装置5由曝气槽5-1和虹吸槽5-2邻接组成，曝气槽5-1和虹吸槽5-2的底部平齐，槽壁相邻，曝气槽5-1的槽壁高于虹吸槽5-2的槽壁，曝气槽5-1接通污水供给系统1和污泥供给系统2，虹吸槽5-2通过虹吸管8接通到密闭盘管推流式生物反应器13的入口，DO检测系统包括DO1在线监测仪10和DO2在线监测仪16，DO1在线监测仪10的DO1电极探头9位于虹吸槽5-2中，DO2在线监测仪16的DO2电极探头15位于密闭盘管推流式生物反应器13的出口，DO1在线监测仪10和DO2在线监测仪16的信号输出端连接到PLC控制系统20，PLC控制系统20接有报警系统21。

其中，所述的曝气虹吸装置5也可以是一个整体槽，中间设置隔板将整体的槽隔成两部分，连接污水供给系统1和污泥供给系统2的部分为曝气槽5-1，另一部分即为虹吸槽5-2。

污水供给系统1与曝气虹吸装置5之间的连接管道上有污水泵3，污泥供给系统2与曝气虹吸装置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。

所述曝气虹吸装置5底部配置有磁力搅拌器6，曝气槽5-1内底有曝气头12，曝气头12连接曝气机11，虹吸槽5-2内底有搅拌子7。

所述密闭盘管推流式生物反应器13的出口接三通管17，三通管17的另一个管口接通气管18，三通管7的第三个管口接排水管19，三通管17的这种连接，使得在此处形成虹吸水位控制装置。通过控制该虹吸水位控制装置即三通管17的高度，可调节虹吸状态。

所述DO2电极探头15位于设置在密闭盘管推流式生物反应器13出口位置的密闭式电极槽14中，以保证反应器的密闭状态。

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的比例泵入曝气虹吸装置5中，打开曝气泵，曝气强度保证虹吸槽5-2中DO1值为5mg/L以上，曝气虹吸装置5中泥水混合物水力停留时间为1～3min，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曝气虹吸装置5中的虹吸管8自流进入密闭盘管推流式生物反应器13，利用DO1在线监测仪10和DO2在线监测仪16分别监测反应器入口端溶解氧DO1和出口端溶解氧DO2；

步骤三，将DO₁和DO₂的值输入到PLC控制系统，根据公式OUR＝(DO₁-DO₂)/T得到活性污泥的实时OUR值，T为泥水混合物在虹吸管8和密闭盘管生物反应器13中的水力停留时间，T＝V/(Q1+Q2)，其中V为虹吸管8和密闭盘管生物反应器13有效容积；再由式OUR_T＝(OUR1-OUR2)/OUR1*100％得到OUR的突变率OUR_T，其中OUR1为T1时刻的OUR值，OUR2为T2时刻的OUR值；

步骤四，在PLC系统中预设三个OUR突变率值OUR_T1、OUR_T2以及OUR_T3，OUR_T1＜OUR_T2＜OUR_T3，将步骤三中计算出的OUR突变率OUR_T与预设值比较：

当OUR_T≤OUR_T1，不报警，表明废水中无生物抑制性物质；

当OUR_T1＜OUR_T≤OUR_T2，PLC控制系统20控制报警系统21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OUR_T2＜OUR_T≤OUR_T3，PLC控制系统20控制报警系统21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OUR_T＞OUR_T3，PLC控制系统20控制报警系统21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。

步骤一中，利用磁力搅拌器6和搅拌子7的搅拌作用保持虹吸槽5-2中的污泥呈悬浮状态。

步骤三中，水力停留时间T的取值范围为1～3min。

步骤四中，当需要发出报警时，根据OUR_T的不同值，PLC控制系统20控制报警系统21发出不同的报警信号。

根据大量的实验分析，设定OUR_T1＝20％，OUR_T2＝40％，OUR_T3＝60％。

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，曝气虹吸装置与水位控制三通一起保证了推流式盘管生物反应器处于密闭状态，排除了空气中的氧对生物反应器中的DO的干扰因素；

(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)采用密闭盘管推流式生物反应器，盘管管径为12mm，可实现推流，基本消除返混和短流现象，可用水力停留时间作为生物反应时间，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)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，自动检测活性污泥OUR的突变情况以判断污水生物抑制性程度，针对性强。

(5)综合以上优点，与现有同类技术相比，本发明的系统具有设备小、构造简单、成本低、操作简单、实时性强、针对性强等优点。

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，本发明为一种基于OUR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的曝气虹吸装置5，污水供给系统1与曝气虹吸装置5之间的连接管道上有污水泵3，污泥供给系统2与曝气虹吸装置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。曝气虹吸装置5由曝气槽5-1和虹吸槽5-2邻接组成，曝气槽5-1和虹吸槽5-2的底部平齐，槽壁相邻，曝气虹吸装置5底部配置有磁力搅拌器6，曝气槽5-1内底有曝气头12，曝气头12连接曝气机11，虹吸槽5-2内底有搅拌子7。曝气槽5-1的槽壁高于虹吸槽5-2的槽壁，曝气槽5-1接通污水供给系统1和污泥供给系统2，虹吸槽5-2通过虹吸管8接通到密闭盘管推流式生物反应器13的入口，密闭盘管推流式生物反应器13的出口接三通管17，三通管17的另一个管口接通气管18，三通管7的第三个管口接排水管19，三通管17的这种连接，使得在此处形成虹吸水位控制装置。通过控制该虹吸水位控制装置即三通管17的高度，可调节曝气虹吸装置5的有效容积。

DO检测系统包括DO1在线监测仪10和DO2在线监测仪16，DO1在线监测仪10的DO1电极探头9位于虹吸槽5-2中，DO2在线监测仪16的DO2电极探头15位于设置在密闭盘管推流式生物反应器13出口位置的密闭式电极槽14中，以保证反应器的密闭状态。DO1在线监测仪10和DO2在线监测仪16的信号输出端连接到PLC控制系统20，PLC控制系统20接有报警系统21。

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的比例泵入曝气虹吸装置5中，打开曝气泵，对污泥和污水进行曝气搅拌及混合，污泥和污水溢流至虹吸槽5-2，磁力搅拌器6和搅拌子7的搅拌作用保持虹吸槽5-2中的污泥呈悬浮状态，曝气强度保证虹吸槽5-2中DO1值为5mg/L以上，污泥和污水在曝气虹吸装5置中就可保持充分混合状态，曝气虹吸装置5中泥水混合物水力停留时间为1～3min，可通过调节三通管17的高度来调节曝气虹吸装置5的有效容积。

步骤二，使充分曝气混合后的泥水混合物通过曝气虹吸装置5中的虹吸管8自流进入密闭盘管推流式生物反应器13，经DO2检测槽14后再经三通管17和排水管19排出，其中虹吸管8的作用是保证密闭盘管推流式生物反应器13入口与空气隔绝，保证DO1测定值不受空气中氧气的影响；通过虹吸管8与三通管17及通气管18形成虹吸作用，保证生物反应器为密闭状态；采用推流式生物反应器可保证反应时间与水力停留时间最接近，避免了返混及短流等现象；盘管是可以缩小反应装置占用的空间(长度或高度)。然后利用DO1在线监测仪10和DO2在线监测仪16分别监测反应器入口端溶解氧DO1和出口端溶解氧DO2；

步骤三，将DO₁和DO₂的值输入到PLC控制系统，根据公式OUR＝(DO₁-DO₂)/T得到活性污泥的实时OUR值，T为泥水混合物在虹吸管8和密闭盘管生物反应器13中的水力停留时间，T＝V/(Q1+Q2)，T的取值范围为1～3min，其中V为虹吸管8和密闭盘管生物反应器13有效容积；再由式OUR_T＝(OUR1-OUR2)/OUR1*100％得到OUR的突变率OUR_T，其中OUR1为T1时刻的OUR值，OUR2为T2时刻的OUR值；

步骤四，在PLC系统中预设三个OUR突变率值OUR_T1、OUR_T2以及OUR_T3，根据大量的实验分析，设定OUR_T1＝20％，OUR_T2＝40％，OUR_T3＝60％，将步骤三中计算出的OUR突变率OUR_T与预设值比较：

当OUR_T≤OUR_T1，显示“正常”，不报警，表明废水中无生物抑制性物质；

当OUR_T1＜OUR_T≤OUR_T2，显示“橙色警报”，PLC控制系统20控制报警系统21蜂鸣长周期报警，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OUR_T2＜OUR_T≤OUR_T3，显示“黄色警报”，PLC控制系统20控制报警系统21蜂鸣较长周期报警，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OUR_T＞OUR_T3，显示“红色警报”，PLC控制系统20控制报警系统21蜂鸣短周期报警，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。

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OUR平均值为0.35(mg/L)/min，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OUR平均值为0.23(mg/L)/min，OUR突变率均值为34％，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OUR平均值为0.34(mg/L)/min，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OUR平均值为0.16(mg/L)/min，DO₂突变率均值为53％，黄色预警，响应时间低于5min，恢复时间低于10min。

Claims (10)

1.一种基于OUR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）的曝气虹吸装置（5），其特征在于，曝气虹吸装置（5）由曝气槽（5-1）和虹吸槽（5-2）邻接组成，曝气槽（5-1）和虹吸槽（5-2）的底部平齐，槽壁相邻，曝气槽（5-1）的槽壁高于虹吸槽（5-2）的槽壁，曝气槽（5-1）接通污水供给系统（1）和污泥供给系统（2），虹吸槽（5-2）通过虹吸管（8）接通到密闭盘管推流式生物反应器（13）的入口，DO检测系统包括DO1在线监测仪（10）和DO2在线监测仪（16），DO1在线监测仪（10）的DO1电极探头（9）位于虹吸槽（5-2）中，DO2在线监测仪（16）的DO2电极探头（15）位于密闭盘管推流式生物反应器（13）的出口，DO1在线监测仪（10）和DO2在线监测仪（16）的信号输出端连接到PLC控制系统（20），PLC控制系统（20）接有报警系统（21）。

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）与曝气虹吸装置（5）之间的连接管道上有污水泵（3），污泥供给系统（2）与曝气虹吸装置（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，所述曝气虹吸装置（5）底部配置有磁力搅拌器（6），曝气槽（5-1）内底有曝气头（12），曝气头（12）连接曝气机（11），虹吸槽（5-2）内底有搅拌子（7）。

4.根据权利要求1所述的实时监控系统，其特征在于，所述密闭盘管推流式生物反应器（13）的出口接三通管（17），三通管（17）的另一个管口接通气管（18），三通管（17）的第三个管口接排水管（19）。

5.根据权利要求1所述的实时监控系统，其特征在于，所述DO2电极探头（15）位于设置在密闭盘管推流式生物反应器（13）出口位置的密闭式电极槽（14）中。

6.一种基于权利要求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的比例泵入曝气虹吸装置（5）中，打开曝气泵，曝气强度保证虹吸槽（5-2）中DO1值为5mg/L以上，曝气虹吸装置（5）中泥水混合物水力停留时间为1~3min，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曝气虹吸装置（5）中的虹吸管（8）自流进入密闭盘管推流式生物反应器（13），利用DO1在线监测仪（10）和DO2在线监测仪（16）分别监测反应器入口端溶解氧DO1和出口端溶解氧DO2；

步骤三，将DO₁和DO₂的值输入到PLC控制系统，根据公式OUR=（DO₁-DO₂）/T得到活性污泥的实时OUR值，T为泥水混合物在虹吸管（8）和密闭盘管推流式生物反应器（13）中的水力停留时间，T=V/（Q1+Q2），其中V为虹吸管（8）和密闭盘管推流式生物反应器（13）有效容积；再由式OUR_T=（OUR1-OUR2）/OUR1*100%得到OUR的突变率OUR_T，其中OUR1为T1时刻的OUR值，OUR2为T2时刻的OUR值；

步骤四，在PLC系统中预设三个OUR突变率值OUR_T1、OUR_T2以及OUR_T3，OUR_T1<OUR_T2<OUR_T3，将步骤三中计算出的OUR突变率OUR_T与预设值比较：

当OUR_T≦OUR_T1，不报警，表明废水中无生物抑制性物质；

当OUR_T1<OUR_T≦OUR_T2,PLC控制系统（20）控制报警系统（21）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OUR_T2<OUR_T≦OUR_T3，PLC控制系统（20）控制报警系统（21）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OUR_T>OUR_T3，PLC控制系统（20）控制报警系统（21）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。

7.根据权利要求6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）的搅拌作用保持虹吸槽（5-2）中的污泥呈悬浮状态。

8.根据权利要求6所述的监控方法，其特征在于，当需要发出报警时，根据OUR_T的不同值，PLC控制系统（20）控制报警系统（21）发出不同的报警信号。

9.根据权利要求6所述的监控方法，其特征在于，水力停留时间T的取值范围为1~3min。

10.根据权利要求6所述的监控方法，其特征在于，OUR_T1=20%，OUR_T2=40%，OUR_T3=60%。

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