CN102643742B - 一种自养菌动力学参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自养菌动力学参数测量装置及方法，装置包括反应室，及与反应室顶壁通过电动阀连通的污泥罐，所述反应室罐体周壁设置有水浴循环系统；沿所述反应室顶壁设置有延伸至反应室罐体底部的搅拌器，反应室中分别设置有PH计、溶氧仪和液位计；所述反应室底部设置有与曝气泵连通的曝气砂芯；所述电动阀、搅拌器、PH计、溶氧仪和液位计分别与PLC控制箱相连，PLC控制箱分别连接曝气泵和计算机。方法包括A.内源呼吸好氧速率测试阶段；B.氧气传质系数测试阶段；C.硝化反应外源呼吸速率测试阶段；通过对饱和溶解氧浓度进行校正、实时数据记录和曲线绘制，拟合误差，评价拟合优劣，实现了控制、数值分析的智能化，并且操作简单。

Description

一种自养菌动力学参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，涉及一种自养菌动力学参数测量装置及测量方法。

背景技术

污水处理中应用微生物降解有机物、氨氮等污染物，在污染物降解的过程中，微生物增长。随着对微生物处理污水的研究深入，微生物动力学模型被引入到水处理中，形成了一套包括了生物去除有机物、氨氮、磷和微生物自溶等过程的活性污泥动力学模型。活性污泥数学模型已成为现在污水处理厂设计和操作运行中不可或缺的重要内容。但是在实际运用中对于不同污水厂中的微生物的动力学参数定量是模型准确运用的前提。而对于自养微生物，由于生长缓慢，用现有的方法测算其动力学参数的常常耗时很长，使自养菌动力学参数失去了及时控制污水处理过程运行条件的意义。而且在一些测试方法中，需要用氨氮或者硝氮浓度作为直接测量参数，用其来计算自养菌动力学参数，这样的方法需要大量的测试水质参数，费时费力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自养菌动力学参数测量装置以及利用该装置来进行自养菌动力学参数测试的方法，通过控制计算软件，克服自养菌动力学参数测试耗时长、操作不方便的问题，实现在短时间内，通过简易的操作便能获得相关参数。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自养菌动力学参数测量装置，包括反应室，及与反应室顶壁通过电动阀2连通的污泥罐，所述反应室罐体周壁设置有水浴循环系统；沿所述反应室顶壁设置有延伸至反应室罐体底部的搅拌器，反应室中分别设置有PH计、溶氧仪和液位计；所述反应室底部设置有与曝气泵连通的曝气砂芯；所述电动阀、搅拌器、PH计、溶氧仪和液位计分别与PLC控制箱相连，PLC控制箱分别连接曝气泵和计算机。

作为本发明装置的改进，进一步的：

所述水浴循环系统包括设置在反应室周壁的水浴室，水浴室通过提升泵与清水池连通构成水浴回路，所述清水池与系统加热机构和制冷机构相连。

所述加热机构和制冷机构包括半导体制冷片及温度自控装置。

所述PH计和溶氧仪上分别设置有传感器。

本发明还公开了所述自养菌动力学参数测量方法，该方法包括下述步骤：

1)开启反应室侧壁的水浴循环系统，使水浴达到需要温度；在空气中对溶氧仪进行校正，启动数据记录功能；

2)在污泥罐中加入提前曝气数小时、且进入内源呼吸状态的活性污泥，开启电动阀，污泥罐内污泥混合液能重量自流进入反应室，通过与PLC控制箱相连的溶氧仪传感器溶氧仪监测反应室内溶解氧变化，测试相关参数；

3)内源呼吸好氧速率测试阶段：

利用PLC控制箱中的WinForm_DO_Meter软件控制，打开曝气泵向反应室中曝气使溶解氧上升到比较高的值，如7mg/L左右；关闭曝气，活性污泥消耗溶解氧，使溶解氧浓度下降；可由此时溶解氧浓度-时间曲线的斜率求得内源呼吸值OUR_en：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：C——溶解氧浓度，mg/L；

t——时间，min；

OUR_en——内源呼吸耗氧速率，mg/(L·min)；

4)氧气传质系数测试阶段：

打开曝气泵，反应室中活性污泥混合液中的溶解氧浓度上升，根据此时的溶解氧浓度变化曲线有：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=k_{L}a\·(C^{\∞}-C)+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：C^∞——活性污泥混合液饱和溶解氧浓度，mg/L；

k_La——活性污泥混合液中氧传质系数，min^-1

可以在WinForm_DO_Meter软件中直接计算得出C^∞、k_La。

5)硝化反应外源呼吸速率测试阶段：

向反应室内加入定量氨氮，自养菌氧化氨氮消耗氧气，溶解氧变化曲线为：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=k_{L}a\·(C^{\∞}-C)+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{ex}}+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：OUR_en——内源呼吸耗氧速率，mg/(L·min)；

6)通过加入的氨氮量通过活性污泥数学模型矩阵中的化学计量关系计算出自养菌生物增量：

${\mathrm{\ΔX}}_{B,A}=(i_{\mathrm{XB}}+\frac{1}{Y_A})\·S_{\mathrm{NH}}$

式中：ΔX_B，A——自养菌生物增量，mg/L；

S_NH——氨氮消耗量，mg/L；

i_XB——生物体COD中含氮比例；

Y_A——自养菌产率系数；

7)再次加入与步骤3)中等量的氨氮量，重复步骤3)-4)测试，得到第二条外源呼吸溶氧变化曲线；

8)由两条曲线计算得到两个最大硝化速率最大硝化速率r_max、半饱和系数K_NH；

${\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}=r_{\max }\·\frac{S_{\mathrm{NH}}}{K_{\mathrm{NH}}+S_{\mathrm{NH}}}$

9)比较两个最大硝化速率的变化，即可得到原活性污泥中的自养菌生物量X_B，A及其最大比增值速率μ_a，max。

作为本发明方法的改进，进一步的：

所述水浴温度为20-30℃。

所述通入氨氮的浓度为5～25mg/L的氨氮溶液，所述通入氨氮溶液按照污泥与氨氮重量比NH₄-N∶VSS＝0.002∶1的比例添加。氨氮溶液采用试剂有氯化铵NH₄Cl或磷酸二氢铵NH₄H₂PO₄中的一种。

所述自养菌生物量X_B，A、最大比增值速率μ_a，max按照下式计算得到：

r_max(1)＝μ_a，max·X_BA

r_max(2)＝μ_a，max·(X_B，A+ΔX_B，A)

式中：r_max(1)、r_max(2)分别为第一次加入氨氮后和第二次加入氨氮后所测到的最大硝化速率，mg/(L·min)；

在测试过程中，可通过智能控制系统控制装置中的曝气搅拌系统、污泥罐的出水电动阀实现曝气和进样的自动化。并且控制系统可以根据溶氧电极所测得的溶解氧浓度判断曝气开始或停止。在完成测试后，可以通过WinForm_DO_Meter软件直接计算相关的参数，得到结果。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)耗时短

由于自养菌伸展缓慢，对其动力学参数的测定需要时间长，本发明通过一种新的数学计算方式，大幅缩短了测试时间；自养菌与异养菌相比生长缓慢，通常对其动力学参数进行定量时需要长时间的连续监测，一般耗时为15天左右，最短也在7天。而在采用本方法后，一次测试时间在6小时左右就可以完成。

2)数据分析方便可靠

采用荧光法溶解氧电极采集溶解氧数据，对溶解氧变化灵敏并且响应快速，采集的溶解氧数据精准密集，最短可以设为每秒记录一次数据。用WinForm_DO_Meter对溶解氧的变化曲线数据系列进行分析除了可以得到系列动力学参数外，还可以计算氧传质系数、饱和溶解氧，并且可以根据需要添加其他计算控制模块。

3)实现自动控制

测试装置上配合了自行设计的自控系统、WinForm_DO_Meter软件实现了控制、数值分析的智能化，操作简单。

本发明可以在全国主要城市对当地饱和溶解氧浓度进行校正、实时溶解氧浓度数据记录和曲线绘制。并且可以进行每个数据点处的局部好氧速率、指定数据区间上的好氧速率、动态OUR、氧传质系数K_La、饱和溶解氧C^∞、自动对实测溶解氧数据进行拟合并且给出拟合误差，评价拟合优劣。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图。

图2为WinForm_DO_Meter软件用户界面示意图。

图中：1为污泥罐，2为电动阀，3为搅拌器，4为PH传感器，5为溶氧仪传感器，6为液位计，7为反应室，8为水浴室，9为曝气砂芯，10为清水池，11为曝气泵，12为提升泵，13为PLC控制箱，14为计算机。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为实现本发明自养菌动力学参数测量方法的装置，包括反应室7，及与反应室7顶壁通过电动阀2连通的污泥罐1，其中：反应室7罐体周壁设置有水浴循环系统；沿反应室7顶壁设置有延伸至反应室7罐体底部的搅拌器3，反应室7中分别设置有PH计4、溶氧仪5和液位计6；反应室7底部设置有与曝气泵11连通的曝气砂芯9；电动阀2、搅拌器3、PH计4、溶氧仪5和液位计6分别与PLC控制箱13相连，PLC控制箱13分别连接曝气泵11和计算机14。水浴循环系统包括设置在反应室7周壁的水浴室8，水浴室8通过提升泵12与清水池10连通构成水浴回路，清水池10与系统加热机构和制冷机构相连，加热机构和制冷机构包括半导体制冷片及温度自控装置。在PH计4和溶氧仪5上分别设置有传感器。

下面通过本发明以处于内源呼吸状态的城市污水厂活性污泥作为自养菌微生物来源，浓度为5～25mg/L的氨氮溶液作为自养菌基质溶液时的实例来说明实现自养菌动力学参数的测量过程。

1)开启反应室7侧壁的水浴循环系统，使水浴达到20-30℃，或所需温度；在空气中对溶氧仪5进行校正，启动数据记录功能；

2)在污泥罐1中加入提前曝气数小时、且进入内源呼吸状态的活性污泥，开启电动阀2，污泥罐1内污泥混合液能重量自流进入反应室7，通过与PLC控制箱13相连的溶氧仪5传感器监测反应室7内溶解氧变化，测试相关参数；

测试相关参数方法包括三个主要步骤：内源呼吸好氧速率测试阶段、氧气传质系数测试阶段及硝化反应外源呼吸速率测试阶段，三个步骤都是通过实时监测呼吸仪中溶解氧浓度的变化，分别得到内源呼吸好氧速率、氧气传质系数、外源呼吸好氧速率。其中硝化反应外源呼吸速率测试阶段包括几次加入定量氨氮，直到氨氮完全消耗的重复步骤。每次氨氮消耗结束，可由被消耗的氨氮量算出相应的生物增量，而再加入氨氮后，这部分生物增量会使得再次加入氨氮后的最大硝化速率变大。通过两次加入氨氮后的最大硝化速率的变化和生物增量，可求出最大比增值速率μ_a，max，和活性污泥中的自养菌生物量X_B，A。

3)A.内源呼吸好氧速率测试阶段：

利用PLC控制箱13中的WinForm_DO_Meter软件控制，打开曝气泵11向反应室中曝气使溶解氧上升到比较高的值，如7mg/L左右；关闭曝气，活性污泥消耗溶解氧，使溶解氧浓度下降；可由此时溶解氧浓度-时间曲线的斜率求得内源呼吸值OUR_en：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：C——溶解氧浓度，mg/L；

t——时间，min；

OUR_en——内源呼吸耗氧速率，mg/(L·min)；

4)氧气传质系数测试阶段：

打开曝气泵11，反应室7中活性污泥混合液中的溶解氧浓度上升，根据此时的溶解氧浓度变化曲线有：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=k_{L}a\·(C^{\∞}-C)+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：C^∞——活性污泥混合液饱和溶解氧浓度，mg/L；

k_La——活性污泥混合液中氧传质系数，min^-1

可以在WinForm_DO_Meter软件中直接计算得出C^∞、k_La。

5)硝化反应外源呼吸速率测试阶段：

向反应室7内加入定量氨氮，通入氨氮的浓度为5～25mg/L的氨氮溶液，氨氮溶液常用试剂有氯化铵NH₄Cl、磷酸二氢铵NH₄H₂PO₄等，具体根据按照污泥与氨氮浓度比而定，一般氨氮与污泥重量之比NH₄-N∶VSS＝003∶1左右。

自养菌氧化氨氮消耗氧气，溶解氧变化曲线为：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=k_{L}a\·(C^{\∞}-C)+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{ex}}+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：OUR_en——内源呼吸耗氧速率，mg/(L·min)；

6)通过加入的氨氮量通过活性污泥数学模型矩阵中的化学计量关系计算出自养菌生物增量：

${\mathrm{\ΔX}}_{B,A}=(i_{\mathrm{XB}}+\frac{1}{Y_A})\·S_{\mathrm{NH}}$

式中：ΔX_B，A——自养菌生物增量，mg/L；

S_NH——氨氮消耗量，mg/L；

i_XB——生物体COD中含氮比例；

Y_A——自养菌产率系数；

7)再次加入与步骤3)中等量的氨氮量，重复步骤3)-4)测试，得到第二条外源呼吸溶氧变化曲线；

8)由两条曲线计算得到两个最大硝化速率最大硝化速率r_max、半饱和系数K_NH；

${\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}=r_{\max }\·\frac{S_{\mathrm{NH}}}{K_{\mathrm{NH}}+S_{\mathrm{NH}}}$

9)比较两个最大硝化速率的变化，即可得到原活性污泥中的自养菌生物量X_B，A及其最大比增值速率μ_a，max。

所述自养菌生物量X_B，A、最大比增值速率μ_a，max按照下式计算得到：

r_max(1)＝μ_a，max·X_B，A

r_max(2)＝μ_a，max·(X_B，A+ΔX_B，A)

式中：r_max(1)、r_max(2)分别为第一次加入氨氮后和第二次加入氨氮后所测到的最大硝化速率，mg/(L·min)。

如此由两条曲线可以计算得到两个最大硝化速率最大硝化速率r_max、半饱和系数K_NH、第二个硝化速率会比第一个硝化速率大，这是由于自养菌生物增量引起的，即由第一次氨氮消耗量推算的到的。比较两个最大硝化速率的变化，即可得到原活性污泥中的自养菌生物量X_B，A及其最大比增值速率μ_a，max。

可以通过WinForm_DO_Meter软件对饱和溶解氧浓度进行校正、实时溶解氧浓度数据记录和曲线绘制。并且可以进行每个数据点处的局部好氧速率、指定数据区间上的好氧速率、动态OUR、氧传质系数K_La、饱和溶解氧C^∞、自动对实测溶解氧数据进行拟合并且给出拟合误差，评价拟合优劣。并且软件使用模块化设计可以根据需要插入活性污泥动力学计算等模块。WinForm_DO_Meter软件操作界面见附图2。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自养菌动力学参数测量装置，包括反应室（7），及与反应室（7）顶壁通过电动阀（2）连通的污泥罐（1），其特征在于：所述反应室（7）罐体周壁设置有水浴循环系统；沿所述反应室（7）顶壁设置有延伸至反应室（7）罐体底部的搅拌器（3），反应室（7）中分别设置有PH计（4）、溶氧仪（5）和液位计（6）；所述反应室（7）底部设置有与曝气泵（11）连通的曝气砂芯（9）；所述电动阀（2）、搅拌器（3）、PH计（4）、溶氧仪（5）和液位计（6）分别与PLC控制箱（13）相连，PLC控制箱（13）分别连接曝气泵（11）和计算机（14）；

所述水浴循环系统包括设置在反应室（7）周壁的水浴室（8），水浴室（8）通过提升泵（12）与清水池（10）连通构成水浴回路，所述清水池（10）与系统相连；

所述自养菌动力学参数测量装置还包括加热机构和制冷机构，所述加热机构和制冷机构包括半导体制冷片及温度自控装置；

所述PH计（4）和溶氧仪（5）上分别设置有传感器。

2.一种自养菌动力学参数测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1）开启反应室（7）侧壁的水浴循环系统，使水浴达到需要温度；在空气中对溶氧仪（5）进行校正，启动数据记录功能；

2）在污泥罐（1）中加入提前曝气数小时、且进入内源呼吸状态的活性污泥，开启电动阀（2），污泥罐（1）内污泥混合液能重量自流进入反应室（7），通过与PLC控制箱（13）相连的溶氧仪（5）传感器监测反应室（7）内溶解氧变化，测试相关参数；

3）内源呼吸好氧速率测试阶段：

利用PLC控制箱（13）中的WinForm_DO_Meter软件控制，打开曝气泵（11）向反应室（7）中曝气，使溶解氧上升到6-8mg/L；关闭曝气，活性污泥消耗溶解氧，使溶解氧浓度下降；由此时溶解氧浓度-时间曲线的斜率求得内源呼吸值OUR_en：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：C———溶解氧浓度，mg/L；

t———时间，min；

OUR_en———内源呼吸耗氧速率，mg/(L·min)；

4）氧气传质系数测试阶段：

打开曝气泵（11），反应室（7）中活性污泥混合液中的溶解氧浓度上升，根据此时的溶解氧浓度变化曲线有：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=k_{L}a\·(C^{\∞}-C)+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：C^∞———活性污泥混合液饱和溶解氧浓度，mg/L；

k_La———活性污泥混合液中氧传质系数，min^-1

在WinForm_DO_Meter软件中直接计算得出C^∞、k_La；

5）硝化反应外源呼吸速率测试阶段：

向反应室（7）内加入定量氨氮，自养菌氧化氨氮消耗氧气，溶解氧变化曲线为：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=k_{L}a\·(C^{\∞}-C)+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{ex}}+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{en}}$

式中：OUR_en———内源呼吸耗氧速率，mg/(L·min)；

6）通过加入的氨氮量通过活性污泥数学模型矩阵中的化学计量关系计算出自养菌生物增量：

${\mathrm{\ΔX}}_{B,A}=(i_{\mathrm{XB}}+\frac{1}{Y_A})\·S_{\mathrm{NH}}$

式中：ΔX_B,A———自养菌生物增量，mg/L；

S_NH———氨氮消耗量，mg/L；

i_XB———生物体COD中含氮比例；

Y_A———自养菌产率系数；

7）再次加入与步骤3）中等量的氨氮量，重复步骤3）-4）测试，得到第二条外源呼吸溶氧变化曲线；

8）由两条曲线计算得到两个最大硝化速率r_max、半饱和系数K_NH；

9）比较两个最大硝化速率的变化，即可得到原活性污泥中的自养菌生物量X_B,A及其最大比增值速率μ_a,max。

3.根据权利要求2所述的自养菌动力学参数测量方法，其特征在于，所述水浴温度为20-30℃。

4.根据权利要求2所述的自养菌动力学参数测量方法，其特征在于，所述通入氨氮的浓度为5～25mg/L的氨氮溶液，所述通入氨氮溶液按照污泥与氨氮重量比NH₄-N:VSS=0.03：1的比例添加；氨氮溶液采用试剂为氯化铵NH₄Cl或磷酸二氢铵NH₄H₂PO₄中的一种。

5.根据权利要求2所述的自养菌动力学参数测量方法，其特征在于，所述自养菌生物量X_B,A、最大比增值速率μ_a,max按照下式计算得到：

r_max(1)=μ_a,max·X_B,A

r_max(2)=μ_a,max·(X_B,A+ΔX_B,A)

式中：r_max(1)、r_max(2)分别为第一次加入氨氮后和第二次加入氨氮后所测到的最大硝化速率，mg/L·min。

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