CN103922486A - 一种厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置。包括进水A液水箱、进水B液水箱、进水A液蠕动泵、进水B液蠕动泵、悬臂式搅拌器、氮气扩散砂芯曝气头、氧气扩散砂芯曝气头、氮气控制常开电磁阀、溶解氧控制电磁阀、溶解氧在线传感器、pH在线传感器及温度在线传感器、加热装置、加酸蠕动泵、加碱蠕动泵、自动排泥蠕动泵、排水电动阀、多参数测定仪、模拟信号转化器、可编程逻辑控制器、装有组态软件的控制系统、有机玻璃制的序批式生物反应器、取样口、传感器挡板等。本发明能够实时控制反应过程的pH、溶解氧、温度，提供聚磷菌适宜生长的外界环境，在厌氧/好氧交替中实现富集，启动4个月后能达到污泥的80%以上。

Description

一种厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置

技术领域

本发明涉及一种在厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置，属于水污染控制与水环境恢复领域。此试验装置涉及序批式生物反应器、在线传感器、可编程控制器、组态软件等的集成与运行，控制活性污泥在短时间内以厌氧/好氧方式得到富集聚磷菌的目的。 

背景技术

随着工业化和城镇化的发展进程，伴随水体污染氮磷元素过多引起的富营养化问题被人们熟知。人体和各种生物的生命维持需要元素磷，但是洗涤剂等作为生活污水中磷的主要来源正在干扰水体平衡。地球的磷是质量一定的，所以从污水中回收与再利用磷非常重要。 

强化生物除磷系统(EBPR)较化学除磷具有强大的优势，例如节约化学试剂、避免二次污染等。聚磷菌(PAO)是实现生物除磷的重要微生物种群，它们在厌氧环境中吸收基质中的挥发性脂肪酸等物质释放体内的多聚磷酸盐。之后，有溶解氧的情况下，它们过量吸收磷酸盐在体内形成了较多的多聚磷酸盐，从而实现了磷从水环境中的搬运。 

在污水生物处理中由自动控制系统富集聚磷菌具有重要意义，其可以投加至工程应用中，也可以用于聚磷菌的机理研究等。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种在厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置。包括序批式生物反应器、在线传感器与控制装置等的集成。 

一种厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置，其特征在于：包括：进水A液水箱通过进水A液蠕动泵连接序批式生物反应器，进水B液水箱通过进水B液蠕动泵序批式生物反应器，序批式生物反应器内设有悬臂式搅拌器，连接氮气控制常开电磁阀的氮气扩散砂芯曝气头，连接溶解氧控制电磁阀的氧气扩散砂芯曝气头，序批式生物反应器内设有溶解氧在线传感器、pH在线传感器、温度在线传感器，温度在线传感器连接加热装置，序批式生物反应器连接加酸蠕动泵、加碱蠕动泵、自动排泥蠕动泵、排水电动阀、多参数测定仪通过模拟信号转化器连接可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器连接控制系统； 

由控制系统集中控制，包括数据采集、信号转换、变量控制，完成厌氧/好氧序批式生物试验装置的进水、生化反应、泥水沉淀分离、上清液排出、装置闲置阶段；其中，进水A液蠕动泵、进水B液蠕动泵、悬臂式搅拌器、氮气控制常开电磁阀、自动排泥蠕动泵、排水电动阀，在控制系统中输入开启与关闭交流电的时间，由时间变量控制；在整个反应过程中，pH在线传感器及温度在线传感器通过多参数测定仪采集的模拟信号经模拟信号转化器采集至可编程逻辑控制器中传输给控制系统，系统进行判定后开启或者关闭加热装置、加酸蠕动泵、加碱蠕动泵；溶解氧在线传感器采集的DO值通过多参数测定仪采集的模拟信号经模拟信号转化器在可编程逻辑控制器控制溶解氧控制电磁阀的执行。 

本发明设计的厌氧/好氧序批式生物试验装置对聚磷菌进行富集，具体工艺参数如下：反应装置有效容积为9L，进水体积都为2.5L，水力停留时间HRT=21.6小时。一天运行4个周期，一个周期为6小时。其中，进水为人工配水，时间为6分钟，厌氧搅拌同时充入氮气2小时10分钟至2小时30分钟，通过电磁阀开关保持好氧搅拌2小时40分钟至3小时，在好氧结束前通过自动排泥蠕动泵排除剩余污泥，保持反应器的生物固体平均停留时间SRT约8天，污泥浓度维持在3000±200mg/L，。其余时间用于沉淀、排水和闲置。 

本发明在厌氧/好氧条件下运行4个月，装置反应周期内pH=7.2-8.0，好氧阶段的溶解氧控制在2.0mg/L，能够使得聚磷菌富集至活性污泥的80%以上。 

此装置的创新性主要在于： 

1、控制过程能够通过反馈，模拟信号转化为数字信号，计算是否符合设定值，实时在线控制装置的pH、溶解氧、温度。 

2、装置能使聚磷菌富集80%以上，在国内的报道中鲜有富集程度这么高的。 

3、进水通过A/B液混合，能够调节不同的进水C/P。A液与B液分别控制碳源及磷源，可以由蠕动泵的转速调节混合比。A/B液的混合比控制在17%-25%之间。 

4、组态软件可以可视目前的运行状态。 

目的是能使聚磷菌富集80%，是仅仅因为装置反应周期内pH=7.2-8.0，好氧阶段的溶解氧控制在2.0mg/L，其他参数包括：（1）SRT：因为聚磷菌的世代时较短，控制在8天左右，能够淘洗反应装置中世代时较长的微生物种群。（2）进水C/P。（3）严格的厌氧环境：聚磷菌释磷充分，在后续好氧生长中得到优先繁殖。 

附图说明

图1是一种富集聚磷菌的自动控制试验装置。 

图1中的图例说明：（1）进水A液水箱，（2）进水B液水箱，（3）进水A液蠕动泵，（4）进水B液蠕动泵，（5）悬臂式搅拌器，（6）氮气扩散砂芯曝气头，（7）氧气扩散砂芯曝气头，（8）氮气控制常开电磁阀，（9）溶解氧控制电磁阀，（10）溶解氧在线传感器，（11）pH在线传感器及温度在线传感器，（12）加热装置，（13）加酸蠕动泵，（14）加碱蠕动泵，（15）自动排泥蠕动泵，（16）排水电动阀，（17）多参数测定仪，（18）模拟信号转化器，（19）可编程逻辑控制器，（20）装有组态软件的控制系统，（21）有机玻璃制的序批式生物反应器，（22）取样口，（23）传感器挡板。 

图2是富集聚磷菌序批式生物反应装置的厌氧/好氧的时序控制。 

图3是一种在厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置在稳定状态下以乙酸钠为碳源的周期各种物质变化情况。 

图4是一种在厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置在稳定状态下以丙酸为碳源的周期各种物质变化情况。 

具体实施方式

本发明中溶解氧在线传感器为WTW Cellox325，pH在线传感器及温度在线传感器为WTW Sentix41，多参数测定仪型号为WTW multi340i。模拟信号转化器，采用了三菱的可编程逻辑控制器，型号为FX1N-40MR，组态软件采用的是亚控科技的无限点开发版组态王。 

本发明在厌氧/好氧条件下运行4个月，装置反应周期内pH=7.2-8.0，好氧阶段的溶解氧控制在2.0mg/L，能够使得聚磷菌富集至活性污泥的80%以上。由于溶解氧的控制，使得鼓风机处于优化运行状态，避免电能的损耗，在富集过程中实现了节能降耗与过程控制。 

PLC软元件文件采用GX-Developer-C V8程序写入，组态软件提供PLC程序较好的人机交换及输入、输出、报警等界面。 

本发明包括一种富集聚磷菌厌氧/好氧运行的序批式生物反应装置与在线pH/溶解氧/温度传感与反馈控制设备。 

实例一：实验污泥接种于本实验室原强化生物除磷系统中污泥，稳态运行时其他参数如下：污泥浓度维持在（3000±200）mg/L，污泥平均停留时间SRT约8天，平 均水力停留时间HRT=24小时，富集后期的反应器中pH=7.2-8.0，好氧时DO由曝气阀的开闭控制在2.0mg/L。 

本实施方式的序批式生物反应装置一天运行4个周期，一个周期为6小时。可在运行前设定反应周期次数为1-99。具体实施如下： 

（1）进水阶段：本发明采用人工配水富集聚磷菌，进水分两部分，由蠕动泵定时流入反应器，准确控制进水体积。进水阶段开始，悬臂式搅拌器同时开始运行，直至反应周期结束。氮气注入阀门开启至厌氧阶段结束。进水A液每周期325mL，为碳源和其他营养元素，其中碳源使用丙酸和乙酸钠的交替，交替时间大约为8-16天。使用丙酸为碳源时，用氢氧化钠调节A液至中性。为防止A液中含有微生物，在放置中利用碳源，使进水COD不稳定，试验中A液使用能灭菌的塑料桶对其实行高压灭菌。进水B液每周期2175mL，主要为磷源的供给。混合后进水中COD为700mg/L，磷酸盐为40mg/L（以P计）。配水配方如表1和表2所示。 

表1富集聚磷菌的试验装置进水 

表2微量金属元素溶液组成 

（2）厌氧运行阶段：为保证相对严格的厌氧环境，氮气控制电磁阀处于开启状态，悬臂式搅拌器运转使得基质与活性污泥充分混合。聚磷菌在此阶段分解体内的多聚磷酸盐，合成ATP用于吸收进水A液注入的挥发性脂肪酸（VFA），同时糖原分解产生乙酸辅酶A，共同合成聚羟基烷酸（PHA），完成强化生物除磷系统的厌氧释磷阶段。为了洗淘出干扰EBPR系统的聚糖菌，交替使用乙酸钠与丙酸作为系统的碳源物质，整个厌氧运行阶段，反应时间为150分钟，pH控制在7.2-8.0范围内，由系统在线控制加酸蠕动泵和加碱蠕动泵。在线温度传感器控制加热装置，使得温度在20℃以上。 

（3）好氧过量吸磷阶段：悬臂式搅拌器继续工作，氮气控制电磁阀关闭，鼓风机产生的压缩空气通过溶解氧控制电磁阀经氧气扩散砂芯曝气头注入富集聚磷菌的序批式生物反应装置内。组态软件中的交互界面中输入的溶解氧浓度为2.0mg/L。好氧阶段时间为180分钟，在线pH/溶解氧/温度传感与反馈控制设备均处于工作状态，保证生物反应装置内的pH=7.2-8.0，DO=2.0mg/L，温度大于20℃。聚磷菌利用体内的PHA，分解成ATP，用于过量吸收基质中的磷酸盐，在微生物体内形成多聚磷酸盐，达到生物除磷的目的。在好氧结束前，自动排泥蠕动泵开启，由运行前设定的时间，排出泥水混合液，使得SRT约8天，同时磷酸盐得到去除。 

（4）沉淀/排水/闲置阶段：悬臂式搅拌器停止工作，在线pH/溶解氧/温度传感与反馈控制设备停止采集数据与反馈，氮气控制电磁阀、溶解氧控制电磁阀处于关闭状态。电动排水阀定时开启，排出上清液后关闭，富集聚磷菌厌氧/好氧运行的序批式生物反应装置进入闲置阶段，准备进入下一生化反应周期。 

厌氧/好氧阶段水质及污泥检测方法如表3。 

表3水质及污泥检测方法常规检测方法 

采取用荧光原位杂交方法（FISH）标定来检测聚磷菌富集程度，取泥水混合物，具体操作过程流程为：4%多聚甲醛固定样品→超声后涂片，在50%、80%、98%三个乙醇浓度下脱水各3分钟→使特异寡核苷酸探针溶解在最适甲酰胺浓度的杂交液中，恒温46℃条件下杂交2小时→在恒温水浴中48℃清洗未杂交的探针20分钟→在载玻片加入抗荧光衰减剂之后封片，用荧光显微镜观察。采集图片采用OLYMPUS BX61和DP71数字成像系统。图片的合成与计数采用IMAGE-PRO PLUS分析测定。 

表4采用的特异寡核苷酸探针序列 

在一种在厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置中，聚磷菌在适宜的底物条件、环境条件下得到培养与富集，活性污泥中聚磷菌的比例不断提高，在装置启动4月内，荧光原位杂交的结果表明聚磷菌占细菌总量的80%以上，污泥杂交监测情况见表5。 

表5本实例装置中污泥聚磷菌统计情况 

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Claims (1)

1.一种厌氧/好氧条件下富集聚磷菌的自动控制试验装置，其特征在于：包括：进水A液水箱通过进水A液蠕动泵连接序批式生物反应器，进水B液水箱通过进水B液蠕动泵序批式生物反应器，序批式生物反应器内设有悬臂式搅拌器，连接氮气控制常开电磁阀的氮气扩散砂芯曝气头，连接溶解氧控制电磁阀的氧气扩散砂芯曝气头，序批式生物反应器内设有溶解氧在线传感器、pH在线传感器、温度在线传感器，温度在线传感器连接加热装置，序批式生物反应器连接加酸蠕动泵、加碱蠕动泵、自动排泥蠕动泵、排水电动阀、多参数测定仪通过模拟信号转化器连接可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器连接控制系统；

由控制系统集中控制，包括数据采集、信号转换、变量控制，完成厌氧/好氧序批式生物试验装置的进水、生化反应、泥水沉淀分离、上清液排出、装置闲置阶段；其中，进水A液蠕动泵、进水B液蠕动泵、悬臂式搅拌器、氮气控制常开电磁阀、自动排泥蠕动泵、排水电动阀，在控制系统中输入开启与关闭交流电的时间，由时间变量控制；在整个反应过程中，pH在线传感器及温度在线传感器通过多参数测定仪采集的模拟信号经模拟信号转化器采集至可编程逻辑控制器中传输给控制系统，系统进行判定后开启或者关闭加热装置、加酸蠕动泵、加碱蠕动泵；溶解氧在线传感器采集的DO值通过多参数测定仪采集的模拟信号经模拟信号转化器在可编程逻辑控制器控制溶解氧控制电磁阀的执行。