CN103983753A - 可自检校正的活性污泥好氧呼吸测量装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性污泥好氧呼吸测量装置及使用方法，属于污水处理技术领域。所述测量装置包括曝气室、呼吸室、测量室、恒温系统、pH控制系统、管路流向控制系统。所述曝气室出口经蠕动泵，通过管路流向控制系统依次与一个测量室、呼吸室进口、呼吸室出口、另一个测量室、曝气室入口连接，构成循环回路。所述管路流向控制系统由四个常开电磁阀、四个常闭电磁阀、时间继电器、连接管路构成，是系统实现溶解氧传感器动态自检与校正功能的关键。本发明通过管路流向控制系统能够在反应器运行过程中实时对溶解氧测量效果进行检测，并对溶解氧测量值进行校核，克服了溶解氧传感器漂移的问题，提高了OUR计算的精度。

Description

可自检校正的活性污泥好氧呼吸测量装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种活性污泥好氧呼吸测量装置及应用方法，具有自我检验校正功能，能够准确测量活性污泥在好氧状态下降解有机物的氧气利用速率(OxygenUtilityRate，简称OUR)，适用于水处理过程活性污泥动力学实验研究，包括活性污泥特性表征、解析有机污染物降解动力学参数以及针对有机污染物好氧降解过程中的能量消耗分析等，属于污水处理技术领域。 

背景技术

呼吸测量法是测量活性污泥中微生物单位时间单位体积消耗溶解氧量(即OUR)的有效工具与方法，并常用来研究活性污泥过程中污水、污泥特性及它们的动力学特性，所获得的数据可以供特定的活性污泥模型计算处理用以调控实际活性污泥好氧处理过程。 

现有的呼吸测量技术中，主要依据两个标准进行划分：(1)氧气浓度的测量位置，液相或气相；(2)液相或气相的流动状态，动态或静态。由于利用溶解氧传感器测量液相中溶解氧浓度十分便利，液相原理的呼吸测量方法较为常用，其依据是氧的质量平衡计算OUR(式1)，式中包括一个传递项，一个充氧项和一个耗氧项(r_o)，不同形式的呼吸仪传递项与充氧项可能省略。 

$\frac{{\mathrm{dS}}_O}{\mathrm{dt}}=\frac{Q_{\mathrm{in}}}{V_1}(S_{O,\mathrm{in}}-S_O)+K_{\mathrm{La}}(S_O^0-S_O)-r_O---\left(1\right)$

式中： 

S_o—呼吸室中溶解氧溶度，mg/L； 

S_o,in—进入呼吸室流体中溶解氧溶度，mg/L； 

S_o ⁰—溶解氧饱和浓度，mg/L； 

Q_in—进入呼吸室流体流量，L/s； 

V₁—呼吸室体积，L； 

K_La—空气传质系数，1/s； 

r_o—耗氧速率，mg/L/s； 

液相原理的呼吸仪主要有四种形式：静态气相-静态液相呼吸仪、流动气相-静态液相呼吸仪、静态气相-流动液相呼吸仪、混合呼吸测量仪。 

静态气相-静态液相呼吸测量技术是在封闭的容器中测量溶解氧浓度随时间的下降，这种呼吸测量技术最典型的代表是常用的批式OUR测定仪。如(式2)，这种呼吸仪在计算OUR时 没有传递项和充氧项，其结构操作简单。但由于反应器中溶解氧量低，其应用受到限制。 

$\frac{{\mathrm{dS}}_O}{\mathrm{dt}}=r_O---\left(2\right)$

流动气相-静态液相呼吸测量技术是在测量过程中连续向反应体系中充氧，克服了溶氧浓度的限制，如Gent大学MicrobialEcology实验室开发的RODTOX呼吸测量仪，依据(式3)计算OUR，但这种呼吸仪需要实验测量或估算氧传质系数K_La，并且曝气充氧造成测量噪声，导致其测试精度较低。 

$\frac{{\mathrm{dS}}_O}{\mathrm{dt}}=K_{\mathrm{La}}(S_O^0-S_O)-r_O---\left(2\right)$

静态气相-流动液相呼吸测量技术是将充氧后的混合液连续泵入密闭的呼吸室，通过测量呼吸室进出口的溶解氧浓度计算OUR(式4)，为避免溶氧传感器漂移造成的测量误差，可以通过改变流向利用同一只传感器测量进出口混合液溶解氧浓度，但同时也限制了OUR的测量频率，如RA-1000型呼吸测量仪。 

$\frac{{\mathrm{dS}}_O}{\mathrm{dt}}=\frac{Q_{\mathrm{in}}}{V}(S_{O,\mathrm{in}}-S_O)-r_O---\left(4\right)$

混合型呼吸测量技术融合了流动气相-静态液相与静态气相-流动液相技术，包括一个敞开的充氧室和密闭的呼吸室，并利用两只溶氧传感器测量溶解氧浓度。这种测量技术保证了OUR的测量频率，避免了K_La的估算(式6)，并且若K_La可知即能够再次对OUR进行校核(式5、6)。 

$r_{O,1}=\frac{Q}{V_1}(S_{O,2}-S_{O,1})+K_{L,a}(S_O^0-S_{O,1})-\frac{{\mathrm{dS}}_{O,1}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

$r_{O,2}=\frac{Q}{V_2}(S_{O,1}-S_{O,2})-\frac{{\mathrm{dS}}_{O,2}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

式中： 

S_o,1—曝气室中溶解氧溶度，mg/L； 

S_o,2—呼吸室中溶解氧溶度，mg/L； 

V₁—曝气室体积，L； 

V₂—呼吸室体积，L； 

r_o,1—基于曝气室计算的耗氧速率，mg/L/s； 

r_o,2—基于呼吸室计算的耗氧速率，mg/L/s； 

Vanrolleghem等最早提出了混合呼吸测量仪几种测量方式的设想，Petersen提出了简易 呼吸测量仪，将溶解氧传感器从管道分别移到充氧室和呼吸室，但无法避免反应器流态差异造成的测量误差，两个传感器也无法进行校核。 

申请号：200610054264.0的中国发明《污染物好氧生物降解呼吸测量方法及装置》公开了一种污染物好氧生物降解呼吸测量方法及装置，涉及废水好氧生物处理过程氧利用速率测量方法和装置。测量方法包括的步骤有溶解氧传感器校核，水槽恒温，投加微生物混合液，搅拌，混合液循环，设置参数，投加待测样品和计算。测量装置由水槽、磁力搅拌机构、曝气机构、曝气室、呼吸室、测量室、pH传感器、溶解氧传感器、信号传输线、变送器接线盒、计算机和氧利用速率测量软件组成。设计了溶解氧测量室，实现了管道中测量溶解氧浓度，其方法中包括了溶解氧传感器的校核。然而其溶解氧测量室所采用的是水流向垂直于溶氧传感器膜表面，造成溶解氧测量值的不稳定性，并且两只溶解氧传感器的校核步骤完成于样品投加之前，并不能实现测量过程中动态的自检校核。同时两只溶解氧传感器在测量的过程中容易发生电极漂移现象，在不同的溶解氧浓度范围中两只溶解氧传感器的测量值的差异会发生变化，并且随着测量时间的延长溶解氧传感器的测量状态会发生变化，因此仅仅在测量开始前对溶解氧传感器进行校核是远远不够的，存在较大的测量误差。 

上述呼吸测量方法及装置在实际运行中，均存在测试精度不高，测量误差较大等缺陷。因此需要对现存几种呼吸测量装置及方法优化改进，提出一种具有更高测量精度、测量频率，能够实现溶解氧传感器动态自检校正的新型活性污泥好氧呼吸测量装置并提供该装置的使用方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种活性污泥好氧呼吸测量装置及使用方法，实现系统的自我检测及校正，克服反应器流态差异、传感器漂移等因素对测量结果造成的误差，提高测量精度与测试频率。 

为实现上述发明目的，新型活性污泥好氧呼吸测量装置包括曝气室、呼吸室、测量室、恒温系统、pH控制系统、管路流向控制系统。 

所述曝气室、测量室、呼吸室通过管路流向控制系统构成循环回路； 

所述曝气室出口通过管路流向控制系统依次与一个测量室、呼吸室进口、呼吸室出口、另一个测量室、曝气室入口连接，构成循环回路；所述曝气室出口与管路流向控制系统之间设置蠕动泵； 

所述曝气室为圆柱形敞口曝气罐，底部安装曝气盘，连接曝气泵。在曝气室中接入pH控制系统的pH传感器，恒温系统的温度传感器与恒温棒，用以控制反应过程混合液的pH与温度。 

所述呼吸室为圆柱形密闭罐体，一侧设置进口、相对应的另一侧设置出口，在罐中安装有磁力搅拌转子，底部连接磁力搅拌器，用以搅拌混合液。呼吸室与曝气室的容积比为1:3-5。 

所述测量室为混合液溶解氧浓度测量装置，为圆柱形罐体，罐体下部侧面设有测量室进口，上部侧面设有测量室出口，罐顶设有螺纹口。将溶解氧传感器插入罐中，旋紧瓶盖，盖口处的橡胶垫圈被压紧保证罐体密闭，溶解氧传感器探头的半透膜与测量室进水方向水平，实现切向测量进水溶解氧浓度，在入口流速满足溶氧传感器测量最低流速限制时，能够保证溶解氧测量的稳定性。所述测量室成对出现，分别测量呼吸室进出口混合液的溶解氧浓度，可以通过管路流向控制系统相互转换，实现两只溶解氧传感器的自检与校正。 

所述恒温系统是由加热系统、循环泵、温度传感器、逻辑控制电路构成，通过反馈调节系统的温度。 

所述pH控制系统由pH传感器、微量泵，酸碱补给、逻辑控制电路构成，用以向系统中加入酸或碱来调节pH值。 

所述管路流向控制系统是系统实现两个传感器动态自检与校正功能的关键，由四个常开电磁阀、四个常闭电磁阀、时间继电器、连接管路构成。时间继电器控制电磁阀的通断电，按照所设计的管路连接，依照电磁阀的开阖，在保证测量室进出口不改变的条件下，能够实现两个测量室测量对象的互换，即先前测量呼吸室入口溶解氧的1号测量室转换为测量呼吸室出口溶解氧，先前测量呼吸室出口的2号测量室转换为测量入口溶解氧。 

所述活性污泥好氧呼吸测量装置包括数据记忆采集装置，所述数据记忆采集装置与pH传感器、溶解氧传感器电路连接。 

所述活性污泥好氧呼吸测量装置的使用方法：包括污泥混合液的循环、温度与pH的控制、溶解氧测量、底物投加以及溶解氧传感器的自动检验与校正操作。 

所述活性污泥好氧呼吸测量装置的使用方法如下： 

按照图1所示连接管路及装置，向曝气室内加入活性污泥稀释液，打开曝气泵，向曝气室内通入空气，打开蠕动泵，保持蠕动泵流量至少为750ml/min，使污泥混合液通过管道在曝气室、测量室、呼吸室内循环，并满足测量室最小流速限制。打开呼吸室底部磁力搅拌装置，使呼吸室内溶液均匀混合。并排掉测量室、呼吸室内残留的空气。打开温度控制系统和pH控制系统，设定稳定运行状态下的温度和pH值。打开溶解氧传感器，观察两个测量室的溶解氧值，并记录。待系统稳定后，继续曝气使活性污泥进入内源呼吸阶段，其特征是两个溶解氧传感器读数稳定，并存在一定差值，即活性污泥在呼吸室中内源呼吸所消耗的溶解氧值。向曝气室中加入有机底物，如乙酸钠、丙酸等，记录两支溶解氧传感器的溶解氧测量值的变化，反应4-8小时后待活性污泥重新进入内源呼吸阶段停止反应器运行。 

在反应器运行过程中任意时刻均可利用时间继电器通过控制电磁阀的开阖实现两只溶解氧传感器的动态自检与校正，利用溶解氧传感器自身特性，通过梯形差值分析获得溶解氧传感器测量值的矩阵关系，求解可对溶解氧传感器进行自检与校正，从而实时了解溶解氧传感器测量状态并获得更准确的测量结果，克服传感器漂移问题，其操作及计算方法如下： 

在反应器运行过程中任意时刻通过时间继电器控制电磁阀通电一段时间，利用电磁阀的开阖控制管路流向，实现两个测量室在该段时间的互换，即先前测量呼吸室入口溶解氧的1号测量室转换为测量呼吸室出口溶解氧，先前测量呼吸室出口的2号测量室转换为测量入口溶解氧。对该操作附近一段时间的溶解氧测量值进行计算即可得到两个溶氧传感器反应时间常数t_c值用以检验溶解氧传感器测量状态，并实现两只传感器的校正。 

检验溶解氧传感器测量状态： 

$\left[\begin{array}{cc}{y}_2-y_1& -h\\ y_3-y_2& -h\\ ...& ...\\ ...& ...\\ y_k-y_{k-1}& -h\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{t}_c\\ {\mathrm{\α}}_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}h(-y_2-y_1)\\ \frac{1}{2}h(-y_3-y_2)\\ ...\\ ...\\ \frac{1}{2}h(-y_k-y_{k-1})\\ \end{array}\right]---\left(7\right)$

式中： 

α₀—溶解氧真实值，mg/L； 

t_c—传感器反应时间常数，min； 

h—溶解氧测量时间间隔，min； 

k—1,2,3,…,K，K通常取60或120； 

求解矩阵即可得t_c，该值是衡量溶氧传感器测量状态的参数，其值小于0.2min时说明传感器状况良好。 

对两只传感器进行校正： 

在切换流向后，两只溶解氧传感器读数会逐渐趋近稳定值，待测量值稳定后对30s内的测量值取算数平均值，则可得到以一个传感器为标准对另一个传感器进行校正。当2号测量室位于呼吸室进口时利用式8进行校正；当2号测量室位于呼吸室出口时利用式9进行校正： 

${S^{*}}_{2\mathrm{in}}=S_2+({\stackrel{\‾}{S}}_{1\mathrm{in}}-{\stackrel{\‾}{S}}_{2\mathrm{in}})---\left(8\right)$

${S^{*}}_{2\mathrm{out}}=S_2+({\stackrel{\‾}{S}}_{1\mathrm{out}}-{\stackrel{\‾}{S}}_{2\mathrm{out}})---\left(9\right)$

在获得了检验校正后的呼吸室进出口溶解氧溶度变化后，可利用式6求出相应的耗氧速率OUR。 

有益效果： 

(1)测量室的设计实现切向测量进水溶解氧浓度，在入口流速满足溶解氧传感器测量最低流速限制时，能够保证溶解氧测量的稳定性。 

(2)通过管路流向控制系统能够在反应器运行过程中实时对溶解氧测量效果进行检测，并对溶解氧测量值进行校核，克服了溶解氧传感器漂移的问题，提高了OUR计算的精度。 

附图说明

图1为本发明测量装置的整体结构示意图； 

图2为测量室俯视图； 

图3为图2中的A-A剖视图； 

图4为安装溶解氧传感器后的测量室俯视图； 

图5为图4中的B-B剖视图； 

图6为自检校正操作两支溶解氧传感器测量值变化图。 

图中，1为曝气室，2为曝气室出口，3为曝气室进口，4为呼吸室，5为呼吸室进口，6为呼吸室出口，7为1号测量室，3-1为测量室开口螺栓，3-2为测量室腔体，3-3为测量室进口，3-4为测量室出口，8为2号测量室，9为1号溶解氧传感器，5-1为溶解氧传感器杆，5-2为溶解氧传感器连接测量室旋盖，5-3为溶解氧传感器探头，10为2号溶解氧传感器，11为管路流向控制系统，12为常闭电磁阀，13为常开电磁阀，14为温度控制系统，15为温度传感器，16为pH传感器，17为曝气盘，18为蠕动泵，19为pH控制系统，20为磁力搅拌器，21为数据记忆采集装置。 

具体实施方式

实施例1 

当以浓度为200mgCOD/L的乙酸钠作为有机底物，测试活性污泥好氧过程的耗氧速率时，按以下步骤进行： 

(1)向曝气室内加入活性污泥6L，打开蠕动泵，调整流量至750ml/min，使活性污泥通过管路流向控制系统在曝气室、测量室和呼吸室中循环。 

(2)设置控制温度为20±0.5℃，控制pH值为7.0±0.5，打开曝气泵，向曝气室内通入空气，打开呼吸室底部磁力搅拌器，使混合均匀。 

(3)当系统温度、pH值稳定后，打开溶解氧测试传感器，测量呼吸室进出口溶解氧浓度的变化，待两支传感器测量值稳定，即活性污泥进入内源呼吸阶段，开始记录两支传感器测量值，每5s记录一次。 

(4)15分钟后，将一定量的乙酸钠加入到曝气室中，使混匀液相中COD值约为200mg/L。记录时间，并保持两支传感器每5s记录一次溶解氧值。 

(5)在测量进行到76分钟左右对两支溶解氧传感器进行一次自检与校正操作，电磁阀通电时间选为2min。自检校正操作后，反应器继续运行。 

(6)待有机底物消耗彻底，活性污泥恢复到内源呼吸阶段，即两支溶解氧传感器值不再变化，停止反应器运行。 

(7)对所测得溶解氧传感器值进行分析处理，首先对自检校正操作附近两支溶解氧传感器度数作图，见附图6，利用式7对所记录变化值构建矩阵，可解得两支溶解氧传感器tc值分别为0.107min、0.123min，可根据该值确定两支溶解氧传感器工作状态良好。依据式9，以1号传感器为标准对2号传感器所测量数值进行校正。 

(8)在得到校正的测量值后，利用式6，可计算得到不同时间点的OUR值。 

$\left[\begin{array}{cc}6.34-6.12& -1/12\\ 6.12-5.65& -1/12\\ 5.65-5.06& -1/12\\ ...& ...\\ ...& ...\\ 5.24-5.23& -1/12\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{t}_{c1}\\ {\mathrm{\α}}_{01}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-6.34-6.12)\\ \frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-6.12-5.65)\\ \frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-5.65-5.06)\\ ...\\ ...\\ \frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-5.24-5.23)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{cc}5.01-5.18& -1/12\\ 5.18-6.22& -1/12\\ 6.22-6.42& -1/12\\ ...& ...\\ ...& ...\\ 6.57-6.58& -1/12\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{t}_{c2}\\ {\mathrm{\α}}_{02}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-5.01-5.18)\\ \frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-5.18-6.22)\\ \frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-6.22-6.42)\\ ...\\ ...\\ \frac{1}{2}\×\frac{1}{12}\×(-6.57-6.58)\end{array}\right]$

$S_{2\mathrm{out}}^{*}=S_2+({\stackrel{\‾}{S}}_{2\mathrm{out}}-{\stackrel{\‾}{S}}_{2\mathrm{out}})=S_2+(5.24-4.92)=S_2+0.32$

实施例2 

当以城市污水作为有机底物，测试活性污泥好氧过程的耗氧速率时，按以下步骤进行： 

(1)向曝气室内加入活性污泥4L，打开蠕动泵，调整流量至750ml/min，使活性污泥通过管路流向控制系统在曝气室、测量室和呼吸室中循环。 

(2)设置控制温度为20±0.5℃，控制pH值为7.0±0.5，打开曝气泵，向曝气室内通入空气，打开呼吸室底部磁力搅拌器，使混合均匀。 

(3)当系统温度、pH值稳定后，打开溶解氧测试传感器，测量呼吸室进出口溶解氧浓度的变化，待两支传感器测量值稳定，即活性污泥进入内源呼吸阶段，开始记录两支传感器测量值，每5s记录一次。 

(4)将城市污水水样加热到20℃，曝气至溶解氧饱和，在反应器中两支溶解氧传感器测量值稳定15min后，向曝气室内加入2L城市污水。记录时间，并保持两支传感器每5s记录一次溶解氧值。 

(5)在测量过程中每隔一小时进行一次自检校正操作，电磁阀通电时间选为2min。自检校正操作后，反应器继续运行。 

(6)对每次自检校正操作所获得的传感器数据进行处理，方法如实施例1中所述，在第三次自检校正操作中，计算得到两支溶解氧传感器tc值分别为0.231min、0.252min，说明两支溶解氧传感器的测量状态较差，传感器表面受污染较为严重。 

(7)将溶解氧传感器拆卸清洗，重新装回反应器后继续运行，待有机底物消耗彻底，活性污泥恢复到内源呼吸阶段，即两支溶解氧传感器值不再变化，停止反应器运行。 

Claims (10)

1.一种活性污泥好氧呼吸测量装置，包括曝气室、呼吸室、测量室、恒温系统、pH控制系统，其特征在于，还包括管路流向控制系统；

所述曝气室、测量室、呼吸室通过管路流向控制系统构成循环回路；

所述曝气室出口通过管路流向控制系统依次与一个测量室、呼吸室进口、呼吸室出口、另一个测量室、曝气室入口连接，构成循环回路；所述曝气室出口与管路流向控制系统之间设置蠕动泵；

所述pH控制系统包括pH传感器；

所述测量室包括溶解氧传感器。

2.根据权利要求1所述活性污泥好氧呼吸测量装置，其特征在于，所述管路流向控制系统由四个常开电磁阀、四个常闭电磁阀、时间继电器、连接管路构成。

3.根据权利要求1所述活性污泥好氧呼吸测量装置，其特征在于，还包括数据记忆采集装置，所述数据记忆采集装置与pH传感器、溶解氧传感器电路连接。

4.根据权利要求1所述活性污泥好氧呼吸测量装置，其特征在于，呼吸室与曝气室的容积比为1:3-5。

5.根据权利要求1所述活性污泥好氧呼吸测量装置，其特征在于，所述的曝气室为圆柱形敞口曝气罐，底部安装曝气盘，连接曝气泵；所述曝气室中接入pH控制系统的pH传感器，恒温系统的温度传感器与恒温棒。

6.根据权利要求1所述活性污泥好氧呼吸测量装置，其特征在于，所述呼吸室为圆柱形密闭罐体，一侧设置进口、相对应的另一侧设置出口，在罐中安装有磁力搅拌转子，底部连接磁力搅拌器。

7.根据权利要求1所述活性污泥好氧呼吸测量装置，所述测量室为圆柱形罐体，罐体下部侧面设有测量室进口，上部侧面设有测量室出口，罐顶设有螺纹口；将溶解氧传感器插入罐中，旋紧瓶盖，盖口处设置橡胶垫圈，其特征在于，溶解氧传感器探头的半透膜与测量室进水方向水平。

8.根据权利要求1所述活性污泥好氧呼吸测量装置，其特征在于，所述的恒温系统由加热系统、循环泵、温度传感器、逻辑控制电路构成；所述的pH控制系统由pH传感器、微量泵、酸碱补给、逻辑控制电路构成。

9.权利要求1-8任一所述活性污泥好氧呼吸测量装置的使用方法，包括如下步骤：污泥混合液的循环、温度与pH的控制、溶解氧测量、底物投加，其特征在于，还包括溶解氧传感器的自动检验与校正操作。

10.根据权利要求9所述活性污泥好氧呼吸测量装置的使用方法，其特征在于，在反应器运行过程中任意时刻通过时间继电器控制电磁阀通电一段时间，利用电磁阀的开阖控制管路流向，实现两个测量室在该段时间测量对象的互换，对该操作附近一段时间的溶解氧测量值进行计算即可得到两个溶解氧传感器反应时间常数，用以检验溶解氧传感器测量状态，并实现溶解氧传感器的校正。