CN104407100A - 一种污泥硝化活性智能分析系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种污泥硝化活性智能分析系统及分析方法，该系统包括控制面板、PLC控制器、安放在柜体内的反应装置，反应装置底部分别连接有排水管、排水电磁阀、曝气管、曝气头、曝气电磁阀，上部依次连接有进水管、进水电磁阀、进水泵，加药管、加药泵，曝气管一端与曝气头相连，另一端连有电磁阀及曝气泵，采用该系统的分析方法采用连续一段时间内监测氨氮值变化的方式计算污泥硝化活性数值，数据分析软件以最小二乘法和模拟逼近法为基础进行分析计算，该系统适用于测定城市污水处理厂生物池中活性污泥的硝化活性，及活性污泥工艺的氨氮硝化速率，大大提高了检测速率和对氨氮硝化速率实时监测的效率。

Description

一种污泥硝化活性智能分析系统及分析方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种污泥硝化活性智能分析系统及分析方法。 

背景技术

水体富营养化问题日益突出，氮磷排放标准日益严格。我国于2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》中增加了对总氮和总磷的排放浓度限制。目前我国污水处理行业发展水平仍落后于发达国家。我国污水处理行业目前所面临的主要问题是污水处理设施能源效率不高，污水处理达标率偏低等。统计数据显示，截至2009年，中国已建成的污水处理厂约有1993座。另外，我国提出在“十一五”期间单位GDP能耗降低20％左右的约束性指标，国家在“十二五”规划中，进一步提出了深化节能减排、单位GDP能耗降低16％的目标，节能降耗是当前我国急需解决的问题。为保证污水处理厂高效运行，减少能源资源消耗，改善周边地区环境质量，充分发挥污水处理系统的经济效益、环境效益和社会效益，促进经济建设的可持续发展，我国新建污水处理厂都需要在稳定达标的前提下实现节能降耗，大多数已建城市污水处理厂都有必要进行改造。 

污水处理厂总氮去除率有待进一步提高，并且污水处理厂鼓风机能耗占全厂能耗30％-60％。总氮去除率的提高和鼓风机能耗的降低都与曝气量有关，设定合理的供气范围很重要。而污泥硝化活性即氨氮硝化速率是计算和控制供气量设定值的关键参数。本发明污泥硝化活性智能分析系统可以实时的自动测定生物池中的氨氮硝化速率，能够及时反应硝化速率变化，帮助调整供气量参数，并保证氨氮完全去除。 

发明内容

本发明由一套全自动反应装置和一套数据分析软件组成，全自动反应装置模拟实现生物池中活性污泥对氨氮的完整硝化过程，并监测采集氨氮、溶解氧数据。数据分析软件负责将所采集的数据进行分析处理，计算出污泥硝化活性(氨氮硝化速率)数值。 

本发明目的是针对污水处理厂生物池中污泥微生物活性分析和氨氮硝化速率测定提供一种污泥硝化活性智能分析系统及分析方法，该方法能够满足对氨氮硝化速率进行实时监测。 

本发明采用连续一段时间内监测氨氮值变化的方式计算污泥硝化活性(氨氮硝化速率)数值，数据分析软件以最小二乘法和模拟逼近法为基础进行分析计算，该系统适用于测定城市污水处理厂生物池中活性污泥的硝化活性，及活性污泥工艺的氨氮硝化速率。 

具体而言，本发明在于提出一种污泥硝化活性智能分析系统，该分析系统包括柜体，安装在柜前门上的控制面板，安装在柜体后内壁上的PLC控制器，安放在柜体内的反应装置，其中，反应装置底部分别连接有排水管、排水电磁阀、曝气管、曝气头、曝气电磁阀，上部依次连接有进水管、进水电磁阀、进水泵，加药管、加药泵，曝气管一端与曝气头相连，另一端连有电磁阀及曝气泵；反应装置中，安装有氨氮测量仪、溶解氧测量仪及液位传感器，所有的电磁阀、进水泵、在线氨氮测量仪、溶 解氧测量仪和液位传感器与PLC控制器相连接，PLC控制器与控制面板相连接，在线氨氮测量仪、溶解氧测量仪与自动清洗装置相连。 

进一步地，本发明提供的曝气泵为变频泵。 

进一步地，本发明在于提供一种所述的分析系统进行分析的方法，包括如下步骤： 

1)从控制面板上人工设定测定数据频率、初始氨氮值、结束氨氮值、溶解氧范围及循环次数参数，然后将测定命令通过信号线传送给PLC控制器，PLC控制器再将指令传送给响应部件； 

2)系统开始工作时，首先排水电磁阀打开，将反应装置内残留的液体样品经排水管排出，由液位传感器测定达到低液位后排水电磁阀关闭，进水电磁阀和进水泵打开，由进水管进水，当到达高液位后进水电磁阀和进水泵关闭，进水完毕准备开始进行硝化反应； 

3)硝化反应初始，首先由氨氮测量仪测定样品中氨氮值是否达到设定值，若未达到则打开加药泵进行加药，氨氮值达到设定值后，开启曝气电磁阀及曝气泵进行曝气，由溶解氧测量仪指示达到设定溶解氧值后正式开始硝化速率测定，按设定频率采集并记录氨氮值，硝化速率测定过程中通过溶解氧测量仪的反馈值不定时开停曝气电磁阀及曝气泵，将溶解氧控制在设定范围内，当氨氮测量仪测定的氨氮数值达到或低于结束值时，硝化反应结束，硝化速率测试过程结束； 

4)反应结束后，排水电磁阀打开并将样品排出，与此同时，硝化速率测定过程中所记录的氨氮数据经分析软件计算给出硝化速率报告； 

5)根据初始设定的循环次数重复进行测定或停止等待指令。 

进一步地，本发明在于提供一种，其中的硝化速率分析方法为： 

采用一元线性拟合方程及回归分析法得出硝化速率，采用如下公式： 

y＝a+bx          ……………………(1) 

$b=\frac{L_{\mathrm{xy}}}{L_{\mathrm{xx}}}...\left(2\right)$

a＝y_a-bx_a……………………(3) 

$L_{\mathrm{xx}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{(X_i-X_a)}^2={(X_1-X_a)}^2+{(X_2-X_a)}^2+{(X_3-X_a)}^2+.....+{(X_m-X_a)}^2...\left(4\right)$

$\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{xy}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-x_a)(y_i-y_a)\\ =(X_1-X_a)(Y_1-Y_a)+(X_2-X_a)(Y_2-Y_a)+....+(X_m-X_a)(Y_m-Y_a)\end{array}...\left(5\right)$

$x_a=\frac{1}{m}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{x}_i=(X_1+X_2+X_3+X_4+...+X_m)/m...\left(6\right)$

$y_a=\frac{1}{m}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{y}_i...\left(7\right)$

$r_2=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{(a+{\mathrm{bx}}_i-y_a)}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{(y_i-y_a)}^2}...\left(8\right)$

其中： 

a-硝化反应初始氨氮值，mg/L；b-硝化速率值，mgN/s；x，x_i-反应时间，s；y，y_i-氨氮值，mg/L；x_a-平均反应时间，s；y_a-平均氨氮值，mg/L；r²-相关系数(0～1)。 

本污泥硝化活性智能分析系统具有的特点和有益效果： 

1).测定过程中可随时从显示器上对后续测定过程进行调整，并查看历史分析测量数据。 

2).操作简单，完全智能化运行。 

3).本污泥硝化活性智能分析系统可广泛应用于污水处理厂的生物池沿程硝化速率测定，便于技术人员及时了解掌握生物池中微生物活性和生化反应进程。 

4).污泥硝化活性智能分析系统安装在生物池厌氧段的进水处，此处生物池中的氨氮值与进水相近。根据测定的污泥硝化活性，可以对好氧池中的曝气量进行调节，如果污泥硝化活性高，好氧池中的曝气量可以适当降低，污泥硝化活性差，可以适当提高曝气量，有助于污泥硝化活性的恢复。 

5).污泥硝化活性智能分析系统与在线氨氮仪、在线溶解氧仪等在线仪表配合使用，可以更好的实现对曝气量的优化控制，更加精确的根据氨氮硝化需求供给气量，达到降低曝气能耗，稳定出水水质的目的。该系统的使用可以使污水处理厂在日常运行中对参数的调整更加科学，有据可依，帮助技术人员分析和预测生物池处理能力变化，确保出水水质安全达标。 

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的一种污泥硝化活性智能分析系统示意图； 

图2是根据本发明的一个实施例的系统运行逻辑图； 

图中：1.柜体；2.控制面板；3.PLC控制器；4.反应装置；5.排水管；6.排水电磁阀；7.曝气管；8.曝气头；9.曝气电磁阀；10.进水管；11.进水电磁阀；12.进水泵；13.加药管；14.加药泵；15.曝气泵；16.在线氨氮测量仪；17.溶解氧测量仪；18.液位传感器；19.清洗装置。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。 

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案： 

该分析系统包括柜体1，安装在柜前门上的控制面板2，安装在柜体后内壁上的PLC控制器3，安放在柜体内的反应装置4。其中，反应装置4底部分别连接有排水管5、排水电磁阀6、曝气管7、曝气头8、曝气电磁阀9，上部依次连接有进水管10、进水电磁阀11、进水泵12，加药管13、加药泵14。曝气管7一端与曝气头8相连，另一端连有电磁阀9及曝气泵15。反应装置4中，安装有氨氮测量仪16、溶解氧测量仪17及液位传感器18。所有的电磁阀、进水泵7、在线氨氮测量仪16、溶解氧测量仪17和液位传感器18与PLC控制器3相连接，PLC控制器3与控制面板2相连接。在线氨氮测量仪16、溶解氧测量仪18与自动清洗装置19相连。其中，曝气泵优选为变频泵。 

应用所述的分析系统进行分析的方法包括如下步骤： 

1].从控制面板2上人工设定测定数据频率、初始氨氮值、结束氨氮值、溶解氧范围及循环次数参数，然后将测定命令通过信号线传送给PLC控制器3，PLC控制器再将指令传送给响应部件。 

2].系统开始工作时，首先排水电磁阀6打开，将反应装置4内残留的液体样品经排水管5排出。由液位传感器18测定达到低液位后排水电磁阀6关闭，进水电磁阀11和进水泵12打开，由进水管10进水，当到达高液位后进水电磁阀11和进水泵12关闭，进水完毕准备开始进行硝化反应。 

3].硝化反应初始，首先由氨氮测量仪16测定样品中氨氮值是否达到设定值，若未达到则打开加药泵14进行加药。氨氮值达到设定值后，开启曝气电磁阀9及曝气泵15进行曝气，由溶解氧测量仪17指示达到设定溶解氧值后正式开始硝化速率测定，按设定频率采集并记录氨氮值。硝化速率测定过程中通过溶解氧测量仪17的反馈值不定时开停曝气电磁阀9及曝气泵15，将溶解氧控制在设定范围内。当氨氮测量仪16测定的氨氮数值达到或低于结束值时，硝化反应结束，硝化速率测试过程结束。 

4].反应结束后，排水电磁阀6打开并将样品排出。与此同时，硝化速率测定过程中所记录的氨氮数据经分析软件计算给出硝化速率报告。 

5].根据初始设定的循环次数重复进行测定或停止等待指令。 

硝化速率分析方法： 

采用一元线性拟合方程及回归分析法对硝化速率进行求解，计算过程见如下公式： 

y＝a+bx              ……………………(1) 

$b=\frac{L_{\mathrm{xy}}}{L_{\mathrm{xx}}}...\left(2\right)$

a＝y_a-bx_a……………………(3) 

$L_{\mathrm{xx}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{(X_i-X_a)}^2={(X_1-X_a)}^2+{(X_2-X_a)}^2+{(X_3-X_a)}^2+.....+{(X_m-X_a)}^2...\left(4\right)$

$\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{xy}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-x_a)(y_i-y_a)\\ =(X_1-X_a)(Y_1-Y_a)+(X_2-X_a)(Y_2-Y_a)+....+(X_m-X_a)(Y_m-Y_a)\end{array}...\left(5\right)$

$x_a=\frac{1}{m}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{x}_i=(X_1+X_2+X_3+X_4+...+X_m)/m...\left(6\right)$

$y_a=\frac{1}{m}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{y}_i...\left(7\right)$

$r_2=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{(a+{\mathrm{bx}}_i-y_a)}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{(y_i-y_a)}^2}...\left(8\right)$

其中： 

a-硝化反应初始氨氮值，mg/L；b-硝化速率值，mgN/s；x，x_i-反应时间，s；y，y_i-氨氮值，mg/L；x_a-平均反应时间，s；y_a-平均氨氮值，mg/L；r²-相关系数(0～1)； 

本污泥硝化活性智能分析系统具有的特点和有益效果： 

1).测定过程中可随时从显示器上对后续测定过程进行调整，并查看历史分析测量数据。 

2).操作简单，完全智能化运行。 

3).本污泥硝化活性智能分析系统可广泛应用于污水处理厂的生物池沿程硝化速率测定，便于技术人员及时了解掌握生物池中微生物活性和生化反应进程。 

4).污泥硝化活性智能分析系统安装在生物池厌氧段的进水处，此处生物池中的氨氮值与进水相近。根据测定的污泥硝化活性，可以对好氧池中的曝气量进行调节，如果污泥硝化活性高，好氧池中的曝气量可以适当降低，污泥硝化活性差，可以适当提高曝气量，有助于污泥硝化活性的恢复。 

5).污泥硝化活性智能分析系统与在线氨氮仪、在线溶解氧仪等在线仪表配合使用，可以更好的实现对曝气量的优化控制，更加精确的根据氨氮硝化需求供给气量，达到降低曝气能耗，稳定出水水质的目的。该系统的使用可以使污水处理厂在日常运行中对参数的调整更加科学，有据可依，帮助技术人员分析和预测生物池处理能力变化，确保出水水质安全达标。 

下面根据本发明的一种污泥硝化活性智能分析系统及方法的具体应用实施例如下： 

1、分析水质、污泥浓度及分析参数设定： 

原始氨氮浓度	38mg/L	进水时间	5min
				污泥浓度	3800mg/L	结束氨氮值	5mg/L
起始氨氮浓度	64mg/L	氨氮测定时间间隔	30s
				加药时间	10s	氨氮数据点数	15
加药后测量时间	30s	溶解氧值	3mg/L
				循环次数	1次	溶解氧测定时间间隔	2min

2、测试过程 

a.从控制面板2上设定表1中的相关初始数据并开始测定，然后将测定命令通过信号线传送给PLC控制器3，PLC控制器再将指令传送给响应部件。 

b.首先排水电磁阀6打开，将反应装置4内残留的液体样品经排水管5排出。由液位传感器18测定达到低液位后排水电磁阀6关闭，进水电磁阀11和进水泵12打开，由进水管10进水，当到达高液位或超出进水设定时间后进水电磁阀11和进水泵12关闭，进水完毕开始进行硝化反应。 

c.首先由氨氮测量仪16测定样品中原始氨氮值为38mg/L，未达到设定值64mg/L，因此打开加药泵14进行加药10s。30s后再次测定氨氮值为64mg/L，达到了设定值。开启曝气电磁阀9及曝气泵15进行曝气，溶解氧测量仪17指示达到设定溶解氧值3mg/L后正式开始硝化速率测定。每30s中采集并记录一次氨氮值，直到氨氮值低于5mg/L，或采集到超过22个数据点，硝化反应结束。硝化速率测定过程中每2min通过溶解氧测量仪17比对溶解氧值，不定时开停曝气电磁阀9及曝气泵15，将溶解氧控制在设定范围内。 

d.反应结束后，排水电磁阀6打开并将样品排出。与此同时，硝化速率测定过程中所记录的氨氮数据经分析软件计算给出硝化速率报告。 

e.初始设定的循环次数为1次，因此系统停止运行等待指令。 

3、数据结果与分析 

代入公式(1)-(8)计算得： 

x_a＝450s，y_a＝63， 

$L_{\mathrm{xx}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{16}{(x_i-x_a)}^2=1224000,m=16$

$L_{\mathrm{xy}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{16}(x_i-x_a)(y_i-y_a)=-2427,m=16$

$b=\frac{L_{\mathrm{xy}}}{L_{\mathrm{xx}}}=\frac{-2427}{1224000}=-0.00198$

a＝y_a-bx_a＝63-450*(-0.00193)＝63.891 

所以一元线性拟合方程为： 

y＝a+bx＝-0.00198x+63.891 

$r^2=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{16}{(a+{\mathrm{bx}}_i-y_a)}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{16}{(y_i-y_a)}^2}=\frac{4.80}{5.39}=0.89>0.85$

最终硝化速率为：2.376mgNH₄ ⁺-N/(gVSS·h^-1) 

采用本发明所述的一种污泥硝化活性智能分析系统及分析方法，根据测定的污泥硝化活性，可以对好氧池中的曝气量进行调节，如果污泥硝化活性高，好氧池中的曝气量可以适当降低，污泥硝化活性差，可以适当提高曝气量，有助于污泥硝化活性的恢复，并且本发明采用污泥硝化活性智能分析系统与在线氨氮仪、在线溶解氧仪等在线仪表配合使用，可以更好的实现对曝气量的优化控制，更加精确的根据氨氮硝化需求供给气量，达到降低曝气能耗，稳定出水水质的目的。该系统的使用可以使污水处理厂的日常运行中对参数的调整更加科学，有据可依，帮助技术人员分析和预测生物池处理能力变化，确保出水水质安全达标。 

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。 

Claims (4)

1.一种污泥硝化活性智能分析系统，其特征在于，该分析系统包括柜体(1)，安装在柜前门上的控制面板(2)，安装在柜体后内壁上的PLC控制器(3)，安放在柜体内的反应装置(4)，其中，反应装置(4)底部分别连接有排水管(5)、排水电磁阀(6)、曝气管(7)、曝气头(8)、曝气电磁阀(9)，上部依次连接有进水管(10)、进水电磁阀(11)、进水泵(12)，加药管(13)、加药泵(14)，曝气管(7)一端与曝气头(8)相连，另一端连有电磁阀(9)及曝气泵(15)；反应装置(4)中，安装有氨氮测量仪(16)、溶解氧测量仪(17)及液位传感器(18)，所有的电磁阀、进水泵(7)、在线氨氮测量仪(16)、溶解氧测量仪(17)和液位传感器(18)与PLC控制器(3)相连接，PLC控制器(3)与控制面板(2)相连接，在线氨氮测量仪(16)、溶解氧测量仪(18)与自动清洗装置(19)相连。 

2.根据权利要求1所述的智能分析系统，其特征在于，曝气泵(15)为变频泵。 

3.一种应用权利要求1或2所述的分析系统进行分析的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1).从控制面板(2)上人工设定测定数据频率、初始氨氮值、结束氨氮值、溶解氧范围及循环次数参数，然后将测定命令通过信号线传送给PLC控制器(3)，PLC控制器再将指令传送给响应部件； 

2).系统开始工作时，首先排水电磁阀(6)打开，将反应装置(4)内残留的液体样品经排水管(5)排出，由液位传感器(18)测定达到低液位后排水电磁阀(6)关闭，进水电磁阀(11)和进水泵(12)打开，由进水管(10)进水，当到达高液位后进水电磁阀(11)和进水泵(12)关闭，进水完毕准备开始进行硝化反应； 

3).硝化反应初始，首先由氨氮测量仪(16)测定样品中氨氮值是否达到设定值，若未达到则打开加药泵(14)进行加药，氨氮值达到设定值后，开启曝气电磁阀(9)及曝气泵(15)进行曝气，由溶解氧测量仪(17)指示达到设定溶解氧值后正式开始硝化速率测定，按设定频率采集并记录氨氮值，硝化速率测定过程中通过溶解氧测量仪(17)的反馈值不定时开停曝气电磁阀(9)及曝气泵(15)，将溶解氧控制在设定范围内，当氨氮测量仪(16)测定的氨氮数值达到或低于结束值时，硝化反应结束，硝化速率测试过程结束； 

4).反应结束后，排水电磁阀(6)打开并将样品排出，与此同时，硝化速率测定过程中所记录的氨氮数据经分析软件计算给出硝化速率报告； 

5).根据初始设定的循环次数重复进行测定或停止等待指令。 

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中的硝化速率分析方法为： 

采用一元线性拟合方程及回归分析法得出硝化速率，采用如下公式： 

y＝a+bx........................(1) 

a＝y_a-bx_a........................(3) 

其中： 

a-硝化反应初始氨氮值，mg/L；b-硝化速率值，mgN/s；x，x_i-反应时间，s；y，y_i-氨氮值，mg/L；x_a-平均反应时间，s；y_a-平均氨氮值，mg/L；r²-相关系数(0～1)。