CN105548039A - 一种活性污泥反硝化速率在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性污泥反硝化速率在线检测装置及检测方法。该装置包括反应系统、硝氮检测系统、流程控制系统和数据采集与处理系统；反应系统包括生物反应罐；生物反应罐内部设有膜组件，膜组件的出水口通过设有产水抽吸泵的管路与硝氮测量室入口连接；硝氮检测系统包括封装在硝氮测量室中的硝氮传感器；硝氮测量出口与生物反应罐连接；流程控制系统包括可编程逻辑控制器和中间继电器组，可编程逻辑控制器分别与硝氮传感器和中间继电器组连接，每个中间继电器分别与进水蠕动泵、进水电磁阀、循环电磁阀、排空电磁阀和产水抽吸泵连接。利用本发明装置可对活性污泥反硝化速率实现自动、连续、在线检测，同时还可调整外部碳源的投加量，评估反硝化活性。

Description

一种活性污泥反硝化速率在线检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种活性污泥反硝化速率在线检测装置及检测方法，属于污水生物脱氮技术领域。

背景技术

污水中含有较高浓度的氮和磷，进入水环境后容易引起富营养化和其他危害。因此，污水需要进行较为彻底的脱氮除磷处理。我国污水处理厂常采用传统的生物脱氮工艺，流程简单、运行稳定。生物脱氮工艺的原理是通过微生物的生长和代谢活动，将氨氮转化为硝氮，然后再转化为氮气从水中去除。前者称为硝化过程，主要在好氧条件下发生，需要供氧作为电子受体；后者称为反硝化过程，在缺氧环境下发生，需要有机碳源作为电子供体。硝化和反硝化过程协调一致，才能保障生物脱氮的顺利进行。

然而，在我国污水处理厂普遍存在总氮脱除困难的问题，主要是反硝化过程不充分导致总氮超标的风险。反硝化不足的原因包括碳源进水不足、存在毒性抑制、冬季低温、反硝化细菌活性降低等因素。这些因素难以通过简单的运行调整进行控制，因此，污水处理厂的运行管理人员在处理反硝化不足的问题是普遍面临着缺乏检测和控制手段的困境，导致总氮稳定达标成为现在污水处理行业的挑战。

为了克服反硝化过程不足的问题，一方面是强化工艺设计和运行管理，增加工艺调整的灵活性；另一方面，需要研究和开发反硝化过程的监测与控制手段，使工艺运行人员能够快速准确了解反硝化过程的效率，并提供控制反硝化过程的方法。但是，由于缺少直接测定和表征反硝化过程的仪表，目前国内外都还停留在通过监测出水水质来间接评估反硝化效率的阶段。这种评估方法时间滞后性明显、影响因素很复杂，难以快速准确判别问题。在控制手段方面，投加碳源是一种有效措施，但目前工艺运行基本都采用恒量投加，缺少调节和控制的方法。综上所述，可以看到由于缺少检测仪器和加药控制，污水处理工艺的运行人员在调整工艺参数时缺乏有效信息和指导，存在盲目调节、错误调节的可能性。

反硝化速率(De-nitrificationRate,DNR)是指单位时间内硝酸盐被反硝化菌利用和降解的量。反硝化速率实质上就是反硝化过程的反应速率，与反应底物和生物活性密切相关。对反硝化速率进行连续监测，不仅可以实时掌握过程的运行状态，而且有利于快速调整加药系统，从而解决反硝化过程出现问题时发现不及时、处理措施不到位等问题。但是，目前还没有专门用于监测活性污泥反硝化速率的仪表，也没有基于反硝化速率调控工艺运行的方法和策略。部分单位在实验室开展人工采样来测试活性污泥的反硝化速率，主要用于评估活性污泥的最大反硝化能力，无法用于工艺运行过程的实时检测和动态调整。因此，有必要研究开发出能够连续、快速、实时检测污水处理过程反硝化速率的在线仪表，提出通过实时反硝化速率辅助控制碳源投加等操作的条件和方法，从而实现污水处理厂生物脱氮过程的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种活性污泥反硝化速率在线检测装置及检测方法，在开发软硬件系统的基础上，实现自动、连续、在线检测，用于实时监测污水处理工艺的反硝化性能和调整外部碳源的投加量，此外，还可以连续测定污水中的硝氮和活性污泥的反硝化速率，可用于预测出水硝氮浓度、参与碳源投加控制，保证污水处理厂中脱氮过程的稳定运行。

本发明提供的一种活性污泥反硝化速率在线检测装置，它包括反应系统、硝氮检测系统、流程控制系统和数据采集与处理系统；

所述反应系统包括生物反应罐；所述生物反应罐上设有进水口、循环口和排空口，所述进水口通过设有进样蠕动泵的管路与进水电磁阀连接，所述循环口通过设有循环电磁阀的管路与所述进水蠕动泵连接，与所述生物反应罐形成闭合回路；所述排空口与排空电磁阀连接；所述生物反应罐内部设有一膜组件，所述膜组件的出水口通过设有产水抽吸泵的管路与所述硝氮检测系统的入口连接；

所述硝氮检测系统包括硝氮传感器，所述硝氮传感器的测量位置密封于所述硝氮测量室中；所述硝氮测量室设有硝氮测量入口和硝氮测量出口，所述硝氮测量出口与所述生物反应罐连接；

所述流程控制系统包括可编程逻辑控制器和控制不同部件的若干个中间继电器组成的中间继电器组，所述可编程逻辑控制器分别与所述硝氮传感器和所述中间继电器组连接，每个所述中间继电器分别与所述进水蠕动泵、所述进水电磁阀、所述循环电磁阀、所述排空电磁阀和所述产水抽吸泵连接；

所述数据采集与处理系统包括上位机，所述上位机与所述可编程逻辑控制器连接。

上述的活性污泥反硝化速率在线检测装置中，所述生物反应罐模拟污水脱氮工艺中的生化池的缺氧段，罐内不曝气，使用循环管路搅拌并使溶液混合，以保证完全混合的效果。

上述的活性污泥反硝化速率在线检测装置中，所述膜组件具体可为中空纤维膜组件，并连接产水抽吸泵，用于过滤高浊度的混合液，为检测装置硝氮传感器提供清洁过滤水样；产水抽吸泵的出水送入内部密封紫外可见光谱仪的检测窗部位的硝氮测量室，实现对硝氮浓度的连续检测，硝氮测量室的出水返回所述生物反应罐，构成采样管路的闭合循环。

上述的活性污泥反硝化速率在线检测装置中，所述装置还包括碳源投加系统，所述碳源投系统包括碳源贮存罐，通过设有碳源投加泵的管路与所述生物反应罐连接；所述碳源投加泵与所述流程控制系统中的中间继电器连接；通过设置碳源投加系统可利用该在线检测装置对污水处理厂中的生物脱氮工艺中的碳源投加量进行调节，此外，还可进一步测定最大反硝化速率、评估反硝化活性等。

上述的活性污泥反硝化速率在线检测装置中，所述硝氮传感器可为在线紫外可见光谱仪，该光谱仪的检测原理是分光光度法，光谱仪中部设有检测窗(即该硝氮传感器的测量位置)，可以连续扫描200～800nm吸收谱；通过检测205nm和225nm的吸收峰，可以参考国家标准监测方法确定水样中的硝氮浓度。该探头测量时间短，最快可以实现每5秒一个数据，因此能够满足快速检测和计算控制的需求；光谱仪整体密封防水，采用压缩空气定期吹扫检测窗，具有可靠性好、稳定性高、自清洗免维护等特性。

上述的活性污泥反硝化速率在线检测装置中，所述装置还包括用于清洗所述膜组件和所述硝氮测试探头的清洗系统；所述清洗系统包括空气压缩机、清洗电磁阀和管体上开设有若干个孔的穿孔管；所述穿孔管位于所述膜组件的底部；所述清洗电磁阀上设有三通，连接方式分别如下：A)与所述空气压缩机连接；B)通过设有减压阀的管路与所述穿孔管连接；C)与所述硝氮传感器的检测窗处的压缩空气喷口连接；所述清洗电磁阀与所述流程控制系统中的中间继电器连接。

上述的活性污泥反硝化速率在线检测装置中，通过在可编辑逻辑控制器(PLC)中编写程序，即可按照指定顺序控制所述装置中的各个部件实现全自动连续检测，具体如下：

通过控制进水电磁阀和进水蠕动泵，使得污水处理厂生化池中的活性污泥混合液经所述进水蠕动泵被抽至所述生物反应罐中；通过控制所述产水抽吸泵，使得活性污泥混合液中的高浓度悬浮物被所述膜组件自动和连续的过滤掉，为后续水质仪表(硝氮检测系统)提供洁净的样品；通过控制所述可编程逻辑控制器，控制所述硝氮传感器采用硝氮浓度；通过控制所述循环电磁阀，可使的活性污泥通过所述生物反应罐的循环口在所述生物反应罐内连续循环(进水-过滤-检测-排出)；检测结束后，通过控制排空电磁阀可将所述生物反应罐内的活性污泥排出。

上述的活性污泥反硝化速率在线检测装置中，人机界面(HMI)采用全彩色触摸屏实现，使用组态软件编程，实现人机交互功能。HIMI可实现数据处理和显示，结果保存与报表，反应流程控制等功能。除了实时显示硝氮浓度、DNR数据及历史曲线等外，还包括了反硝化预警、碳源加药控制等算法和功能，可以支持运行人员快速了解和准确调整参数。

上述活性污泥反硝化速率在线检测装置在控制污水脱氮工艺中碳源投加量、测定最大反硝化速率、预测出水硝氮浓度和反硝化活性评估中的至少一种中的应用，也在本发明的保护范围内。

反硝化速率(DNR)定义为缺氧条件下活性污泥混合液中硝氮浓度(C_N)降低的速率，即DNR＝dC_N/dt。本发明进一步提供了一种利用上述装置对活性污泥的反硝化速率进行在线检测的方法，包括如下步骤：将所述活性污泥反硝化速率在线检测装置安装在污水脱氮系统中缺氧段的起始位置；重复下述步骤(A)-(C)对活性污泥的反硝化速率进行在线检测：

(A)进水阶段：打开所述进水电磁阀，关闭所述循环电磁阀，控制所述进水蠕动泵完成进样；关闭所述进水电磁阀，打开所述循环电磁阀，控制所述进水蠕动泵使所述生物反应罐内的活性污泥循环流动；

(B)测量阶段：重复下述步骤B-1)至B-3)：

B-1)控制所述产水抽吸泵将经过所述膜组件过滤得到的清液输送至所述硝氮检测系统中；

B-2)控制所述硝氮检测系统中的硝氮传感器，测定清液中的硝氮浓度；按照如下公式计算反硝化速率：

$DNR=\frac{2{\mathrm{\Σ}}_{i=n}(N_0-N_i)}{n^{2}t}---\left(1\right)$

式(1)中，DNR表示反硝化速率；n为硝氮传感器采集硝氮数据的次数，为自然数，i＝1～n；N₀为测定开始时活性污泥中硝氮浓度；N_i为第i个采集周期采集的活性污泥中硝氮浓度；t为所述硝氮传感器的采集周期；

B-3)经过步骤B-2)检测后的清液回流至所述生物反应罐中；

(C)排空阶段：关闭循环电磁阀和进样蠕动泵，打开所述排空电磁阀，将所述生物反应罐内的活性污泥排空。

上述的活性污泥的反硝化速率的在线检测方法中，步骤(B)中，所述可编程逻辑控制器采集硝氮传感器的测试信号，采集频率为1次/秒，每1分钟为一个采集周期，取该周期下所有采集得到的信号值的平均值作为该采集周期下的信号值；

利用式(1)可以硝氮浓度N_i与初始硝氮浓度N₀的差值实时计算当前的DNR，使用的PLC计算资源很少，避免了比较复杂的直线拟合理论计算；

步骤(A)-步骤(C)为一个测量周期，所述测量周期可为15～20分钟，其中进出水的时间约为5分钟，测量阶段约为10～15分钟。

污水脱氮工艺中，在活性污泥中投加易降解碳源(如乙酸钠)，可以提高反硝化速率，因此投加碳源是一种重要的强化脱氮措施，在上述硝氮浓度的测量过程中的生物反应罐内加入一定量的碳源，可以分析加药前后的反硝化速率的变化情况，计算得到外部碳源投加后对反硝化效果的贡献，从而估算需要的最佳投加量。

本发明还提供了一种利用上述设有碳源投加系统的装置对污水脱氮工艺中的碳源投加量进行在线控制的方法，所述方法包括上述对活性污泥的反硝化速率进行在线检测的方法，且在该方法中的步骤B-2)中还包括如下步骤：

a)控制碳源投加泵在测量过程中投加碳源，根据需要加入的碳源浓度计算碳源投加泵的持续时间，碳源浓度和碳源投加泵的持续运行时间按照下述公式(2)和公式(3)计算得到：

Dc＝β·(4·N₀)(2)

式(2)中，Dc为碳源投加浓度，单位为mgCOD/L；β为过量系数，为0.1～2之间的给定实数；N₀为生物反应罐内未投加碳源时活性污泥的初始硝氮浓度，单位mgN/L；

$t_d=\frac{V\·DC}{Q\·C_0}\×60---\left(3\right)$

式(3)中，t_d为碳源投加泵的持续运行时间，单位s；V为生物反应罐容积，单位L；Q为碳源投加泵的额定流量，单位mL/min；C₀为碳源贮备液的COD浓度，单位gCOD/L；

b)按照下述式(4)计算污水脱氮工艺运行时需要投加的碳源浓度：

$Ds=\frac{Dc}{(C_{N,1}-C_{N,2})-{\mathrm{DNR}}_1\·T}\·\mathrm{\Δ}N---\left(4\right)$

式(4)中，Ds为污水脱氮工艺运行时需要投加的碳源浓度，单位mgCOD/L；DNR₁为未投加碳源时活性污泥的反硝化速率，单位mg/L.hr；C_N,1为装置中投加碳源后测量过程的硝氮初始值；C_N,2为装置中投加碳源后测量过程的硝氮终止值；装置测量时加入碳源的浓度为Dc，单位为mgCOD/L；ΔN为目标硝氮去除量，单位mgN/L；T为装置投加碳源后的测量周期，单位min。

当需要自动控制时，上述对污水脱氮工艺中的碳源投加量进行在线控制的方法，还可包括如下步骤：

按照测量结果实时计算加药浓度Ds，根据下式计算工艺碳源投加泵的流量Q_D。选配碳源投加泵时，一般是数台工频运行、一台变频运行、额定流量相同，因此可以根据碳源投加泵的额定流量Q_DS确定运行工频泵运行台数N和变频泵运行频率f。

$Q_D=\frac{Q_{in}+Q_R+Q_r}{a\·C_D}\·D_s---\left(5\right)$

$N=round\left(\frac{Q_D}{Q_{DS}}\right)---\left(6\right)$

$f=\frac{\mathrm{mod}(Q_D,Q_{DS}\·N)}{Q_{DS}}\·50---\left(7\right)$

式中，Q_D为需要的加药流量，Q_DS为单台加药泵的额定流量，单位均为L/hr；Q_in为污水处理厂进水流量，Q_R为污泥回流流量，Q_r为混合液回流流量，单位均为m³/hr；a为投加碳源的纯度，单位％；C_D为碳源纯物质折算的COD浓度，单位gCOD/L；N为运行台数，无量纲；f为变频器的输入频率，单位Hz；round(a)取实数a的整数部分；mod(a,b)为a除以b的余数。

上述对污水脱氮工艺中的碳源投加量进行在线控制的方法中，由于通常情况下，污水脱氮工艺中的碳源投加量较小，因此，当式(2)中的β取值较小时，外加碳源可以在测量周期内消耗殆尽，因此，所述碳源投加后的测量时间可为10～15分钟。

本发明还提供了一种利用上述设有碳源投加系统的装置对对污水脱氮工艺中的最大反硝化速率进行在线测定的方法，所述方法为下述a)或b)：

a)按照上述活性污泥的反硝化速率的检测方法，在测量过程中控制所述碳源投加泵向所述生物反应罐内一次性投加过量的碳源，测得的反硝化速率即为最大反硝化速率DNR_m；其中，过量碳源投加的浓度的计算公式同式(2)，式(2)中β为一次性测量的碳源投加系数，测定最大反硝化速率时取值2～4，公式中其它字母代表的含义不变：

b)按照上述活性污泥的反硝化速率的检测方法进行多次测量，且在测量过程中控制所述碳源投加泵向所述生物反应罐内多次投加不同浓度的碳源，得到多次测量下的反硝化速率DNR，对1/DNR与1/β进行线性拟合，得到的拟合曲线的斜率的倒数即为最大反硝化速率DNR_m，其中，碳源投加的浓度的计算公式同式(2)，式(2)中β为多次测量(一般测量3～5次)的碳源投加系数，取值范围为0.1～2，公式中其它字母代表的含义不变。

上述最大反硝化速率在线测定的方法中，所述碳源投加后的测量时间可为10～15分钟。

上述的最大反硝化速率在线测定的方法中，采用步骤a)的方法为一次测量法，通过在投加过量的碳源，保证反应步骤底物浓度的限制，测得的反硝化速率即为最大反硝化速率，其中，为确保出现最大值，β取值为2～4。

上述的最大反硝化速率在线测定的方法中，采用步骤b)的方法中，对1/DNR与1/β进行线性拟合的原因如下：

过量系数β与DNR呈现为Monod方程形式，如下式(8)所示：

$DNR={\mathrm{DNR}}_m\frac{\mathrm{\β}}{K_b+\mathrm{\β}}---\left(8\right)$

式(8)中，DNR为添加碳源后的反硝化速率，DNR_m为最大反硝化速率，单位都是mg/L.min；β为添加碳源的过量系数，K_b为半饱和常数，单位都是无量纲；

可按下式(9)对1/DNR与1/β进行线性拟合分析，求得DNR_m和K_b值：

$\frac{1}{DNR}=\frac{1}{{\mathrm{DNR}}_m}\·\frac{1}{\mathrm{\β}}+\frac{K_b}{{\mathrm{DNR}}_m}---\left(9\right).$

此外，本发明也提供了一种利用上述设有碳源投加系统的装置对污水脱氮工艺中的污泥的反硝化活性进行评估的方法，所述方法包括上述最大反硝化速率在线测定的方法，且在测定最大硝化速率之后，还包括下述步骤a)或b)：

a)根据所测DNR_m数据与历史平均值的比值，评估工艺反硝化活性的变化趋势；所述历史平均值为2天移动平均值；当所测DNR_m数据为历史平均值的70％以上时，视为正常；

b)测定活性污泥的挥发性悬浮物浓度MLVSS，计算单位质量微生物最大反硝化速率A＝DNR_m/MLVSS，当A为0.02～0.2/d中的任意值时，视为正常。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供了的活性污泥反硝化速率在线检测装置，可实时在线检测污水中的硝氮浓度和反硝化速率。

(2)利用本发明装置可实时测量硝氮浓度、反硝化速率及最大反硝化速率等；在工控机里编制了污水脱氮工艺碳源投加量的计算公式，可根据反硝化速率动态计算和控制最佳的碳源投加量，对污水处理厂节能降耗具有重要意义。

(3)利用本发明装置可测定最大反硝化速率，根据历史数据或者参考范围评估污泥的反硝化活性，可用于辅助工艺运行和分析，提早发现抑制因素的影响，降低工艺中的运行风险，确保污水处理厂稳定达标运行。

(4)本发明装置原理清晰、结构简单，内置功能包括测量、数据分析、模型模拟和实时控制等，既可与中控系统方便集成，也可独立进行加药单元控制；系统功能丰富、部署及使用灵活性强，有助于工艺人员提高运行水平。

附图说明

图1为本发明活性污泥反硝化速率在线检测装置的结构示意图。

图2为本发明活性污泥反硝化速率在线检测装置的控制系统图。

图3为实施例2中对某污水处理厂中污水脱氮工艺中的活性污泥的反硝化速率进行在线测定时，三次测量的过程中硝氮浓度随时间的变化曲线。

图4为利用反硝化速率对的工艺优化流程图。

图5为实施例3中对某污水处理厂中污水脱氮工艺中的活性污泥的碳源投加量进行控制时，硝氮浓度在碳源投加前后，硝氮浓度随时间的变化曲线。

图1和图2中，各标记如下：

1生物反应罐、2反应罐进水口、3反应罐循环口、4反应罐溢流口、5进水蠕动泵、6进水电磁阀、7循环电磁阀、8反应罐排空口、9排空电磁阀、10中控纤维膜组件、11产水抽吸泵、12硝氮测量室、13碳源贮存罐、14碳源投加泵、15空气压缩机、16清洗电磁阀、17穿孔管、18气体减压阀、19可编程逻辑控制器、20中间继电器组、21工控机。

图4中，各标记如下：

1反硝化速率仪、2变频器、3碳源投加泵、4碳源贮药罐、5出水水质仪表、6中央控制器。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于下述实施例。

实施例1、活性污泥反硝化速率在线检测装置

如图1所示，本发明活性污泥反硝化速率在线检测装置，它包括反应系统、碳源投加系统、硝氮检测系统、清洗系统、流程控制系统和数据采集与处理系统；

反应系统包括生物反应罐1，它为450×4500×150mm(LHW)的工程塑料长方体容器，有效容积为20L。生物反应罐1的侧壁由下到上依次设有反应罐进水口2、反应罐循环口3和反应罐溢流口4。反应罐进水口2通过设有进水蠕动泵5的管路(孔/管内径25mm)与进水电磁阀6连接；反应罐循环口3通过设有循环电磁阀7的管路(孔/管内径15mm)与进水蠕动泵5(本例中的额定功率为5L/min，可在5min内充满反应罐)连接，与生物反应罐1、反应罐循环口、反应罐进样口形成闭合回路，使反应罐内的污泥混合液混合。生物反应罐1的底部设有反应罐排空口8(孔/管内径15mm)，反应罐排空口8与排空电磁阀连接9，用于定期排空罐体内混合液。生物反应罐1内部设有中空纤维膜组件10，膜孔径为0.45微米，尺寸为400×300×75(LHW)，膜组件两侧支撑管的顶部有一个出水口，与产水抽吸泵11连接，产水抽吸泵11为一台计量泵，与硝氮检测系统中的测量室进样口连接；

硝氮检测系统包括硝氮传感器，它为紫外可见光谱仪(图中未示)，即硝氮探头(可购自奥地利SCAN或者国内鑫达清创)，中部为检测窗部，检测窗中间有1～5mm的缺口用于透射光波，可测量空隙内液体对光的吸收强度。该紫外可见光谱仪具有自动清洗功能，检测窗缺口的一侧安装有压缩空气喷口，通过压缩空气冲洗检测窗进行清洗。由于其高可靠性、稳定性和测量时间短，可用于连续采集硝氮数据。

硝氮探头安装在硝氮测量室12内，硝氮测量室12为一个塑料圆柱形密封容器，按照光谱仪的尺寸定制(本例为内径80mm、长100mm)，可与硝氮探头检测窗部的两侧凸起紧密配合，形成密封腔室。硝氮测量室12两侧分别设置测量室进样口(图中未示)和测量室出样口(图中未示)，内径均为8mm。该光谱仪的检测原理是分光光度法，光谱仪中部设有检测窗，可以连续扫描200～800nm波长范围内的吸收谱。在线紫外可见光谱仪整体密封防水。测量室出口连接软管，接往生物反应罐1的顶部。

碳源投系统包括碳源贮存罐13，用于存放易降解碳源(本例取乙酸钠、浓度50gCOD/L)，容积1L，密闭避光，通过设有碳源投加泵14的管路与生物反应罐1连接，碳源投加泵可以控制开启的持续时间，用于向反应罐内投加定量的碳源。

清洗系统包括空气压缩机15、清洗电磁阀16和设于膜组件底部的塑料制穿孔管17，穿孔管17管体上面开设有5个直径为1mm的圆孔，用于压缩空气清洗膜组件；清洗电磁阀16上设有三通，连接方式分别如下：A)与空气压缩机15连接；B)通过设有气体减压阀18(减压阀输出压力为0.1bar，可根据实际情况进行调节)的管路与穿孔管连接；C)与硝氮传感器即硝氮检测探头连接。一方面，压缩空气通过减压阀输送至穿孔管中，用于振动和清洗中空纤维膜组件；另一方面，硝氮探头将空气压缩机的压缩空气倒入探头的检测窗部位，经硝氮探头检测窗一侧的压缩气体喷口(小孔)喷出清洗检测窗，气水混合物从硝氮测量室出口排出。

流程控制系统，由西门子系列PLC控制，实现自动连续监测。它包括可编程逻辑控制器(PLC)19和控制不同部件的若干个中间继电器组成的中间继电器组20，如图2所示，可编程逻辑控制器19分别与硝氮探头和中间继电器组20连接，与探头的连接采用MODBUS-485通讯协议，实时采集硝氮探头的读数；中间继电器组中的每个中间继电器分别与生物反应罐1的进样蠕动泵5、生物反应罐的进样电磁阀6、生物反应罐的排空电磁阀9、产水抽吸泵11、碳源投加泵14、空气压缩机15和清洗电磁阀16连接，通过时序或者条件控制系统相关设备的启停状态，完成水样采集、加药、排空、清洗等过程，从而保证反应条件。

所述数据采集与处理系统包括上位机，具体为一台研华系列工控机21，工控机21上设有人机界面(HIMI)，人机界面采用全彩色触摸屏实现，使用组态软件编程，实现人机交互功能。HIMI可实现数据处理和显示，结果保存与报表，反应流程控制等功能。除了实时显示硝氮浓度、DNR数据及历史曲线等外，还包括了反硝化预警、碳源加药控制等算法和功能，可以支持运行人员快速了解和准确调整参数。

实施例2、利用实施例1中的活性污泥反硝化速率在线检测装置对污水脱氮工艺中的活性污泥中的反硝化速率进行在线检测

某污水处理厂采用AAO工艺，处理量2万吨/天，设计水力停留时间为厌氧段1.5小时、缺氧段3.5小时、好氧段10小时。污泥回流比100％、混合液回流比200％。

污水脱氮工艺中一般包含前置缺氧池和后置好氧池，本发明装置在使用时，将其放置在缺氧池的前端，采集缺氧池污泥测量反硝化速率，测量结束后，向中央控制室传输反硝化活性评估数据，供工艺人员参考，具体操作如下：

将实施例1中的在线检测装置安装在该厂污水脱氮系统中缺氧段的起始位置附近，采集系统的活性污泥。当缺氧段起始点有碳源投加设施时，活性污泥采集点需要位于碳源投加点之前，保证测量过程不受工艺投加碳源的影响。

按照下述步骤对活性污泥的反硝化速率进行在线检测：

(A)进水阶段：启动进样蠕动泵(额定流量为5L/min，生物反应罐的有效容积为20L)，打开进样电磁阀，关闭循环电磁阀，向生物反应罐中连续送入来自工艺采样点的活性污泥；关闭进样电磁阀，打开循环电磁阀，保持进样蠕动泵运行，维持反应罐内处于混合状态。

(B)测量阶段：重复下述步骤B-1)-B-3)对所述活性污泥的反硝化速率进行在线检测：

B-1)：启动产水抽吸泵(计量泵，流量为200L/min)，反应罐内的活性污泥经过中空纤维膜组件的过滤后得到清液，被输送至硝氮测量室的入口；

B-2)：控制紫外可见光谱仪扫描200～800nm的波长范围内的吸收峰，并检测记录205nm和225nm处的吸收峰，实时计算硝氮浓度；

按照如下公式实时计算反硝化速率DNR：

$DNR=\frac{2{\mathrm{\Σ}}_{i=n}(N_0-N_i)}{n^{2}t}---\left(1\right)$

式(1)中，DNR表示反硝化速率，单位为mgN/L·min；n为探头采集硝氮数据的次数，为自然数，i＝1～n；N₀为测定开始时污水中硝氮浓度；N_i为第i个采集周期采集的活性污泥中硝氮浓度，单位为mgN/L；t为所述硝氮检测探头的采集周期，单位为min；

B-3)：经过步骤B-2)检测的清液流入生物反应罐中；

(C)排空阶段：测量结束后，关闭循环电磁阀和进样蠕动泵，启动排空电磁阀，排出反应罐内的活性污泥。

(D)清洗阶段：在测量过程中，需要定期清洗硝氮探头，一般1～3小时1次。清洗时打开探头清洗电磁阀，启动空气压缩机，打开减压阀，压缩空气进入膜组件底部的穿孔管，清洗膜组件；关闭减压阀，压缩空气通入硝氮探头的检测窗部分，经小孔喷出后清洗检测窗，汽水混合物从硝氮测量室出口排出，关闭清洗电磁阀和空气压缩机，完成清洗。

本实施例中，通过上述步骤即可对污水脱氮工艺中的反硝化速率进行在线检测，重复步骤(A)-(C)即可实时检测污水脱氮工艺中的活性污泥的反硝化速率，每个重复周期即为一个测量周期。

本实施例中，在测量阶段(B)中，PLC每秒读取硝氮探头的测试信号(即读取数据频率为1次/秒)，然后按1分钟取平均值(即每1分钟为1次数据采集)，实时测定污水中硝氮浓度，由于采样系统管路和硝氮测量室等空间内存在充满空间，因此，舍去前4分钟的数据，从第5分钟开始记录检测结果(硝氮传感器在读取数据后，在上位机上显示和记录数据)；在数据记录周期内，测量结束时的DNR为该次测量的结果，硝氮传感器测量的初始值作为本次测量的初始硝氮浓度C₀。

本实施例中，PLC连续和周期性控制测量过程，测量周期持续20分钟，其中排空及进水过程5分钟，实际获取数据的测量时间为15分钟。按照上述步骤三次测定硝氮浓度并计算DNR数据，结果如图3所示，分别为三次测定过程中硝氮浓度随着时间的变化曲线，其中硝氮初始浓度、反硝化速率和预测出水硝氮的浓度如表1所示。

表1背景反硝化速率的监测结果

表1为三次测定背景反硝化速率的监测结果(相对于投加碳源后的监测结果，称为背景反硝化速率)，可以看到，测量数据能够反应动态波动的情况。从活性方面判断，背景反硝化速率均值为0.068mgN/L.min，折算1小时内降解4.1mgN/L，属于反硝化明显不足的情况。

在考虑回流后，缺氧段实际停留时间HRT＝3.5×60/(1+1+2)＝52.5min。根据硝氮初始浓度C_N,0和实际反硝化速率DNR，可以预测缺氧段出水的硝氮浓度C_N,e＝C_N,0–DNR*HRT，结果如表1所示。可以看到，缺氧段的硝氮去除率小于50％，在缺氧段出水位置预计还会残留有较高浓度的硝酸盐，工艺的反硝化过程明显不足。

实施例3、利用实施例1中活性污泥反硝化速率在线检测装置对污水脱氮工艺中碳源投加量进行在线控制

如图4所示基于反硝化速率的工艺优化流程图，利用实施例1中的装置还可以从出水水质仪表采集浓度数据，通过工艺分析估算缺氧段硝酸盐的去除量，从而计算需要投加的碳源量，控制变频器，改变碳源投加泵的工作频率，从碳源贮存罐向缺氧池投加碳源，具体操作如下：

(A)进水阶段：启动进样蠕动泵(额定流量为5L/min，生物反应罐的有效容积为20L)，打开进样电磁阀，关闭循环电磁阀，向生物反应罐中连续送入来自工艺采样点的活性污泥；关闭进样电磁阀，打开循环电磁阀，保持进样蠕动泵运行，维持反应罐内处于混合状态。

(B)测量阶段：重复下述步骤B-1)-B-3)对工艺中的碳源投加量进行在线控制：

B-1)启动产水抽吸泵(计量泵，流量为200L/min)，反应罐内的活性污泥经过中空纤维膜组件的过滤后，输送至硝氮测量室的入口；

B-2)背景速率的测量：控制紫外可见光谱仪扫描200～800nm的波长范围内的吸收峰，并检测记录205nm和225nm处的吸收峰，实时计算硝氮浓度；按照如下公式实时计算反硝化速率DNR：

$DNR=\frac{2{\mathrm{\Σ}}_{i=n}(N_0-N_i)}{n^{2}t}---\left(1\right)$

式(1)中，DNR表示反硝化速率；n为探头的采集周期数，为自然数，i＝1～n；N₀为测定开始时污水中硝氮浓度；N_i为第i个采集周期采集的活性污泥中的污水中硝氮浓度值；t为所述硝氮检测探头的采集周期，单位min；

B-3)投加碳源后的测量：控制碳源投加泵的持续时间，在步骤B-2)的测量过程中投加碳源，其中碳源浓度和碳源投加泵的持续运行时间按照下述公式(2)和公式(3)计算得到：

Dc＝β·(4·N₀)(2)

式(2)中，Dc为碳源投加浓度，单位为mgCOD/L；β为过量系数，根据经验和测试目的确定，一般取值范围0.1～2，较常见取值为0.5～1.5；N₀为生物反应罐内未投加碳源时活性污泥的初始硝氮浓度，单位mgN/L；

本实施例中，已知活性污泥浓度为生物反应罐内未投加碳源时活性污泥的初始硝氮浓度为8.1mg/mL，取过量系数β为0.5，根据式(2)计算得到加药浓度即碳源投加浓度为Dc＝0.5×4×8.1＝16.2mgCOD/L，取15mgCOD/L；

$t_d=\frac{V\·DC}{Q\·C_0}\×60---\left(3\right)$

式(3)中，t_d为碳源投加泵的持续运行时间，单位s；V为生物反应罐容积，单位L；Q为碳源投加泵的额定流量，单位mL/min；C₀为碳源贮备液的COD浓度，单位gCOD/L；

本实施例中，已知生物反应罐有效容积V为20L，碳源乙酸钠的贮存液浓度C₀为50gCOD/L，碳源投加泵的额定流量为20mL/min，加药浓度D_c为15mg/L，需要碳源投加泵持续工作的时间t_d＝20*15*60/(20*20)s＝45s。

在线测定投加碳源后硝氮浓度的初始值、硝氮浓度的终止值和反硝化速率，本实施例中如图5所示，加药之前的反硝化速率DNR₁为0.09mgN/L.min，加碳源之后反硝化速率增加，然后随碳源消耗而逐渐减小回到DNR₁水平。初始和终点的硝氮浓度分别为7.2和4.1mgN/L；按照下述式(4)计算污水脱氮工艺运行时需要投加的碳源浓度；

$Ds=\frac{Dc}{(C_{N,1}-C_{N,2})-{\mathrm{DNR}}_1\·T}\·\mathrm{\Δ}N---\left(4\right)$

式(4)中，Ds为污水脱氮工艺运行时需要投加的碳源浓度，单位mgCOD/L；DNR₁为未投加碳源时活性污泥的反硝化速率，单位mg/L.hr；C_N,1为装置中投加碳源后测量过程的硝氮初始值；C_N,2为装置中投加碳源后测量过程的硝氮终止值；装置测量时加入碳源的浓度为Dc，单位为mgCOD/L；ΔN为目标硝氮去除量，单位mgN/L；T为装置投加碳源后的测量周期，单位min。

本实施例中，根据式(4)计算污水脱氮工艺运行时需要投加的碳源浓度，将已知参数代入，参考表1确定目标脱氮浓度ΔN为3mgN/L，计算得到Ds＝15×3/(7.2-4.1-0.09×10)＝20.5mg/L，取20mgCOD/L。

当需要自动控制时，按照测量结果实时计算加药浓度D_s，可以根据下式计算工艺碳源投加泵的流量Q_D。选配碳源投加泵时，一般是数台工频运行、一台变频运行、额定流量相同，因此可以根据碳源投加泵的额定流量Q_DS确定运行工频泵运行台数N和变频泵运行频率f。

$Q_D=\frac{Q_{in}+Q_R+Q_r}{a\·C_D}\·D_s---\left(5\right)$

$N=round\left(\frac{Q_D}{Q_{DS}}\right)---\left(6\right)$

$f=\frac{\mathrm{mod}(Q_D,Q_{DS}\·N)}{Q_{DS}}\·50---\left(7\right)$

式中，Q_D为需要的加药流量，Q_DS为单台加药泵的额定流量，单位均为L/hr；Q_in为污水处理厂进水流量，Q_R为污泥回流流量，Q_r为混合液回流流量，单位均为m³/hr；a为投加碳源的纯度，单位％；C_D为碳源纯物质折算的COD浓度，单位gCOD/L；N为运行台数，无量纲；f为变频器的输入频率，单位Hz；round(a)取实数a的整数部分；mod(a,b)为a除以b的余数。

一般加药泵调节动作的周期为0.5～2hr，本例取1hr。本例中，已知D_s为20mgCOD/L，进水流量Q_in为1000m³/hr，污泥回流量Q_R为1000m³/hr，混合液回流量Q_r为2000m³/hr，工艺投加碳源纯度a为30％，纯乙酸钠物质折算COD含量为900gCOD/L，代入式(5)得到工艺碳源投加流量Q_D＝20×(1000+1000+2000)/(30％×900)L/hr＝296L/hr。

已知工艺碳源加药泵额定流量Q_DS为200L/hr，则根据式(6)得到需要开启N＝round(296/200)＝1台工频加药泵；根据式(7)得到变频加药泵频率f＝mod(296,1×200)/200×50Hz＝24Hz。

B-4)：经过步骤B-2)和B-3)检测的污水流入生物反应罐中。

(C)排空阶段：测量结束后，关闭循环电磁阀和进样蠕动泵，启动排空电磁阀，排出反应罐内的活性污泥。

本实施例中，通过上述步骤即可对污水脱氮工艺中的碳源投加量进行在线控制，其中，每个测量周期中投加碳源后的测量时间需控制在10～20分钟内，以保证碳源充分消耗，本例取10分钟。

实施例4、利用实施例1中活性污泥反硝化速率在线检测装置对污水脱氮工艺中最大反硝化速率进行测定，并对反硝化活性进行评估

一、测定最大反硝化速率

为了检测最大反硝化速率(DNR_m)，需要向生物反应罐投加过量碳源，以保证反映不受底物浓度的限制。

Dc＝β·(4·N₀)(2)

式(2)中，Dc为碳源投加浓度，单位为mgCOD/L；β为多次测量的碳源投加系数，一般测量3～5次，取值范围为0.1～2；N₀为生物反应罐中活性污泥混合液的初始硝氮浓度，单位mgN/L。

在该污水处理厂的检测过程中，根据式(2)投加不同过量系数β的碳源，比较DNR的测试结果如下。

表2碳源投加浓度对DNR的影响

上式的过量系数β与DNR呈现为Monod方程形式，如下所示。

$DNR={\mathrm{DNR}}_m\frac{\mathrm{\β}}{K_b+\mathrm{\β}}---\left(8\right)$

式中，DNR为添加碳源后的反硝化速率，DNR_m为最大反硝化速率，单位都是mg/L.min；β为添加碳源的过量程度，K_b为半饱和常数，单位都是无量纲；

可按下式对1/DNR与1/β进行线性拟合分析，求得DNR_m和K_b值。

$\frac{1}{DNR}=\frac{1}{{\mathrm{DNR}}_m}\·\frac{1}{\mathrm{\β}}+\frac{K_b}{{\mathrm{DNR}}_m}---\left(9\right).$

根据表2数据，可以得到理论最大DNR_m为0.18mgN/L.min，半饱合常数K_b为0.85。这表明随着碳源投加浓度的升高，DNR也会逐渐升高，缓慢达到理论最大DNR。为了节约药剂，可以考虑测定DNR_m时β取2倍半饱合常数K_b的浓度，即β取值大于1.7。在实际过程中，需要根据实测值确定β的取值，以计算加药量D_c。比如本例中测定DNR_m时要求β值大于1.7，宜取为2；在式(2)中指导加药量计算时，根据缺氧段加碳源去除总氮的预期程度，可将β取为0.1～0.5。

二、反硝化活性评估

在上述计算得到DNR_m后，可以与历史数据比较，评估污泥反硝化活性的变化趋势。一般取2天移动平均值作为参考基准，计算所测DNR_m数据与历史平均值的比例，该比例大于70％可视为正常。

如果同时还测定了活性污泥的MLVSS浓度值，可以使用单位质量微生物的最大反硝化速率A来比较不同污水处理厂之间的污泥反硝化活性。

A＝DNR_m/MLVSS(10)

A为评价指标，单位/min或/hr；DNR_m为最大反硝化速率，单位都是mg/L·min；MLVSS为活性污泥的挥发性悬浮物浓度，单位mg/L。

根据A值可以确定活性的范围，比如0.02～0.2/d为正常。本例中，MLVSS为3g/L，DNR_m为0.18mgN/L·min，得到A＝0.18×60×24/3000＝0.084/d，意味着每天1g微生物每天可以去除84mg硝氮。本例的反硝化活性属于正常偏低的水平。

Claims (10)

1.一种活性污泥反硝化速率在线检测装置，它包括反应系统、硝氮检测系统、流程控制系统和数据采集与处理系统；

所述反应系统包括生物反应罐；所述生物反应罐上设有进水口、循环口和排空口，所述进水口通过设有进样蠕动泵的管路与进水电磁阀连接，所述循环口通过设有循环电磁阀的管路与所述进水蠕动泵连接，与所述生物反应罐形成闭合回路；所述排空口与排空电磁阀连接；所述生物反应罐内部设有一膜组件，所述膜组件的出水口通过设有产水抽吸泵的管路与所述硝氮检测系统的入口连接；

所述硝氮检测系统包括硝氮传感器，所述硝氮传感器的测量位置密封于所述硝氮测量室中；所述硝氮测量室设有硝氮测量入口和硝氮测量出口，所述硝氮测量出口与所述生物反应罐连接；

所述流程控制系统包括可编程逻辑控制器和控制不同部件的若干个中间继电器组成的中间继电器组，所述可编程逻辑控制器分别与所述硝氮传感器和所述中间继电器组连接，每个所述中间继电器分别与所述进水蠕动泵、所述进水电磁阀、所述循环电磁阀、所述排空电磁阀和所述产水抽吸泵连接；

所述数据采集与处理系统包括上位机，所述上位机与所述可编程逻辑控制器连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括碳源投加系统，所述碳源投系统包括碳源贮存罐，通过设有碳源投加泵的管路与所述生物反应罐连接；所述碳源投加泵与所述流程控制系统中的中间继电器连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述硝氮传感器为在线紫外可见光谱仪。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述装置还包括用于清洗所述膜组件和所述硝氮测试探头的清洗系统；所述清洗系统空气压缩机、清洗电磁阀和管体上开设有若干个孔的穿孔管；所述穿孔管位于所述膜组件的底部；所述清洗电磁阀上设有三通，连接方式分别如下：A)与所述空气压缩机连接；B)通过设有减压阀的管路与所述穿孔管连接；C)与所述硝氮传感器的检测窗处的压缩空气喷口连接；所述清洗电磁阀与所述流程控制系统中的中间继电器连接。

5.权利要求2-4中任一项所述的装置在控制污水脱氮工艺中碳源投加量、预测出水硝氮浓度、测定最大反硝化速率、预测出水硝氮浓度和反硝化活性评估中的至少一种中的应用。

6.利用权利要求1-4中任一项所述的装置对活性污泥的反硝化速率进行在线检测的方法，包括如下步骤：将所述活性污泥反硝化速率在线检测装置安装在污水脱氮系统中缺氧段的起始位置；重复下述步骤(A)-(C)对活性污泥的反硝化速率进行在线检测：

(A)进水阶段：打开所述进水电磁阀，关闭所述循环电磁阀，控制所述进水蠕动泵完成进样；关闭所述进水电磁阀，打开所述循环电磁阀，控制所述进水蠕动泵使所述生物反应罐内的活性污泥循环流动；

(B)测量阶段：重复下述步骤B-1)至B-3)：

B-1)控制所述产水抽吸泵将经过所述膜组件过滤得到的清液输送至所述硝氮检测系统中；

B-2)控制所述硝氮检测系统中的硝氮传感器，测定清液中的硝氮浓度；按照如下公式计算反硝化速率：

$DNR=\frac{2{\mathrm{\Σ}}_{i=n}(N_0-N_i)}{n^{2}t}---\left(1\right)$

式(1)中，DNR表示反硝化速率；n为探头采集硝氮数据的次数，为自然数，i＝1～n；N₀为测定开始时活性污泥中硝氮浓度；N_i为第i个采集周期采集的活性污泥中硝氮浓度；t为所述硝氮传感器的采集周期；

B-3)经过步骤B-2)检测后的清液回流至所述生物反应罐中；

(C)排空阶段：关闭循环电磁阀和进样蠕动泵，打开所述排空电磁阀，将所述生物反应罐内的活性污泥排空。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(B)中，所述可编程逻辑控制器采集硝氮传感器的测试信号，采集频率为1次/秒，每1分钟为一个采集周期，取该周期下所有采集得到的信号值的平均值作为该采集周期下的信号值；

步骤(A)-步骤(C)为一个测量周期，所述测量周期为15～20分钟。

8.利用权利要求2-5中任一项所述的装置对污水脱氮工艺中的碳源投加量进行在线控制的方法，所述方法包括权利要求6或7所述的方法，且在权利要求6或7所述的方法中的步骤B-2)中还包括如下步骤：

a)控制碳源投加泵在测量过程中投加碳源，根据需要加入的碳源浓度Dc计算碳源投加泵的持续时间，碳源浓度和碳源投加泵的持续运行时间按照下述公式(2)和公式(3)计算得到：

Dc＝β·(4·N₀)(2)

式(2)中，Dc为碳源投加浓度，单位为mgCOD/L；β为过量系数，为0.1～2之间的给定实数；N₀为生物反应罐内未投加碳源时活性污泥的初始硝氮浓度，单位mgN/L；

$t_d=\frac{V\·Dc}{Q\·C_0}\×60---\left(3\right)$

式(3)中，t_d为碳源投加泵的持续运行时间，单位s；V为生物反应罐容积，单位L；Q为碳源投加泵的额定流量，单位mL/min；C₀为碳源贮备液的COD浓度，单位gCOD/L；

b)按照下述式(4)计算污水脱氮工艺运行时需要投加的碳源浓度：

$Ds=\frac{Dc}{(C_{N,1}-C_{N,2})-{\mathrm{DNR}}_1\·T}\·\mathrm{\Δ}N---\left(4\right)$

式(4)中，Ds为污水脱氮工艺运行时需要投加的碳源浓度，单位mgCOD/L；DNR₁为未投加碳源时活性污泥的反硝化速率，单位mg/L.hr；C_N,1为装置中投加碳源后测量过程的硝氮初始值；C_N,2为装置中投加碳源后测量过程的硝氮终止值；装置测量时加入碳源的浓度为Dc，单位为mgCOD/L；ΔN为目标硝氮去除量，单位mgN/L；T为装置投加碳源后的测量周期，单位min。

9.利用权利要求2-5中任一项所述的装置对污水脱氮工艺中的最大反硝化速率进行在线测定的方法，所述方法为下述a)或b)：

a)按照权利要求6或7所述的方法，在测量过程中控制所述碳源投加泵向所述生物反应罐内一次性投加过量的碳源，测得的反硝化速率即为最大反硝化速率DNR_m；其中，过量碳源投加的浓度的计算公式同式(2)，式(2)中β为一次性测量的碳源投加系数，测定最大反硝化速率时取值2～4，公式中其它字母代表的含义不变：

b)按照权利要求6或7所述的方法进行多次测量，且在测量过程中控制所述碳源投加泵向所述生物反应罐内多次投加不同浓度的碳源，测得多次测量下的反硝化速率DNR，对1/DNR与1/β进行线性拟合分析，得到的曲线的斜率的倒数即为最大反硝化速率DNR_m，其中，碳源投加的浓度的计算公式同式(2)，式(2)中β为多次测量的碳源投加系数，取值范围为0.1～2，公式中其它字母代表的含义不变。

10.利用权利要求2-5中任一项所述的装置对污水脱氮工艺中的污泥的反硝化活性进行评估的方法，所述方法包括权利要求9所述的方法，且在测定最大硝化速率之后，还包括下述步骤a)或b)：

a)根据所测DNR_m数据与历史平均值的比值，评估工艺反硝化活性的变化趋势；所述历史平均值为2天移动平均值；当所测DNR_m数据为历史平均值的70％以上时，视为正常；

b)测定活性污泥的挥发性悬浮物浓度，计算单位质量微生物最大反硝化速率A＝DNR_m/MLVSS，当A为0.02～0.2/d中的任意值时，视为正常。