CN105548296A - 一种活性污泥氨氮利用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氨氮利用速率在线检测装置及检测方法。该装置包括反应系统、氨氮检测系统、流程控制系统和数据采集和处理系统；反应系统包括生物反应罐；生物反应罐内设有膜组件，膜组件的出水口与氨氮检测测量室入口连接；氨氮检测系统包括氨氮测量室和氨氮传感器；流程控制系统包括可编程逻辑控制器和数据采集控制器，可编程逻辑控制器分别与进水蠕动泵、进水电磁阀、循环电磁阀、排空电磁阀、曝气机和产水抽吸泵连接；数据采集控制器与氨氮传感器连接；数据采集与处理系统包括上位机，上位机分别与可编程逻辑控制器和所述数据采集控制器连接。该装置可快速测量污水中的氨氮浓度、氨氮利用速率，并可进一步实现硝化过程的实时预测和风险评估。

Description

一种活性污泥氨氮利用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氨氮利用速率在线检测装置及检测方法，属于城市污水处理技术领域。

背景技术

我国水环境污染和水体富营养化的问题日益严重，氮是引起水体富营养化的主要因素之一。目前我国污水处理厂常见的生物脱氮工艺一般都是通过厌氧、缺氧、好氧的交替转化来强化生物脱氮的功能。工艺包含两个步骤：1)硝化反应，在好氧条件下将氨氮转化为亚硝态氮或硝态氮；2)反硝化反应，在缺氧环境下以有机碳源为电子供体将硝化反应过程中产生的亚硝态氮或硝态氮转化为氮气。

我国部分污水处理厂面临高标准氨氮达标的挑战，一方面是因为工艺设计和运行方面存在问题和不足；另一方面，也因为目前还缺少对硝化/反硝化过程的有效监测与控制手段。国内外目前都还停留在控制溶解氧浓度来间接调整硝化过程的阶段。由于缺少相关的仪器和设备支持，导致工艺人员无法了解过程参数，在调整工艺参数时缺乏有效指导，存在盲目调节的可能性。

虽然硝化速率测试的原理简单，但目前污水处理行业还没有专门用于监测硝化反应速率的仪表。这主要是因为现有在线水质仪表的测试周期比较长，通常是数十分钟得到一个浓度数据，而计算变化率时需要多个浓度数据，这使得反应速率测试的周期过长而起不到实时反应处理过程特征的作用。由于曝气过程的平衡时间约为0.5～1小时，平均为45分钟，因此根据采样原理，硝化速率测试周期需要低于平衡时间的一半，即20分钟左右。此外，高浓度活性污泥的预处理也是一个仪器开发的挑战。目前测定工艺硝化速率测试还需要在实验室开展人工采样和测试，时间长、成本高、连续性差。因此，研究和开发出快速能够连续、快速、实时检测污水处理过程硝化速率的在线仪表，实时反应污水处理工艺降解氨氮的反应速率，可以有效预测工艺运行的出水水质，对污水处理厂稳定达标运行及节能降耗具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置及检测方法，该活性污泥氨氮利用速率装置可快速测量污水中的氨氮浓度，并结合生物反应动力学、自动控制技术及计算模型，可在线测量活性污泥对氨氮的利用速率(AmmoniaUtilizingRate,AUR)，并可进一步实现硝化过程的在线测定、实时预测和风险评估。

本发明提供的一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置，它包括反应系统、氨氮检测系统、流程控制系统和数据采集和处理系统；

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水蠕动泵的管路与进样电磁阀连接，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，所述膜组件的底部设有曝气装置，所述曝气装置通过设有气体流量计的管路与曝气机连接，所述膜组件的出水口通过设有产水抽吸泵的管路与所述氨氮检测系统的入口连接；

所述氨氮检测系统包括氨氮传感器和氨氮测量室，所述氨氮传感器的测量端密封于所述氨氮测量室内；所述氨氮测量室设有氨氮测量入口和氨氮测量出口，所述氨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数据采集控制器，所述可编程逻辑控制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、所述曝气机和所述产水抽吸泵连接；所述数据采集控制器与所述氨氮传感器连接；

所述数据采集与处理系统包括上位机，所述上位机分别所述可编程逻辑控制器和所述数据采集控制器连接。

上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，通过控制所述装置中的各个部件可对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(氨氮检测系统)提供洁净的样品；通过控制所述数据采集控制器，控制所述氨氮传感器采用氨氮浓度；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)；在循环过程中，控制所述曝气机为生物反应提供充足的氧气和混合条件，此外，还可同时搅动过滤采样装置的膜组件，起到控制膜污染的作用；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。

上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，所述装置还包括氨氮投加系统，所述氨氮投加系统包括氨氮贮存罐，通过设有氨氮投加蠕动泵与所述生物反应罐连接；所述氨氮投加蠕动泵与所述流程控制系统中的中间继电器连接。

上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，所述氨氮检测系统中的氨氮传感器可实时在线检测活性污泥中的氨氮浓度，具体可采用氨氮离子选择性电极(在线氨氮探头)，测量时间短、响应快、易清洗。

上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，所述数据采集与处理系统中的上位机还设有人机交互界面，所述人机交互界面采用全彩色触摸屏，使用组态软件编程，实现人机交互功能，具体包括显示当前设备状态、实时测量氨氮浓度、AUR_m及历史曲线等；为了预测出水水质和评估处理风险，还在触摸屏工控机里编制了计算实时氨氧化速率AUR、预测出水口氨氮浓度C_T和计算硝化过程运行风险R的程序，用于辅助工艺运行和分析。

上述活性污泥氨氮利用速率在线检测装置在污水脱氮工艺中测定最大氨氮利用速率、预测出水口氨氮浓度和硝化过程风险评估中的至少一种的应用，也在本发明的保护范围内。

本发明进一步提供了利用上述在线检测装置对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测的方法，包括如下步骤：

将所述活性污泥氨氮利用速率在线检测装置安装在污水处理厂生化单元好氧段的起始位置；重复下述步骤(A)-(C)对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：

(A)进样阶段：打开所述进样电磁阀，关闭所述循环电磁阀，控制所述进样蠕动泵完成进样；打开曝气机，向所述生物反应罐内曝气；关闭所述进样电磁阀，打开所述循环电磁阀，所述进样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)对所述活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：

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氨氮检测系统中；

B-2)控制所述氨氮检测系统中的氨氮传感器，测定清液中的氨氮浓度；按照如下公式计算氨氮利用速率：

$AUR=\frac{2{\mathrm{\Σ}}_{i=n}(x_0-x_i)}{n^{2}t}---\left(1\right)$

式(1)中，AUR表示氨氮利用速率；n为氨氮传感器测定氨氮的次数，为自然数，i＝1～n；x₀为测定开始时活性污泥中氨氮浓度；x_i为第i次采集周期测量的活性污泥中氨氮浓度；t为所述氨氮传感器的采集周期；

B-3)经过步骤B-2)检测的清液回流至所述生物反应罐中；

(C)排空阶段：关闭所述循环电磁阀、所述进样蠕动泵和所述曝气机，打开排空电磁阀，将所述生物反应罐内的活性污泥排空。

上述氨氮利用速率的在线检测方法中，AUR定义为活性污泥混合液中氨氮浓度降低的速率，即AUR＝dC_AN/dt；所述可编程逻辑控制器连续和周期性的采集氨氮传感器的测试信号，采集频率为6～10秒/次，每1～2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；

本发明氨氮利用速率的在线检测方法中，公式(1)中只需要计算当前氨氮浓度与初始氨氮的差值，仅使用2个数据元来记录和累计该差值，就可以实时计算出AUR，避免了繁琐的直线拟合公式。

上述氨氮利用速率的在线检测方法中，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，测试时间短。

本发明在上述氨氮利用速率的在线检测方法的基础上，利用上述设有氨氮投加装置的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置对活性污泥最大氨氮利用速率进行检测的方法，包括如下步骤：

(A)按照上述氨氮利用速率的在线检测方法(步骤(A)-步骤(B))对活性污泥进行测量，得到不投加氨氮标准物质的氨氮初始浓度和氨氮利用速率；

(B)按照上述氨氮利用速率的在线检测方法，仅在步骤B-1)之前多次投加氨氮标准物质，测得多次投加氨氮标准物质之后的氨氮初始浓度和氨氮利用速率；

(C)将步骤(A)和步骤(B)得到的一组初始氨氮浓度和氨氮利用速率，分别作为C_AN和AUR，以C_AN/AUR为纵坐标，C_AN为横坐标，制作曲线并进行线性拟合，所得拟合曲线斜率的倒数即为最大氨氮利用速率。

上述最大氨氮利用速率的检测方法中，步骤(B)中，所述氨氮标准物质的投加量可为10～50mL，所述氨氮标准物质的质量体积浓度可为5～20gN/L；所述氨氮标准物质可为氯化铵或硫酸铵；所述生物反应罐内活性污泥的通入量可为5～15L；在每个测量周期内，在投加所述氨氮标准物质后，所述测量的时间可为15～25min。

上述最大氨氮利用速率的检测方法中，所述溶解氧在所述硝化反应中是过量的，一般大于4mg/L；溶解氧不足时，调节流量计增加曝气量。

上述最大氨氮利用速率的检测方法中，步骤(C)中，所得拟合曲线的斜率即为最大氨氮利用速率，原理如下：

AUR的影响因素较多，重要的包括温度、溶解氧、污泥浓度、污泥活性等；在上述因素中，温度、污泥浓度、污泥活性对反应过程的影响主要限速于细胞的生理过程，其变化一般比较缓慢，周期为数个小时到一天，大于硝化速率评估的周期，因此在计算AUR时可以忽略；但溶解氧(DO)的平衡过程变化较快，且反应器内和生化池的条件差别较大，因此在计算中需要对DO进行修正，特别是在生化池溶解氧浓度较低时很有必要。

根据生物反应动力学，实际的AUR通过下式(2)计算：

$AUR={\mathrm{AUR}}_m\·\frac{C_{AN}}{K_{AN}+C_{AN}}\·\frac{DO}{K_{DO}+DO}---\left(2\right)$

式(2)中，AUR为实际氨氧化速率，AUR_m为仪器测试得到的最大氨氧化速率，C_AN为氨氮浓度，DO为溶解氧浓度，K_AN和K_DO为模型参数。参数K_AN和K_DO一般通过实验确定，也可以通过工艺观测结合动力学模型率定；当缺乏实验条件时，可以采取默认值1mgN/L和0.5mg/L。

由于反应过程供氧充足，溶解氧较高，因此可以忽略式(2)中的溶解氧影响，仅余下氨氮浓度的影响。将式(2)作一定变化，得到下式线性关系，因此可以采用C_AN/AUR与C_AN拟合，根据斜率和截距估计AUR_m和K_AN。

$\frac{C_{AN}}{AUR}=\frac{C_{AN}}{{\mathrm{AUR}}_m}+\frac{K_{AN}}{{\mathrm{AUR}}_m}---\left(3\right)$

本发明方法中检测得到的最大氨氮利用速率排除了溶解氧的影响，综合反映了污泥浓度和硝化活性的特征，因此可以用于评价活性污泥的氨氧化活性。当仅需要测定AUR_m用于评估污泥硝化活性时，可以通过氨氮加标提高反应物浓度(加入10～20mgN/L，使C_AN大于5倍K_AN)，再将测得的AUR近似为AUR_m，根据历史数据的变化趋势来判断硝化活性的高低。

本发明在上述最大氨氮利用速率的在线检测方法的基础上，还提供了一种对氨氮出水浓度进行估算的方法，包括如下步骤：

(A)按照下述公式(4)计算污水实际停留时间：

$T=\frac{V}{Q(1+R+r)}---\left(4\right)$

式(4)中，V为装置采样点距离出水点的池容，单位m³；Q为生化池的进水流量，单位m³/h；R为污泥回流比，r为混合液回流比，无量纲。

(B)分别测定好氧区首段、中段和末段的溶解氧的质量体积浓度；所述好氧区首段为前1/3容积区域，好氧区中段为中部1/3容积区域，剩余大约1/3容积区域为所述好氧区的末段；

(C)确定初始条件：

C_t＝0＝C₀

Δt＝T/m(5)

式(5)中，Δt为计算步长，m为迭代步数，m取5～30；

按照下述公式(6)依次迭代，直至t+Δt等于式(4)计算得到的实际停留时间T，得到的氨氮出水浓度即为工艺出水氨氮浓度C_T：

C_t+Δt＝C_t-AUR·Δt＝C_t–AUR_m·C_t/(K_AN+C_t)·DO/(K_DO+DO)·Δt(6)

式(6)中，C_t+Δt为t时刻经过Δt后的氨氮浓度值；C_t为t时刻的氨氮浓度值；AUR为t时刻的氨氮利用速率；AUR_m和K_AN按照上述最大氨氮利用速率的在线检测方法得到，其中K_AN为所述拟合曲线的纵坐标截距除以斜率得到；K_DO取默认值0.5mg/L，或根据实验确定，范围0.1～1mg/L。

本发明在上述氨氮出水浓度预测方法的基础上，进一步提供了一种硝化过程运行风险的预测或控制方法；

所述预测方法包括如下步骤：

按照上述氨氮出水浓度的预测方法得到好氧区的出水氨氮浓度，根据下述公式(7)计算超标风险R；

$R=\frac{C_S+C_T}{C_S-C_T}---\left(7\right)$

式(7)中，C_S为出水标准，C_T为出水浓度；

当风险等级R＝1时(出水氨氮浓度C_T＝0)，表示安全；当风险等级R大于1时(当出水氨氮浓度逼近出水标准C_S时，风险值趋近于无穷大；直观上易于判断和预警)，将R取整后作为预警的风险等级，即可对硝化过程的运行风险进行评估；

所述控制方法包括如下步骤：根据可接受的风险等级R，可以反算出需要的出水氨氮浓度C_T；根据式(6)可知C_T主要受AUR_m和DO的影响，因此当需要减小C_T时，可以调整回流增加污泥浓度以提高AUR_m、或者加强曝气以提高DO，反之亦然。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置，可实时在线检测污水中的氨氮浓度和氨氮利用速率，并用于工艺过程控制和预警评估，克服了现有氨氮利用速率测试技术周期长、操作复杂、无法在线的缺点。

(2)本发明活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中的氨氮传感器采用氨氮离子选择性电极，测量时间短、响应快、易清洗，可在控制系统要求的周期内(如20分钟)完成氨氮利用速率的测试，支持曝气过程的实时控制。

(3)利用本发明装置可实时测量氨氮浓度C_AN、氨氮利用速率AUR、最大氨氮利用速率AUR_m及历史曲线等；通过氨氮加标实验可以得到最大氨氮利用速率，运行人员可利用其历史数据评估系统的硝化活性，可及时掌握进水毒性物质的抑制影响。

(4)利用本发明装置可根据理论模型参数预测出水口氨氮浓度C_T，并计算硝化过程运行风险R，可直观评估工艺运行的风险；根据可接受风险反算需要的出水浓度，从而可以计算和指导调整污泥浓度、曝气强度等工艺条件，对污水处理厂稳定达标运行及节能降耗具有重要意义。

附图说明

图1为本发明活性污泥氨氮利用速率在线检测装置的结构示意图。

图2为本发明活性污泥氨氮利用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氨氮利用速率进行在线检测时的两次测量过程中，氨氮浓度随时间的变化曲线。

图4为实施例3中沿程氨氮的预测和情景分析图。

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塑料制穿孔管、12气体流量计、13曝气机、14产水抽吸泵、15氨氮贮存罐、16氨氮投加泵、17氨氮离子选择性电极、18氨氮测量室、19可编程逻辑控制器、20数据采集控制器、21上位机。

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、活性污泥氨氮利用速率在线检测装置

如图1所示，为本发明活性污泥氨氮利用速率在线检测装置，它包括反应系统、氨氮投加系统、氨氮检测系统、流程控制系统和数据采集和处理系统；

反应系统包括生物反应罐1，它为一个400*400*100(LHW)的不锈钢长方体容器，反应罐1的侧壁上设有三个接口，由下到上依次设有反应罐进水口2(内径为12mm)、反应罐循环口3(内径为12mm)和反应罐溢流口4(内径为20mm)，进样口2通过设有进水蠕动泵5(额定流量1～5L/min，可在5～10分钟内充满反应罐，本例取2L/min)的管路与进水电磁阀6连接，循环口3通过设有循环电磁阀7的管路与进水蠕动泵5连接，与生物反应罐1形成闭合回路；通过切换电磁阀，可以改变进水蠕动泵水流方向，在不同时间对反应罐进行进水或循环操作；反应罐的底部设有反应罐排空口8，与排空电磁阀9连接，用于定期排空罐体内混合液。

生物反应罐内部设有中空纤维膜组件10(膜孔径为0.45～1微米，本例取0.45微米，尺寸为300*200*50LHW)，膜组件10的底部设有用于曝气供氧的塑料制穿孔管11，管体上开设有数个直径为0.5～2mm的圆孔(本例取5个，孔直径为1mm)，穿孔管11通过设有带有流量调节旋钮的气体流量计12的曝气软管与为反应系统提供压缩空气的曝气机13(额定气量为20～50L/min，本例取30L/min)连接；膜组件10的顶部设有出水口，该出水口通过设有用于提供负压的产水抽吸泵14的管路与氨氮检测系统的入口(测量室入口)连接，该产水抽吸泵14为一台计量泵，流量为100～500ml/min(本例取200mL/min)。

氨氮投加系统包括氨氮贮存罐15(内置特定浓度的氯化铵溶液，如10gN/L)，通过设有氨氮投加泵16(10～100ml/min，本例取20mL/min)与生物反应罐1连接，用于向反应罐内投加定量的氯化铵溶液。

氨氮检测系统包括氨氮离子选择性电极17和氨氮测量室18，该氨氮离子选择性电极17带有pH和盐度校正，具有可靠性高、测量时间短、免清洗等特性。氨氮离子选择性电极17的测量端部固定在氨氮测量室内，与水样连续接触和测量；氨氮测量室18为一个塑料圆柱形密封容器，按照氨氮测量电极17的尺寸定制(本例为直径80mm、长120mm)，套在圆柱形氨氮探头17的测量端。氨氮测量室18设有氨氮测量入口和氨氮测量出口(本例孔内径均为8mm)，其中测量进口室连接产水抽吸泵14，测量出口连接软管接往生物反应罐1的顶部。

流程控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)19和数据采集控制器20，实现自动连续监测，本例选择西门子系列PLC。可编程逻辑控制器(PLC)通过数据采集控制器与氨氮离子选择电极连接，数据采集控制器由氨氮电极厂家提供，与电极配合使用，通过通讯电缆与电极连接，按电极预设的通讯协议进行数据读取。本例通讯选择MODBUS-485通讯协议。可编程逻辑控制器(PLC)19分别与生物反应罐的进水蠕动泵5、进水电磁阀6、循环电磁阀7、排空电磁阀9、曝气机13、产水抽吸泵14和氨氮投加泵16连接，通过时序或者条件控制系统相关设备按要求工作，完成水样采集、排空、曝气、加药等过程。

数据采集与处理系统为带有触摸屏的上位机21，它为研华系列工控机，与数据采集控制器20和PLC19连接和通讯，是仪器运行的核心。数据处理及人机界面程序放在该上位机上，主要完成人机交互、数据处理、显示和保存。应用软件采用组态王监控系统软件，运行于工控机中WinXP操作系统中，是用户操作仪器的界面。控制程序写入数据控制器和流程控制PLC中，主要完成流程测试控制和信号采集等，根据应用层软件下发的命令，执行相应的设备控制、信号采集与传输。上位机21通过通讯线缆连接数据采集控制器，通过数据采集控制器20采集氨氮离子选择性电极17实时测量的数据，并进行处理、存储和显示。上位机21通过通讯线缆与PLC19连接，实现对PLC的控制信号输入和输出。在上位机的触摸屏上，提供了人机操作界面，可以设置采样周期、设备动作条件、输入模型参数等，以及显示当前设备状态、实时测量氨氮浓度、AURm及历史曲线等。此外，还通过高级语言编程实现实际氨氧化速率AUR、预测出水口氨氮浓度CT和计算硝化过程运行风险R的实时计算，用于辅助工艺运行和分析。

实施例2、利用实施例1中的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置对污水脱氮工艺中的活性污泥氨氮利用速率进行在线检测

某污水处理厂采用AAO工艺，处理量60万吨/天，设计水力停留时间为厌氧段1.5小时、缺氧段3小时、好氧段8小时。污泥回流比100％、混合液回流比200％。

将实施例1中的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置安装在污水处理厂生化反应池内好氧段的起始点；重复下述步骤(A)-(C)对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：

(A)进水阶段：打开进样电磁阀，关闭循环电磁阀，控制进样蠕动泵将该污水处理厂生化反应池好氧段起始点的活性污泥通入生物反应罐内，完成进样；打开曝气机，向生物反应罐内曝气；关闭进样电磁阀，打开循环电磁阀，控制进样蠕动泵使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)对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：

B-1)：控制产水抽吸泵将经过膜组件过滤的活性污泥输送至氨氮检测系统中；

B-2)：控制氨氮检测系统中的氨氮传感器，测定活性污泥中的氨氮浓度；按照如下公式计算氨氮利用速率：

$AUR=\frac{2{\mathrm{\Σ}}_{i=n}(x_0-x_i)}{n^{2}t}---\left(1\right)$

式(1)中，AUR表示氨氮利用速率，单位为mgN/L.min；n为探头测定氨氮的次数，一般为10，i＝1～n；x₀为测定开始时活性污泥中氨氮浓度；x_i为第i次测定时活性污泥中氨氮浓度，单位为mgN/L；t为所述氨氮传感器的采集周期，单位为min；

B-3)：经过步骤B-2)检测的活性污泥回流至生物反应罐中；

(C)排空阶段：关闭循环电磁阀、进样蠕动泵和曝气机，打开排空电磁阀，将生物反应罐内的活性污泥排空。

本实施例中，通过上述步骤即可对污水脱氮工艺中的氨氮利用速率进行在线检测，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氨氮利用速率，每个重复周期即为一个测量周期。

本实施例中，氨氮浓度的采集周期为6秒/次，每1分钟为一个测试周期，取该周期下所有采集得到的信号值的平均值作为该周期下的信号值，实时测定氨氮浓度。

本实施例中的测量周期为20分钟，其中进水阶段包括进水约5分钟、维持混合约2分钟，测量阶段的持续时间约10分钟，排空阶段约3分钟。氨氮传感器在读取数据后，在上位机上显示和记录数据，并在测量结束时计算AUR值。氨氮电极测量的初始值作为本次测量的初始氨氮浓度C₀。

采用本实施例方法对该厂两次的氨氮浓度随时间的变化曲线如图3所示，AUR测定结果如下：

表1、实际AUR测试的原始数据和计算结果

由表1可以看到，两次测量的初始氨氮浓度C_AN,0分别为8.76和10.78mg/L，两次测定的AUR结果接近，均为0.24mgN/L.min，硝化过程的活性较高。

实施例3、利用实施例1中的氨氮利用速率检测装置对最大氨氧化速率的测定

采用实施例1中的装置可估算最大氨氮利用速率，从而对活性污泥的硝化活性进行评估。根据生物反应动力学，实际的AUR通过下式计算：

$AUR={\mathrm{AUR}}_m\·\frac{C_{AN}}{K_{AN}+C_{AN}}\·\frac{DO}{K_{DO}+DO}---\left(2\right)$

式(2)中，AUR为实际氨氮浓度，AUR_m为仪器测量得到的最大氨氧化速率，C_AN为氨氮浓度，DO为溶解氧浓度，K_AN和K_DO为模型参数。

在溶解氧和氨氮充足条件下，测试所得速率为最大氨氧化速率。由于本实施例中的供氧充足，溶解氧较高，因此可以忽略式(2)中的溶解氧的影响，仅余下氨氮浓度的影响。将式(2)作一定变化，得到下式(3)中的线性关系，因此可以采用C_AN/AUR与C_AN进行拟合，根据斜率和截距估计AUR_m和K_AN。

$\frac{C_{AN}}{AUR}=\frac{C_{AN}}{{\mathrm{AUR}}_m}+\frac{K_{AN}}{{\mathrm{AUR}}_m}---\left(3\right)$

式(3)中，C_AN为氨氮浓度，AUR为实际氨氮浓度，AUR_m为仪器测量得到的最大氨氧化速率，K_AN为模型参数。

本实施例中，按照如下步骤对最大氨氧化速率进行检测：

(A)按照实施例2中的方法对活性污泥进行测量，得到不投加氨氮标准物质的初始氨氮浓度和氨氮利用速率；

(B)按照实施例2中的方法，在步骤B-1)测量之前多次投加氨氮标准物质，测得投加氨氮标准物质之后的初始氨氮浓度和氨氮利用速率，与(A)所得结果合为一组拟合数据；

(C)将步骤(A)和步骤(B)得到的多个初始氨氮浓度和氨氮利用速率分别作为C_AN和AUR，以C_AN/AUR为纵坐标，C_AN为横坐标制作曲线并进行线性拟合，所得拟合曲线斜率的倒数即为AUR_m，纵坐标截距除以斜率即为K_AN。

按照上述步骤进行测量，其中步骤(A)中的数据可直接利用实施例2中两次测量得到的初始氨氮浓度和氨氮利用速率，步骤(B)中加入20mgN/L标准物质后测量得到的初始氨氮浓度和氨氮利用速率，以及拟合得到的最大氨氧化速率如表2所示：

表2、通过加标试验拟合模型参数AUR_m和K_AN

本实施例中测得的加标AUR结果为0.28mgN/L.min，以C_AN/AUR与C_AN进行拟合，根据斜率和截距即可估计AUR_m和K_AN，得AUR_m为0.308mgN/L.min，K_AN为2.53mg/L。

实施例4、出水氨氮浓度的估算和污泥硝化活性的评估

使用实施例3得到的动力学参数，以及曝气池相关运行参数(停留时间、溶解氧浓度、初始氨氮浓度等)，可以估算出水的氨氮浓度。

该污水处理工艺好氧区停留时间8hr，污泥回流R＝100％，混合液回流r＝200％。根据式(4)，实际停留时间为T＝8/(1+1+2)＝2hr。

$T=\frac{V}{Q(1+R+r)}---\left(4\right)$

式(4)中，V为仪器采样点距离出水点的池容，单位m³；Q为生化池的进水流量，单位m³/h；R为污泥回流比，r为混合液回流比，无量纲。

分别在好氧区首段(0～30min，约前1/3容积区域)、中段(30～80min，约中部1/3容积区域)和末段(80～120min，约剩余1/3容积区域)放置了3台溶解氧仪表，读数为0.3、1.5和3mg/L。

然后，确定初始条件：

C_t＝0＝C₀

Δt＝T/m(5)

式中Δt为计算步长，m为迭代步数，根据计算精度需要动态调整，可以取5～30。

然后，迭代计算下式m次，求得出水浓度C_T。其中AUR按照式(2)计算。

C_t+Δt＝C_t-AUR·Δt＝C_t–AUR_m·C_t/(K_AN+C_t)·DO/(K_DO+DO)·Δt(6)

取实测值AUR_m＝0.308mgN/L.min、K_AN＝2.53mgN/L和默认值K_DO＝0.5mg/L，采用式(2)根据C_t和DO计算t时刻的AUR值；然后采用式(6)计算t时刻经过Δt后的氨氮浓度值C_t+Δt。依次迭代，直到t+Δt等于式(4)计算的实际停留时间T。在C_t低于K_AN时，为了提高计算精度，将迭代步数m从8增加到24，即计算步长Δt从15分钟缩短为5分钟。

迭代计算结果如下表3所示，曲线如图4所示。可以看到，在好氧首段，氨氮降解速率AUR受低溶解氧浓度影响而较低；在好氧末端，AUR又受氨氮底物浓度较低的影响而较低。氨氮降解主要发生在好氧区的中间段。

表3、通过AUR和DO预测出水水质和沿程浓度

t	DO	Ct	AUR	Δt	Ct+Δt
						min	mg/L	mgN/L	mgN/L.min	min	mgN/L
0	0.3	10.80	0.094	15	9.40
						15	0.3	9.40	0.091	15	8.03
30	0.3	8.03	0.088	15	6.71
						45	1.5	6.71	0.168	15	4.19
60	1.5	4.19	0.144	15	2.03
						75	1.5	2.03	0.103	15	1.52
80	3.0	1.52	0.099	5	1.02
						85	3.0	1.02	0.076	5	0.64
90	3.0	0.64	0.053	5	0.38
						95	3.0	0.38	0.034	5	0.21
100	3.0	0.21	0.020	5	0.11
						105	3.0	0.11	0.011	5	0.05
110	3.0	0.05	0.005	5	0.03
						115	3.0	0.03	0.003	5	0.01
120	3.0	0.01

从当前情景的最终出水水质看，氨氮浓度(0.01mg/L)可安全达标，按出水标准5mg/L计算式(6)，超标风险R＝1，风险等级为1，表示安全。

$R=\frac{C_S+C_T}{C_S-C_T}---\left(7\right)$

式(7)中，C_S为出水标准，C_T为出水浓度。

当出水氨氮浓度C_T＝0时，风险值R＝1；当出水氨氮浓度逼近出水标准C_S时，风险值趋近于无穷大；直观上易于判断和预警。将R取整，可作为预警的风险等级。

如果进水氨氮浓度增加，该情景下设C₀为20mg/L，使用上述模型也可以预测沿程曲线，如图4所示。此时出水浓度为1.74mg/L，超标风险R＝2.3，风险等级为2，风险明显增加，需要调整工艺运行条件。

根据式(6)可知，可以通过调整回流提高污泥浓度增加AUR_m或加强曝气提高DO来减小C_T。由于改变曝气后DO的响应速度较快，而调整回流改变污泥浓度的响应速度很慢，因此有限调整曝气强度。此时增加曝气，使好氧区溶解氧浓度从0.3、1.5和3mg/L增加到0.5、2和4mg/L，结果如图4所示。可以看到氨氮沿程变化曲线明显下降，出水浓度降为0.75mg/L，计算风险值R＝1.35，风险等级降为1。

Claims (10)

1.一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置，它包括反应系统、氨氮检测系统、流程控制系统和数据采集和处理系统；

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水蠕动泵的管路与进样电磁阀连接，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，所述膜组件的底部设有曝气装置，所述曝气装置通过设有气体流量计的管路与曝气机连接，所述膜组件的出水口通过设有产水抽吸泵的管路与所述氨氮检测系统的入口连接；

所述氨氮检测系统包括氨氮传感器和氨氮测量室，所述氨氮传感器的测量端密封于于所述氨氮测量室内；所述氨氮测量室设有氨氮测量入口和氨氮测量出口，所述氨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数据采集控制器，所述可编程逻辑控制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、所述曝气机和所述产水抽吸泵连接；所述数据采集控制器与所述氨氮传感器连接；

所述数据采集与处理系统包括上位机，所述上位机分别与所述可编程逻辑控制器和所述数据采集控制器连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括氨氮投加系统，所述氨氮投加系统包括氨氮贮存罐，通过设有氨氮投加蠕动泵与所述生物反应罐连接；所述氨氮投加蠕动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：所述氨氮传感器为氨氮离子选择性电极。

4.权利要求2或3所述的装置在污水脱氮工艺中测定最大氨氮利用速率、预测出水口氨氮浓度和硝化过程风险评估中的至少一种的应用。

5.利用权利要求1-3中任一种所述的装置对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测的方法，包括如下步骤：将所述活性污泥氨氮利用速率在线检测装置安装在污水处理厂生化单元好氧段的起始位置；重复下述步骤(A)-(C)对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：

(A)进样阶段：打开所述进样电磁阀，关闭所述循环电磁阀，控制所述进样蠕动泵完成进样；打开曝气机，向所述生物反应罐内曝气；关闭所述进样电磁阀，打开所述循环电磁阀，所述进样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)对所述活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：

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氨氮检测系统中；

B-2)控制所述氨氮检测系统中的氨氮传感器，测定清液中的氨氮浓度；按照如下公式计算氨氮利用速率：

$AUR=\frac{2{\mathrm{\Σ}}_{i=n}(x_0-x_i)}{n^{2}t}---\left(1\right)$

式(1)中，AUR表示氨氮利用速率；n为氨氮传感器测定氨氮的次数，为自然数，i＝1～n；x₀为测定开始时活性污泥中氨氮浓度；x_i为第i次测量时活性污泥中氨氮浓度；t为所述氨氮传感器的采集周期；

B-3)经过步骤B-2)检测的清液回流至所述生物反应罐中；

(C)排空阶段：关闭所述循环电磁阀、所述进样蠕动泵和所述曝气机，打开排空电磁阀，将所述生物反应罐内的活性污泥排空。

6.根据权利要求5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氨氮传感器的测试信号，采集频率为6～10秒/次，每1～2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。

7.利用权利要求2或3所述的装置对活性污泥的最大氨氮利用速率进行检测的方法，包括如下步骤：

(A)按照权利要求4或5所述的方法对活性污泥进行测量，得到不投加氨氮标准物质的氨氮初始浓度和氨氮利用速率；

(B)按照权利要求4或5所述的方法，仅在步骤B-1)之前多次投加氨氮标准物质，测得投加氨氮标准物质之后的氨氮初始浓度和氨氮利用速率；

(C)将步骤(A)和步骤(B)得到的一组初始氨氮浓度和氨氮利用速率，分别作为C_AN和AUR，以C_AN/AUR为纵坐标，C_AN为横坐标，制作标准曲线并进行线性拟合，所得拟合曲线的斜率即为最大氨氮利用速率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(B)中，所述氨氮标准物质的投加量为10～50mL，所述氨氮标准物质的质量体积浓度为5～20gN/L；所述氨氮标准物质为氯化铵或硫酸铵；所述生物反应罐内活性污泥的通入量为5～15L；在每个测量周期内，在投加所述氨氮标准物质后，所述测量的时间为15～25min。

9.利用权利要求2或3所述的装置对污水处理厂中的出水氨氮浓度进行估算的方法，包括如下步骤：

(A)按照下述公式(4)计算污水实际停留时间：

$T=\frac{V}{Q(1+R+r)}---\left(4\right)$

式(4)中，V为装置采样点距离出水点的池容，单位m³；Q为生化池的进水流量，单位m³/h；R为污泥回流比，r为混合液回流比，无量纲。

(B)分别测定好氧区首段、中段和末段的溶解氧的质量体积浓度；所述好氧区首段为好氧池前1/3容积区域，好氧区中段为中部1/3容积区域，剩余1/3容积区域为所述好氧区的末段；

(C)确定初始条件：

C_t＝0＝C₀

Δt＝T/m(5)

式(5)中，Δt为计算步长，m为迭代步数，m取5～30；

按照下述公式(6)依次迭代，直至t+Δt等于式(4)计算得到的实际停留时间T，得到的氨氮出水浓度即为工艺出水氨氮浓度：

C_t+Δt＝C_t-AUR·Δt＝C_t–AUR_m·C_t/(K_AN+C_t)·DO/(K_DO+DO)·Δt(6)

式(6)中，C_t+Δt为t时刻经过Δt后的氨氮浓度值；C_t为t时刻的氨氮浓度值；AUR为t时刻的氨氮利用速率，按照权利要求5中所述的方法进行在线检测；AUR_m和K_AN按照权利要求6或7所述的方法计算得到，其中K_AN为所述拟合曲线纵坐标的截距除以斜率得到；K_DO取默认值0.5mg/L，或根据实验确定，范围0.1～1mg/L。

10.利用权利要求2或3所述的装置对污水处理厂的硝化过程的运行风险进行预测或控制的方法；

所述预测方法包括如下步骤：

按照权利要求9所述的方法计算好氧区的出水氨氮浓度，根据下述公式(7)计算超标风险R；

$R=\frac{C_S+C_T}{C_S-C_T}---\left(7\right)$

式(7)中，C_S为出水标准，C_T为出水浓度；

当风险等级R＝1时，表示安全；当风险等级R大于1时，将R取整后作为预警的风险等级，即可对硝化过程进行风险评估；

所述控制方法包括如下步骤：根据可接受的风险等级R，按照公式(7)反算出需要的出水氨氮浓度C_T，从而指导调整回流以改变AUR_m、或者调整曝气以改变DO。