CN105572001A - 一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置及测定方法，其特征在于：所述测定装置包括一沉降柱，所述沉降柱包括一上层腔室和一下层腔室，在所述上层腔室的底部设置一排水管，在所述下层腔室中设置一抽水泵，所述抽水泵的进口与一贯穿所述下层腔室的侧壁的取样管连接，所述抽水泵的出口与一伸入所述上层腔室的管路连接；在所述下层腔室中设置一曝气器，所述曝气器通过一伸入所述上层腔室的气管连接一曝气头；在所述上层腔室的顶部设置一超声波信号发射传感器和一超声波信号接收传感器，在所述上层腔室的中部设置一红外光发射传感器和一红外光检测器。

Description

一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及一种应用于污水处理系统中的活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置及测定方法，属于污水处理领域。

背景技术

活性污泥法是城镇污水生物处理中最传统和重要的方法，污水处理过程的生产环境条件多变且恶劣(比如进水水质的变化、气候的变化、微生物种群的变化等)，其处理效果易受外界环境的干扰和影响，导致污水处理不能正常的进行。比如活性污泥的沉降浓缩性能会受到雨季污水组成变化的影响，这主要是因为污泥中离子强度的变化引起的，一旦二沉池中的污泥沉降浓缩性能发生改变，有可能就会导致二沉池中的泥层变化和底部回流污泥浓度的变化，最终的结果是会影响出水的SS(悬浮物浓度)值和曝气池生物量的变化，因此活性污泥的沉降浓缩性能是反应活性污泥物理状态的一个非常重要的综合指标。然而，由于实时在线检测方法的限制，一般污水处理厂污泥沉降性能特征的确定往往通过批沉降实验获得，但是这种方法耗时长，而且一天监测一次，不能实时的反映活性污泥特性的变化。因此为了连续地获得二沉池中活性污泥的沉降浓缩特征和浓度的变化，就需要一个简便的污泥沉降浓缩综合性能的自动分析系统，这对于污水处理厂的运行优化有重要的意义。

现有的污水处理厂通常采用人工方法通过批次沉降实验求得污泥容积指数SVI、成层沉降速率V_ZS的值，一方面此方法存在着人为操作和读数的误差，而且一天监测一次，不能实时的反映活性污泥特性的变化；另一方面监测的指标偏少并不能真实的很好的反应活性污泥的状态。目前并无活性污泥的沉降浓缩综合性能测定技术和装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实时、自动测定活性污泥的沉降浓缩综合性能的活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置及测定方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置，其特征在于：它包括一沉降柱，所述沉降柱包括一上层腔室和一下层腔室，在所述上层腔室的底部设置一排水管，在所述下层腔室中设置一抽水泵，所述抽水泵的进口与一贯穿所述下层腔室的侧壁的取样管连接，所述抽水泵的出口与一伸入所述上层腔室的管路连接；在所述下层腔室中设置一曝气器，所述曝气器通过一伸入所述上层腔室的气管连接一曝气头；在所述上层腔室的顶部设置一超声波信号发射传感器和一超声波信号接收传感器，在所述上层腔室的中部设置一红外光发射传感器和一红外光检测器。

还包括一带有数据采集卡的微型计算机，所述数据采集卡分别与所述超声波信号发射传感器、超声波信号接收传感器、红外光发射传感器、红外光检测器电连接。

在所述取样管和排水管上分别设置一阀门。

所述沉降柱的材质为有机玻璃。

一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定方法，包括以下步骤：

1)将取样管与曝气池的末端或二沉池的前端连接；

2)利用抽水泵将一定量的污泥混合液泵入沉降柱的上层腔室中；

3)启动曝气器，对所取的样品混合液进行曝气，使样品混合液混匀；

4)控制红外光发射传感器向样品混合液发射红外光，并实时采集及记录红外光检测器测得的样品混合液的污泥浓度值MLSS；与此同时，控制超声波信号发射传感器向样品混合液持续发射超声波，利用超声波信号接收传感器对经过污泥上表面反射回来的超声波信号进行接收，并记录发射与接收信号的时间间隔Δt，由下式求得不同时刻的污泥层高度：

H＝H₀-h＝H₀-1/2cΔt

式中，H表示污泥层高度；H₀表示沉降柱中液面的高度；h表示沉降柱中的液面到污泥上表面的距离；c表示超声波的传播速度；Δt表示超声波信号从发射到被接收的时间；

上述数据采集过程持续90min，每隔10s采集并计算出一个污泥层高度和污泥浓度值；

5)将步骤4)所获得的数据处理成污泥沉降曲线；

6)计算用于表征污泥沉降浓缩综合性能的关键参数。

所述步骤6)中关键参数的计算方法如下：

①污泥容积指数SVI值：数据采集卡采集到的沉降30min后的污泥层高度以SV₃₀表示，结合第一次采集到的污泥浓度值MLSS₁以及沉降柱的体积Q，计算得到污泥容积指数SVI值：

$SVI=\frac{1000{\mathrm{SV}}_{30}}{Q\·{\mathrm{MLSS}}_1};$

②SSVI_3.5值：根据通过实验得到的普适性经验公式SSVI_3.5＝0.67SVI(3Q/10SV₃₀)^0.6求得SSVI_3.5值；

③成层沉降速率V_ZS值：截取步骤5)得到的污泥沉降曲线上的第一个近似为直线的部分作为成层沉降阶段，在该部分上找到斜率最大的位置做切线，该切线的斜率就是成层沉降速率V_ZS值；

④压缩沉降速率V_CS值：截取步骤5)得到的污泥沉降曲线的第二个近似为直线的部分，取该部分的中点做切线，该切线的斜率就是压缩沉降速率V_CS值；

⑤压缩浓缩速率U_CS值：通过实验得到的普适性经验公式求得U_CS值：

U_CS＝(dX_s)/dt＝-15.593(SVI)^(-0.408)[-3.171ln(SVI)-1.8694]e^{([-3.171ln(SVI)-1.8694]/t)}/t²，

式中，X_s表示沉降柱底部的污泥浓度；e表示自然对数；t表示时间；

⑥极限污泥浓度X_∞值：通过实验得到的普适性经验公式求得X_∞值：

X_s＝15.593(SVI)^(-0.408)e^{([-3.171ln(SVI)-1.8694]/t)}+66.023(SVI)^(-0.428)

上式中，当t取值为无穷大时，得到的X_s即为X_∞值。

完成关键参数的测量后，将样品混合液通过排水管排出，然后利用抽水泵向沉降柱的上层腔室中泵入清水，并启动曝气器对上层腔室进行清洗，清洗5min后将清水从排水管排出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明测定装置设置一包括上层腔室和下层腔室的沉降柱，在下层腔室中设置用于将样品混合液送入上层腔室的抽水泵以及曝气器，在上层腔室中设置用于测定污泥层高度的超声波信号发射传感器和超声波信号接收传感器，以及用于测定污泥浓度值的红外光发射传感器和一红外光检测器，因此，不仅可以实现实时测量，而且测量结果更为准确。2、本发明基于测量对样品混合液的数据测量和采集，进一步计算获得多个表征污泥沉降浓缩综合性能的关键参数，包括污泥容积指数SVI值、SSVI_3.5值、成层沉降速率V_ZS值、压缩沉降速率V_CS值、压缩浓缩速率U_CS值、极限污泥浓度X_∞值等，因此本发明所获取的性能参数更全面。本发明可广泛应用于采用各种活性污泥法工艺的污水处理厂，可通过自动取样、实时分析来进行污水生物处理过程中活性污泥沉降浓缩综合性能的实时连续测定。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一呈圆筒形的沉降柱1，沉降柱1的内部由一隔板2分隔为上层腔室3和下层腔室4。在上层腔室3的底部设置一排水管5，在下层腔室4中设置一抽水泵6，抽水泵6的进口与一贯穿下层腔室4的侧壁的取样管7连接，抽水泵6的出口连接一贯穿隔板2伸入上层腔室3的管路8。在下层腔室4的中心位置设置一曝气器9，曝气器9通过一贯穿隔板2伸入上层腔室3的气管连接一曝气头10。在上层腔室3的顶部设置一超声波信号发射传感器11和一超声波信号接收传感器12，在上层腔室3的中部设置一红外光发射传感器13和一红外光检测器14。本发明还包括一带有数据采集卡15的微型计算机16，其中，数据采集卡15与超声波信号发射传感器11、超声波信号接收传感器12、红外光发射传感器13、红外光检测器14电连接。

上述实施例中，可以在取样管7和排水管5上分别设置一阀门(图中未示出)。

上述实施例中，沉降柱1的材质为有机玻璃，沉降柱1的尺寸为：直径160mm，高度800mm。

上述实施例中，连接曝气头10与曝气器9的气管采用软管。

基于上述测定装置，本发明还提出了一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定方法，包括以下步骤：

1)将取样管7与曝气池的末端或二沉池的前端连接。

2)利用抽水泵6将一定量的污水处理厂曝气池的末端或二沉池的前端的污泥混合液泵入沉降柱1的上层腔室3中。

3)启动曝气器9，对所取的样品混合液进行曝气，曝气时间为3min，使样品混合液充分混匀。

4)控制红外光发射传感器13向样品混合液发射红外光，同时利用数据采集卡15实时采集并记录红外光检测器14测得的样品混合液的污泥浓度值(MLSS)；与此同时，控制超声波信号发射传感器11向样品混合液持续发射超声波，利用超声波信号接收传感器12对经过污泥上表面反射回来的超声波信号进行接收，利用数据采集卡15读取并记录发射与接收信号的时间间隔Δt，由下式求得不同时刻的污泥层高度：

H＝H₀-h＝H₀-1/2cΔt

式中，H表示污泥层高度；H₀表示沉降柱中液面的高度；h表示沉降柱中的液面到污泥上表面的距离；c表示超声波的传播速度；Δt表示超声波信号从发射到被接收的时间。

上述数据采集过程持续90min，每隔10s采集并计算出一个污泥层高度和污泥浓度值。

5)利用微型计算机16将步骤4)所获得的数据处理成污泥沉降曲线。

6)采用微型计算机16计算用于表征污泥沉降浓缩综合性能的关键参数，具体如下：

①污泥容积指数SVI值：数据采集卡15采集到的沉降30min后的污泥层高度以SV₃₀表示，结合第一次采集到的污泥浓度值MLSS₁，假设该沉降柱的体积为Q，计算得到污泥容积指数SVI值：

$SVI=\frac{1000{\mathrm{SV}}_{30}}{Q\·{\mathrm{MLSS}}_1}$

②SSVI_3.5值：根据通过实验得到的普适性经验公式SSVI_3.5＝f(SVI)求得SSVI_3.5值，例如，一个较为普遍的公式如下：SSVI_3.5＝0.67SVI(3Q/10SV₃₀)^0.6。

③成层沉降速率V_ZS值：截取步骤5)得到的污泥沉降曲线上的第一个近似为直线的部分作为成层沉降阶段，在该部分上找到斜率最大的位置做切线，该切线的斜率就是成层沉降速率V_ZS值。

④压缩沉降速率V_CS值：截取步骤5)得到的污泥沉降曲线的第二个(也是最后一个)近似为直线的部分，取该部分的中点做切线，该切线的斜率就是压缩沉降速率V_CS值。

⑤压缩浓缩速率U_CS值：通过实验得到的普适性经验公式U_CS＝g(SVI)求得U_CS值，例如，一个较为普遍的公式如下：

U_CS＝(dX_s)/dt＝-15.593(SVI)^(-0.408)[-3.171ln(SVI)-1.8694]e^{([-3.171ln(SVI)-1.8694]/t)}/t²，

式中，X_s表示沉降柱底部的污泥浓度；e表示自然对数；t表示时间。

⑥极限污泥浓度X_∞值：通过实验得到的普适性经验公式X_∞＝h(SVI)求得X_∞值，例如，一个较为普遍的公式如下：

X_s＝15.593(SVI)^(-0 _. ⁴⁰⁸⁾e^{([-3.171ln(SVI)-1} _. ^8694]/t)+66.023(SVI)^(-0.428)

上式中，当t取值为无穷大时，得到的X_s即为X_∞值。

7)完成测定及关键参数的计算后，将样品混合液从排水管5排出；

8)再次利用抽水泵6向沉降柱1的上层腔室3中泵入清水，并启动曝气器9对上层腔室3进行清洗，清洗5min后将清水从排水管5排出。

上述实施例中，活性污泥沉降浓缩综合性能中的SSVI_3.5指的是3.5g/L的活性污泥在搅拌条件下(1-2rpm/min)的污泥容积指数，SVI值的测定易受污泥浓度的影响，3.5g/L是现行污水处理厂的污泥混合液普遍的浓度值，较能真实的反映实际运行中污泥的状态；低速搅拌能够减少边壁效应、短流和架桥作用的影响，因此采用SSVI_3.5作为日常测定的沉降参数，将为水厂运行人员和设计工程师提供更准确可靠的沉降性能数据。

活性污泥沉降浓缩综合性能中的V_CS、U_CS、X_∞值反映活性污泥的压缩和浓缩能力，其测定方法都处在实验室阶段，测定过程中既耗时又耗力，目前国内外并无其现场实时测定的方法。本发明中的装置能够实现实时的完全自动的测定活性污泥的沉降浓缩综合性能，输出的这些实时污泥沉降浓缩综合性能关键参数可用于指导污水处理厂高效稳定的运行；比如极限污泥浓度X_∞可以评估污泥浓缩的潜力，指导提高二沉池回流污泥浓度，降低回流泵能耗。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置，其特征在于：它包括一沉降柱，所述沉降柱包括一上层腔室和一下层腔室，在所述上层腔室的底部设置一排水管，在所述下层腔室中设置一抽水泵，所述抽水泵的进口与一贯穿所述下层腔室的侧壁的取样管连接，所述抽水泵的出口与一伸入所述上层腔室的管路连接；在所述下层腔室中设置一曝气器，所述曝气器通过一伸入所述上层腔室的气管连接一曝气头；在所述上层腔室的顶部设置一超声波信号发射传感器和一超声波信号接收传感器，在所述上层腔室的中部设置一红外光发射传感器和一红外光检测器。

2.如权利要求1所述的一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置，其特征在于：还包括一带有数据采集卡的微型计算机，所述数据采集卡分别与所述超声波信号发射传感器、超声波信号接收传感器、红外光发射传感器、红外光检测器电连接。

3.如权利要求1或2所述的一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置，其特征在于：在所述取样管和排水管上分别设置一阀门。

4.如权利要求1或2所述的一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置，其特征在于：所述沉降柱的材质为有机玻璃。

5.一种基于如权利要求1至4任一项所述的装置所实施的活性污泥沉降浓缩综合性能测定方法，包括以下步骤：

1)将取样管与曝气池的末端或二沉池的前端连接；

2)利用抽水泵将一定量的污泥混合液泵入沉降柱的上层腔室中；

3)启动曝气器，对所取的样品混合液进行曝气，使样品混合液混匀；

4)控制红外光发射传感器向样品混合液发射红外光，并实时采集及记录红外光检测器测得的样品混合液的污泥浓度值MLSS；与此同时，控制超声波信号发射传感器向样品混合液持续发射超声波，利用超声波信号接收传感器对经过污泥上表面反射回来的超声波信号进行接收，并记录发射与接收信号的时间间隔Δt，由下式求得不同时刻的污泥层高度：

H＝H₀-h＝H₀-1/2cΔt

式中，H表示污泥层高度；H₀表示沉降柱中液面的高度；h表示沉降柱中的液面到污泥上表面的距离；c表示超声波的传播速度；Δt表示超声波信号从发射到被接收的时间；

上述数据采集过程持续90min，每隔10s采集并计算出一个污泥层高度和污泥浓度值；

5)将步骤4)所获得的数据处理成污泥沉降曲线；

6)计算用于表征污泥沉降浓缩综合性能的关键参数。

6.如权利要求5所述的一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定方法，其特征在于：所述步骤6)中关键参数的计算方法如下：

①污泥容积指数SVI值：数据采集卡采集到的沉降30min后的污泥层高度以SV₃₀表示，结合第一次采集到的污泥浓度值MLSS₁以及沉降柱的体积Q，计算得到污泥容积指数SVI值：

$SVI=\frac{1000{\mathrm{SV}}_{30}}{Q\·{\mathrm{MLSS}}_1};$

②SSVI_3.5值：根据通过实验得到的普适性经验公式SSVI_3.5＝0.67SVI(3Q/10SV₃₀)^0.6求得SSVI_3.5值；

③成层沉降速率V_ZS值：截取步骤5)得到的污泥沉降曲线上的第一个近似为直线的部分作为成层沉降阶段，在该部分上找到斜率最大的位置做切线，该切线的斜率就是成层沉降速率V_ZS值；

④压缩沉降速率V_CS值：截取步骤5)得到的污泥沉降曲线的第二个近似为直线的部分，取该部分的中点做切线，该切线的斜率就是压缩沉降速率V_CS值；

⑤压缩浓缩速率U_CS值：通过实验得到的普适性经验公式求得U_CS值：

U_CS＝(dX_s)/dt＝-15.593(SVI)^(-0.408)[-3.171ln(SVI)-1.8694]e^{([-3.171ln(SVI)-1.8694]/t)}/t²，

式中，X_s表示沉降柱底部的污泥浓度；e表示自然对数；t表示时间；

⑥极限污泥浓度X_∞值：通过实验得到的普适性经验公式求得X_∞值：

X_s＝15.593(SVI)^(-0.408)e^{([-3.171ln(SVI)-1.8694]/t)}+66.023(SVI)^(-0.428)

上式中，当t取值为无穷大时，得到的X_s即为X_∞值。

7.如权利要求5或6所述的一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定方法，其特征在于：完成关键参数的测量后，将样品混合液通过排水管排出，然后利用抽水泵向沉降柱的上层腔室中泵入清水，并启动曝气器对上层腔室进行清洗，清洗5min后将清水从排水管排出。