CN107416969B - 一种在线自动调控pH的生物反应器及其调控方法 - Google Patents

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Abstract

一种在线自动调控pH的生物反应器，包括数据采集调控器、碱储罐、酸储罐、调试罐和生物反应罐，所述数据采集调控器包括pH采集单元、液位采集单元和电磁阀与蠕动泵调控单元，碱储罐和酸储罐通过带电磁阀管路与调试罐和生物反应罐连接，调试罐的进液口通过带蠕动泵的管路与生物反应罐连接，出液口通过带电磁阀的管路与生物反应罐连接，调试罐设有pH计和液位计，生物反应罐设有出气口、搅拌器和液位计，pH计与pH采集单元连接，液位计与液位采集单元连接，电磁阀、蠕动泵同电磁阀与蠕动泵调控单元连接，本发明能够及时有效地实现反应器内pH的在线调控，避免高浓度酸碱试剂对微生物活性的局部冲击，有利于实现反应器的长期高效稳定运行。

Description

一种在线自动调控pH的生物反应器及其调控方法
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及生物反应器，特别涉及一种在线自动调控pH的生物反应器及其调控方法。
背景技术
生物处理方法经济成本低，环保效益高，对于解决环境问题具有重要意义。针对不同的生物反应类型，相应的生物反应器也多种多样。然而，对于产酸或产碱的生物反应，生物反应器内酸碱极易失衡，进而导致微生物活性抑制，影响生物反应器的长期高效稳定运行。以厌氧消化反应为例：通过厌氧消化能够将废弃的污泥或其它种类的有机质转化生成甲烷等能源气体，降低污染物的同时实现产能发电，是一种应用前景广阔的生物处理工艺；然而，厌氧消化过程中挥发性有机酸(VFA)的积累，容易导致厌氧消化反应器内pH的下降，当pH低于6.4时，产甲烷菌活性受到抑制。以厌氧氨氧化为例：通过厌氧氨氧化能够将氨氮和亚硝氮转化生产氮气，去除污染物的同时无需外加有机碳源，是实现污水处理厂能源自给的重要途径；然而，厌氧氨氧化过程中pH的升高，容易导致反应器内游离氨增加，进而抑制厌氧氨氧化菌的活性。因此，针对此类生物反应在实际工业应用时存在的酸碱失衡问题，开发相应的在线自动调控pH的生物反应器显得十分必要。
然而，由于生物反应体系内往往存在缓冲物质，使得pH检测后通过计算所得酸碱试剂投加量与实际所需投加量相差甚远；常常存在超调再回调，多次调节的问题；其中，对于厌氧生物反应体系，相应的pH调控更加繁琐且不易实施。因此，常规的pH调控系统难以实现生物反应体系内pH的在线调控。此外，酸碱试剂的投加，稀释了生物反应器内污染物的浓度，需要进行校正才能得出准确值；同时，对于生物反应体系，酸碱试剂的投加需避免对微生物的局部冲击。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在线自动调控pH的生物反应器及其调控方法，能够及时有效地实现反应器内pH的在线调控，避免反应器内酸碱剧变导致微生物活性抑制，同时避免高浓度酸碱试剂对微生物活性的局部冲击，有利于实现生物反应器长期高效稳定运行；能够避免反应器内缓冲体系的干扰，调控准确，简单易控；提供生物反应器内污染物浓度校正系数，准确定量生物反应器内污染物浓度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种在线自动调控pH的生物反应器，包括数据采集调控器、碱储罐、酸储罐、调试罐和生物反应罐，所述数据采集调控器包括pH采集单元、液位采集单元和电磁阀与蠕动泵调控单元，所述碱储罐通过带电磁阀一的管路与调试罐连接，通过带电磁阀二的管路与生物反应罐连接，所述酸储罐通过带电磁阀三的管路与调试罐连接，通过带电磁阀四的管路与生物反应罐连接，所述调试罐的进液口通过带蠕动泵的管路与生物反应罐连接，出液口通过带电磁阀五的管路与生物反应罐连接，所述调试罐设有搅拌器一、pH计和液位计一，所述生物反应罐设有出气口、搅拌器二和液位计二，所述pH计与所述pH采集单元连接，所述液位计一和液位计二与所述液位采集单元连接，所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五以及蠕动泵与所述电磁阀与蠕动泵调控单元连接。
进一步，所述碱储罐和酸储罐同生物反应罐连接管路的底部设有微孔布水器。
进一步，所述生物反应罐可以为厌氧生物反应罐或好氧生物反应罐。
进一步，在厌氧条件下，所述生物反应罐的构筑物类型为完全混合式厌氧反应器(CSTR)、厌氧膜生物反应器(AnMBR)、升流式厌氧污泥床(UASB)反应器或其它厌氧生物反应器；在好氧条件下，所述生物反应罐的构筑物类型为气升式内环流反应器(ILAR)、序批式反应器(SBR)、高效好氧生物反应器(HCR)或其它好氧生物反应器。
进一步，若所述生物反应罐是厌氧生物反应罐，则所述调试罐上设置呼吸袋，且呼吸袋最大膨胀体积与调试罐体积相同。若所述生物反应罐是好氧生物反应罐，且所述调试罐上不设置呼吸袋。
进一步，所述调试罐较优的体积范围为0.020-20L。
进一步，利用所述在线自动调控pH的生物反应器的调控方法，包括：
通过数据采集调控器的人机界面输入pH调控目标值pHobj；设定固定间隔时间t，电磁阀与蠕动泵调控单元开启蠕动泵将生物反应罐中的反应液泵入调试罐，通过液位计一读取反应液体积V1；
若pH计测定值pHmt等于pHobj，不添加酸碱试剂，直接打开电磁阀五，将反应液回注至生物反应罐；
若pHmt小于pHobj，间歇开启电磁阀一，间歇多次投加碱试剂，直至pHmt等于pHobj，停止投加，通过液位计一读取体积V2，通过液位计二读取生物反应罐反应液体积V3，计算调节生物反应罐至pHobj所需投加碱试剂体积为(V2-V1)V3/V1；
若pHmt大于pHobj，间歇开启电磁阀三，间歇多次投加酸试剂，直至pHmt等于pHobj，停止投加，通过液位计一读取体积V2，通过液位计二读取生物反应罐反应液体积V3，计算调节生物反应罐至pHobj所需投加酸试剂体积为(V2-V1)V3/V1；
根据计算结果，打开电磁阀二和电磁阀四，向生物反应罐投加碱或酸试剂，pH调控完毕，打开电磁阀五，将调试罐内调液体回注至生物反应罐。
当pH调控完毕，生物反应罐内的污染物浓度C0降至kC0；其中，浓度校正系数k等于V1/V2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
①能够及时有效地在线调控反应器内pH，避免反应器内酸碱剧变抑制微生物活性，同时避免高浓度酸碱试剂对微生物活性的局部冲击，有利于实现生物反应长期高效稳定运行；
②能够避免反应器内缓冲体系干扰，调控准确，简单易控；
③每次pH调控后，提供生物反应器内污染物浓度校正系数，准确定量生物反应器内污染物浓度。
附图说明
图1是本发明结构示意图；图中：数据采集调控器1、碱储罐2、酸储罐3、调试罐4、生物反应罐5、pH采集单元11、液位采集单元12、电磁阀与蠕动泵调控单元13、电磁阀一21、电磁阀二22、微孔布水器23、电磁阀三31、电磁阀四32、呼吸袋41、搅拌器一42、pH计43、液位计一44、蠕动泵45、电磁阀五46、出气口51、搅拌器二52、液位计二53。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1，一种在线自动调控pH的生物反应器，包括数据采集调控器1、碱储罐2、酸储罐3、调试罐4和生物反应罐5，调试罐4体积范围0.020-20L，生物反应罐5可以为厌氧生物反应罐或好氧生物反应罐。其中，数据采集调控器1包括pH采集单元11、液位采集单元12和电磁阀与蠕动泵调控单元13，碱储罐2通过带电磁阀一21的管路与调试罐4连接，通过带电磁阀二22的管路与生物反应罐5连接。酸储罐3通过带电磁阀三31的管路与调试罐4连接，通过带电磁阀四32的管路与生物反应罐5连接。调试罐4的进液口通过带蠕动泵45的管路与生物反应罐5连接，出液口通过带电磁阀五46的的管路与生物反应罐5连接，调试罐4设有搅拌器一42、pH计43和液位计一44，生物反应罐5设有出气口51、搅拌器二52和液位计二53，pH计43与pH采集单元11连接，液位计一44和液位计二53与液位采集单元12连接，电磁阀一21、电磁阀二22、电磁阀三31、电磁阀四32、电磁阀五46以及蠕动泵45与电磁阀与蠕动泵调控单元13连接。
进一步，所述碱储罐2和酸储罐3同生物反应罐5连接管路的底部设有微孔布水器23。
进一步，在厌氧条件下，生物反应罐5的构筑物类型可以为完全混合式厌氧反应器(CSTR)、厌氧膜生物反应器(AnMBR)、升流式厌氧污泥床(UASB)反应器或其它厌氧生物反应器；在好氧条件下，生物反应罐5的构筑物类型可以为气升式内环流反应器(ILAR)、序批式反应器(SBR)、高效好氧生物反应器(HCR)或其它好氧生物反应器。
进一步，若所述生物反应罐5是厌氧生物反应罐，则调试罐4上设置呼吸袋41，且呼吸袋41最大膨胀体积与调试罐4体积相同；若所述生物反应罐5是好氧生物反应罐，则调试罐4上不设置呼吸袋41。
进一步，利用上述在线自动调控pH的生物反应器的调控方法如下：
通过数据采集调控器1的人机界面输入pH调控目标值pHobj；设定固定间隔时间t，电磁阀与蠕动泵调控单元13开启蠕动泵45将生物反应罐5中的反应液泵入调试罐4，通过液位计一44读取反应液体积V1；
若pH计43测定值pHmt等于pHobj，不添加酸碱试剂，直接打开电磁阀五46，将反应液回注至生物反应罐5；
若pHmt小于pHobj，间歇开启电磁阀一21，间歇多次投加碱试剂，直至pHmt等于pHobj，停止投加，通过液位计一44读取体积V2，通过液位计二53读取生物反应罐5反应液体积V3，计算调节生物反应罐5至pHobj所需投加碱试剂体积为(V2-V1)V3/V1；
若pHmt大于pHobj，间歇开启电磁阀三31，间歇多次投加酸试剂，直至pHmt等于pHobj，停止投加，通过液位计一44读取体积V2，通过液位计二53读取生物反应罐5反应液体积V3，计算调节生物反应罐5至pHobj所需投加酸试剂体积为(V2-V1)V3/V1；
根据计算结果，打开电磁阀二22和电磁阀四32，向生物反应罐5投加碱或酸试剂，pH调控完毕，打开电磁阀五46，将调试罐4内调液体回注至生物反应罐5。
当pH调控完毕，生物反应罐5内的污染物浓度C0降至kC0；其中，k为浓度校正系数，k＝V1/V2。

Claims (3)

1.一种在线自动调控pH的生物反应器，其特征在于，包括数据采集调控器（1）、碱储罐（2）、酸储罐（3）、调试罐（4）和生物反应罐（5），所述数据采集调控器（1）包括pH采集单元（11）、液位采集单元（12）和电磁阀与蠕动泵调控单元（13），所述碱储罐（2）通过带电磁阀一（21）的管路与调试罐（4）连接，通过带电磁阀二（22）的管路与生物反应罐（5）连接，所述酸储罐（3）通过带电磁阀三（31）的管路与调试罐（4）连接，通过带电磁阀四（32）的管路与生物反应罐（5）连接，所述调试罐（4）的进液口通过带蠕动泵（45）的管路与生物反应罐（5）连接，出液口通过带电磁阀五（46）的管路与生物反应罐（5）连接，所述调试罐（4）设有搅拌器一（42）、pH计（43）和液位计一（44），所述生物反应罐（5）设有出气口（51）、搅拌器二（52）和液位计二（53），所述pH计（43）与所述pH采集单元（11）连接，所述液位计一（44）和液位计二（53）与所述液位采集单元（12）连接，所述电磁阀一（21）、电磁阀二（22）、电磁阀三（31）、电磁阀四（32）、电磁阀五（46）以及蠕动泵（45）与所述电磁阀与蠕动泵调控单元（13）连接；
所述碱储罐（2）和酸储罐（3）同生物反应罐（5）连接管路的底部设有微孔布水器（23）；
所述生物反应罐（5）为厌氧生物反应罐或好氧生物反应罐；
在厌氧条件下，所述生物反应罐（5）的构筑物类型为完全混合式厌氧反应器、厌氧膜生物反应器或升流式厌氧污泥床反应器；在好氧条件下，所述生物反应罐（5）的构筑物类型为气升式内环流反应器、序批式反应器或高效好氧生物反应器；
若所述生物反应罐（5）是厌氧生物反应罐，则所述调试罐（4）上设置呼吸袋（41），且呼吸袋（41）最大膨胀体积与调试罐（4）体积相同。
2.根据权利要求1所述在线自动调控pH的生物反应器，其特征在于，所述调试罐（4）较优的体积范围为0.020-20L。
3.权利要求1所述在线自动调控pH的生物反应器的调控方法，其特征在于，包括：
通过数据采集调控器（1）的人机界面输入pH调控目标值pHobj；设定固定间隔时间t，电磁阀与蠕动泵调控单元（13）开启蠕动泵（45）将生物反应罐（5）中的反应液泵入调试罐（4），通过液位计一（44）读取反应液体积V1；
若pH计（43）测定值pHmt等于pHobj，不添加酸碱试剂，直接打开电磁阀五（46），将反应液回注至生物反应罐（5）；
若pHmt小于pHobj，间歇开启电磁阀一（21），间歇多次投加碱试剂，直至pHmt等于pHobj，停止投加，通过液位计一（44）读取体积V2，通过液位计二（53）读取生物反应罐（5）反应液体积V3，计算调节生物反应罐（5）至pHobj所需投加碱试剂体积为(V2-V1)V3/V1；
若pHmt大于pHobj，间歇开启电磁阀三（31），间歇多次投加酸试剂，直至pHmt等于pHobj，停止投加，通过液位计一（44）读取体积V2，通过液位计二（53）读取生物反应罐（5）反应液体积V3，计算调节生物反应罐（5）至pHobj所需投加酸试剂体积为(V2-V1)V3/V1；
根据计算结果，打开电磁阀二（22）和电磁阀四（32），向生物反应罐（5）投加碱或酸试剂，pH调控完毕，打开电磁阀五（46），将调试罐（4）内调液体回注至生物反应罐（5）；
当pH调控完毕，生物反应罐（5）内的污染物浓度C0降至kC0；其中，k为浓度校正系数，k=V1/V2。
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