CN107640824B - 一种基于our的污水毒性实时预警系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OUR的污水毒性实时预警系统，包括污水过滤器、污水泵、曝气池、曝气装置、2个密闭反应池、丝状菌生物凝胶、菌胶团生物凝胶、2个DO电极探头、PLC控制预警系统以及出水口，所述污水过滤器进水口与预处理系统和生化池连接管道上的取水口相连，所述污水泵两端分别与所述污水过滤器以及所述曝气池进水口连接，所述曝气池出水口与所有所述密闭反应池连接，所述丝状菌生物凝胶以及所述菌胶团生物凝胶分别放置在不同的所述密闭反应池内，每个所述密闭反应池内分别放置一个所述DO电极探头，所有所述DO电极探头均与所述PLC控制预警系统连接。本发明具有实时、多级预警，效果直观，预警迅速，运行稳定操作方便、高效经济的特点。

Description

一种基于OUR的污水毒性实时预警系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种基于OUR的污水毒性实时预警系统及其使用方法，属于污水处理活性污泥失衡实时预警技术领域。

背景技术

随着我国经济社会尤其是工业的发展，大量未经妥善处理的工业废水与生活污水混合排入城市污水处理厂，造成进水水质的波动，从而对处理工艺的稳定运行带来冲击。尤其是我国现有的城市污水处理厂广泛采用活性污泥法，活性污泥系统会因为污水中含有的有毒有害物质的冲击导致失衡失效，发生污泥膨胀，污泥解体等问题，因此对进水水质波动的实时预警就非常必要。常规的水质和污泥理化指标的检测费时耗力，预警不及时，不准确，而在线生物毒性检测技术能够快速监测分析污水厂的进水毒性和程度，有很好的研究和应用价值。

在线生物毒性检测技术用来监测毒性的生物分为个体水平（鱼类、蚤类、藻类）、微生物水平（发光细菌、硝化细菌）、亚细胞水平（酶、DNA）和微生物群落水平。传统的鱼类、蚤类、藻类生物毒性监测周期长，灵敏度不高，酶、DNA传感器检测精度高，但制备保存难、成本高，而利用微生物检测毒性易于保存培养，兼具酶作用过程，成本低实用性高，作为研究应用最为广泛的发光细菌和硝化细菌毒性监测，虽能一定程度反映水质的毒性，但是不能很好的反映其对污水处理厂中活性污泥的中毒情况。因此基于微生物群落水平的在线生物毒性检测技术的研究成为热点。

现在研究和应用比较广泛的是利用活性污泥系统的呼吸速率（OUR）表征活性污泥微生物群落的活性，通过对活性污泥OUR变化的测定分析就可以了解污水的生物毒性。但现有的基于OUR的污水毒性实时预警系统存在以下的不足和缺点：

（1）现有的OUR的生物毒性监测系统预警不全面，只能预警污水造成活性污泥系统的呼吸速率减少的情况，但水质的波动对污泥的影响不只是对污泥所有的微生物群落有抑制这种情况，还有可能导致活性污泥微生物的失衡。比如，污水的水质变化可能会促进丝状菌的过量繁殖，整个活性污泥系统的呼吸速率可能没变甚至增加，但活性污泥系统已经发生了膨胀，导致水质变差。

（2）现有的OUR的生物毒性监测系统从生化池取水，污水已经进入生化池，造成预警不及时。从生化池抽取污泥也会对活性污泥系统的形态，微生物活动造成一定的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有实时、多级预警，效果直观，预警迅速，运行稳定操作方便、高效经济的污水厂进水毒性实时预警装置及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于OUR的污水毒性实时预警系统，包括污水过滤器、污水泵、曝气池、曝气装置、2个密闭反应池、丝状菌生物凝胶、菌胶团生物凝胶、2个DO电极探头、PLC控制预警系统以及出水口，所述污水过滤器进水口与预处理系统和生化池连接管道上的取水口相连，所述污水泵一端与所述污水过滤器连接，另一端与所述曝气池进水口连接，所述曝气池内设有所述曝气装置，所述曝气池出水口与所有所述密闭反应池连接，所述丝状菌生物凝胶以及所述菌胶团生物凝胶分别放置在不同的所述密闭反应池内，每个所述密闭反应池内分别放置一个所述DO电极探头，所有所述DO电极探头均与所述PLC控制预警系统连接，所有所述密闭反应池的出水口与所述预处理系统连接。

所述丝状菌生物凝胶以及所述菌胶团生物凝胶采用包埋法将微生物包埋在混合有机载体形成的凝胶中，将制备好的丝状菌生物凝胶以及所述菌胶团生物凝胶用缓冲液润湿后分别置于不同的所述密闭反应池底部。

所述丝状菌生物凝胶以及所述菌胶团生物凝胶制备方法如下：

对污水处理厂中活性污泥中丝状菌/菌胶团进行富集培养、分离纯化和鉴定；

将培养好的1600-2000 mL的丝状菌/菌胶团悬浊液在5000-7500 r/min的转速下离心5-10 min，倒出上清液，然后加入6-10 mL pH7.0的缓冲液；

称量8-10 g聚乙烯醇，0.6-0.8g海藻酸钠，40-50 g CaCl₂以及1.0-1.4 g NaNO₃ ，加入50-60 mL无氨水，加热搅拌到完全溶解；

将冷却的混合液和丝状菌/菌胶团浓缩液按1:1体积混合，倒入模具中避光静置1-1.5 h，把膜取出用无氨水清洗两次，即可。

所述丝状菌包括微丝菌、诺卡氏菌、Type0041、Type0092、Type021N型，所述菌胶团包括生枝动胶菌、蜡状芽孢杆菌、黄杆菌属、放线形诺卡氏菌、中间埃希氏菌、假单胞菌属、酵母菌。

一种基于OUR的污水毒性实时预警系统使用方法，包括以下步骤：

启动所述污水泵，从预处理系统和生化池连接管道上的取水口抽取经过预处理即将进入生化池的污水，污水先经过所述污水过滤器，用于去除污水中含有的杂质，然后进入所述曝气池内，对污水进行预曝气，用于消除污水中的溶解氧变化对丝状菌和菌胶团的呼吸速率的影响；

经过预曝气的污水从所述曝气池的出口进入不同的所述密闭反应池，当达到预设的污水量时，关闭所有所述密闭反应池的进口，将制备好的所述丝状菌生物凝胶以及所述菌胶团生物凝胶分别置于不同的所述密闭反应池底部，丝状菌/菌胶团利用污水中的DO和营养物进行代谢呼吸作用；

设置在每个所述密闭反应池内的所述DO电极探头将在反应开始和反应结束时测得的DO值D₀和D₁的数据传输给所述PLC控制预警系统，所述PLC控制预警系统根据预设的控制程序计算出丝状菌以及菌胶团的呼吸速率进行实时比较分析，判断是否报警和报警的级别。

所述PLC控制预警系统预设的控制程序具体步骤为：

（1）将所述DO电极探头测得的DO数据，根据预设的公式，OUR=D₀-D₁/T，其中OUR为微生物在时间T内的呼吸速率，分别计算出丝状菌和菌胶团的呼吸速率OUR₁和OUR₂；

（2）根据前期实验，设定进入正常污水时丝状菌的正常呼吸速率为OURs，菌胶团的正常呼吸速率为OUR_J ，根据公式计算丝状菌/菌胶团的实时呼吸速率的抑制率 Ps 和 P_J ，其中负数代表促进率，其公式分别为 Ps=OURs-OUR₁/ OURs，P_J=OUR_J-OUR₂ /OUR_J；

（3）根据对丝状菌/菌胶团呼吸速率和其抑制率的比较和分析，设置下列预警级别：

a.当 | Ps |＜10% ，| P_J |＜10% ，不报警，说明此时污水厂的进水没有波动；

b.当 Ps＞35% ，P_J＞35% ，发出报警一，说明污水中生物毒性很强，对活性污泥会带来破坏性冲击，应立即停止污水进入生化反应池，避免造成活性污泥系统的崩溃；

c.当 Ps＜﹣10% ，P_J＜﹣10% ，发出报警二，说明污水负荷过高，需要增加曝气量或者延长污水在生化池的停留时间；

d.除a、b、c的其他情况下，当Ps－P_J ＞25% ，发出报警三，说明污水对丝状菌的抑制更强，活性污泥中的菌胶团会占据优势，导致活性污泥松散脆弱，絮体易破碎形成针状絮凝体污泥或发生非丝状菌膨胀，处理水质不达标，需分析原因改变相关运行工艺，投加药剂来解决问题；

e.除a、b、c的其他情况下，当P_J－Ps ＞25% ，发出报警四，说明污水对菌胶团的抑制更强，活性污泥中的丝状菌会占据优势，导致活性污泥膨胀，絮体沉降性能变差，处理水质不达标，需分析原因改变相关运行工艺，投加絮凝剂和药剂来解决问题；

f.当 | Ps－P_J | ＜25% ，发出报警五，污水对丝状菌和菌胶团的呼吸速率有一定影响，对丝状菌和菌胶团的平衡有一定影响，需要密切关注防止情况恶化。

本发明所达到的有益效果：

1. 污水水质的波动主要是对活性污泥系统的冲击，利用DO电极和PLC系统实时监测丝状菌和菌胶团的呼吸速率变化，通过分析研究判断是否报警，具有效果直观、预警迅速、运行稳定、操作方便、高效经济的优点；

2. 相比现有的对整个活性污泥系统的呼吸速率的监测，可以更加直观真实的反映污水厂进水对活性污泥系统的影响，更好预警污泥失衡和失效的情况；

3. 本设备用污水泵从预处理系统和生化池连接管道的取水口抽取经过预处理即将进入生化池的污水，及时预警可以避免毒性污水进入生化池破坏活性污泥系统。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于OUR的污水毒性实时预警系统，包括污水过滤器1、污水泵2、曝气池3、曝气管道4、曝气机5、2个密闭反应池6、丝状菌生物凝胶7、菌胶团生物凝胶8、2个DO电极探头9、PLC控制预警系统10以及出水口11，污水过滤器1进水口与预处理系统和生化池连接管道上的取水口相连，污水泵2一端与污水过滤器1连接，另一端与曝气池3进水口连接，曝气池3内设有曝气管道4，曝气池3出水口与2个密闭反应池6连接，丝状菌生物凝胶7以及菌胶团生物凝胶8分别放置在不同的密闭反应池6内，每个密闭反应池6内分别放置一个DO电极探头9，所有DO电极探头9均与PLC控制预警系统10连接，所有密闭反应池10的出水口11与预处理系统连接。

丝状菌生物凝胶7以及菌胶团生物凝胶8采用包埋法将微生物包埋在混合有机载体形成的凝胶中，将制备好的丝状菌生物凝胶7以及菌胶团生物凝胶8用缓冲液润湿后分别置于不同的密闭反应池6底部。

丝状菌包括微丝菌、诺卡氏菌、Type0041、Type0092、Type021N型，菌胶团包括生枝动胶菌、蜡状芽孢杆菌、黄杆菌属、放线形诺卡氏菌、中间埃希氏菌、假单胞菌属、酵母菌。

丝状菌生物凝胶7以及菌胶团生物凝胶8制备方法如下：

对污水处理厂中活性污泥中丝状菌/菌胶团进行富集培养、分离纯化和鉴定；

将培养好的1600-2000 mL的丝状菌/菌胶团悬浊液在5000-7500 r/min的转速下离心5-10 min，倒出上清液，然后加入6-10 mL pH7.0的缓冲液；

称量8-10 g聚乙烯醇，0.6-0.8g海藻酸钠，40-50 g CaCl₂以及1.0-1.4 g NaNO₃ ，加入50-60 mL无氨水，加热搅拌到完全溶解；

将冷却的混合液和丝状菌/菌胶团浓缩液按1:1体积混合，倒入模具中避光静置1-1.5 h，把膜取出用无氨水清洗两次，即可。

本发明使用方法如下，包括以下步骤：

启动污水泵2，从预处理系统和生化池连接管道上的取水口抽取经过预处理即将进入生化池的污水，污水先经过污水过滤器1，用于去除污水中含有的杂质，然后进入曝气池3内，对污水进行预曝气，用于消除污水中的溶解氧变化对丝状菌和菌胶团的呼吸速率的影响；

经过预曝气的污水从曝气池3的出口进入2个密闭反应池6内，当达到预设的污水量时，关闭所有密闭反应池6的进口，将制备好的丝状菌生物凝胶7以及菌胶团生物凝胶8分别置于不同的密闭反应池6底部，丝状菌/菌胶团利用污水中的DO和营养物进行代谢呼吸作用；

设置在每个密闭反应池6内的DO电极探头9将在反应开始和反应结束时测得的DO值D₀和D₁的数据传输给PLC控制预警系统10，PLC控制预警系统10根据预设的控制程序计算出丝状菌以及菌胶团的呼吸速率进行实时比较分析，判断是否报警和报警的级别。

PLC控制预警系统10预设的控制程序具体步骤为：

（1）将DO电极探头测得的DO数据，根据预设的公式，OUR=D₀-D₁/T，其中OUR为微生物在时间T内的呼吸速率，分别计算出丝状菌和菌胶团的呼吸速率OUR₁和OUR₂；

（2）根据前期实验，设定进入正常污水时丝状菌的正常呼吸速率为OURs，菌胶团的正常呼吸速率为OUR_J ，根据公式计算丝状菌/菌胶团的实时呼吸速率的抑制率 Ps 和 P_J ，其中负数代表促进率，其公式分别为 Ps=OURs-OUR₁/ OURs，P_J=OUR_J-OUR₂ /OUR_J；

（3）根据对丝状菌/菌胶团呼吸速率和其抑制率的比较和分析，设置下列预警级别：

a.当 | Ps |＜10% ，| P_J |＜10% ，不报警，说明此时污水厂的进水没有波动；

b.当 Ps＞35% ，P_J＞35% ，发出报警一，说明污水中生物毒性很强，对活性污泥会带来破坏性冲击，应立即停止污水进入生化反应池，避免造成活性污泥系统的崩溃；

c.当 Ps＜﹣10% ，P_J＜﹣10% ，发出报警二，说明污水负荷过高，需要增加曝气量或者延长污水在生化池的停留时间；

d.除a、b、c的其他情况下，当Ps－P_J ＞25% ，发出报警三，说明污水对丝状菌的抑制更强，活性污泥中的菌胶团会占据优势，导致活性污泥松散脆弱，絮体易破碎形成针状絮凝体污泥或发生非丝状菌膨胀，处理水质不达标，需分析原因改变相关运行工艺，投加药剂来解决问题；

e.除a、b、c的其他情况下，当P_J－Ps ＞25% ，发出报警四，说明污水对菌胶团的抑制更强，活性污泥中的丝状菌会占据优势，导致活性污泥膨胀，絮体沉降性能变差，处理水质不达标，需分析原因改变相关运行工艺，投加絮凝剂和药剂来解决问题；

f.当 | Ps－P_J | ＜25% ，发出报警五，污水对丝状菌和菌胶团的呼吸速率有一定影响，对丝状菌和菌胶团的平衡有一定影响，需要密切关注防止情况恶化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于OUR的污水毒性实时预警系统，其特征是，包括污水过滤器（1）、污水泵（2）、曝气池（3）、曝气装置、2个密闭反应池（6）、丝状菌生物凝胶（7）、菌胶团生物凝胶（8）、2个DO电极探头（9）、PLC控制预警系统（10）以及出水口（11），所述污水过滤器（1）进水口与预处理系统和生化池连接管道上的取水口相连，所述污水泵（2）一端与所述污水过滤器（1）连接，另一端与所述曝气池（3）进水口连接，所述曝气池（3）内设有所述曝气装置，所述曝气池（3）出水口与所有所述密闭反应池（10）连接，所述丝状菌生物凝胶（7）以及所述菌胶团生物凝胶（8）分别放置在不同的所述密闭反应池（6）内，每个所述密闭反应池（6）内分别放置一个所述DO电极探头（9），所有所述DO电极探头（9）均与所述PLC控制预警系统（10）连接，所有所述密闭反应池（6）的出水口（11）与所述预处理系统连接；

所述丝状菌生物凝胶（7）以及所述菌胶团生物凝胶（8）制备方法如下：

对污水处理厂中活性污泥中丝状菌/菌胶团进行富集培养、分离纯化和鉴定；

将培养好的1600-2000 mL的丝状菌/菌胶团悬浊液在5000-7500 r/min的转速下离心5-10 min，倒出上清液，然后加入6-10 mL pH7.0的缓冲液；

称量8-10 g聚乙烯醇，0.6-0.8g海藻酸钠，40-50 g CaCl₂以及1.0-1.4 g NaNO₃ ，加入50-60 mL无氨水，加热搅拌到完全溶解；

将冷却的混合液和丝状菌/菌胶团浓缩液按1:1体积混合，倒入模具中避光静置1 -1.5h，把膜取出用无氨水清洗两次，即可；

将制备好的丝状菌生物凝胶（7）以及所述菌胶团生物凝胶（8）用缓冲液润湿后分别置于不同的所述密闭反应池（6）底部。

2.根据权利要求1所述的一种基于OUR的污水毒性实时预警系统，其特征是，所述丝状菌包括微丝菌、诺卡氏菌、Type0041、Type0092、Type021N型，所述菌胶团包括生枝动胶菌、蜡状芽孢杆菌、黄杆菌属、放线形诺卡氏菌、中间埃希氏菌、假单胞菌属、酵母菌。

3.根据权利要求1所述的一种基于OUR的污水毒性实时预警系统使用方法，其特征是，包括以下步骤：

启动所述污水泵（2），从预处理系统和生化池连接管道上的取水口抽取经过预处理即将进入生化池的污水，污水先经过所述污水过滤器（1），用于去除污水中含有的杂质，然后进入所述曝气池（3）内，对污水进行预曝气，用于消除污水中的溶解氧变化对丝状菌和菌胶团的呼吸速率的影响；

经过预曝气的污水从所述曝气池（3）的出口进入不同的所述密闭反应池（6），当达到预设的污水量时，关闭所有所述密闭反应池（6）的进口，将制备好的所述丝状菌生物凝胶（7）以及所述菌胶团生物凝胶（8）分别置于不同的所述密闭反应池（6）底部，丝状菌/菌胶团利用污水中的DO和营养物进行代谢呼吸作用；

设置在每个所述密闭反应池（6）内的所述DO电极探头（9）将在反应开始和反应结束时测得的DO值D₀和D₁的数据传输给所述PLC控制预警系统（10），所述PLC控制预警系统（10）根据预设的控制程序计算出丝状菌以及菌胶团的呼吸速率进行实时比较分析，判断是否报警和报警的级别；

将2个所述密闭反应池（6）出水口（10）打开，将污水回流至所述预处理系统中。

4.根据权利要求3所述的一种基于OUR的污水毒性实时预警系统使用方法，其特征是，所述PLC控制预警系统（10）预设的控制程序具体步骤为：

将所述DO电极探头测得的DO数据，根据预设的公式，OUR =（D₀ - D₁）/ T，其中OUR为微生物在时间T内的呼吸速率，分别计算出丝状菌和菌胶团的呼吸速率OUR₁和OUR₂；

根据前期实验，设定进入正常污水时丝状菌的正常呼吸速率为OURs，菌胶团的正常呼吸速率为OUR_J ，根据公式计算丝状菌/菌胶团的实时呼吸速率的抑制率 Ps 和 P_J ，其中负数代表促进率，其公式分别为 Ps=（OURs-OUR₁）/ OURs，P_J=（OUR_J-OUR₂ ）/OUR_J；

根据对丝状菌/菌胶团呼吸速率和其抑制率的比较和分析，设置下列预警级别：

a.当 | Ps |＜10% ，| P_J |＜10% ，不报警，说明此时污水厂的进水没有波动；

b.当 Ps＞35% ，P_J＞35% ，发出报警一，说明污水中生物毒性很强，对活性污泥会带来破坏性冲击，应立即停止污水进入生化反应池，避免造成活性污泥系统的崩溃；

c.当 Ps＜﹣10% ，P_J＜﹣10% ，发出报警二，说明污水负荷过高，需要增加曝气量或者延长污水在生化池的停留时间；

d.除a、b、c的其他情况下，当Ps－P_J ＞25% ，发出报警三，说明污水对丝状菌的抑制更强，活性污泥中的菌胶团会占据优势，导致活性污泥松散脆弱，絮体易破碎形成针状絮凝体污泥或发生非丝状菌膨胀，处理水质不达标，需分析原因改变相关运行工艺，投加药剂来解决问题；

e.除a、b、c的其他情况下，当P_J－Ps ＞25% ，发出报警四，说明污水对菌胶团的抑制更强，活性污泥中的丝状菌会占据优势，导致活性污泥膨胀，絮体沉降性能变差，处理水质不达标，需分析原因改变相关运行工艺，投加絮凝剂和药剂来解决问题；

f.当 | Ps－P_J | ＜25% ，发出报警五，污水对丝状菌和菌胶团的呼吸速率有一定影响，对丝状菌和菌胶团的平衡有一定影响，需要密切关注防止情况恶化。

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