CN109502744A - 一种多功能污水处理动力学实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能污水处理动力学实验装置与方法，包括氮气瓶、空气曝气机、阀门a、阀门b、转子流量计、进气管、取样管、温度计、排气管、转子、磁力搅拌器、水封、恒温箱和反应容器，所述反应容器置于磁力搅拌器上，反应容器里面放置有转子，磁力搅拌器驱动反应容器中的转子进行搅拌，转速可调，范围在0‑1500转/min之间；所述反应容器采用500mL无色或棕色广口瓶，瓶口采用10号橡胶塞密封；本发明可根据实验要求，灵活控制实验条件，对多种污水处理微生物动力学反应进行测定，实现多功能化；实验条件可通过调节阀门、旋钮或按钮来控制，操作简单，便于控制；充分考虑环境因素对动力学实验的影响，实验误差小。

Description

一种多功能污水处理动力学实验装置与方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体是一种多功能污水处理动力学实验装置与方法。

背景技术

动力学实验研究方法是通过实验测定和数据处理以获得表征动力学或表观动力学模型及模型参数的方法。动力学实验最早是应用在化学反应工程中，在化学反应工程的发展过程中，为满足反应过程开发和反应器设计的需要，建立了多种动力学实验研究方法。而后将动力学实验应用在水处理方向。

在污水处理的研究中，常常会考察各种反应的污染物质去除或者毒性物质抑制的反应动力学，比如，吸附动力学、基质降解动力学、毒性物质抑制动力学等。那么在研究反应动力学过程中，就需要通过批次实验进行考察。目前，由于各个反应的原理和条件不同，在进行动力学实验过程中采用的实验装置也不尽相同，甚至在同一种类型的动力学实验中所采用的实验装置也不相同。比如在吸附动力学的研究中，有采用烧杯的，有采用锥形瓶的，也有采用血清瓶的，等等；另外，在硝化等过程中基质降解是有氧条件——需要曝空气，而在反硝化等过程中基质降解是厌氧条件——需要曝氮气等。而且动力学实验很容易受到外界条件的影响，采用不同的实验装置会对实验结果产生一定影响，从而造成实验结果偏离较大。

针对上述问题，本发明能够根据不同反应动力学实验所需要的条件进行控制，可分别测定吸附动力学、基质降解动力学、毒性物质抑制动力学等，本发明可应用于教学和科研研究中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能污水处理动力学实验装置与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多功能污水处理动力学实验装置，包括氮气瓶、空气曝气机、阀门a、阀门b、转子流量计、进气管、取样管、温度计、排气管、转子、磁力搅拌器、水封、恒温箱和反应容器，所述反应容器置于磁力搅拌器上，反应容器里面放置有转子，磁力搅拌器驱动反应容器中的转子进行搅拌，转速可调，范围在0-1500转/min之间；所述反应容器采用500mL无色或棕色广口瓶，瓶口采用10号橡胶塞密封，该橡皮塞开有四个孔且分别插有取样管、进气管、温度计和排气管，取样管插入至离广口瓶口三分之一处，取水样时反应器需停止曝气和搅拌，静置1-3min，防止将泥样吸出；进气管插入至离广口瓶口三分之二处，进气管上安装有转子流量计，且进气管的进气端分别通过两根分支管道连接有氮气瓶和空气曝气机，且该两根分支管道上分别安装有阀门a3和阀门b4；可根据实验需要调节阀门a3和阀门b4，选择曝空气还是氮气，曝气量可通过转子流量计控制，曝气可对瓶中的水样起到搅拌作用；所述排气管一头置于液面上方，向广口瓶内的橡皮塞伸出0.5cm，另一头置于水封中，水封的作用是在静置取样时防止空气进入反应容器中，影响实验结果；温度计可测定反应容器中的水样温度，确定动力学实验反应温度是否恒定；所述反应容器、磁力搅拌器和水封均置于恒温箱内。

进一步的，动力学实验反应温度通过恒温箱控制，可根据需要将反应温度控制在0-50℃。

一种多功能污水处理动力学实验方法，包括以下步骤：

(1)污泥的量取：取一定量的污泥，依次采用自来水、纯净水和磷酸缓冲盐溶液各洗3次以去除污泥中残留的杂质，然后进行浓缩，测定浓缩后的污泥浓度(MLSS)；

(2)配制一定浓度的反应溶液：通过计算确定所需各种药品的重量，采用分析天平称取各种所需药品并用蒸馏水溶解，根据试验要求采用盐酸和氢氧化钠调节溶液pH，容量瓶定容；

(3)反应预热：根据实验要求，设置恒温箱的温度，将计算好了量的反应溶液加入反应容器中，开启搅拌器并调节转速，一定时间后，溶液温度稳定至设定温度；

(4)曝气的调节：通过转子流量计调节曝气量至合适水平；

(5)动力学反应及测定：将取好的预热至设定温度的污泥和反应溶液加入至广口瓶中，维持设置好的曝气量、搅拌转速和温度，进行动力学反应。每间隔一定时间，采用10mL注射器通过取样口取水样，进行水质分析。

进一步的，步骤(4)中根据动力学反应是在厌氧条件下还是好氧条件下，通过阀门a和阀门b进行调节，厌氧反应打开阀门a关闭阀门b曝氮气，好氧反应打开阀门b关闭阀门a曝氧气，厌氧反应需要提前曝气30min以脱氧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明充分考虑了以下问题，一是装置是否需要曝气，曝空气还是氮气，曝气主要涉及的是反应条件是好氧还是厌氧状态，硝化反应的基质降解是好氧反应，需要曝空气，厌氧氨氧化反应的基质降解是厌氧反应，动力学反应开始前需要提前30min曝氮气用以脱氧以及维持无氧状态；二是曝气流量的控制问题，反应过程中需要设定合适的曝气量，例如如好氧颗粒污泥硝化反应基质降解动力学中，曝空气量太小会导致硝化不完全，曝气量太大则会导致颗粒污泥破碎，导致动力学实验误差增大；三是搅拌转速控制问题，搅拌转速太小会导致搅拌不充分，搅拌转速太大也会导致颗粒污泥破碎；四是温度控制的问题，在动力学实验中，常会测定温度对动力学的影响，通过恒温控制箱可按要求调节实验温度并维持恒定；五是如何取样的问题，取水样时，需将曝气以及搅拌均停止并静置1-3min让污泥沉淀，通过注射器取上清液；六是遮光问题，有些反应需要在避光下进行，需要避光的反应可采用棕色广口瓶作为反应容器。

本发明可通过灵活控制所需实验条件，分别对污水处理中各种好氧或厌氧反应的动力学反应进行测定，比如吸附动力学、基质降解动力学、毒性物质抑制动力学等等，实现多功能化，提高了本装置的利用率，从而实现节能减排；本发明操作简单，便于控制；温度对动力学实验的影响较大，反应预热步骤有效可降低实验的误差。

1.可根据实验要求，灵活控制实验条件，对多种污水处理微生物动力学反应进行测定，实现多功能化；

2.实验条件可通过调节阀门、旋钮或按钮来控制，操作简单，便于控制；

3.充分考虑环境因素对动力学实验的影响，实验误差小。

附图说明

图1为多功能污水处理动力学实验装置的结构示意图。

图中：1-氮气瓶；2-空气曝气机；3-阀门a；4-阀门b；5-转子流量计；6-进气管；7-取样管；8-温度计；9-排气管；10-转子；11-磁力搅拌器；12-水封；13-恒温箱；14反应容器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1，一种多功能污水处理动力学实验装置，包括氮气瓶1、空气曝气机2、阀门3和4、转子流量计5、进气管6、取样管7、温度计8、排气管9、转子10、磁力搅拌器11、水封12、恒温箱13和反应容器14，

所述反应容器14置于磁力搅拌器11上，反应容器14里面放置有转子10，磁力搅拌器11驱动反应容器14中的转子10进行搅拌，转速可调，范围在0-1500转/min之间；

所述反应容器14采用500mL无色或棕色广口瓶，瓶口采用10号橡胶塞密封，该橡皮塞开有四个孔且分别插有取样管7、进气管6、温度计8和排气管9，取样管7插入至离广口瓶口三分之一处，取水样时反应器需停止曝气和搅拌，静置1-3min，防止将泥样吸出；进气管6插入至离广口瓶口三分之二处，进气管6上安装有转子流量计5，且进气管6的进气端分别通过两根分支管道连接有氮气瓶1和空气曝气机2，且该两根分支管道上分别安装有阀门a3和阀门b4；可根据实验需要调节阀门a3和阀门b4，选择曝空气还是氮气，曝气量可通过转子流量计5控制，曝气可对瓶中的水样起到搅拌作用；

所述排气管9一头置于液面上方，向广口瓶内的橡皮塞伸出0.5cm，另一头置于水封12中，水封的作用是在静置取样时防止空气进入反应容器中，影响实验结果；温度计8可测定反应容器中的水样温度，确定动力学实验反应温度是否恒定；

所述反应容器14、磁力搅拌器11和水封12均置于恒温箱13内，温度通过恒温箱13控制，可根据需要将反应温度控制在0-50℃。

采用本实验装置测定厌氧氨氧化污泥降解基质动力学反应的方法，包括以下步骤：

(1)取升流式厌氧污泥床(up-flow anaerobic sludge blanket,UASB)反应器中厌氧氨氧化污泥，污泥有颗粒存在，粒径小于1mm，分别采用自来水、纯净水和磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffer saline,PBS)清洗三遍，去除污泥中的基质以及杂质，对污泥进行浓缩，测定浓缩后的污泥浓度(MLSS)为6.63g/L；量取100mL搅拌均匀的厌氧氨氧化污泥。

(2)配制NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N浓度分别约为100mg/L和130mg/L的基质溶液，通过计算确定所需各种药品的重量，采用分析天平称取各种所需药品并用蒸馏水溶解，并根据实验要求采用盐酸和氢氧化钠调节溶液pH至7.0-7.5，采用容量瓶定容至500mL；向反应容器中加入400mL溶液。

(3)将恒温箱的温度设置为30℃，同时，将第步骤(1)和步骤(2)中量取的污泥和溶液分别置于恒温箱中，其中反应容器置于磁力搅拌器上并放入转子，开启搅拌器并调节转速为200r/min，通过温度计测定反应容器中溶液温度，一定时间后，量取的100mL污泥液和反应容器中的溶液温度稳定至设定温度。

(4)厌氧氨氧化反应需要在厌氧环境下进行，因此打开阀门a，关闭阀门b，曝氮气；实验采用高纯氮气(99.999％)，调节转子流量计，控制曝气量为0.2L/min，曝气30min以脱氧。

(5)将步骤(3)中预热至设定温度的100mL污泥加入至反应容器中，维持设置好的曝气量(0.2L/min)、搅拌转速(200r/min)和温度(30℃)，进行动力学反应。每间隔1h采用10mL注射器通过取样口取水样，测定NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N，反应结束后，采用干燥称重法求得MLSS，设3个平行并求平均值。经过数据分析表明，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的降解速率分别为0.108±0.005g/(g·d)和1.36±0.007g/(g·d)。

本发明依照以上步骤，根据实验要求，灵活控制实验条件，还可分别进行各种吸附动力学、硝化反应动力学、反硝化反应动力学、抑制动力学等实验，实验条件可通过调节阀门、旋钮或按钮来控制，操作简单，便于控制，在此不一一赘述。上述实施例只为本发明的构思特点和操作步骤，其目的在于让人了解本发明的实施过程，并不能以此限制本发明的保护范围，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种多功能污水处理动力学实验装置，包括氮气瓶、空气曝气机、阀门a、阀门b、转子流量计、进气管、取样管、温度计、排气管、转子、磁力搅拌器、水封、恒温箱和反应容器，其特征在于，所述反应容器置于磁力搅拌器上，反应容器里面放置有转子，磁力搅拌器驱动反应容器中的转子进行搅拌，转速可调，范围在0-1500转/min之间；所述反应容器采用500mL无色或棕色广口瓶，瓶口采用10号橡胶塞密封，该橡皮塞开有四个孔且分别插有取样管、进气管、温度计和排气管，取样管插入至离广口瓶口三分之一处，取水样时反应器需停止曝气和搅拌，静置1-3min，防止将泥样吸出；进气管插入至离广口瓶口三分之二处，进气管上安装有转子流量计，且进气管的进气端分别通过两根分支管道连接有氮气瓶和空气曝气机，且该两根分支管道上分别安装有阀门a3和阀门b4；可根据实验需要调节阀门a3和阀门b4，选择曝空气还是氮气，曝气量可通过转子流量计控制，曝气可对瓶中的水样起到搅拌作用；所述排气管一头置于液面上方，向广口瓶内的橡皮塞伸出0.5cm，另一头置于水封中，水封的作用是在静置取样时防止空气进入反应容器中，影响实验结果；温度计可测定反应容器中的水样温度，确定动力学实验反应温度是否恒定；所述反应容器、磁力搅拌器和水封均置于恒温箱内。

2.根据权利要求1所述的多功能污水处理动力学实验装置与方法，其特征在于，动力学实验反应温度通过恒温箱13控制，可根据需要将反应温度控制在0-50℃。

3.一种多功能污水处理动力学实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）污泥的量取：取一定量的污泥，依次采用自来水、纯净水和磷酸缓冲盐溶液各洗3次以去除污泥中残留的杂质，然后进行浓缩，测定浓缩后的污泥浓度（MLSS）；

（2）配制一定浓度的反应溶液：通过计算确定所需各种药品的重量，采用分析天平称取各种所需药品并用蒸馏水溶解，根据试验要求采用盐酸和氢氧化钠调节溶液pH，容量瓶定容；

（3）反应预热：根据实验要求，设置恒温箱的温度，将计算好了量的反应溶液加入反应容器中，开启搅拌器并调节转速，一定时间后，溶液温度稳定至设定温度；

（4）曝气的调节：通过转子流量计调节曝气量至合适水平；

（5）动力学反应及测定：将取好的预热至设定温度的污泥和反应溶液加入至广口瓶中，维持设置好的曝气量、搅拌转速和温度，进行动力学反应，每间隔一定时间，采用10mL注射器通过取样口取水样，进行水质分析。

4.根据权利要求3所述的多功能污水处理动力学实验装置与方法，其特征在于，步骤（4）中根据动力学反应是在厌氧条件下还是好氧条件下，通过阀门a和阀门b进行调节，厌氧反应打开阀门a关闭阀门b曝氮气，好氧反应打开阀门b关闭阀门a曝氧气，厌氧反应需要提前曝气30min以脱氧。