CN109632566B - 基于活性污泥呼吸速率测定装置的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性污泥呼吸速率测定装置及方法，该装置包括反应器系统、装置保护系统、数据检测分析系统，所述反应器系统包括主体反应室，所述主体反应室上方连接有两位三通气阀、压力传感器并通过管路连通大气，所述两位三通气阀接有隔膜气泵，所述主体反应室底部设置有进出样孔；所述装置保护系统包括金属保护外壳；所述数据检测分析系统包括与所述压力传感器相连的数据采集端。本发明装置及方法可以实现OUR的准确测定，并计算出1小时的准确BOD5值，可以实现好氧池微生物的的毒性监测，可以根据检测数据进行曝气量的调控，从而实现运营成本的优化。

Description

基于活性污泥呼吸速率测定装置的测定方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，具体为一种活性污泥呼吸速率测定装置及方法。

背景技术

活性污泥法是城镇污水生物处理中的主流技术，在活性污泥法处理污水过程中，活性污泥呼吸速率(OUR)是反应活性污泥系统微生物活性的一个重要指标，而且可表征曝气池的实际需氧量，对于工艺运行和曝气控制具有重要作用。

目前测量OUR的方法主要是分批实验法，包括有密闭间歇曝气和连续曝气2种方法。两者都是基于液相中氧气补充量和消耗量之间的质量平衡而求得OUR，都有一定的不足。前者在于供氧量不足，反应器内的饱和溶解氧浓度一般不超过10mg/L，而进水中的COD浓度往往都在几十甚至上百毫克升，当溶解氧消耗低于2mg/L时，需要再曝气。如果降解速度较快，溶解氧被迅速耗尽，氧消耗所用的时间不易精确测量，而且由于溶解氧浓度的变化，会对微生物的耗氧速率产生影响，容易带来实验误差；而后者由于连续曝气，虽然解决了供氧不足的问题，但是需要估算氧传质速率常数KLA，再通过KLA(DO饱和-DO溶液)dt来计算供氧速率，KLA和DO溶液在反应器运行期间都不是1个稳定值，这容易给最终的计算结果带来误差。

传统的OUR测试方法，无论是密闭间歇曝气法还是连续曝气法，都需要溶解氧仪对污泥中的DO进行实测，而现在市售的溶解氧仪质量参差不齐，对DO检测的准度和DO变化的灵敏度不尽相同，从而造成测定结果的延迟与误差。此外，随着溶解氧仪在污泥中使用时间的增加，如果是膜式溶解氧仪，则需要经常更换膜，以达到实验要求的精度。其他类型的溶解氧仪随着在污泥中浸泡时间的增加，也会产生不同程度的破损。不管是更换新膜还是购置新的溶解氧仪，都无疑是对运营成本的增加。

发明内容

本发明针对上述传统方法使用溶解氧仪测算呼吸速率造成的系统误差，以及在长期使用下频繁更换溶解氧仪膜电极和置换新溶解氧仪所造成的污水处理厂运营成本增加等问题，提供一种基于微生物呼吸原理和亨利定律的呼吸速率计算方法与活性污泥呼吸速率测定装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种活性污泥呼吸速率测定装置，包括反应器系统、装置保护系统、数据检测分析系统，所述反应器系统设置于装置保护系统内，所述数据检测分析系统连接至所述反应器系统，其中

所述反应器系统包括主体反应室，所述主体反应室上方连接有两位三通气阀、压力传感器并通过管路连通大气，所述两位三通气阀接有隔膜气泵，所述主体反应室底部设置有进出样孔；

所述装置保护系统包括金属保护外壳；

所述数据检测分析系统包括与所述压力传感器相连的数据采集端。

进一步地，所述主体反应室底部为弧形，其四周均匀开设有三个孔，用于安装曝气头于其腔体内，所述进出样孔设置于底部中央。

进一步地，所述进出样孔进样时利用装置整体的自重进水，排样时通过所述隔膜气泵往主体反应室腔体内充气出水，所述进出样孔一侧通过管路连通至大气。

进一步地，所述主体反应室上方大气管路处设置有气阀F2，下方进出样孔处设置有水阀F1，所述进出样孔大气管路处设置有气阀F6。

进一步地，所述两位三通气阀，其主通路为所述隔膜气泵进气口，两个分通路一个连接至大气，另一个连接至所述主体反应室上方腔体。

进一步地，当所述主体反应室进样完成后，所述主体反应室上方腔体内空气通过隔膜气泵为污泥提供曝气，以此形成内循环。

进一步地，所述两位三通气阀的分通路上设置有阀体F3、F4及气阀F5。

一种活性污泥呼吸速率测定方法，该方法应用于权利要求1-7任一项所述的活性污泥呼吸速率测定装置，所述方法包括：

步骤1，进样，打开气阀F1、F2，利用装置整体的自重使好氧池中的污泥进入主体反应室内，当主体反应室内污泥加上装置整体的重量等于装置整体体积形成的浮力时，进样结束，此时依次关闭气阀F2、F1；

步骤2，反应，打开阀体F4，此时阀体F3处于闭合状态，开启隔膜气泵，通过隔膜气泵将主体反应室上方腔体内的空气打入污泥中曝气，以此形成内循环，其间所述压力传感器5s间隔读数，反应时间1h；

步骤3，反应结束后，同时打开F1、F3、F5，此时F4处于闭合状态，利用主体反应室上方腔体内形成的正压将污泥顶出，当主体反应室内污泥排干净时，打开F6，防止因为气体连续鼓泡影响装置平衡，打开F6通气1min后，同时关闭F6和隔膜气泵，关闭F1；

步骤4，测样完成及数据分析。

进一步地，步骤1中，当进样结束后，所述主体反应室内污泥体积和上方腔体内空气体积的比例VL：VG＝4：1。

进一步地，步骤2中，所述隔膜气泵的曝气量为4.6L/min。

本发明带来的有益效果有：

本发明的压差法测活性污泥OUR的方法不同于任何一种现有方法，传统测OUR的方法大多用到溶解氧仪，也有其他的一些利用压强差来测OUR的方法，但都是利用强碱吸收CO₂形成的压强差来测，与本发明所用到原理完全不同。

本发明的活性污泥呼吸速率测定装置可以保持读取数据的稳定。微生物呼吸是一个连续耗氧过程，对应因为呼吸作用形成的压强差也是连续的，而传统的浸没式溶解氧仪会随着使用时间的增加出现读数延迟和“跳数”的情况。

本发明可根据最大呼吸速率反求出好氧污泥中的溶解性COD，传统方法只是根据呼吸速率来判断微生物的活性。

本发明装置及方法可以实现OUR的准确测定，并计算出1小时的准确BOD₅值，可以实现好氧池微生物的的毒性监测，可以根据检测数据进行曝气量的调控，从而实现运营成本的优化。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，

附图1为本发明装置的结构简图；

附图2为本发明装置的内部结构示意图；

附图3为本发明实施例2内源呼吸时腔内压强理论变化趋势；

附图4为本发明实施例2内源呼吸时腔内压强实测变化趋势；

附图5为实施例3实验结果对比图；

附图6为实施例4投加外源BOD时腔内压强变化趋势图；

图中标号：

1-主体反应室，2-金属保护外壳，3-隔膜气泵，4-两位三通气阀，5-压力传感器，6-曝气头，7-数据采集端，F2、F5、F6为气阀，F1为水阀。

具体实施方式

实施例1

参照附图1及2，一种活性污泥呼吸速率测定装置，包括反应器系统、装置保护系统、数据检测分析系统。

反应器系统包括主体反应室1，主体反应室1上方开设有孔，分别连接有两位三通气阀4、压力传感器5并通过管路连通大气，两位三通气阀4接有隔膜气泵3，主体反应室1底部为弧形，其四周均匀开设有三个孔，用于安装曝气头6于其腔体内，以使好氧微生物充分有效的进行呼吸作用。进出样孔设置于底部中央。

装置保护系统主要包括金属保护外壳2，主要功能为保护主体反应室1、放置隔膜气泵3和压力传感器5，以及通过配重使整套装置可以实现利用自重进样。

数据检测分析系统包括与上述压力传感器5相连的数据采集端7。

本装置的进出样孔进样时利用装置整体的自重进水，排样时通过隔膜气泵3往主体反应室1腔体内充气出水，进出样孔的一侧通过管路连通至大气。本装置腔体内没有泵的泵入和泵出，可以防止泵污染检测系统。

上述的两位三通气阀4，其主通路为隔膜气泵3进气口，两个分通路一个连接至大气，另一个连接至主体反应室1上方腔体。当主体反应室1进样完成后，主体反应室1上方腔体内空气通过隔膜气泵3为污泥提供曝气，以此形成内循环。

其中，主体反应室1上方大气管路处设置有气阀F2，下方进出样孔处设置有水阀F1，进出样孔大气管路处设置有气阀F6，两位三通气阀4的分通路上设置有阀体F3、F4及气阀F5。

其它，本实施例中主体反应室1高与底面直径比为1.56：1。因为涉及到对保护外壳的配重，主体反应室1具体体积可根据实际环境进行调整。本实施例所用主体反应室1总体积为10L。本实施例所用压力传感器5精度为0.05％，5秒间隔读数，连续测一个小时。

本装置的工作原理是：

打开水阀F1和主体反应室1上方气阀F2，利用整套装置的自重，好氧池中污泥通过进出样孔开始往主体反应室1内进样。当主体反应室1内完成进样后，关掉水阀F1和气阀F2，隔膜气泵3通过两位三通气阀4连接到主体反应室1上方腔体为主体反应室1内污泥提供曝气，形成内循环。测样结束后，打开水阀F1、与两位三通气阀4直连的阀体F3、F5，隔膜气泵3通过两位三通气阀4连接到外大气，利用腔内正压将主体反应室1内好氧污泥排出。关闭水阀F1、气阀F6、隔膜气泵3，结束测样。

实施例2

一种活性污泥呼吸速率测定方法，该方法应用于实施例1中的活性污泥呼吸速率测定装置，本方法包括：

步骤1，进样，打开气阀F1、F2，利用装置整体的自重使好氧池中的污泥进入主体反应室1内，当主体反应室1内污泥加上装置整体的重量等于装置整体体积形成的浮力时，进样结束，此时依次关闭气阀F2、F1；

步骤2，反应，打开阀体F4，此时阀体F3处于闭合状态，开启隔膜气泵3，通过隔膜气泵3将主体反应室1上方腔体内的空气打入污泥中曝气，以此形成内循环，其间所述压力传感器5间隔5s读数，反应时间1h；

步骤3，反应结束后，同时打开F1、F3、F5，此时F4处于闭合状态，利用主体反应室1上方腔体内形成的正压将污泥顶出，当主体反应室1内污泥排干净时，打开F6，防止因为气体连续鼓泡影响装置平衡，打开F6通气1min后，同时关闭F6和隔膜气泵3，关闭F1；

步骤4，测样完成及数据分析。

上述步骤1中，当进样结束后，主体反应室1内污泥体积和上方腔体内空气体积的比例VL：VG＝4：1。

步骤2中，隔膜气泵3的曝气量为4.6L/min。

本实施例的计算方法中用到了微生物以葡萄糖为底物进行呼吸作用的公式：C₆H₁₂O₆+6O₂＝＝＝6CO₂+6H₂O，反应条件是有酶的参与。

同时，上述计算方法中用到了亨利定律。内循环曝气过程中，微生物不断吸收氧气产生二氧化碳，主体反应室1上方腔体中的二氧化碳浓度不断升高，对应的二氧化碳的分压就会升高，根据亨利定律，气体的分压与该气体溶在溶液内的摩尔浓度成正比，则在液相中的二氧化碳的摩尔浓度也会升高。

整个实验用时1小时。主体反应室1上方腔体内空气通过外置的隔膜气泵3对主体反应室1内好氧污泥实现循环曝气。由于微生物的呼吸作用，会使得主体反应室1上方腔体的气压发生变化。高精度压力传感器5对腔体内压强进行一个小时的连续检测，通过对数据的分析，得出微生物的实际呼吸速率。

此外，本实施例所用污泥均来自于实验室培养。在投入主体反应室1前均已经过洗泥、闷曝环节，以使污泥完全进入内源呼吸阶段。

在温度T、MLVSS、OUR恒定的情况下，利用本实施例方法得到的压差值与反应时间呈线性关系，参照附图3。

因为内源呼吸速率稳定，所以用内源呼吸速率对本方法进行验证，实验结果参照附图4。实验中所得到的压差值与反应时间也呈线性相关，验证了本算法的正确性。

实施例3

使用本发明装置进行内源呼吸速率测试，同时采集同种条件下的活性污泥样品，用锥形瓶密闭法测定呼吸速率，实验对比结果参照附图5。

长期监测下，因为测试时间周期较长，内源呼吸呈现波动，但两种方法测出来的内源呼吸速率在变化趋势上可以保持一致，测试结果也基本相同，说明本发明装置可以代替密闭式的传统方法。

本装置的关键参数如下：反应时间1h，反应主体室内气水比为1：4，曝气量为4.6L/min。

在有外加碳源情况下，主体反应室1上方腔体压强变化如附图6所示。主体反应室1上方腔体压强下降呈现先急后缓的趋势，这与投加外源BOD后微生物呼吸速率先快后慢的趋势保持一致。

上述介绍了本发明的不同的实施例，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节。以上内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

同时应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，本说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.基于活性污泥呼吸速率测定装置的活性污泥呼吸速率测定方法，所述活性污泥呼吸速率测定装置包括反应器系统、装置保护系统、数据检测分析系统，所述反应器系统设置于装置保护系统内，所述数据检测分析系统连接至所述反应器系统，其中

所述反应器系统包括主体反应室，所述主体反应室上方连接有两位三通气阀、压力传感器并通过大气管路连通大气，所述两位三通气阀接有隔膜气泵，所述主体反应室底部设置有进出样孔；

所述装置保护系统包括金属保护外壳；

所述数据检测分析系统包括与所述压力传感器相连的数据采集端；

所述主体反应室底部为弧形，其四周均匀开设有三个孔，用于安装曝气头于其腔体内，所述进出样孔设置于底部中央；所述进出样孔进样时利用装置整体的自重进水，排样时通过所述隔膜气泵往主体反应室腔体内充气出水，所述进出样孔一侧通过进出样孔大气管路连通至大气；

所述主体反应室上方大气管路处设置有气阀F2，下方进出样孔处设置有水阀F1，所述进出样孔大气管路处设置有气阀F6；所述两位三通气阀的分通路上设置有阀体F3、阀体 F4及气阀F5；

其特征在于：所述方法包括：

步骤1，进样，打开水阀 F1、气阀 F2，利用装置整体的自重使好氧池中的污泥进入主体反应室内，当主体反应室内污泥加上装置整体的重量等于装置整体体积形成的浮力时，进样结束，此时依次关闭气阀F2、水阀 F1；

步骤2，反应，打开阀体F4，此时阀体F3处于闭合状态，开启隔膜气泵，通过隔膜气泵将主体反应室上方腔体内的空气打入污泥中曝气，以此形成内循环，其间所述压力传感器5s间隔读数，反应时间1h；

步骤3，反应结束后，同时打开水阀 F1、阀体 F3、气阀 F5，此时阀体 F4处于闭合状态，利用主体反应室上方腔体内形成的正压将污泥顶出，当主体反应室内污泥排干净时，打开气阀 F6，防止因为气体连续鼓泡影响装置平衡，打开气阀 F6通气1min后，同时关闭气阀F6和隔膜气泵，关闭水阀 F1；

步骤4，测样完成及数据分析。

2.根据权利要求1所述的活性污泥呼吸速率测定方法，其特征在于：步骤1中，当进样结束后，所述主体反应室内污泥体积和上方腔体内空气体积的比例VL：VG＝4：1。

3.根据权利要求1所述的活性污泥呼吸速率测定方法，其特征在于：步骤2中，所述隔膜气泵的曝气量为4.6L/min。

4.根据权利要求1所述的活性污泥呼吸速率测定方法，其特征在于：所述两位三通气阀，其主通路为所述隔膜气泵进气口，两个分通路一个连接至大气，另一个连接至所述主体反应室上方腔体。

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