CN113307365B - 自动确定反硝化碳源最优投加比及连续投加稳定时间的装置及方法 - Google Patents

自动确定反硝化碳源最优投加比及连续投加稳定时间的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了自动确定反硝化碳源最优投加比及连续投加稳定时间的装置及方法。本发明自动确定反硝化外加碳源最优投加比的装置包括：反应系统，用于模拟活性污泥脱氮的反硝化环境；搅拌系统，用于搅拌反应系统内活性污泥并保证溶解氧浓度为零；在线监测系统，用于监测反应系统内溶解氧浓度和硝氮浓度；碳源投加系统，用于向反应系统内投加碳源；控制系统，用于控制反应系统活性污泥进入、搅拌、监测数据传输、碳源投加；数据采集和处理系统，用于采集和处理监测数据，确定反硝化外加碳源最优投加比。本发明通过在线测量硝酸盐来自动确定反硝化外加碳源最优投加比，时间短、速度快、无需测量COD，降低了时间和经济成本，准确计量碳源投加比。

Description

自动确定反硝化碳源最优投加比及连续投加稳定时间的装置 及方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及自动确定反硝化碳源最优投加比及连续投加稳定时间的装置及方法。
背景技术
我国南方城镇污水厂普遍存在C/N比偏低的特性，且由于降雨量、用水量等因素影响，北方城镇污水处理厂在雨季同样存在C/N比低的情况，此时需要投加外碳源以满足TN的去除。在冬季低温条件下，反硝化细菌活性降低，直接导致反硝化速率降低，严重影响污水厂TN的达标，同样需要投加外碳源保证TN的去除。为了保证反硝化的高效进行，并达到日益严格的出水标准，投加外碳源已成为我国污水厂实现达标排放的主要途径之一。
污水厂使用的外碳源具有多样性，不仅包括传统碳源(乙酸钠、葡萄糖、甲醇等)、新型碳源(复合碳源、生物质碳源等)，随着相关政策的出台，更有部分生化性较好的废水也可被用作污水厂外碳源。碳源的投加过程是按需投加的过程，投加量不足将引起反硝化过程不充分，使出水TN超标，投加量太多，会增加外加碳源的运行成本、增加耗氧量及剩余污泥的产生，也增加了碳足迹和碳排放。
当前外碳源投加采用手动恒量投加或基于出水TN的反馈控制。无论采用哪种控制方式，核心都是确定去除单位TN所需的外部碳源投加量。根据反硝化过程方程式，可以计算COD/dN理论值。比如，在不考虑细胞合成的情况下：6NO3 -+5CH3OH→3N2+5CO2+7H2O+6OH-，甲醇投加量为2.86g/gN，折算4.29gCOD/gN；如果考虑细胞合成的情况下：NO3 -+1.08CH3OH→0.065C5H7NO2+0.47N2+1.68CO2+HCO3 -，甲醇投加量为3.70g/gN，折算5.55gCOD/gN。
但是，外部碳源的实际投加量与理论投加量一般存在较大的偏差。理论投加量可以指导工艺设计，但对于工艺运行缺乏指导意义。这是因为碳源投加量受到碳源种类、进水COD含量、污泥活性等诸多因素的影响，往往大幅度偏移理论投加量。例如，长期低负荷运行的污水处理系统，活性污泥吸收和合成趋势增强，投加的外碳源极易被微生物吸收而不参与反硝化过程，此时理论投加量就不具备指导意义。
因此，很有必要快速获取当前工况下的最优碳源投加量，才能保证准确投加碳源，在达标的前提下减少浪费。如何确定不同外碳源的最优投加比，是污水处理厂的一个运行管理难题。目前，污水处理厂大多采用化验室序批式实验的方法来确定最优投加量。由于污泥的活性经常发生变化、不同批次碳源的质量也有差异，因此经常需要开展类似的试验。由 于这类实验过程比较繁琐，操作及数据整理的耗时较长，对化验人员的技能和责任心要求较高，难以满足实际工作的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了自动确定反硝化碳源最优投加比及连续投加稳定时间的装置及方法，适用于不同污水处理系统，对提高反硝化碳源的投加和利用效率，实现污水厂处理高效、稳定低碳运行具有重要意义。
本发明的第一个目的是提供一种自动确定反硝化外加碳源投加比的装置。
本发明提供的一种自动确定反硝化外加碳源投加比的装置，包括，
反应系统，用于模拟活性污泥脱氮的反硝化缺氧环境；
搅拌系统，用于搅拌反应系统内活性污泥并保证溶解氧浓度为零；
在线监测系统，用于监测反应系统中的溶解氧浓度和硝氮浓度；
碳源投加系统，用于向所述反应系统内投加碳源；
控制系统，用于控制所述反应系统中活性污泥的进入、所述搅拌系统的搅拌、所述在线监测系统监测数据的传输、所述碳源投加系统碳源的投加；
数据采集和处理系统，用于采集和处理由所述控制系统传输的监测数据，自动确定反硝化外加碳源投加比。
进一步地，所述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置中，
所述反应系统包括活性污泥生物反应器和进水泵；所述控制系统通过控制所述进水泵控制所述反应系统中活性污泥的进入；
所述搅拌系统包括搅拌器和变频控制器；所述控制系统通过控制所述变频控制器控制所述搅拌器；
所述在线监测系统包括溶解氧传感器探头、硝氮传感器探头和显示存储器；所述控制系统通过控制所述显示存储器传输所述在线监测系统的监测数据；
所述碳源投加系统包括碳源加药泵和电磁流量计；所述控制系统通过控制所述碳源加药泵和所述电磁流量计控制所述碳源投加系统碳源的投加；
所述数据采集与处理系统包括上位机。
更进一步地，所述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置中，
所述活性污泥生物反应器的进水口通过设有所述进水泵的管路与进水电磁阀连接；所述进水泵与所述控制系统连接；
所述搅拌器固定于所述活性污泥生物反应器中；所述搅拌器与所述变频控制器连接；所述变频控制器与所述控制系统连接；
所述溶解氧传感器探头和所述硝氮传感器探头均置于所述活性污泥生物反应器中；所述溶解氧传感器探头和所述硝氮传感器探头分别与所述显示存储器连接；所述显示存储器与所述控制系统连接；
所述碳源加药泵的进水端通过管路与碳源存储罐连接，所述碳源加药泵的出水端通过管路与所述电磁流量计连接，所述电磁流量计的出水端通过管路进入所述活性污泥生物反应器；所述电磁流量计和所述碳源加药泵与所述控制系统连接；
所述上位机与所述控制系统连接。
上述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置中，所述搅拌器宜为小直径高转速的搅拌器，所述搅拌器的叶轮宜选桨式或涡轮式。
上述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置中，所述DO传感器可为采用荧光法测量技术测量DO浓度的传感器。
上述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置中，所述硝氮传感器可为采用紫外光谱法测量硝氮浓度的传感器。
本发明的第二个目的是提供一种自动确定反硝化外加碳源最优投加比的方法。
本发明提供的利用上述任一项所述的装置自动确定反硝化外加碳源最优投加比的方法，包括如下步骤：
S1、进水：控制活性污泥进入所述反应系统；
S2、搅拌：根据所述监测系统监测的溶解氧浓度，控制所述搅拌系统的搅拌速度保持污泥完全混合且维持溶解氧为0mg/L；
S3、添加氮源：在所述反应系统中添加硝酸盐氮；
S4、计算并设定外碳源投加量：
采用公式(1)计算并设定投加到反应系统后的外碳源浓度：
COD1＝4.29(N0-Ns)/n (1)
公式(1)中，COD1表示投加到反应系统后的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Ns表示反硝化反应达到稳定时反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；n表示碳源投加次数；
S5、单次投加碳源：
控制所述碳源投加系统，按照设定投加量COD1单次投加碳源；
控制所述在线监测系统，监测所述反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度，确定反硝化稳定阶段的起始时间，提取该起始时间对应的硝酸盐氮浓度；根据公式(2)自动计算单次投加碳源的最优投加比：
ΔCOD/ΔN＝COD1/(N0-Nt0) (2)
公式(2)中，ΔCOD/ΔN表示单次投加碳源的最优投加比；COD1表示投加到反应系统内的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Nt0表示反硝化稳定阶段起始时间的硝酸盐氮浓度t0对应的硝酸盐氮的浓度，单位为mgNO3-N/L。
上述的方法，步骤S1中，将所述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置置于污水处理厂好氧区末端或生化池进水端。
所述方法针对正常负荷运行的污水处理厂，n＝1或n≥3。
上述的方法，步骤S4中，所述投加到反应系统的硝酸盐氮浓度N0为10～100mg/L，如24～55mg/L，再如25mg/L，与污水厂实际进水TN浓度一致。
上述的方法，步骤S5中，所述设定的时间点为0min、5min、10min、20min、40min、60min、90min和120min。
以所述硝酸盐氮浓度随时间不变的阶段为所述反硝化稳定阶段。
本发明的第三个目的是提供一种预测连续投加稳定时间的方法。
本发明提供的利用上述任一项所述的装置预测连续投加稳定时间的方法，包括如下步骤：
S1、进水：控制活性污泥进入所述反应系统；
S2、搅拌：根据所述监测系统监测的溶解氧浓度，控制所述搅拌系统的搅拌速度保持污泥完全混合且维持溶解氧为0mg/L；
S3、添加氮源：在所述反应系统中添加硝酸盐氮；
S4、计算并设定外碳源投加量：
采用公式(1)计算并设定投加到反应系统后的外碳源浓度：
COD1＝4.29(N0-Ns)/n (1)
公式(1)中，COD1表示投加到反应系统后的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Ns表示反硝化反应达到稳定时反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；n表示碳源投加次数；
S5、单次投加碳源：
控制所述碳源投加系统，按照设定投加量COD1单次投加碳源；
控制所述在线监测系统，监测所述反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度，确定反硝化稳定阶段的起始时间；
S6、排空系统：排空反应系统；
S7、多次连续投加碳源：
设定反应系统反硝化达到稳定的时间为多次投加时间间隔；控制所述碳源投加系统，按照设定投加量、设定投加时间间隔和设定的投加次数重复步骤S1-S3多次连续投加碳源；
控制所述在线监测系统，监测所述反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度；根据公式(3)自动计算每次投加碳源的投加比：
ΔCOD/ΔNn＝COD1/(N(n-1)t0-Nnt0) (3)
公式(3)中，ΔCOD/ΔNn表示第n次投加碳源的投加比；COD1表示每次投加到反应系统内的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N(n-1)t0表示时间点为(n-1)t0反应系统内的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Nnt0表示时间点为nt0反应系统内的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；t0为反硝化稳定阶段的起始时间；
S8、以反应时间为横坐标，以ΔCOD/ΔN为纵坐标，拟合对数曲线；根据对数曲线得到ΔCOD/ΔN值达到平稳的时间，得到连续投加达到稳定时的循环投加次数；
按照公式(4)计算连续投加达到稳定所需的时间；
t＝n’×HRT (4)
公式(4)中，t表示连续投加达到稳定所需的时间，HRT表示系统的实际水力停留时间，连续投加达到稳定时的循环投加次数n’。
上述的方法，步骤S1中，将所述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置置于污水处理厂好氧区末端或生化池进水端；
所述方法针对污泥活性发生变化、更换碳源或低负荷运行的污水处理厂，n≥3。
上述的方法，步骤S4中，所述投加到反应系统的硝酸盐氮浓度N0为10～100mg/L，如24～55mg/L，再如25mg/L，与污水厂实际进水TN浓度一致。
上述的方法，步骤S7中，所述设定时间点为0、t0/2、t0、3t0/2、2t0、5t0/2、3t0…nt0。
上述的方法，步骤S8中，以所述拟合曲线的斜率的绝对值＜0.2的最短时间为所述ΔCOD/ΔN值达到平稳的时间，其中，横坐标反应时间的单位为h。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过在线测量硝酸盐来自动确定反硝化外加碳源最优投加比，时间短、速度快、无需测量COD，降低了时间和经济成本，准确计量碳源投加比。
2、本发明充分考虑污水处理系统实际运行情况，针对低负荷运行及更换碳源的污水处理系统，提出了连续循环投加碳源的计量投加比的方法，解决了活性污泥吸收和合成、驯化过程等造成的投加比变动。
3、本发明的自动确定反硝化外加碳源最优投加比的装置保证了计量反硝化外碳源投加比的方法的实现，且装置成本低、占地小、操作简便，适用于所有市政污水处理厂。
附图说明
下面通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明反硝化碳源投加计量装置的结构示意图。其中，1-活性污泥生物反应器、2-进水口、3-进水泵、4-进水电磁阀、5-排空电磁阀、6-排空口、7-搅拌器、8-DO传感器探头、9-硝氮传感器探头、10-溢流口、11-变频控制器、12-显示存储器、13-碳源存储罐、14-碳源加药泵、15-电磁流量计、16-控制系统。
图2示出了本发明ΔCOD/ΔN确定方法示意图。
图3示出了本发明实施例单次投加碳源硝氮降解曲线。其中，碳源A为实施例2污水厂所用碳源，碳源B为实施例3污水厂所用碳源。
图4示出了本发明实施例连续多次投加碳源硝氮降解曲线。其中，碳源A为实施例2污水厂所用碳源，碳源B为实施例3污水厂所用碳源。
图5示出了本发明实施例连续多次投加碳源投加比拟合曲线。其中，碳源A为实施例2污水厂所用碳源，碳源B为实施例3污水厂所用碳源。
具体实施方式
本发明提供的一种自动确定反硝化外加碳源投加比的装置，包括，
反应系统，用于模拟活性污泥脱氮的反硝化缺氧环境；
搅拌系统，用于搅拌反应系统内活性污泥并保证溶解氧浓度为零；
在线监测系统，用于监测反应系统中的溶解氧浓度和硝氮浓度；
碳源投加系统，用于向反应系统内投加碳源；
控制系统，用于控制反应系统中活性污泥的进入、搅拌系统的搅拌、在线监测系统监测数据的传输、碳源投加系统碳源的投加；
数据采集和处理系统，用于采集和处理由控制系统传输的监测数据，自动确定反硝化外加碳源投加比。
进一步地，自动确定反硝化外加碳源投加比的装置中，
反应系统包括活性污泥生物反应器和进水泵；活性污泥在反应器内发生反硝化反应；控制系统通过控制进水泵控制反应系统中活性污泥的进入；
搅拌系统包括搅拌器和变频控制器；控制系统通过控制变频控制器控制搅拌器；变频控制器实现搅拌器的启动、停止、加速、减速，并实时显示搅拌器的工作频率、转速等运行状态信息；通过控制搅拌装置的搅拌速度，保证反应系统内活性污泥均匀混合不沉淀、DO为零；
在线监测系统包括溶解氧传感器探头、硝氮传感器探头和显示存储器；控制系统通过控制显示存储器传输在线监测系统的监测数据；显示存储器具有数据显示、存储及导出功能，用于实时显示反应时间及传感器探头的监测数据；显示存储器显示卡上设有一块与屏幕显示位置对应的存储区；
碳源投加系统包括碳源加药泵和电磁流量计；控制系统通过控制碳源加药泵和电磁流量计控制碳源投加系统碳源的投加，如投加时间和投加量；碳源投加系统还包括碳源存储罐；碳源存储罐用于存储所需计量投加量的碳源，通过碳源加药泵及管路将碳源投加到反应系统中；
数据采集与处理系统包括上位机。
更进一步地，活性污泥生物反应器的进水口通过设有进水泵的管路与进水电磁阀连接；进水泵与控制系统连接；此外，活性污泥反应器上还设有排空口，排空口与排空电磁阀连接；活性污泥反应器上还可设有溢流口；
搅拌器固定于活性污泥生物反应器中，用于反应系统内混合液的搅拌；搅拌器与变频控制器连接；变频控制器与控制系统连接；
溶解氧传感器探头和硝氮传感器探头均置于活性污泥生物反应器中；溶解氧传感器探头和硝氮传感器探头分别与显示存储器连接；显示存储器与控制系统连接；
碳源加药泵的进水端通过管路与碳源存储罐连接，碳源加药泵的出水端通过管路与电磁流量计连接，电磁流量计的出水端通过管路进入活性污泥生物反应器；电磁流量计和碳源加药泵与控制系统连接；
上位机与控制系统连接。
在本发明的具体实施例中，搅拌器的叶轮选用桨式或涡轮式。
在本发明的具体实施例中，溶解氧传感器采用荧光法测量技术测量溶解氧浓度的传感器，可带温度传感器。
在本发明的具体实施例中，硝氮传感器采用紫外光谱法检测硝氮的传感器，反应分析速度快。
本发明装置的运行模式有两种，一是基础监测模式，可自动计算和推荐最优的碳源投加量，适合已经持续投加碳源的工艺过程。二是时间预测模式，可自动分析实际投加量与理论投加量的关系，适合长期低负荷运行、新近启动投加碳源或更换碳源的污水处理系统。
本发明提供的自动确定反硝化外加碳源最优投加比的方法，包括如下步骤：
S1、进水：控制活性污泥进入反应系统；
S2、搅拌：根据监测系统监测的溶解氧浓度，控制搅拌系统的搅拌速度保持污泥完全混合且维持溶解氧为0mg/L；
S3、添加氮源：在反应系统中添加硝酸盐氮；
S4、计算并设定外碳源投加量：
采用公式(1)计算并设定投加到反应系统后的外碳源浓度：
COD1＝4.29(N0-Ns)/n (1)
公式(1)中，COD1表示投加到反应系统后的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Ns表示反硝化反应达到稳定时反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；n表示碳源投加次数；
S5、单次投加碳源：
控制碳源投加系统，按照设定投加量COD1单次投加碳源；
控制在线监测系统，监测反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度，确定反硝化稳定阶段的起始时间，提取该起始时间对应的硝酸盐氮浓度；根据公式(2)自动计算单次投加碳源的最优投加比：
ΔCOD/ΔN＝COD1/(N0-Nt0) (2)
公式(2)中，ΔCOD/ΔN表示单次投加碳源的最优投加比；COD1表示投加到反应系统内的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Nt0表示反硝化稳定阶段起始时间的硝酸盐氮浓度t0对应的硝酸盐氮的浓度，单位为mgNO3-N/L。
本方法针对正常负荷运行的污水处理厂，n＝1或n≥3。
根据上述方法得到单次投加碳源的投加比后，可根据预先设定的需要加药去除的总氮浓度dTN，进一步计算需要投加的碳源浓度COD1＝dTN*ΔCOD/ΔN，单位mgCOD/L；根据处理水量Q，进一步计算需要投加的碳源质量D＝Q*dTN*ΔCOD/ΔN，单位kgCOD/h。
在本发明的具体实施例中，步骤S5中，以硝酸盐氮浓度随时间不变的阶段为反硝化稳定阶段。反硝化稳定阶段起始时间t0的确定方法如图2所示，具体如下：
a.以时间t为横坐标，以硝酸盐氮浓度Nt为纵坐标，得到Nt随t的变化曲线y＝-cx+d；
b.由于碳源组分的动态变化，反硝化速率曲线分3段：第一段快速阶段或VFA阶段，第二段慢速阶段或胞内BOD阶段，第三段稳定阶段或内源呼吸阶段；t0为第二段与第三段的衔接点时间，判定公式如下：
c＝(Nt1-Nt2)/(t2-t1)，当c＝0时的时间t1即为t0。
本发明提供的利用上述装置预测连续投加稳定时间的方法，包括如下步骤：
S1、进水：控制活性污泥进入反应系统；
S2、搅拌：根据监测系统监测的溶解氧浓度，控制搅拌系统的搅拌速度保持污泥完全混合且维持溶解氧为0mg/L；
S3、添加氮源：在反应系统中添加硝酸盐氮；
S4、计算并设定外碳源投加量：
采用公式(1)计算并设定投加到反应系统后的外碳源浓度：
COD1＝4.29(N0-Ns)/n (1)
公式(1)中，COD1表示投加到反应系统后的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Ns表示反硝化反应达到稳定时反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；n表示碳源投加次数；
S5、单次投加碳源：
控制碳源投加系统，按照设定投加量COD1单次投加碳源；
控制在线监测系统，监测反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度，确定反硝化稳定阶段的起始时间；
S6、排空系统：排空反应系统；
S7、多次连续投加碳源：
设定反应系统反硝化达到稳定的时间为多次投加时间间隔；控制所述碳源投加系统，按照设定投加量、设定投加时间间隔和设定的投加次数重复步骤S1-S3多次连续投加碳源；
控制在线监测系统，监测反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度；根据公式(3)自动计算每次投加碳源的投加比：
ΔCOD/ΔNn＝COD1/(N(n-1)t0-Nnt0) (3)
公式(3)中，ΔCOD/ΔNn表示第n次投加碳源的投加比；COD1表示每次投加到反应系统内的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N(n-1)t0表示时间点为(n-1)t0反应系统内的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Nnt0表示时间点为nt0反应系统内的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；t0为反硝化稳定阶段的起始时间；
S8、以反应时间为横坐标，以ΔCOD/ΔN为纵坐标，拟合对数曲线；根据对数曲线得到ΔCOD/ΔN值达到平稳的时间，得到连续投加达到稳定时的循环投加次数；
按照公式(4)计算连续投加达到稳定所需的时间；
t＝n’×HRT (4)
公式(4)中，t表示连续投加达到稳定所需的时间，HRT表示系统的实际水力停留时间，连续投加达到稳定时的循环投加次数n’。
本方法针对污泥活性发生变化、更换碳源或低负荷运行的污水处理厂，n≥3。
本发明的具体实施例中，步骤S8中，以拟合对数曲线的斜率的绝对值＜0.2的最短时间为ΔCOD/ΔN值达到平稳的时间，其中，横坐标反应时间的单位为h。
具体地，ΔCOD/ΔN值达到平稳的时间判定方法如下：
a.求拟合曲线y＝a·ln(x)+b的导数y’，表征曲线的切线斜率，即曲线的变化快慢；
b.计算|y’|＜0.2时的时间x值，此时曲线变化较慢，进一步投加碳源，碳源投加比变化较小，视为ΔCOD/ΔN值达到较为平稳的最短时间。
计算y达到工程经验投加比ΔCOD/ΔN＝5所需驯化时间，视为ΔCOD/ΔN值达到工程运行所需的时间。
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
实施例1、自动确定反硝化外加碳源投加比的装置
如图1所示，本发明自动确定反硝化外加碳源最优投加比的装置，包括反应系统、搅拌系统、在线监测系统、碳源投加系统、控制系统和数据采集与处理系统；
反应系统包括活性污泥生物反应器1，为
Figure BDA0003121010910000101
的工程塑料圆柱体容器，有效容积为10L，用于模拟活性污泥脱氮的反硝化缺氧环境。活性污泥生物反应器1的侧壁下端设有进水口2、侧壁上端设有溢流口10、底部设有排空口6；进水口2通过设有进水泵3(蠕动泵)的管路(管径25mm)与进水电磁阀4连接；排空口6与排空电磁阀5连接，用于定期排空活性污泥生物反应器1内的混合液。
搅拌系统包括搅拌器7和变频控制器11。搅拌器7为2片推进式螺旋桨叶旋桨式搅拌器，叶片外缘圆周速度为5-15m/s；搅拌器固定于活性污泥生物反应器1内；变频控制器11与搅拌器7连接，通过RS485协议控制用于控制搅拌器的启动、停止、加速、减速、正反转，单机通讯距离可达1200M(9600bps)，保证反应系统内活性污泥均匀混合不沉淀、DO为零。
在线监测系统包括DO传感器探头8、硝氮传感器探头9和显示存储器12。DO传感器探头8、硝氮传感器探头9安装在活性污泥生物反应器1中，分别用于监测反应系统中的DO和硝氮浓度；其中DO探头为DO-957型溶解氧探头，硝氮探头为S470探头；显示存储器12为西门子6AV6643型号，与DO探头8、硝氮探头9连接，具有数据显示、存储及导出功能，用于实时显示反应时间及传感器探头的监测数据。
碳源投加系统包括碳源存储罐13、碳源加药泵14和电磁流量计15，用于向活性污泥生物反应器1内投加碳源。碳源加药泵14的进水端通过管路与碳源存储罐13连接，碳源加药泵14的出水端通过管路与电磁流量计15连接，电磁流量计15的出水端通过管路进入活性污泥生物反应器1。电磁流量计15为CX-M2型号，流量0.5-150mL/min。
控制系统16由西门子系列PLC控制，实现自动连续监测控制。控制系统16分别与搅拌系统变频控制器11、在线监测系统显示存储器12、碳源加药泵14、电磁流量计15及进水泵3连接并可读取各仪表设备数据；通过时序或条件控制系统，完成进水、加药、搅拌、监测等过程，保证装置按设置条件自动运行。
数据采集与处理系统包括上位机，具体为一台研华系列工控机，上位机与控制系统16连接。
本发明装置在使用时，控制系统16通过编写程序，可按照指定需求控制装置全自动运行，具体如下：
通过控制进水泵3，使污水处理厂生化池中的活性污泥混合液经进水电磁阀4、进水泵3通过进水口2进入反应系统中的活性污泥生物反应器1；通过控制搅拌器7和变频控制器11，使搅拌器7以一定转速搅拌，使活性污泥生物反应器1中的活性污泥混合液混合均匀且DO为零；通过控制碳源加药泵14和电磁流量计15，使碳源存储罐13中的碳源经碳源加药泵14进入活性污泥生物反应器1中；通过在线监测系统中的DO传感器探头8和硝氮传感器探头9监测活性污泥生物反应器1中的DO和硝氮浓度，并将通过显示存储器12实时显示反应时间及传感器探头的监测数据并将数据传输至数据采集和处理系统；通过数据采集与处理系统，以及对应的计量反硝化外碳源投加比的方法算法，使上位机显示碳源投加比。
实施例2、自动确定反硝化外加碳源最优投加比及连续投加稳定时间
利用实施例1中的计量反硝化外碳源投加量的装置对低负荷运行的污水处理厂活性污泥脱氮过程中所需投加的碳源进行核算。
某城镇生活污水处理厂实际规模5万m3/d，主体采用改良A2/O+D型纤维滤池的三级生化处理工艺；水力停留时间20.4h，其中预脱硝区0.5h，缺氧区5.9h，厌氧区1.5h，好氧区12.5h；好氧泥龄10.3d，系统总泥龄约20d。该污水处理厂进水COD浓度常年偏低(100-150mg/L)，通过投加复合碳源维持反硝化进程，长期购买碳源费用较大。经评估某白酒厂生产废水主要成分以糖类、蛋白质类、脂肪酸为主，极少量乙醇，可生化性较好，可作为污水处理厂的替代碳源。利用本发明装置计量酒类废水碳源的投加量，本发明装置使用时，可将其放置在好氧区末端，采集内源呼吸段污泥测量外碳源最大投加比(计量时需添加氮源)；也可将其放置在生化池进水端(若有碳源投加点，采集时需要位于碳源投加点之前)，采集活性污泥测量外碳源实际投加比，测量结束后，所有数据传输并存储于控制系统，进行数据处理及分析，具体操作如下：
将实施例1中的装置安装在该厂好氧区末端，采集内源呼吸段污泥，按照下述步骤对酒类废水碳源投加量进行自动计量：
(1)添加碳源：将碳源A置于碳源储存罐中；
(2)进水：控制系统控制进水电磁阀，使污水处理厂生化池中的活性污泥混合液经进水泵3进入反应系统，待活性污泥混合液达到设定水位停止进水；
(3)搅拌：控制系统通过变频控制器控制搅拌器启动搅拌，使反应系统混合均匀且保持DO为零；当DO升高时，控制系统自动控制搅拌器转速降低；当混合液混合不均时，控制系统控制搅拌器转速升高；
(4)添加氮源：将KNO3投加于反应系统中，使硝氮浓度约为25mg/L(N0)；
(5)单次投加碳源：采用如下公式计算碳源投加量：
COD1＝4.29(N0-Ns)/n (1)
公式(1)中，COD1表示投加到反应系统的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮的浓度，单位为mg/L；Ns表示反硝化反应达到稳定时反应系统的硝酸盐氮的浓度(此实施例为反应1h时的硝酸盐氮浓度)，单位为mg/L；n表示碳源投加次数；
根据上述公式，计算得到COD1为20mg/L，控制系统通过电磁流量计控制加药泵，按设定投加量20mg/L投加碳源A；
(6)排空：单次投加实验反应2h后，将反应系统排空；
(7)多次连续投加碳源：重复步骤(1)-(4)，设定系统反应稳定时间1h为多次投加时间间隔，每小时投加1次碳源，连续投加5次(每次投加浓度为20mg/L)；
(8)监测：DO、硝氮监测探头实时监测体系相应指标，并存储传输至控制系统，显示于上位机；
(9)计量：
单次投加碳源计量如下：
(9-1)按设定的时间点(0.08、0.17、0.33、0.67、1、1.5、2h)提取监测的硝氮数据，根据混合液中NO3-N浓度的变化情况作图(以时间为横坐标，NO3-N浓度为纵坐标)，如图3(碳源A)；
(9-2)确定系统反应达到稳定的时间t0＝1h，提取此时的硝氮浓度值，计算单次投加碳源A的投加比ΔCOD/ΔN＝COD1/(Nt0-N0)＝20/(26.14-24.68)＝13.7。
多次连续投加碳源计量如下：
(9-3)按设定的时间点(0、0.5、1、1.5……5h)提取监测的硝氮数据，根据混合液中NO3-N浓度的变化情况作图(以时间为横坐标，NO3-N浓度为纵坐标)，如图4(碳源A)；
(9-4)提取每小时监测的硝氮，并自动计算每小时碳源A投加比ΔCOD/ΔN，分别为：13.7、11.3、9.6、9.1、8.9，以时间为横坐标，ΔCOD/ΔN为纵坐标，作拟合曲线y＝-3.138lnx+13.523，如图5(碳源A)，计算|y’|＜0.2时所需时间为16h，此时碳源投加比也为5。
(9-5)根据碳源投加间隔为1h，确定碳源A达到工程经验投加比5所需驯化投加次数n’＝16。根据回流比R、处理量Q和总容积V计算实际停留时间HRT＝V/Q/(1+R)＝18/2＝9h，计算n’*HRT得到持续投加16*9/24＝6天后，碳源投加比可接近5。
本实施例中，由于污水厂长期处于低负荷运行状态，及微生物的驯化适应性，因此不能按照理论投加量4或者工程经验值5来计算投加量。根据本装置的测量结果，初次投加碳源时应该采用较高的投加比(13.7)，并随着投加过程逐渐降低投加量，在6天左右可以稳定在工程经验值5的水平上。
验证方法及实验：
(1)最优投加比验证：以该厂同样的活性污泥为对象，以本专利装置及方法提供的单次投加最优投加比13.7为基准，分别降低和提高碳源浓度，使碳源投加比为10、12、16，在实验室开展小试研究。结果发现，单次投加碳源比为10、12，出水TN超标，碳源不足导致反硝化不完全；单次投加碳源比为16，出水COD浓度升高，造成碳源的浪费。故验证该方法所得碳源投加比为最优投加比。
(2)连续投加预测时间验证：以单次投加所得最优投加比为指导，在该厂更换碳源时开展生产性试验，每天监测进出水TN及COD浓度，在保证出水达标的情况下，逐渐降低碳源投加比，在连续投加9天后，发现第7、8、9天的碳源投加比较为稳定，约在第7天左右达到稳定，与本专利方法预测连续投加时间6天较为接近。故验证该方法所得预测连续投加时间与实际较为一致。
实施例3、自动确定反硝化外加碳源最优投加比及预测连续投加稳定时间
利用实施例1中的计量反硝化外碳源投加量的装置对正常负荷运行的污水处理厂活性污泥脱氮过程中所需投加的碳源进行核算。
某城镇生活污水处理厂实际规模4万m3/d，主体采用改良A2/O+V型滤池+消毒的三级生化处理工艺；水力停留时间20h，其中厌氧区2.0h，缺氧区4.0h，好氧区14.0h。该污水处理厂进水COD浓度处于正常范围200-300mg/L，通过投加碳源保证出水稳定达标，碳源成本是其主要经济成本之一。利用本发明装置计量碳源B的投加量，本发明装置使用时，可将其放置在好氧区末端，采集内源呼吸段污泥测量外碳源最大投加比(计量时需添加氮源)；也可将其放置在生化池进水端(若有碳源投加点，采集时需要位于碳源投加点之前)，采集活性污泥测量外碳源实际投加比，测量结束后，所有数据传输并存储于控制系统，进行数据处理及分析，具体操作如下：
将实施例1中的装置安装在该厂好氧区末端，采集内源呼吸段污泥，按照下述步骤对酒类废水碳源投加比进行自动计量：
步骤(1)-(8)同实施例2，其中碳源B投加量为30mg/L。
(9)计量：
单次投加碳源计量如下：
(9-1)按设定的时间点(0.08、0.17、0.33、0.67、1、1.5、2h)提取监测的硝氮数据，根据混合液中NO3-N浓度的变化情况作图(以时间为横坐标，NO3-N浓度为纵坐标)，如图3(碳源B)；
(9-2)确定系统反应达到稳定的时间t0＝1h，提取此时的硝氮浓度值，计算单次投加碳源B的ΔCOD/ΔN＝COD1/(N0-Nt0)＝30/(26.89-23.01)＝7.73。
多次连续投加碳源计量如下：
(9-3)按设定的时间点(0、0.5、1、1.5……5h)提取监测的硝氮数据，根据混合液中NO3-N浓度的变化情况作图(以时间为横坐标，NO3-N浓度为纵坐标)，如图4(碳源B)；
(9-4)提取每小时监测的硝氮，并自动计算每小时碳源B投加比ΔCOD/ΔN，分别为：7.73、7.20、6.89、6.67、6.50，以时间为横坐标，ΔCOD/ΔN为纵坐标，作拟合曲线y＝-0.767lnx+7.7338，如图5(碳源B)，计算|y’|＜0.2时所需时间为4h，碳源B达到工程经验投加比5所需驯化时间为36h。
(9-5)根据碳源投加间隔为1h，确定碳源B达到工程经验投加比5所需驯化投加次数n’＝36。根据回流比R、处理量Q和总容积V计算实际停留时间HRT＝V/Q/(1+R)＝16/2＝8h，计算n’*HRT得到持续投加36*8/24＝12天后，碳源投加比可接近5。
本实施例中，由于污水厂运行负荷正常，微生物状态较稳定，所以投加ΔCOD/ΔN的范围较为稳定(5～7)，采用多次投加进一步了解微生物碳源利用效率，预测在连续投加12天以后接近碳源投加比5。
验证方法及实验：
(1)最优投加比验证：以该厂同样的活性污泥为对象，以本专利装置及方法提供的单次投加最优投加比7.73为基准，分别降低和提高碳源浓度，使碳源投加比为6、7、9，在实验室开展小试研究。结果发现，单次投加碳源比为6、7，出水TN超标，碳源不足导致反硝化不完全；单次投加碳源比为9，出水COD浓度升高，造成碳源的浪费。故验证该方法所得碳源投加比为最优投加比。
(2)连续投加预测时间验证：以单次投加所得最优投加比为指导，在该厂更换碳源时开展生产性试验，每天监测进出水TN及COD浓度，在保证出水达标的情况下，逐渐降低碳源投加比，发现碳源投加比降低趋势与预测曲线较为一致，由于该厂为正常负荷运行污水厂，整体碳源投加比已较为稳定，下降趋势较缓；在连续投加11天后，发现碳源投加比接近工程经验投加比5，与本专利方法预测连续投加时间12天较为接近。故验证该方法所得预测连续投加时间与实际较为一致。

Claims (6)

1.利用自动确定反硝化外加碳源投加比的装置预测连续投加稳定时间的方法，其特征在于：
所述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置，包括，
反应系统，用于模拟活性污泥脱氮的反硝化缺氧环境；
搅拌系统，用于搅拌反应系统内活性污泥并保证溶解氧浓度为零；
在线监测系统，用于监测反应系统中的溶解氧浓度和硝氮浓度；
碳源投加系统，用于向所述反应系统内投加碳源；
控制系统，用于控制所述反应系统中活性污泥的进入、所述搅拌系统的搅拌、所述在线监测系统监测数据的传输、所述碳源投加系统碳源的投加；
数据采集和处理系统，用于采集和处理由所述控制系统传输的监测数据，自动确定反硝化外加碳源投加比；
所述方法包括如下步骤：
S1、进水：控制活性污泥进入所述反应系统；所述活性污泥为内源呼吸段污泥；
S2、搅拌：根据所述监测系统监测的溶解氧浓度，控制所述搅拌系统的搅拌速度保持污泥完全混合且维持溶解氧为0 mg/L；
S3、添加氮源：在所述反应系统中添加硝酸盐氮；
S4、单次投加碳源：计算并设定外碳源投加量，
采用公式（1）计算并设定投加到反应系统后的外碳源浓度：
COD1=4.29（N0-Ns）/n （1）
公式（1）中，COD1表示投加到反应系统后的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N0表示投加到反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Ns表示反硝化反应达到稳定时反应系统的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；n表示碳源投加次数；
控制所述碳源投加系统，按照设定投加量COD1单次投加碳源；
控制所述在线监测系统，监测所述反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度，确定反硝化稳定阶段的起始时间；
以所述硝酸盐氮浓度随时间不变的阶段为所述反硝化稳定阶段；
S5、排空系统：排空反应系统；
S6、多次连续投加碳源：重复步骤S1-S3，
设定反应系统反硝化达到稳定的时间为多次投加时间间隔；控制所述碳源投加系统，按照设定投加量、设定投加时间间隔和设定的投加次数多次连续投加碳源；
控制所述在线监测系统，监测所述反应系统内的硝氮浓度；按照设定的时间点提取监测的硝酸盐氮浓度；根据公式（3）自动计算每次投加碳源的投加比：
ΔCOD/ΔNn=COD1/（N(n-1)t0-Nnt0）（3）
公式（3）中，ΔCOD/ΔNn表示第n次投加碳源的投加比；COD1表示每次投加到反应系统内的外碳源浓度，单位为mgCOD/L；N(n-1)t0表示时间点为(n-1)t0反应系统内的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；Nnt0表示时间点为nt0反应系统内的硝酸盐氮浓度，单位为mgNO3-N/L；t0为反硝化稳定阶段的起始时间；
S7、以反应时间为横坐标，以ΔCOD/ΔN为纵坐标，拟合对数曲线；根据对数曲线得到ΔCOD/ΔN值达到平稳的时间，得到连续投加达到稳定时的循环投加次数；
按照公式（4）计算连续投加达到稳定所需的时间；
t=n’×HRT （4）
公式（4）中，t表示连续投加达到稳定所需的时间，HRT表示系统的实际水力停留时间，连续投加达到稳定时的循环投加次数n’。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中，将所述自动确定反硝化外加碳源投加比的装置置于污水处理厂好氧区末端或生化池进水端；
所述方法针对污泥活性发生变化、更换碳源或低负荷运行的污水处理厂，n≥3。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤S6中，所述设定时间点为0、t0/2、t0、3t0/2、2t0、5t0/2、3t0…nt0。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤S7中，以所述拟合对数曲线的斜率的绝对值＜0.2的最短时间为所述ΔCOD/ΔN值达到平稳的时间，其中，横坐标反应时间的单位为h。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述反应系统包括活性污泥生物反应器和进水泵；所述控制系统通过控制所述进水泵控制所述反应系统中活性污泥的进入；
所述搅拌系统包括搅拌器和变频控制器；所述控制系统通过控制所述变频控制器控制所述搅拌器；
所述在线监测系统包括溶解氧传感器探头、硝氮传感器探头和显示存储器；所述控制系统通过控制所述显示存储器传输所述在线监测系统的监测数据；
所述碳源投加系统包括碳源加药泵和电磁流量计；所述控制系统通过控制所述碳源加药泵和所述电磁流量计控制所述碳源投加系统碳源的投加；
所述数据采集与处理系统包括上位机。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述活性污泥生物反应器的进水口通过设有所述进水泵的管路与进水电磁阀连接；所述进水泵与所述控制系统连接；
所述搅拌器固定于所述活性污泥生物反应器中；所述搅拌器与所述变频控制器连接；所述变频控制器与所述控制系统连接；
所述溶解氧传感器探头和所述硝氮传感器探头均置于所述活性污泥生物反应器中；所述溶解氧传感器探头和所述硝氮传感器探头分别与所述显示存储器连接；所述显示存储器与所述控制系统连接；
所述碳源加药泵的进水端通过管路与碳源存储罐连接，所述碳源加药泵的出水端通过管路与所述电磁流量计连接，所述电磁流量计的出水端通过管路进入所述活性污泥生物反应器；所述电磁流量计和所述碳源加药泵与所述控制系统连接；
所述上位机与所述控制系统连接。
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