CN113941257A - 一种检测mabr工艺氧气利用效能的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统及方法，包括MABR膜组件、供气单元、尾气单元、氧气利用效能在线计算单元。MABR膜组件(9)的一端为供气单元，另一端为尾气单元；供气单元和尾气单元均与氧气利用效能在线计算单元连接。与现有技术相比，本发明的优势在于：(1)无需停止工艺运行，无需外加药剂，即可实现MABR工艺氧气利用效能的实时检测；(2)检测MABR曝气剩余尾气中的氧含量，而非反应器内溶解氧浓度，能够更直接地反映MABR的氧气利用效能。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统及方法。
背景技术
膜曝气生物膜反应器(MembraneAerated Biofilm Reactor,MABR)是一种新型污水处理技术。MABR利用曝气性膜材料作为供氧装置与生物膜的载体，提高了溶解氧与基质的扩散通量。在曝气膜两侧氧分压差的推动下，膜丝管腔内的氧透过膜壁扩散进入膜丝管腔外的液体中，在保持氧分压低于泡点压力的情况下，可实现向生物反应器的无泡供氧。
MABR膜能够在缺氧混合液中支持硝化和反硝化微生物在膜材料上生长。氧气从膜的空气侧透过膜后，扩散到污水侧，形成硝化细菌生物膜层。硝化细菌能够在富氧、低碳源层中将氨氮转化为硝酸盐氮。由于外部悬浮污泥混合液处于缺氧状态，反硝化细菌能够利用硝酸盐和污水中的碳源进行反硝化反应，从而实现同步硝化与反硝化过程。
经检索发现，申请号202010680869.0，申请日2020年7月15日的中国发明专利申请公开了一种测试MABR膜传氧性能的装置及方法，所述的装置包括反应器本体、循环单元、供气单元和进水单元，所述的反应器本体上设置有溶氧仪。该发明需要向反应器本体内投加脱氧剂和催化剂，进行脱氧反应后，再进行曝气，检测反应器内溶解氧浓度和硫酸根浓度，根据溶解氧浓度、硫酸根浓度等计算传氧性能。
但由于MABR工艺的同步硝化反硝化特征，MABR膜组件外部混合液处于缺氧状态，该工艺实际运行时的溶解氧浓度应稳定控制在0.3mg/L以下。因此，采用反应器内溶氧仪测量的混合液溶解氧浓度不能准确评估MABR工艺的传氧性能或氧气利用效率。同时，在实际运行的MABR工艺中投加脱氧剂和催化剂来检测其传氧性能可操作性不强，也不能够得到实时的MABR工艺氧气利用效能结果，监测MABR工艺的曝气运行效果。
发明内容
针对现有技术中无法实时监测MABR工艺氧气利用效能，以及现有检测技术在实际运行中可操作性不强的问题，本发明旨在提供一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统及方法，以实现MABR工艺氧气利用效能的实时监测，进而为优化MABR工艺曝气和节能降耗运行打下基础。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其特征在于，包括MABR膜组件、供气单元、尾气单元、氧气利用效能在线计算单元。
进一步地，供气单元包括空气过滤器、鼓风机、鼓风机电表(带传感器)、空气流量计、电动球阀、空气压力传感器、空气温度传感器和供气管路。所述的空气过滤器、鼓风机、空气流量计、电动球阀、空气压力传感器、空气温度传感器依次布置在供气管路上；鼓风机电表(带传感器)布置在鼓风机上；鼓风机电表(带传感器)和空气流量计与PLC通过电气连接。
进一步地，尾气单元包括汽水分离器、冷凝水排放电动球阀、冷凝水排放管路、空气流量计、空气压力传感器、空气温度传感器、尾气管路、尾气排放单元和尾气检测单元。所述的汽水分离器、空气流量计、空气压力传感器、空气温度传感器依次布置在尾气管路上；汽水分离器、冷凝水排放电动球阀依次布置在冷凝水排放管路上。所述的尾气排放单元和尾气检测单元并联与尾气管路连接。
进一步地，尾气排放单元包括尾气排放电动球阀和尾气排放管路。所述的尾气排放电动球阀布置在尾气排放管路上；尾气排放管路与尾气管路连接。
进一步地，尾气检测单元包括尾气检测电动球阀、干燥器、尾气采样气泵、样气过滤器、氧气浓度分析仪和尾气检测管路。所述的尾气检测电动球阀、干燥器、尾气采样气泵、样气过滤器、氧气浓度分析仪依次布置于尾气检测管路上；尾气检测管路与尾气管路连接；氧气浓度分析仪与PLC通过电气连接。所述的氧气浓度分析仪能够耐受尾气中2％～4％的二氧化碳含量，并具有温度补偿功能，控制样气温度在25℃左右。
进一步地，氧气利用效能在线计算单元包括PLC和终端显示器。所述的PLC通过电气与终端显示器连接。
进一步地，所述的鼓风机选用变频式鼓风机，并配有变频器。
本发明还提供一种检测MABR工艺氧气利用效能的方法，其特征在于：
S1、MABR膜组件供气、尾气排放和尾气检测的运行；
通过供气单元将空气传送至MABR膜组件底部，空气中的氧气透过膜组件的曝气膜丝传递至生物膜，同时空气自下而上穿过膜丝，直至膜组件顶部。
进一步地，MABR膜组件曝气后的尾气从膜组件顶部进入尾气单元：首先经过汽水分离器进行汽水分离，通过电动阀门将冷凝水排除系统；经过汽水分离器的尾气通过尾气管路依次经过空气流量计、压力传感器和温度传感器。
进一步地，当无需检测MABR工艺氧气利用效能时，关闭尾气检测管路电动球阀，开启尾气排放管路电动球阀，尾气通过尾气排放管路排入到空气中。
进一步地，当需要检测MABR工艺氧气利用效能时，关闭尾气排放管路电动球阀，开启尾气检测管路电动球阀，尾气进入尾气检测管路；尾气经过干燥器的预处理后，通过气泵进行样气采集，样气经过滤后进入氧气浓度分析仪，进行氧含量分析；剩余尾气通过尾气检测管路排入到空气中。
S2、MABR工艺氧气利用效能的计算方法；
将鼓风机电表、供气空气流量计和氧气浓度分析仪的实时数据传输至PLC，进行氧气利用效能计算，计算公式如下：
式(1)中，OTE为氧转移效率，即向MABR膜组件供给的空气中传递到生物膜的氧气比例，％；O2,in为进入MABR膜组件空气中的氧气百分含量，恒定值为20.9％；O2,out为MABR膜组件尾气中的氧气百分含量，％；Fv为体积损失系数，通过式(2)进行计算。
式(3)中，OTR为氧转移速率，gO2/m2/h；Qair为空气流量，L/h；32为氧气的相对分子质量；22.4为气体标况摩尔体积常数；Sbf为MABR生物膜面积，m2。
式(4)中，AE为鼓风机的充氧动力效率，kgO2/kWh；W为鼓风机能耗，kW。
进一步地，将PLC计算所得的OTE、OTR和AE结果传输至终端显示器，实现在线监测MABR工艺的氧气利用效能。
与现有技术相比，本发明的优势在于：(1)无需停止工艺运行，无需外加药剂，即可实现MABR工艺氧气利用效能的实时检测；(2)检测MABR曝气剩余尾气中的氧含量，而非反应器内溶解氧浓度，能够更直接地反映MABR的氧气利用效能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统示意图。
图1中：1.空气过滤器、2.鼓风机、3.鼓风机电表(带传感器)、4.空气流量计(供气管路)、5.电动球阀(供气管路)、6.空气压力传感器(供气管路)、7.空气温度传感器(供气管路)、8.供气管路、9.MABR膜组件、10.汽水分离器、11.冷凝水排放电动球阀、12.冷凝水排放管路、13.空气流量计(尾气管路)、14.空气压力传感器(尾气管路)、15.空气温度传感器(尾气管路)、16.尾气管路、17.电动球阀(尾气排放管路)、18.尾气排放管路、19.电动球阀(尾气检测管路)、20.干燥器、21.尾气采样气泵、22.样气过滤器、23.氧气浓度分析仪、24.尾气检测管路、25.PLC、26.终端显示器。
具体实施方式
下文将结合说明书附图和实施例详细说明本发明的实施方案。
本实施例提供一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统及方法，包括MABR膜组件、供气单元、尾气单元、氧气利用效能在线计算单元。所述的MABR膜组件(9)规格为2.1m*1.05m*2.1m(长*宽*高)。MABR膜组件(9)的一端为供气单元，另一端为尾气单元；供气单元和尾气单元均与氧气利用效能在线计算单元连接。
如图1所示，一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，供气单元包括空气过滤器(1)、鼓风机(2)、带传感器的鼓风机电表(3)、空气流量计(4)、电动球阀(5)、空气压力传感器(6)、空气温度传感器(7)和供气管路(8)。所述的空气过滤器(1)、鼓风机(2)、空气流量计(4)、电动球阀(5)、空气压力传感器(6)、空气温度传感器(7)依次布置在供气管路(8)上；带传感器的鼓风机电表(3)布置在鼓风机(2)上；传感器的鼓风机电表(3)和空气流量计(4)与PLC(25)通过电气连接。
如图1所示，尾气单元包括汽水分离器(10)、冷凝水排放电动球阀(11)、冷凝水排放管路(12)、空气流量计(13)、空气压力传感器(14)、空气温度传感器(15)和尾气管路(16)。冷凝水排放管路(12)设置在MABR膜组件(9)的出口处，所述的汽水分离器(10)、空气流量计(13)、空气压力传感器(14)、空气温度传感器(15)依次布置在尾气管路(16)上；汽水分离器(10)、冷凝水排放电动球阀(11)依次布置在冷凝水排放管路(12)上。
如图1所示，一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其上的尾气单元还包括尾气排放单元和尾气检测单元。
尾气排放单元包括尾气排放电动球阀(17)和尾气排放管路(18)。所述的尾气排放电动球阀(17)布置在尾气排放管路(18)上；尾气排放管路(18)与尾气管路(16)连接。
尾气检测单元包括尾气检测电动球阀(19)、干燥器(20)、尾气采样气泵(21)、样气过滤器(22)、氧气浓度分析仪(23)和尾气检测管路(24)。所述的尾气检测电动球阀(19)、干燥器(20)、尾气采样气泵(21)、样气过滤器(22)、氧气浓度分析仪(23)依次布置于尾气检测管路(24)上；尾气检测管路(24)与尾气管路(16)连接；氧气浓度分析仪(23)与PLC(25)通过电气连接。所述的尾气排放管路(18)和尾气检测管路(24)并联与尾气管路(12)连接。
如图1所示，一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其上有氧气利用效能在线计算单元，包括PLC(25)和终端显示器(26)。所述的PLC(25)通过电气与终端显示器(26)连接。
通过供气单元将空气传送至MABR膜组件(9)底部，空气沿膜丝腔内自下而上，直至MABR膜组件(9)顶部，之后进入尾气单元。尾气依次通过汽水分离器(10)、空气流量计(13)、空气压力传感器(14)、空气温度传感器(15)，尾气中的冷凝水通过冷凝水排放电动球阀(11)排出。当检测MABR膜组件的氧气利用效能时，关闭尾气排放电动球阀(17)，开启尾气检测电动球阀(19)。尾气经过干燥器(20)干燥后，由尾气采样气泵(21)采集，经过样气过滤器(22)进行气体过滤后，尾气进入氧气浓度分析仪(23)进行氧含量分析，数据结果传输至PLC(25)计算OTE、OTR和AE后，在终端显示器(26)呈现结果。
MABR膜组件曝气后，通过氧气浓度分析仪(23)分析尾气中的氧气含量为16％。基于OTE、OTR和AE的计算公式，得到MABR工艺的OTE为28.2％，OTR为0.48gO2/m2/h，AE为5.3kgO2/kWh。
PLC(25)采用西门子1512SP-1PN并配有数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、通讯模块等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其特征在于：包括MABR膜组件、供气单元、尾气单元、氧气利用效能在线计算单元；MABR膜组件(9)的一端为供气单元，另一端为尾气单元；供气单元和尾气单元均与氧气利用效能在线计算单元连接；
2.根据权利要求1所述的一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其特征在于：供气单元包括空气过滤器(1)、鼓风机(2)、带传感器的鼓风机电表(3)、空气流量计(4)、电动球阀(5)、空气压力传感器(6)、空气温度传感器(7)和供气管路(8)；所述的空气过滤器(1)、鼓风机(2)、空气流量计(4)、电动球阀(5)、空气压力传感器(6)、空气温度传感器(7)依次布置在供气管路(8)上；带传感器的鼓风机电表(3)布置在鼓风机(2)上；传感器的鼓风机电表(3)和空气流量计(4)与PLC(25)通过电气连接；
尾气单元包括汽水分离器(10)、冷凝水排放电动球阀(11)、冷凝水排放管路(12)、空气流量计(13)、空气压力传感器(14)、空气温度传感器(15)和尾气管路(16)；冷凝水排放管路(12)设置在MABR膜组件(9)的出口处，所述的汽水分离器(10)、空气流量计(13)、空气压力传感器(14)、空气温度传感器(15)依次布置在尾气管路(16)上；汽水分离器(10)、冷凝水排放电动球阀(11)依次布置在冷凝水排放管路(12)上；氧气利用效能在线计算单元，包括PLC(25)和终端显示器(26)；所述的PLC(25)通过电气与终端显示器(26)连接。
3.根据权利要求2所述的一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其特征在于：尾气单元还包括尾气排放单元和尾气检测单元；
尾气排放单元包括尾气排放电动球阀(17)和尾气排放管路(18)；所述的尾气排放电动球阀(17)布置在尾气排放管路(18)上；尾气排放管路(18)与尾气管路(16)连接；
尾气检测单元包括尾气检测电动球阀(19)、干燥器(20)、尾气采样气泵(21)、样气过滤器(22)、氧气浓度分析仪(23)和尾气检测管路(24)；所述的尾气检测电动球阀(19)、干燥器(20)、尾气采样气泵(21)、样气过滤器(22)、氧气浓度分析仪(23)依次布置于尾气检测管路(24)上；尾气检测管路(24)与尾气管路(16)连接；氧气浓度分析仪(23)与PLC(25)通过电气连接；所述的尾气排放管路(18)和尾气检测管路(24)并联与尾气管路(12)连接。
4.根据权利要求1所述的一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其特征在于：
通过供气单元将空气传送至MABR膜组件(9)底部，空气沿膜丝腔内自下而上，直至MABR膜组件(9)顶部，之后进入尾气单元；尾气依次通过汽水分离器(10)、空气流量计(13)、空气压力传感器(14)、空气温度传感器(15)，尾气中的冷凝水通过冷凝水排放电动球阀(11)排出；当检测MABR膜组件的氧气利用效能时，关闭尾气排放电动球阀(17)，开启尾气检测电动球阀(19)；尾气经过干燥器(20)干燥后，由尾气采样气泵(21)采集，经过样气过滤器(22)进行气体过滤后，尾气进入氧气浓度分析仪(23)进行氧含量分析，数据结果传输至PLC(25)计算OTE、OTR和AE后，在终端显示器(26)呈现结果。
5.根据权利要求1所述的一种检测MABR工艺氧气利用效能的系统，其特征在于：所述的鼓风机选用变频式鼓风机，并配有变频器。
6.利用权利要求1所述系统进行的一种检测MABR工艺氧气利用效能的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
S1MABR膜组件供气、尾气排放和尾气检测的运行；
通过供气单元将空气传送至MABR膜组件底部，空气中的氧气透过膜组件的曝气膜丝传递至生物膜，同时空气自下而上穿过膜丝，直至膜组件顶部；
S2MABR工艺氧气利用效能的计算方法
将鼓风机电表、供气空气流量计和氧气浓度分析仪的实时数据传输至PLC，进行氧气利用效能计算，计算公式如下：
式(1)中，OTE为氧转移效率，即向MABR膜组件供给的空气中传递到生物膜的氧气比例，％；O2,in为进入MABR膜组件空气中的氧气百分含量，恒定值为20.9％；O2,out为MABR膜组件尾气中的氧气百分含量，％；Fv为体积损失系数，通过式(2)进行计算；
式(3)中，OTR为氧转移速率，gO2/m2/h；Qair为空气流量，L/h；32为氧气的相对分子质量；22.4为气体标况摩尔体积常数；Sbf为MABR生物膜面积，m2；
式(4)中，AE为鼓风机的充氧动力效率，kgO2/kWh；W为鼓风机能耗，kW。
7.根据权利要求6所述系统进行的一种检测MABR工艺氧气利用效能的方法，其特征在于：MABR膜组件曝气后的尾气从膜组件顶部进入尾气单元：首先经过汽水分离器进行汽水分离，通过电动阀门将冷凝水排除系统；经过汽水分离器的尾气通过尾气管路依次经过空气流量计、压力传感器和温度传感器。
8.根据权利要求6所述系统进行的一种检测MABR工艺氧气利用效能的方法，其特征在于：当无需检测MABR工艺氧气利用效能时，关闭尾气检测管路电动球阀，开启尾气排放管路电动球阀，尾气通过尾气排放管路排入到空气中。
9.根据权利要求6所述系统进行的一种检测MABR工艺氧气利用效能的方法，其特征在于：当需要检测MABR工艺氧气利用效能时，关闭尾气排放管路电动球阀，开启尾气检测管路电动球阀，尾气进入尾气检测管路；尾气经过干燥器的预处理后，通过气泵进行样气采集，样气经过滤后进入氧气浓度分析仪，进行氧含量分析；剩余尾气通过尾气检测管路排入到空气中。
10.根据权利要求6所述系统进行的一种检测MABR工艺氧气利用效能的方法，其特征在于：将PLC计算所得的OTE、OTR和AE结果传输至终端显示器，实现在线监测MABR工艺的氧气利用效能。
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