CN117263367A - 一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法及系统，通过对生化池不同区位的好氧段曝气尾气中的组分进行分析计算，实时监测生化池活性污泥混合液中微生物代谢产生的呼吸速率，将监测呼吸速率值与设定阈值比对，通过控制曝气风量或生化池进水量，使活性污泥混合液流到最后一个好氧段末端时，液相氨氮浓度匹配设定阈值。本发明所述的用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法及系统，无药剂消耗，过程部件均不与污水、污泥接触，不存在堵塞问题，维护校准频次低，适用于污水处理、固体废弃物处理等多种场景应用。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，尤其是涉及一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法及系统。
背景技术
城镇污水处理厂一般采用生物脱氮除磷工艺，近年来，排放标准的不断提高，尤其是氮、磷相关指标的排放限值，使用于脱氮的外碳源和除磷药剂成本大幅增加。尽管如此，出水氮、磷指标的波动还是比较大，仍然存在超标风险。这是因为目前活性污泥处理系统通常配置的在线传感器如溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、污泥浓度（MLSS）、pH等，存在这样一个问题：只能间接表征生化池内的工艺条件是否适合目标微生物生存，但不能够准确反映出微生物生化反应进行程度和结果。
另一类普遍使用的基于化学法、光谱法或电化学方法的氨氮、硝氮、总磷在线分析仪表，也只能给出一个水质结果，并不能给出生物反应过程信息。而且，这些分析仪表不能直接测量活性污泥样品，需要沉淀或过滤等预处理，造成了一定程度的信息滞后。这类仪表往往还需要大量药剂消耗、比较频繁的校准维护，产生危废类的废液，获得每个数据的成本较高，也限制了这类仪表的大量使用。
呼吸速率（OUR）被认为是能够直接反应微生物活性的重要指标，被广泛用于科研实验及污水处理过程监控。但目前测量呼吸速率（OUR）的方法一般是通过抽取少量活性污泥样品至小型反应器中重新曝气、搅拌，通过测量DO变化获得OUR。类似方法得到的结果被很多文献证明并不能代表生物反应池中的真实情况，因为取样后重新曝气必然会使活性污泥样品的DO与生物池内不一致，导致测得的OUR偏离实际，尤其是在进行低溶解氧控制的场景下，如同步硝化反硝化，这种偏离会更加巨大。过大的曝气或搅拌强度也会引起污泥絮体形态改变，造成与生物池中不一样的传质条件，甚至通过取样泵之后的活性污泥絮体也会发生显著变化。在各种生物膜法处理工艺中，存在固定或悬浮生物填料，由于无法采样，上述呼吸速率（OUR）测量方法不能实现在线监测。
在工艺控制方面，对好氧生物反应过程的控制一般是以DO为控制目标，采用PID、活性模型数学模型或模糊控制等手段，通过调整鼓风机风量、阀门开度，实现将DO控制在一个比较稳定的水平。这种方法最根本的问题是：DO并不与排放标准中任何一项有确定的对应关系，即使把DO控制得非常稳定，既不能保证水质达标，也不能保证进水中的碳源没有因为过度曝气而被浪费掉。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法，以解决现有技术只能间接表征生化池内的工艺条件是否适合目标微生物生存，但不能够准确反映出微生物生化反应进行程度和结果。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法，通过对生化池不同区位的好氧段曝气尾气中的组分进行分析计算，实时监测生化池活性污泥混合液中微生物代谢产生的呼吸速率，且呼吸速率为OUR，将监测所述呼吸速率值与设定阈值比对，通过控制曝气风量或生化池进水量，使活性污泥混合液流到最后一个好氧段末端时，液相氨氮浓度匹配所述设定阈值。
进一步的，所述通过监测所述好氧段曝气尾气吸光度得到曝气尾气中的CO2、O2、N2O、CH4组分摩尔分数，结合气体流量Q、液相的溶解氧含量和pH值，计算待比对值的过程参数，所述待比对值为呼吸速率值或计算温室气体排放值。
进一步的，所述计算所述呼吸速率值的过程参数为氧转移效率、氧传输速率、二氧化碳转移效率、生物二氧化碳生产速率，混合呼吸速率、异养菌呼吸速率、硝化菌呼吸速率；计算温室气体排放值的过程参数为二氧化碳排放速率、氧化亚氮排放速率和甲烷排放速率；
进一步的，所述计算待比对值的方法是，
OTE=(MRi-MRe)/MRi，OTE为氧转移效率；
MRi=O2,i/(1-O2,i-CO2,i)，MRe=O2,e/(1-O2,e-CO2,e)；
OTR=OTE·ρO2·Q·O2,e/(1-OTE)；OTR为氧传输速率；
CTR=ρCO2·Q·(CO2,e-CO2,i)；CTR为二氧化碳排放速率；
MR代表氧与惰性气体摩尔比，脚标i代表曝气系统进气，e代表曝气系统出气，ρO2为氧气密度，ρCO2为二氧化碳密度；
CPR=CTR-rF，rF是由pH变化引起的CO2排放；CPR为生物二氧化碳生产速率；CTR为二氧化碳排放速率；
当pH恒定时，CPR=CTR；
NER=Q·N2Oe·ρN2O；ρN2O一氧化二氮密度；NER为氧化亚氮排放速率；
CER=Q·CH4,e·ρCH4；ρCH4甲烷密度；CER为甲烷排放速率；
污水生物处理系统中，OTR、OURH、OURN、DO的质量平衡表示为：
；
V为反应器体积，SO为溶解氧浓度，上标IN代表进入反应器流体的溶解氧浓度；OURH为异养菌呼吸速率；OURN为硝化菌呼吸速率；DO为溶解氧含量；
计算得到实时的活性污泥混合呼吸速率OURT，OURT=OURH+OURN。
相对于现有技术，本发明所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法具有以下优势：既能够满足氨氮达标排放，又能够最大程度保留进水中的碳源，不会因为过度曝气而浪费碳源；通过对氨氮浓度接近零处曝气尾气的监测分析获得异养菌呼吸速率OURH，从而将混合呼吸速率OURT解析为异养菌呼吸速率OURH和硝化菌（包括氨氮氧化细菌(AOB)和亚硝酸氮氧化细菌（NOB））呼吸速率OURN，并可以根据气相N2O浓度进一步判断亚硝酸盐氧化过程是否受到抑制。
本发明的另一目的在于提出一种用于污水处理活性污泥工艺的在线监测系统，以解决现有不能直接测量活性污泥样品，需要沉淀或过滤等预处理，造成测试信息滞后的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于污水处理活性污泥工艺的在线监测系统，包括若干曝气尾气收集装置，若干曝气尾气收集装置互不干涉，每个曝气尾气收集装置均漂浮至待监测生化池的液面上，且每个曝气尾气收集装置内均安装DO和pH监测探头，曝气尾气收集装置用于收集待监测生化池的曝气尾气，且DO和pH监测探头用于监测液相的溶解氧含量和pH值并信号传输至控制器，每个曝气尾气收集装置通过对应的柔性气管连通至采集模块，采集模块用于监测曝气尾气的吸光度并信号传输至控制器。
进一步的，所述柔性气管上设置流量计，流量计用于计量进入采集模块的气体流量。
进一步的，所述尾气收集装置内收集的曝气尾气通过预处理模块后进入采集模块，预处理模块为冷凝装置。
相对于现有技术，本发明所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线监测系统具有以下有益效果：该在线监测仪灵敏度高，无药剂消耗，过程部件均不与污水、污泥接触，不存在堵塞问题，维护校准频次低，适用于污水处理、固体废弃物处理等多种场景应用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的微生物反应在线监测仪的监测流程示意图。
附图标记说明：
1-集气罩；2-冷凝水收集装置；3-柔性气管；4-电磁阀；5-温度传感器；6-流量计；7-取样泵；8-半导体冷凝装置；9-采集模块。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种用于污水处理活性污泥工艺的在线监测系统，包括若干曝气尾气收集装置，若干曝气尾气收集装置互不干涉，每个曝气尾气收集装置均漂浮至待监测生化池的液面上，且每个曝气尾气收集装置内均安装DO和pH监测探头，DO和pH监测探头均为现有技术的监测探头，曝气尾气收集装置用于收集待监测生化池的曝气尾气，且DO和pH监测探头用于监测液相的溶解氧含量和pH值并信号传输至控制器，曝气尾气收集为能够漂浮在待监测生化池液面上的集气罩1，每个曝气尾气收集装置通过对应的柔性气管3连通至采集模块9，确保若干曝气尾气收集装置收集的曝气尾气互不干涉，采集模块9用于监测曝气尾气的吸光度并信号传输至控制器，采集模块9可采用英国城市技术(City Technology)公司生产的传感器，也可选用其他型号传感器，只需满足采集需求，工作人员可自行调配，控制器为现有技术的plc，电讯号的传送为现有技术，此处不在赘述。
柔性气管3上设置流量计6和温度传感器5，流量计为AMS1000系列气体质量流量计，流量计6用于计量进入采集模块9的气体流量，温度传感器的型号是MCP9700AT-E/LT，温度传感器5用于监测柔性气管3内气体的温度，柔性气管3上设置电磁阀4，电磁阀4为现有技术的气体用电磁阀，电磁阀4用于通断尾气收集装置与采集模块9中的通路。
尾气收集装置内收集的曝气尾气通过预处理模块后进入采集模块9，预处理模块为现有技术的半导体冷凝装置8，半导体冷凝装置8内的气路为迷宫式气路，能够在同等体积下，增加气体行走路径长度，提高处理效率，且在气体进入预处理模块前，需经过冷凝水收集装置2进行预处理。
如图1所示，相互独立设置的多个曝气尾气收集装置，每个曝气尾气收集装置放置在待监测生化池液面的不同区位，或多个待监测生化池内（此处多个待监测生化池为上下游关系，即曝气系统的不同取样点位），多个曝气尾气收集装置分别连接柔性气管3将尾气先经过冷凝水收集装置2预处理，每路柔性气管3至少对应一个电磁阀4，且电磁阀4通过控制器启闭，当该路气管上对应的电磁阀4开启时，该路气体经过流量计6，计量集气罩1收集到的气体流量Q后气体被取样泵7抽取，送入半导体冷凝装置8进行除湿预处理，再进入采集模块9，采集模块9将待测气体浓度转化为电信号输出，控制器负责按照程序控制各气路中电磁阀4开闭，将不同取样点位收集到的气体样品切换至采集模块9，以及计算二次参数，并输出数据至云平台。
通过一种用于污水处理活性污泥工艺的在线监测系统对生化池好氧段曝气尾气中的组分进行分析计算，实施的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法，是通过对生化池不同区位的好氧段曝气尾气中的组分进行分析计算，实时监测活性污泥混合呼吸速率OURT、异养菌呼吸速率OURH、硝化菌呼吸速率OURN或液相中氨氮浓度，通过控制器与设定阈值比对，通过控制器控制曝气风量或生化池进水量，曝气风量通过曝气系统进给气体，且本实施例的曝气系统为空压机通过管道向待监测生化池内吹气，通过自来水进给水体，使活性污泥混合液流到最后一个好氧段末端时，液相氨氮浓度匹配设定阈值。
其中硝化菌呼吸速率OURN包含氨氮氧化细菌的呼吸速率OURN和亚硝酸氮氧化细菌的呼吸速率OURN，氨氮氧化细菌为AOB，亚硝酸氮氧化细菌为NOB。
通过采集模块9监测的曝气尾气吸光度向控制器输出曝气尾气中的CO2、O2、N2O、CH4组分摩尔分数，结合流量计6计量的气体流量Q、DO和pH监测探头监测液相的溶解氧含量和pH值，计算待比对值，所述待比对值为呼吸速率值或计算温室气体排放值。
计算所述呼吸速率值的过程参数为氧转移效率、氧传输速率、二氧化碳转移效率、生物二氧化碳生产速率，混合呼吸速率、异养菌呼吸速率、硝化菌呼吸速率；计算温室气体排放值的过程参数为二氧化碳排放速率、氧化亚氮排放速率和甲烷排放速率。
所述计算待比对值的方法是，
OTE=(MRi-MRe)/MRi，OTE为氧转移效率；
MRi=O2,i/(1-O2,i-CO2,i)，MRe=O2,e/(1-O2,e-CO2,e)；
OTR=OTE·ρO2·Q·O2,e/(1-OTE)；OTR为氧传输速率；
CTR=ρCO2·Q·(CO2,e-CO2,i)；CTR为二氧化碳排放速率；
MR代表氧与惰性气体摩尔比，脚标i代表曝气系统进气，e代表曝气系统出气，ρO2为氧气密度，ρCO2为二氧化碳密度；
CPR=CTR-rF，rF是由pH变化引起的CO2排放；CPR为生物二氧化碳生产速率；CTR为二氧化碳排放速率；
当pH恒定时，CPR=CTR；
NER=Q·N2Oe·ρN2O；ρN2O一氧化二氮密度；NER为氧化亚氮排放速率；
CER=Q·CH4,e·ρCH4；ρCH4甲烷密度；CER为甲烷排放速率；
污水生物处理系统中，OTR、OURH、OURN、DO的质量平衡表示为：
；
V为反应器体积，SO为溶解氧浓度，上标IN代表进入反应器流体的溶解氧浓度；OURH为异养菌呼吸速率；OURN为硝化菌呼吸速率；DO为溶解氧含量；
计算得到实时的活性污泥混合呼吸速率OURT，OURT=OURH+OURN。
由于排放限值要求，城镇污水处理厂在最后一个好氧段末端氨氮浓度接近零，硝化反应停止，即OURN=0；在此处设置取样点1收集曝气尾气，经分析计算得到的OURT 1即为异养菌呼吸速率OURH，则好氧段任意断面x的OURH x=OURT 1，OURN x=OURT x-OURT 1，上标x表示任意断面的编号1、2、3、4......。
在A2/O工艺中，在好氧段出口设置一个取样点位1，测量得到该处OURT 1=0.05kg/h，此处液相氨氮浓度小于1mg/L，OURN 1≈0，得到OURT 1=OURH 1=0.05kg/h，在好氧段中间再设置一个取样点位2，测量该处OURT 2=0.15kg/h，则OURN 2=OURT 2-OURT 1=0.1kg/h，得到取样点位2处的硝化菌呼吸速率，以取样点位2处的硝化菌呼吸速率OURN 2=0.1kg/h为预设控制目标，当OURN 2实测值高于设定值时，增加曝气风量或气管阀门开度，或减少进水量；当OURN 2实测值低于设定值时，减少曝气风量或气管阀门开度，或增加进水量。这样可以使设定的硝化反应终点始终与生化池最后一个好氧段末端重合，即活性污泥混合液流到最后一个好氧段末端出水口时，液相氨氮浓度小于1mg/L，硝化反应停止。
如果处理工艺采用的是序批式（SBR）反应池型，在判断达到设定的OURT 1=0.05kg/h后，应立即停止曝气。
采用上述在线控制方法，既能够满足氨氮达标排放，又能够最大程度保留进水中的碳源，不会因为过度曝气而浪费碳源，同时该气相组分在线监测仪灵敏度高，无药剂消耗，过程部件均不与污水、污泥接触，不存在堵塞问题，维护校准频次低，适用于污水处理、固体废弃物处理等多种场景应用。
在线监测系统对曝气尾气的监测分析，实时、原位获得液相中微生物反应信息及所提供的测量数据，控制曝气风量或管路阀门开度及生化池进水量等方式，使硝化反应在生化池最后一个好氧段末端刚好达到所需的反应程度，既能够满足氨氮达标排放，又最大程度保留进水中的碳源用于缺氧反硝化和厌氧释磷过程。
通过对氨氮浓度接近零处曝气尾气的监测分析获得异养菌呼吸速率OURH，从而将混合呼吸速率OURT解析为异养菌呼吸速率OURH和硝化菌（包括氨氮氧化细菌和亚硝酸氮氧化细菌）呼吸速率OURN，并可以根据气相N2O浓度进一步判断亚硝酸盐氧化过程是否受到抑制。
通过对二氧化碳排放速率和pH的测量，得到微生物二氧化碳生产速率，避免了HCO3 -/CO2反应平衡移动而产生的CO2对二氧化碳生产速率的干扰，获得实际异养菌代谢过程的CO2产生速率，可直接用于判断异养菌活性及内碳源反硝化能力。
在线监测系统在监测生物反应的同时还可以实时监测污水处理过程中温室气体CO2、N2O、CH4的排放情况，可用于摸索温室气体排放量减少的工艺参数条件，并实现温室气体CO2、N2O、CH4排放量最小化。
用一个采集模块9对若干个曝气尾气收集装置收集到的气体样品按程序自动切换监测，可实时获得好氧池多个断面的生物反应和温室气体排放信息，能够减少设备投入。
由半导体制冷片和铜或铝等导热性好的材质制成的迷宫式气路组成的气体冷凝装置对气体样品进行连续在线冷凝除湿预处理，在预处理模块一侧设置热交换器，以便通过控制器自动控制冷凝温度，使得这种预处理方式气体压力损失小，无干燥剂消耗，适于连续在线干燥。
本实施例提出的在线监测系统及本申请中提到的控制方法，可以用于所有活性污泥法的工艺控制，如A/O、A2/O、多级A2/O、AB法、氧化沟、SBR，无需考虑微生物是悬浮生长还是固着生长在填料表面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法，其特征在于：通过对生化池不同区位的好氧段曝气尾气中的组分进行分析计算，实时监测生化池活性污泥混合液中微生物代谢产生的呼吸速率，且呼吸速率为OUR，将监测所述呼吸速率值与设定阈值比对，通过控制曝气风量或生化池进水量，使活性污泥混合液流到最后一个好氧段末端时，液相氨氮浓度匹配所述设定阈值。
2.根据权利要求1所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法，其特征在于：通过监测所述好氧段曝气尾气吸光度得到曝气尾气中的CO2、O2、N2O、CH4组分摩尔分数，结合气体流量Q、液相的溶解氧含量和pH值，计算待比对值的过程参数，所述待比对值为呼吸速率值或计算温室气体排放值。
3.根据权利要求2所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法，其特征在于：计算所述呼吸速率值的过程参数为氧转移效率、氧传输速率、二氧化碳转移效率、生物二氧化碳生产速率，混合呼吸速率、异养菌呼吸速率、硝化菌呼吸速率；计算温室气体排放值的过程参数为二氧化碳排放速率、氧化亚氮排放速率和甲烷排放速率。
4.根据权利要求3所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法，其特征在于：
所述计算待比对值的方法是，
OTE=(MRi-MRe)/MRi，OTE为氧转移效率；
MRi=O2,i/(1-O2,i-CO2,i)，MRe=O2,e/(1-O2,e-CO2,e)；
OTR=OTE·ρO2·Q·O2,e/(1-OTE)；OTR为氧传输速率；
CTR=ρCO2·Q·(CO2,e-CO2,i)；CTR为二氧化碳排放速率；
MR代表氧与惰性气体摩尔比，脚标i代表曝气系统进气，e代表曝气系统出气，ρO2为氧气密度，ρCO2为二氧化碳密度；
CPR=CTR-rF，rF是由pH变化引起的CO2排放；CPR为生物二氧化碳生产速率；CTR为二氧化碳排放速率；
当pH恒定时，CPR=CTR；
NER=Q·N2Oe·ρN2O；ρN2O一氧化二氮密度；NER为氧化亚氮排放速率；
CER=Q·CH4,e·ρCH4；ρCH4甲烷密度；CER为甲烷排放速率；
污水生物处理系统中，OTR、OURH、OURN、DO的质量平衡表示为：
；
V为反应器体积，SO为溶解氧浓度，上标IN代表进入反应器流体的溶解氧浓度；OURH为异养菌呼吸速率；OURN为硝化菌呼吸速率；DO为溶解氧含量；
计算得到实时的活性污泥混合呼吸速率OURT，OURT=OURH+OURN。
5.使用权利要求1-4任一所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线控制方法实施的在线监测系统，其特征在于：包括若干曝气尾气收集装置，若干曝气尾气收集装置互不干涉，每个曝气尾气收集装置均漂浮在待监测生化池的液面上，且每个曝气尾气收集装置内均安装DO和pH监测探头，曝气尾气收集装置用于收集待监测生化池的曝气尾气，且DO和pH监测探头用于监测液相的溶解氧含量和pH值并信号传输至控制器，每个曝气尾气收集装置通过对应的柔性气管连通至采集模块，采集模块用于监测曝气尾气的吸光度并信号传输至控制器。
6.根据权利要求5所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线监测系统，其特征在于：柔性气管上设置流量计，流量计用于计量进入采集模块的气体流量。
7.根据权利要求5所述的一种用于污水处理活性污泥工艺的在线监测系统，其特征在于：尾气收集装置内收集的曝气尾气通过预处理模块后进入采集模块，预处理模块为冷凝装置。
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