通過變頻調速在線檢測活性汙泥微生物比耗氧速率的方法
2023-09-19 02:37:50
專利名稱：通過變頻調速在線檢測活性汙泥微生物比耗氧速率的方法
技術領域：
本發明涉及汙水生物處理過程中比耗氧速率(SOUR)的快速在線檢測方法，尤其是能夠進行變頻控制和自動控制的SBR工藝。所屬技術領域為活性汙泥法深度生物脫氮處理理論與技術。
背景技術：
一般來說，採用羅茨鼓風機進行供氧的汙水處理廠曝氣費用佔日常運行成本中的 50-60%，曝氣階段節能降耗有很大的潛力和空間。因此越來越多的汙水處理廠特別是SBR 工藝中開始廣泛採用變頻供氧技術。作為目前汙水處理過程中最有前景的技術，變頻技術能夠極大地降低汙水處理過程中曝氣能耗，節省日常運行成本，增強汙水日處理能力。SBR 工藝是間歇式活性汙泥法汙水處理工藝的簡稱，它的處理裝置只有一個SBR反應池，進水、 反應、沉澱、排水等步驟均在此反應池中進行，是一種常規的活性汙泥法汙水處理工藝。SBR 工藝具有時間軸向特性和推動力大等優點，曝氣過程耗氧速率變化曲線很有規律，非常適合作為SBR工藝的過程控制參數。作為表徵活性汙泥微生物活性的重要參數之一，活性汙泥的比耗氧速率(SOUR) 從微生物呼吸速率角度反映活性汙泥生理狀態和基質代謝情況。在活性汙泥法早期，好氧微生物的呼吸速率就作為檢測汙泥生物活性的參數，在分析、評價和預測系統運行狀況以及處理能力方面獲得廣泛的應用。研究和應用汙水處理系統的OUR檢測技術，對促進汙水生物處理技術的發展，強化和提高汙水生物處理系統的運行控制，具有十分重要的意義。以前多數呼吸儀採用溶解氧(DO)傳感器檢測DO濃度，根據DO的變化確定呼吸速率。採用DO傳感器的呼吸儀可分為間歇式和連續式呼吸儀。間歇式呼吸儀操作步驟裝待測混合液於配備傳感器與分析儀連接的完全封閉的小室，先曝氣至溶解氧濃度接近飽和，再停止曝氣，DO儀記錄小室中溶解氧濃度變化。此變化曲線的斜率即為呼吸速率。檢測過程中用磁力攪拌器進行混合攪拌。離線測量具有滯後性，不能實時檢測，在線反饋。而且這些離線測量方法僅僅用於實驗室檢測，而且許多測量方法要添加抑制劑，影響活性汙泥系統的穩定運行，不能作為系統長期運行的過程控制參數。而連續式呼吸儀連續交替檢測呼吸室進、出口處溶解氧濃度。汙泥連續泵入此呼吸室。根據進口和出口溶解氧濃度的差之和停留時間計算出呼吸速率。同時必須假定溶解氧濃度維持穩定。但是由於目前在線OUR傳感器費用昂貴，運行維護繁瑣，性能不穩定，因此目前大部分的實際汙水處理廠很少應用在線OUR傳感器實時監測曝氣過程，而是採用其它類型的傳感器間接指示曝氣過程的信息。隨著自動控制設備、在線檢測儀表(DO傳感器、pH傳感器、ORP傳感器)和變頻技術的開發和廣泛應用，為實現以鼓風機頻率為基礎在線檢測活性汙泥系統的SOUR創造了有利條件。
發明內容
本發明的目的是建立一種快速間接檢測微生物比耗氧速率(SOUR)的方法，通過變頻控制鼓風機實現恆定溶解氧(DO)技術而得到的頻率參數曲線來間接指示曝氣過程的比耗氧速率，通過在各種環境控制參數條件下檢測其穩定性，達到快速檢測比耗氧速率的目的，實現SBR工藝的實時過程控制。本發明在理論推導和反覆試驗的基礎上，以SBR工藝為研究對象，通過考察鼓風機頻率參數與微生物比耗氧速率(SOUR)之間存在的相關性，建立了一個在線監測活性汙泥SOUR的線性關係式，制定了以SOUR為控制參數的控制策略。活性汙泥的SOUR曲線特徵可以有效地指示生化反應進程，一旦拐點出現，控制系統根據收到的模擬量反饋信號做出判斷，將控制信號傳遞給執行機構，直接關閉鼓風機。本發明的反應器設備(圖1)，包括反應器系統和自動控制系統；反應器系統包括SBR反應器1、鼓風機2 ；鼓風機2與SBR反應器1底部的曝氣管 3相連，曝氣管3與鼓風機2之間設置進氣閥門4 ；自動控制系統包括DO傳感器、溫度傳感器、汙泥濃度傳感器、DO測定儀、汙泥濃度測定儀、過程控制器和計算機；DO傳感器5通過數據線與DO測定儀6相連後與過程控制器的數據信號輸入接口 11連接，DO測定儀6與變頻器7相連，變頻器7同時與鼓風機2、過程控制器13的數據信號輸入接口 11連接，過程控制器13的數據信號輸出接口 12與計算機 14相連；由計算機14發出的控制指令通過輸出總線控制鼓風機2 ；變頻器7採集鼓風機2 頻率信號變化，過程控制器13中集成的邏輯程序根據變頻器7反饋的在線頻率信號、溫度傳感器8反饋的溫度信號和汙泥濃度傳感器9反饋的汙泥濃度信號計算SBR反應器1內微生物的實時比耗氧速率，獲得的實時比耗氧速率數據通過數據線反饋給計算機14，從而在計算機14的軟體界面上顯示出來，最終實現曝氣階段微生物比耗氧速率的在線檢測。本發明的方法如下I) SBR反應器進水完成之後，鼓風機開始曝氣，變頻器根據DO測定儀反饋的DO信號和和鼓風機反饋的頻率信號進行閉環控制，控制曝氣階段DO保持恆定；II)過程控制器內邏輯程序集成了比耗氧速率與頻率兩者之間的線性關係式 SOURt = η X ft+ λ ；其中SOUIit為t時刻的比耗氧速率，單位為mg02/gMLVSS. h，ft為t時刻的頻率值，T為水溫，單位為。C，T在15 30°C範圍內，η = MLVSS/2000 ； λ = α X β Xk, 其中α = S0sat-S0, S。sat為T°C時水中飽和溶解氧值，S。為溶解氧測定儀顯示的溶解氧值， β = exp (T-20/T), k值在1.0 2. 5範圍內，溫度為15°C時k值為1. 0，溫度每升高1°C， k值在原來的基礎上增加0. l，k值的選取對線性關係式的影響不大。過程控制器將汙泥濃度傳感器反饋的信號通過計算獲得揮發性汙泥濃度值，從而確定η ；根據SBR反應器內水溫信號和變頻控制恆定溶解氧的濃度信號確定傳質推動力因子α和β值，繼而計算出入值。確立比耗氧速率與頻率之間的線性關係式之後，變頻器每隔相同的時間間隔採集頻率信號，過程控制器根據頻率信號計算出在線比耗氧速率，比耗氧速率信號反饋給計算機，計算機繪製比耗氧速率的曲線，比耗氧速率曲線會出現指示曝氣終點的拐點(見圖2)；III)計算機在曝氣開始至少60分鐘以後開始識別拐點，比耗氧速率拐點一旦出現，計算機將控制變量傳遞給過程控制器；IV)過程控制器將控制變量經過數字模擬轉換器D/A轉換成控制信號；
V)控制信號通過輸出總線傳遞給鼓風機，鼓風機曝氣停止。本發明的優勢特點在線檢測，響應速度快，可以作為控制生化反應進程的控制參數，準確控制生化反應的進程，節能降耗。I)S0UR的檢測方法具有操作簡便、快速和響應時間短等優點，通過頻率在線檢測該指標，可及時反饋曝氣階段的運行信息。II)自動化程度高，採用可編程控制器PLC控制，根據反饋的頻率信號，可以快速計算出在線SOUR值。III)運行穩定，在線檢測的結果可靠，重現性好。頻率信號抗幹擾能力強，測量結果在不同條件下具有較好的重現性。
圖1本發明裝置示意圖。圖2S0UR在線檢測結果圖。圖1中，I-SBR反應器；2-鼓風機；3-曝氣管；4-進氣閥門；5_D0傳感器；6_D0測定儀；7-變頻器；8-溫度傳感器；9-汙泥濃度傳感器；10-汙泥濃度檢測器；11-信號輸入接口 ；12-信號輸出接口 ； 13-過程控制器；14-計算機。
具體實施例方式實施例，結合圖1，圖2說明本發明方法的運行操作工序。以某大學家屬區排放的生活汙水作為實驗對象(pH = 6. 8 7. 8，COD = 160. 5 319. 8mg/L, NH4+-N = 40 80mg/L.所選擇的SBR反應器有效體積為7m3，每周期進水為 2. 7m3,反應器內混合液的COD濃度維持在190 M0mg/L，NH4+_N濃度在30 40mg/L，溫度為15°C。外加碳源採用體積分數為95%乙醇。具體過程如下I)比耗氧速率與頻率之間線性關係式的確定當系統條件(反應器尺寸，曝氣裝置類型，溫度，氣壓)穩定的時候，Ku的變化主要與曝氣量的變化相關，而變頻控制DO的過程中曝氣量的變化主要由鼓風機的頻率參數f來進行衡量和指示，SOUR可以由以下數學方程式表示SOURt = η X ft+ λ其中SOUIit為t時刻的比耗氧速率，單位為mg02/gMLVSS. h)，ft為t時刻的頻率值，η為汙泥濃度修正因子，η = MLVSS/2000 ； λ = α Χ β Xk，其中α為傳質常數，α = S0sat-S0, β為溫度修正因子，β = exp (T-20/T)，k為常數，其值在1. O 2. 5範圍內。過程控制器13將汙泥濃度傳感器9所反饋的信號經過處理獲得揮發性汙泥濃度值MLVSS信號之後，汙泥濃度修正因子n = MLVSS/2000 = 2000/2000 = 1 ；過程控制器採集溫度傳感器反饋的溫度信號，溫度為15°C，從計算機14中資料庫中獲取15°C時水中飽和溶解氧濃度， 該飽和溶解氧濃度為S。sat，其值為10. 15mg/L, DO傳感器反饋的DO信號為S。，其值為^ig/ L，計算出α = S0sat-S0 = 7. 15 ；過程控制器13根據溫度傳感器8反饋的溫度信號計算出 β = exp (T-20/T) = 0. 72，根據溫度的大小選定k為1. O。當溫度為15°C時，確定頻率與比耗氧速率之間線性關係式如下SOURt = 1 Xft+7. 15X0. 72X1.0 = ft+5. 18。II)SBR工藝的實時控制
1)進水生活汙水進入到SBR反應器1，進水階段持續15分鐘，進水量為2. 7m3。2)曝氣進水結束後，變頻器7通過控制鼓風機2的轉速快慢開始對SBR反應器進行變頻控制，維持曝氣階段溶解氧濃度恆定在3. Omg/L左右，此時系統開始計時。過程控制器開始採集DO傳感器5、溫度傳感器8和汙泥濃度傳感器9反饋的信號，根據這些傳感器的信號確定比耗氧速率與頻率之間的線性關係式。如果DO信號、溫度信號和汙泥濃度信號與上一周期的信號有偏差的話，過程控制器對線性關係式進行相應的修正。曝氣階段異養菌首先進行去除水中有機物的反應，然後氨氧化菌進行氨氧化反應。曝氣開始至少60分鐘之後，變頻器每隔10秒採集一次鼓風機的頻率信號，過程控制器可以獲得頻率的實時信號。 控制器先對頻率信號進行濾波和比較運算之後，再根據比耗氧速率和頻率參數的線性關係式計算出SOUR信號值，線性關係式為SOUIit = ft+5. 18，其中ft為t時刻鼓風機的頻率值。 過程控制器將SOUR信號反饋給計算機，計算機通過分析計算發出是否停鼓風機的控制指令，同時將控制指令經數字模擬轉換器D/A轉換成控制信號再傳輸給鼓風機。當氨氧化反應結束時微生物不再耗氧時，SOUR曲線會出現一個嘲點』，表現為SOUR值急劇下降，SOUR 曲線一階導數由正變負，此狀態維持5分鐘，計算機14通過過程控制器13發出控制指令關閉鼓風機，曝氣停止，結果如圖2所示。3)加碳源反硝化加藥泵啟動，加入400ml體積分數為95%的乙醇作為SBR系統反硝化碳源，同時攪拌60分鐘，設定時間達到之後，計算機控制過程控制器發出控制指令關閉攪拌器，反硝化停止。4)沉澱SBR系統在該階段的時間設定為120分鐘，此時進水閥門、進氣閥門和排水閥門均關閉。5)排水沉澱設定時間到之後，潷水器開啟，系統自動排水，時間設定為30分鐘，排水結束後，關閉潷水器。6)閒置階段該階段根據需要設定閒置時間為4小時，排泥時間為10分鐘，在過程控制器的調節下開啟排泥泵，當達到預先設定的排泥時間後，關閉排泥泵；當達到預先設定閒置時間4小時後，系統停止運行或進入下一個周期。從應用本發明方法得到的檢測結果來看，系統的響應速度快，反應靈敏，根據變頻器每隔相同的時間間隔所反饋的頻率信號可以快速測定曝氣階段微生物的比耗氧速率，同時計算機可以根據過程控制器反饋的信號實時繪出SOUR的變化曲線；而離線呼吸儀(檢測過程參考背景技術)需要花費10-20分鐘時間才能獲得SOUR值，因此本發明解決了離線測量方法響應速度慢，有滯後性的問題；同時也在一定程度上克服了在線SOUR測定方法的維護繁瑣，穩定性差的缺點。另外，通過在線檢測的SOUR曲線，可以獲得系統不同時刻的微生物生化反應狀態，同時計算機上繪製的SOUR曲線在氨氧化終點時會出現拐點(如圖2)，基於以上信息，通過過程控制器反饋控制指令給鼓風機，實現實時控制，本發明為變頻控制溶解氧條件下以SOUR為參數進行實時控制奠定堅實的理論基礎和技術支持。
權利要求
1.通過變頻調速在線檢測活性汙泥微生物比耗氧速率的方法，所應用的檢測設備包括反應器系統和自動控制系統；反應器系統包括SBR反應器、鼓風機；鼓風機與SBR反應器底部的曝氣管相連，曝氣管與鼓風機之間設置進氣閥門；自動控制系統包括溶解氧傳感器、溫度傳感器、汙泥濃度傳感器、汙泥濃度測定儀、溶解氧測定儀、變頻器、過程控制器和計算機；溶解氧傳感器通過數據線與溶解氧測定儀相連後與過程控制器的數據信號輸入接口連接，溶解氧測定儀與變頻器相連，變頻器同時與鼓風機、過程控制器的數據信號輸入接口連接，過程控制器的數據信號輸出接口與計算機相連；由計算機發出的控制指令通過輸出總線控制鼓風機；變頻器採集鼓風機頻率信號變化，過程控制器裡集成的邏輯程序根據變頻器反饋的在線頻率信號、溫度傳感器反饋的溫度信號和汙泥濃度傳感器反饋的汙泥濃度信號計算SBR反應器內微生物的實時比耗氧速率，獲得的實時比耗氧速率數據通過數據線反饋給計算機，在計算機的軟體界面上顯示；其特徵在於，包括以下步驟I)SBR反應器進水完成之後，鼓風機開始曝氣，變頻器根據溶解氧測定儀反饋的溶解氧信號和和鼓風機反饋的頻率信號進行閉環控制，控制曝氣階段溶解氧為一定值；II)過程控制器內邏輯程序集成了比耗氧速率與頻率兩者之間的線性關係式S0URt =η Xft+λ ；其中SOURt為t時刻的比耗氧速率，單位為mg02/gMLVSS. h，ft為t時刻的頻率值，T為水溫，單位為。C，T在15 30°C範圍內，η = MLVSS/2000 ； λ = α X β Xk，其中α = S。sat-S。，S。sat)rC時水中飽和溶解氧值，S。為溶解氧測定儀顯示的溶解氧值，β = eXp(T-20/T)，k值在1. 0 2. 5範圍內，溫度為15°C時k值為1. 0，溫度每升高l°C，k值在原來的基礎上增加0. 1，過程控制器將汙泥濃度傳感器反饋的信號通過計算獲得揮發性汙泥濃度值，從而確定η ；根據SBR反應器內水溫信號和變頻控制恆定溶解氧的濃度信號確定傳質推動力因子α和β值，繼而計算出λ值；確立比耗氧速率與頻率之間的線性關係式之後，變頻器每隔相同的時間間隔採集頻率信號，過程控制器根據頻率信號計算出在線比耗氧速率，比耗氧速率信號反饋給計算機，計算機繪製比耗氧速率的曲線，比耗氧速率曲線會出現指示曝氣終點的拐點；III)計算機在曝氣開始至少60分鐘以後開始識別拐點，比耗氧速率拐點一旦出現，計算機將控制變量傳遞給過程控制器；IV)過程控制器將控制變量經過數字模擬轉換器D/A轉換成控制信號；控制信號通過輸出總線傳遞給鼓風機，鼓風機曝氣停止。
全文摘要
通過變頻調速在線檢測活性汙泥微生物比耗氧速率的方法涉及汙水生物處理過程中一種過程控制參數的快速在線檢測方法。現有的耗氧速率檢測方法在線檢測大多存在費用昂貴，存在滯後性，準確度不高，維護困難等缺點。本發明方法主要利用鼓風機變頻控制溶解氧的過程中得到的在線頻率參數來監測SBR工藝曝氣階段比耗氧速率變化，從而獲得曝氣過程中微生物比耗氧速率曲線的拐點，自動控制系統在線識別出拐點之後，發出控制指令控制曝氣裝置停止，避免過量曝氣，節省曝氣階段的能耗。本發明方法具有響應速度快，在線檢測，操作方便，成本低，運行穩定等優點。
文檔編號G05B19/05GK102183910SQ201010579870
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者楊培, 楊慶, 王淑瑩, 霍明昕, 顧升波 申請人:北京工業大學