活性汙泥系統檢測動態比耗氧速率的教學實驗裝置的製作方法

2023-05-14 12:31:31

專利名稱：活性汙泥系統檢測動態比耗氧速率的教學實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種含氮廢水的SBR生物處理的裝置，尤其是能夠進行深度脫氮 和自動控制的SBR裝置。所屬技術領域為活性汙泥法強化生物脫氮處理理論與技術。
背景技術：
活性汙泥的比耗氧速率(SOUR)是表徵汙泥生物活性的重要參數之一，從微生物 呼吸速率角度反映了活性汙泥生理狀態和基質代謝狀況。在活性汙泥法應用初期，好氧微 生物的呼吸速率就被用來考察微生物量和底物利用率，近年來SOUR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上受到國內外專家的普遍重視。 研究和應用汙水生物處理系統的SOUR檢測技術，對於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)探針測定溶解氧濃度，從溶解氧濃度的變化計
算呼吸速率。採用DO探針的呼吸儀可分間歇式和連續流通式呼吸儀。 閉式呼吸儀的操作步驟裝待測混合液(例如來自曝氣池的活性汙泥試樣)於帶探
頭與分析儀相連的完全封閉小室，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。在測定過程中用磁力攪拌器混合
攪拌。此法曾被認為是標準法，但後續研究發現此法測定值低於實際值。因在取樣時刻與
實際測定時刻之間的時間差內呼吸速率會迅速下降。 連續流通式呼吸儀連續交替測定閉式呼吸室進、出口處的溶解氧濃度。汙泥連續 泵入呼吸室。以此兩個溶解氧濃度的差值和停留時間計算出呼吸率。此法實際上是上述 閉式間歇呼吸儀的推流型。其他測定儀均採用有汙泥連續泵入的完全混合呼吸室。在這些 測定儀中曝氣池中和呼吸室出口各有一個DO探針。在計算呼吸速率時均必須假設溶解氧 濃度穩定 傳統測量SOUR的方法是離線測量，有滯後性，不能在線檢測，在線反饋。許多測量 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，不能將其作為系統長期運行的一個指示參數。 隨著自動控制設備(可編程控制器PLC)和在線檢測儀表(DO儀、pH儀)的問世 和成功的應用，為實現動態連續測量活性汙泥系統的SOUR創造了有利條件。

實用新型內容本實用新型在反覆試驗的基礎上，建立了一套在線監控，同時反饋SBR工藝活性 汙泥SOUR的裝置，通過考察SBR工藝中活性汙泥SOUR的變化規律，制定了以SOUR為參數的 控制策略。活性汙泥的SOUR可以有效地表徵SBR工藝的生化反應進程，當出現變化點(下 文詳述)，控制器根據收到的模擬量反饋信號作出判斷，將控制信號傳遞給執行機構，直接 控制鼓風機停止。 本實用新型提出的裝置實現了在線檢測S0UR，直觀顯示SOUR曲線，通過控制器(PLC)反饋給終端的執行器，控制反應的進程，解決了傳統測量方法離線測量，有滯後性，不 能在線反饋的問題。
本實用新型的反應器設備(圖1)包括反應器系統、自動控制系統； 反應器系統依次包括水箱、水泵、SBR反應器、加藥泵、曝氣裝置， 自動控制系統包括傳感器、數據採集裝置、控制器和計算機，數據採集裝置的數
據，通過數據總線輸入到控制器中進行處理，由控制器發出的控制指令通過輸出總線控制
執行設備；控制器連接計算機； 其特徵在於，還包括計量系統，計量系統包括密封的計量瓶，放在磁力攪拌器上， 通過回流泵和SBR反應器形成汙泥循環迴路；傳感器為兩個溶解氧傳感器分別放置在密 封的計量瓶以及SBR反應器中，兩個溶解氧傳感器分別連接兩套數據採集裝置。可以實現 SOUR的在線檢測，同時反饋。 具體的反應器設備生活汙水引至水箱，經過水泵提升，經進水管進入SBR反應 器。缺氧和厭氧的混合由攪拌器完成。而好氧的充氧是由鼓風機在流量計調節流速下由微 孔曝氣頭布氣完成，反硝化所需碳源由加藥泵投加，排水通過排水閥完成。 計量系統包括密封的計量瓶，放在磁力攪拌器上，系統運行時，轉子不斷攪拌使汙 泥始終處於懸浮狀態，回流泵控制汙泥循環的流量，使整個汙泥系統處於循環狀態中。 自動控制系統主要由輸入/輸出信號系統，控制器和計算機組成。輸入系統的作 用是利用第一數據採集裝置和第二數據採集裝置分別採集1號溶解氧傳感器(探頭在液面 以下，懸在SBR反應器中)和2號溶解氧傳感器(探頭用橡膠塞密封，懸在計量瓶中)的數 據，通過數據總線輸入到控制器中進行處理。由控制器發出的控制指令通過輸出總線控制 執行設備(如進水泵、攪拌器、鼓風機、排水閥)完成控制要求。 計算機的作用藉助工控軟體，在操作界面上設有參數設置，系統運行、停止、趨勢 曲線、數據輸出和系統報警等按鈕。實現系統參數設置，數據處理與保存，繪製曲線、趨勢分 析與制表列印，狀態分析與指示等功能。 本實用新型的工作原理及過程 1)系統運行時，計量瓶下方的磁力攪拌器和回流泵啟動，計量瓶與SBR反應器直 接連通，磁力攪拌器轉子不停的攪拌，使汙泥處於懸浮狀態，形成循環回流。同時水泵啟動， 進水根據需要設定，汙水進入SBR反應器； 2)進水結束後開啟鼓風機進行曝氣，通過控制器控制汙水中溶解氧濃度為某一定
值(根據水質設定)，當水中溶解氧低於設定值，開始曝氣；當溶解氧高於設定值，停止曝
氣。好氧去除水中有機物，之後在氨氧化細菌的作用下將水中氨氮氧化，曝氣過程中產生的
氣泡使得汙水和活性汙泥充分接觸，起到了攪拌混合的作用，兩個溶解氧傳感器每隔相同
的時間間隔採集一個數值(時間間隔根據系統的靈敏度和準確度確定)，同時採集溶解氧
值的電流信號經變送器輸入模擬數字轉換器A/D，轉換成數位訊號，並再通過數據採集裝置
實時將所獲得的數據信息通過數據線傳輸到控制器進行濾波和比較運算。 由於主體SBR反應器與計量瓶連通，攜帶一定溶解氧的汙泥在計量瓶中停留一定
時間t(t為計量瓶的體積V2除以蠕動泵的流速q)，因此同時測量的兩個溶解氧值會出現差
值，該差值為汙泥在計量瓶中停留t時間的消耗值，則計量瓶中汙泥的比好氧速率為SOUR
=(D0「D0》/MLSS't，t = V2/q。氨氧化反應是活性汙泥消耗水中溶解氧的過程，在反應過
4程中D02值會不斷緩慢上升，當反應結束時汙泥不再耗氧，兩個溶解氧傳感器測量的數值幾
乎相等，SOUR值變為零或一個非常小的值(特徵點)(見圖2); 3)控制器經過信號處理後，得到控制變量； 4)將控制變量經數字模擬轉換器D/A轉換成控制信號； 5)控制信號通過輸出信號線傳遞給控制執行機構，停止曝氣。 本實用新型的優勢特點在線檢測，同時反饋，可以作為控制反應進程的控制參 數，準確控制生化反應的進程，節能降耗。 1)S0UR的測定方法具有操作簡便、快速、靈敏和反應時間短等優點，通過測定該指 標，可及時反饋曝氣階段的運行信息。 2)自動化程度高，採用可編程控制器PLC控制，可以準確控制主體反應器中穩定 的溶解氧，即D(^恆定。 3)運行穩定，測量結果可靠，重現性好。D02的測量在密閉的計量瓶中測量，不受 外間曝氣強度的幹擾，測量結果穩定準確。

圖1本實用新型實施例裝置示意圖。 圖2 —個周期內SOUR的變化規律。
具體實施方式本實施例所採用的反應裝置包括反應器系統、計量系統和自動控制系統組成(如 圖1所示)。 反應器系統生活汙水引至水箱1，經過水泵2提升，經進水管3進入S服反應器 4。缺氧和厭氧的混合由攪拌器5完成。而好氧的充氧是由鼓風機6在流量計7調節流速 下由微孔曝氣頭布氣完成，反硝化所需碳源由加藥泵8投加，排水通過排水閥9完成。 計量系統包括密閉的計量瓶IO，放在磁力攪拌器11上，系統運行時，磁力攪拌器 的轉子不斷攪拌使汙泥始終處於懸浮狀態，回流泵12控制汙泥回流的流量，使整個汙泥系 統處於循環狀態中。 自動控制系統利用第一數據採集裝置15和第二數據採集裝置16分別採集1號溶 解氧傳感器17和2號溶解氧傳感器18數據，通過輸入總線輸入到控制器13中進行處理， 控制器13連接計算機即計算機14，由控制器13發出的控制指令通過輸出總線控制執行設 備(如水泵、攪拌器、鼓風機、排水閥)完成控制要求。 系統運行的初始條件，生活汙水水質C0D = 127. 8 279. 7mg/L， NH4+_N = 65 80mg/L，汙泥濃度MLSS = 1210mg/L，溫度為25°C。1)啟動系統運行時，計量瓶下方的磁力攪拌器(REO basic C)和回流泵(蘭格 600M)啟動，計量瓶(有效體積為l升)與SBR反應器直接連通，磁力攪拌器轉子不停的攪 拌，使汙泥處於懸浮狀態，形成循環回流。同時水泵啟動，進水lmin，汙水進水SBR反應器， 反應器有效體積為10升。 2)曝氣進水結束後，鼓風機啟動，對系統進行曝氣，通過控制器13維持汙水中解 氧濃度在1. Omg/L左右(開關控制)，好氧去除水中有機物，之後在氨氧化細菌的作用下將水中氨氮氧化，曝氣過程中產生的氣泡使得汙水和活性汙泥充分接觸，起到了攪拌混合的 作用，兩個溶解氧傳感器每隔10s採集一個數值，同時採集溶解氧值的電流信號經變送器 輸入模擬數字轉換器A/D，轉換成數位訊號，並再通過數據採集裝置實時將所獲得的數據信 息通過數據線傳輸到控制器進行濾波和比較運算。氨氧化反應是活性汙泥消耗水中溶解氧 的過程，隨著硝化反應的進行，D(^維持1. 0mg/L，D02值會不斷緩慢上升，當氨氧化結束時汙 泥不再耗氧，兩個溶解氧傳感器測量的數值幾乎相等，S0UR值變為零(如圖2所示)，維持 lmin， PLC發出指令關閉電磁閥，停止曝氣。 3)加碳源反硝化加藥泵啟動，加入0. 5mL乙醇作為系統反硝化的碳源，同時攪拌 40min(設定的參數)，反硝化結束後，攪拌器停止。 4)靜止沉澱系統在該階段的時間設定為60min，此時進水閥門、進氣閥門和排水 閥門均關閉。 5)排水階段排水閥開啟，系統自動排水，時間設定為5min，排水結束後，關閉出水 管上的閥門。 6)閒置階段該階段根據需要設置時間。當達到預先設定的閒置時間10min後，系 統停止運行或進行下一個周期的運行。 從應用本裝置得到的檢測結果來看，系統的響應性良好，反應靈敏，兩個溶解氧傳 感器每個10S反饋一個數值，同時控制器進行運算並在計算機上同步繪出SOUR的變化曲 線；而閉式呼吸儀(檢測過程如背景技術所述)需要等到系統中的溶解氧全部消耗完之後 才能得到SOUR的數值，因此本實用新型就解決了離線測量和滯後性的問題。另外，通過直 觀的表述SOUR曲線，可以知道系統對應的不同時刻的反應狀態，在氨氧化結束時，曲線上 會出現特徵點(見圖2)，利用這些信息，通過控制器反饋給終端執行器(鼓風機等)，實現 在線控制，本實用新型為以SOUR為參數進行實時控制奠定了理論基礎和數據支持。
權利要求一種活性汙泥系統檢測動態比耗氧速率的教學實驗裝置，包括反應器系統、自動控制系統；反應器系統依次包括水箱、水泵、SBR反應器、加藥泵、曝氣裝置；自動控制系統包括傳感器、數據採集裝置、控制器和計算機，數據採集裝置的數據，通過數據總線輸入到控制器中進行處理，由控制器發出的控制指令通過輸出總線控制執行設備；控制器連接計算機；其特徵在於，還包括計量系統，計量系統包括密封的計量瓶，放在磁力攪拌器上，通過回流泵和SBR反應器形成汙泥循環迴路；傳感器為兩個溶解氧傳感器分別放置在密封的計量瓶以及SBR反應器中，兩個溶解氧傳感器分別連接兩套數據採集裝置。
專利摘要本實用新型涉及活性汙泥系統檢測動態比耗氧速率的教學實驗裝置，屬於活性汙泥法強化生物脫氮處理理論與技術。針對傳統測量耗氧速率的方法離線測量、有滯後性和不能在線檢測與反饋等問題，設計了一套在線檢測，同時反饋SBR工藝活性汙泥比耗氧速率的裝置。本實用新型的最大特點在於將密封計量瓶，放在磁力攪拌器上，通過回流泵和反應器形成汙泥循環迴路；傳感器為溶解氧傳感器，有兩個分別放置在密封的計量瓶以及SBR反應器中，可以實現SOUR的在線檢測，同時反饋。該裝置設計簡潔，運行穩定和測量數據重現性好，通過直觀的表述SOUR曲線，可以準確監控系統不同時刻的反應狀態。
文檔編號C02F3/30GK201508636SQ200920107719
公開日2010年6月16日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年4月24日
發明者吳蕾, 彭永臻, 李凌雲, 李論, 王淑瑩, 董國日 申請人:北京工業大學