一種活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，屬于城市污水 處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)水環(huán)境污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題日益嚴(yán)重，氮是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要 因素之一。目前我國(guó)污水處理廠常見的生物脫氮工藝一般都是通過(guò)厭氧、缺氧、好氧的交替 轉(zhuǎn)化來(lái)強(qiáng)化生物脫氮的功能。工藝包含兩個(gè)步驟:1)硝化反應(yīng)，在好氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為 亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮;2)反硝化反應(yīng)，在缺氧環(huán)境下以有機(jī)碳源為電子供體將硝化反應(yīng)過(guò)程 中產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮或硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?br>[0003] 我國(guó)部分污水處理廠面臨高標(biāo)準(zhǔn)氨氮達(dá)標(biāo)的挑戰(zhàn)，一方面是因?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)和運(yùn)行 方面存在問(wèn)題和不足;另一方面，也因?yàn)槟壳斑€缺少對(duì)硝化/反硝化過(guò)程的有效監(jiān)測(cè)與控制 手段。國(guó)內(nèi)外目前都還停留在控制溶解氧濃度來(lái)間接調(diào)整硝化過(guò)程的階段。由于缺少相關(guān) 的儀器和設(shè)備支持，導(dǎo)致工藝人員無(wú)法了解過(guò)程參數(shù)，在調(diào)整工藝參數(shù)時(shí)缺乏有效指導(dǎo)，存 在盲目調(diào)節(jié)的可能性。
[0004] 雖然硝化速率測(cè)試的原理簡(jiǎn)單，但目前污水處理行業(yè)還沒(méi)有專門用于監(jiān)測(cè)硝化反 應(yīng)速率的儀表。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)有在線水質(zhì)儀表的測(cè)試周期比較長(zhǎng)，通常是數(shù)十分鐘得到 一個(gè)濃度數(shù)據(jù)，而計(jì)算變化率時(shí)需要多個(gè)濃度數(shù)據(jù)，這使得反應(yīng)速率測(cè)試的周期過(guò)長(zhǎng)而起 不到實(shí)時(shí)反應(yīng)處理過(guò)程特征的作用。由于曝氣過(guò)程的平衡時(shí)間約為0.5~1小時(shí)，平均為45 分鐘，因此根據(jù)采樣原理，硝化速率測(cè)試周期需要低于平衡時(shí)間的一半，即20分鐘左右。此 外，高濃度活性污泥的預(yù)處理也是一個(gè)儀器開發(fā)的挑戰(zhàn)。目前測(cè)定工藝硝化速率測(cè)試還需 要在實(shí)驗(yàn)室開展人工采樣和測(cè)試，時(shí)間長(zhǎng)、成本高、連續(xù)性差。因此，研究和開發(fā)出快速能夠 連續(xù)、快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)污水處理過(guò)程硝化速率的在線儀表，實(shí)時(shí)反應(yīng)污水處理工藝降解氨氮 的反應(yīng)速率，可以有效預(yù)測(cè)工藝運(yùn)行的出水水質(zhì)，對(duì)污水處理廠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行及節(jié)能降耗 具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，該活 性污泥氨氮利用速率裝置可快速測(cè)量污水中的氨氮濃度，并結(jié)合生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控 制技術(shù)及計(jì)算模型，可在線測(cè)量活性污泥對(duì)氨氮的利用速率(Ammonia Utilizing Rate， AUR)，并可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)硝化過(guò)程的在線測(cè)定、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
[0006] 本發(fā)明提供的一種活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置，它包括反應(yīng)系統(tǒng)、氨氮 檢測(cè)系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；
[0007] 所述反應(yīng)系統(tǒng)包括生物反應(yīng)罐;所述生物反應(yīng)罐上設(shè)有進(jìn)水口、循環(huán)口和排空口， 所述進(jìn)水口通過(guò)設(shè)有進(jìn)水蠕動(dòng)栗的管路與進(jìn)樣電磁閥連接，所述循環(huán)口通過(guò)設(shè)有循環(huán)電磁 閥的管路與所述進(jìn)水蠕動(dòng)栗連接，與所述生物反應(yīng)罐形成閉合回路;所述排空口與排空電 磁閥連接;所述生物反應(yīng)罐內(nèi)部設(shè)有一膜組件，所述膜組件的底部設(shè)有曝氣裝置，所述曝氣 裝置通過(guò)設(shè)有氣體流量計(jì)的管路與曝氣機(jī)連接，所述膜組件的出水口通過(guò)設(shè)有產(chǎn)水抽吸栗 的管路與所述氨氮檢測(cè)系統(tǒng)的入口連接；
[0008] 所述氨氮檢測(cè)系統(tǒng)包括氨氮傳感器和氨氮測(cè)量室，所述氨氮傳感器的測(cè)量端密封 于所述氨氮測(cè)量室內(nèi)；所述氨氮測(cè)量室設(shè)有氨氮測(cè)量入口和氨氮測(cè)量出口，所述氨氮測(cè)量 出口與所述生物反應(yīng)罐連接；
[0009] 所述流程控制系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器和數(shù)據(jù)采集控制器，所述可編程邏輯控 制器分別與所述進(jìn)水蠕動(dòng)栗、所述進(jìn)水電磁閥、所述循環(huán)電磁閥、所述排空電磁閥、所述曝 氣機(jī)和所述產(chǎn)水抽吸栗連接;所述數(shù)據(jù)采集控制器與所述氨氮傳感器連接；
[0010] 所述數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括上位機(jī)，所述上位機(jī)分別所述可編程邏輯控制器和 所述數(shù)據(jù)采集控制器連接。
[0011] 上述的活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置中，通過(guò)控制所述裝置中的各個(gè)部件 可對(duì)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)，具體如下：
[0012] 通過(guò)控制進(jìn)水電磁閥和進(jìn)水蠕動(dòng)栗，使得污水處理廠生化池中的活性污泥混合液 經(jīng)所述進(jìn)水蠕動(dòng)栗被抽至所述生物反應(yīng)罐中；通過(guò)控制所述產(chǎn)水抽吸栗，使得活性污泥混 合液中的高濃度懸浮物被所述膜組件自動(dòng)和連續(xù)的過(guò)濾掉，為后續(xù)水質(zhì)儀表(氨氮檢測(cè)系 統(tǒng)）提供潔凈的樣品；通過(guò)控制所述數(shù)據(jù)采集控制器，控制所述氨氮傳感器采用氨氮濃度； 通過(guò)控制所述循環(huán)電磁閥，可使的活性污泥通過(guò)所述生物反應(yīng)罐的循環(huán)口在所述生物反應(yīng) 罐內(nèi)連續(xù)循環(huán)(進(jìn)水-過(guò)濾-檢測(cè)-排出）；在循環(huán)過(guò)程中，控制所述曝氣機(jī)為生物反應(yīng)提供充 足的氧氣和混合條件，此外，還可同時(shí)攪動(dòng)過(guò)濾采樣裝置的膜組件，起到控制膜污染的作 用;檢測(cè)結(jié)束后，通過(guò)控制排空電磁閥可將所述生物反應(yīng)罐內(nèi)的活性污泥排出。
[0013] 上述的活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置中，所述裝置還包括氨氮投加系統(tǒng)， 所述氨氮投加系統(tǒng)包括氨氮貯存罐，通過(guò)設(shè)有氨氮投加蠕動(dòng)栗與所述生物反應(yīng)罐連接;所 述氨氮投加蠕動(dòng)栗與所述流程控制系統(tǒng)中的中間繼電器連接。
[0014] 上述的活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置中，所述氨氮檢測(cè)系統(tǒng)中的氨氮傳感 器可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)活性污泥中的氨氮濃度，具體可采用氨氮離子選擇性電極(在線氨氮探 頭），測(cè)量時(shí)間短、響應(yīng)快、易清洗。
[0015] 上述的活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置中，所述數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中的上 位機(jī)還設(shè)有人機(jī)交互界面，所述人機(jī)交互界面采用全彩色觸摸屏，使用組態(tài)軟件編程，實(shí)現(xiàn) 人機(jī)交互功能，具體包括顯示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量氨氮濃度、AUR m&歷史曲線等；為了 預(yù)測(cè)出水水質(zhì)和評(píng)估處理風(fēng)險(xiǎn)，還在觸摸屏工控機(jī)里編制了計(jì)算實(shí)時(shí)氨氧化速率AUR、預(yù)測(cè) 出水口氨氮濃度Ct和計(jì)算硝化過(guò)程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)R的程序，用于輔助工藝運(yùn)行和分析。
[0016] 上述活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置在污水脫氮工藝中測(cè)定最大氨氮利用 速率、預(yù)測(cè)出水口氨氮濃度和硝化過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的至少一種的應(yīng)用，也在本發(fā)明的保護(hù) 范圍內(nèi)。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步提供了利用上述在線檢測(cè)裝置對(duì)活性污泥的氨氮利用速率進(jìn)行在 線檢測(cè)的方法，包括如下步驟：
[0018] 將所述活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置安裝在污水處理廠生化單元好氧段 的起始位置;重復(fù)下述步驟(A)-(C)對(duì)活性污泥的氨氮利用速率進(jìn)行在線檢測(cè)：
[0019] (A)進(jìn)樣階段:打開所述進(jìn)樣電磁閥，關(guān)閉所述循環(huán)電磁閥，控制所述進(jìn)樣蠕動(dòng)栗 完成進(jìn)樣;打開曝氣機(jī)，向所述生物反應(yīng)罐內(nèi)曝氣;關(guān)閉所述進(jìn)樣電磁閥，打開所述循環(huán)電 磁閥，所述進(jìn)樣蠕動(dòng)栗使所述生物反應(yīng)罐內(nèi)的活性污泥循環(huán)流動(dòng)；
[0020] (B)測(cè)量階段:重復(fù)下述步驟B-1)至B-3)對(duì)所述活性污泥的氨氮利用速率進(jìn)行在 線檢測(cè)：
[0021] B-1)控制所述產(chǎn)水抽吸栗將經(jīng)過(guò)所述膜組件過(guò)濾得到的清液輸送至所述氨氮檢 測(cè)系統(tǒng)中；
[0022] B-2)控制所述氨氮檢測(cè)系統(tǒng)中的氨氮傳感器，測(cè)定清液中的氨氮濃度;按照如下 公式計(jì)算氨氮利用速率：
[0023] Aim=2L=n(i〇-Xi) (1) n't
[0024] 式（1)中，AUR表示氨氮利用速率;η為氨氮傳感器測(cè)定氨氮的次數(shù)，為自然數(shù)，i = 1 ~n;XQ為測(cè)定開始時(shí)活性污泥中氨氮濃度;Xl為第i次采集周期測(cè)量的活性污泥中氨氮濃 度;t為所述氨氮傳感器的采集周期；
[0025] B-3)經(jīng)過(guò)步驟B-2)檢測(cè)的清液回流至所述生物反應(yīng)罐中；
[0026] (C)排空階段:關(guān)閉所述循環(huán)電磁閥、所述進(jìn)樣蠕動(dòng)栗和所述曝氣機(jī)，打開排空電 磁閥，將所述生物反應(yīng)罐內(nèi)的活性污泥排空。
[0027] 上述氨氮利用速率的在線檢測(cè)方法中，AUR定義為活性污泥混合液中氨氮濃度降 低的速率，即AUR=dCAN/dt;所述可編程邏輯控制器連續(xù)和周期性的采集氨氮傳感器的測(cè)試 信號(hào)，采集頻率為6~10秒/次，每1~2分鐘為一個(gè)采集周期，取該周期下所有采集得到的信 號(hào)值的平均值作為該采集周期下的信號(hào)值；
[0028] 本發(fā)明氨氮利用速率的在線檢測(cè)方法中，公式（1)中只需要計(jì)算當(dāng)前氨氮濃度與 初始氨氮的差值，僅使用2個(gè)數(shù)據(jù)元來(lái)記錄和累計(jì)該差值，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出AUR，避免了繁 瑣的直線擬合公式。
[0029] 上述氨氮利用速率的在線檢測(cè)方法中，步驟(A)-步驟(C)為一個(gè)測(cè)量周期，所述測(cè) 量周期可為15~20分鐘，測(cè)試時(shí)間短。
[0030] 本發(fā)明在上述氨氮利用速率的在線檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，利用上述設(shè)有氨氮投加裝 置的活性污泥氨氮利用速率在線檢測(cè)裝置對(duì)活性污泥最大氨氮利用速率進(jìn)行檢測(cè)的方法， 包括如下步驟：
[0031] (A)按照上述氨氮利用速率的在線檢測(cè)方法(步驟(A)-步驟(B))對(duì)活性污泥進(jìn)行 測(cè)量，得到不投加氨氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的氨氮初始濃度和氨氮利用速率；
[0032] (B)按照上述氨氮利用速率的在線檢測(cè)方法，僅在步驟B-1)之前多次投加氨氮標(biāo) 準(zhǔn)物質(zhì)，測(cè)得多次投加氨氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)之后的氨氮初始濃度和氨氮利用速率；
[0033] (C)將步驟(A)和步驟(B)得到的一組初始氨氮濃度和氨氮利用速率，分別作為Cm 和AUR，以Cm/AUR為縱坐標(biāo)，Cm為橫坐標(biāo)，制作曲線并進(jìn)行線性擬合，所得擬合曲線斜率的 倒數(shù)即為最大氨氮利用速率。
[0034] 上述最大氨氮利用速率的檢測(cè)方法中，步驟(B)中，所述氨氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的投加量可 為10~50mL，所述氨氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的質(zhì)量體積濃度可為5~20gN/L;所述氨氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可為氯 化銨或硫酸銨;所述生物反應(yīng)罐內(nèi)活性污泥的通入量可為5~15L;在每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，在投 加所述氨氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)后，所述測(cè)量的時(shí)間可為15~25min。
[0035] 上述最大