申请日2015.12.07
公开(公告)日2016.05.04
IPC分类号G01N27/26
摘要
本发明公开了一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置及检测方法。该装置包括反应系统、氨氮检测系统、流程控制系统和数据采集和处理系统;反应系统包括生物反应罐;生物反应罐内设有膜组件，膜组件的出水口与氨氮检测测量室入口连接;氨氮检测系统包括氨氮测量室和氨氮传感器;流程控制系统包括可编程逻辑控制器和数据采集控制器，可编程逻辑控制器分别与进水蠕动泵、进水电磁阀、循环电磁阀、排空电磁阀、曝气机和产水抽吸泵连接;数据采集控制器与氨氮传感器连接;数据采集与处理系统包括上位机，上位机分别与可编程逻辑控制器和所述数据采集控制器连接。该装置可快速测量污水中的氨氮浓度、氨氮利用速率，并可进一步实现硝化过程的实时预测和风险评估。
权利要求书
1.一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置，它包括反应系统、氨氮检测系统、流程控制系统和数据采集和处理系统;
所述反应系统包括生物反应罐;所述生物反应罐上设有进水口、循环口和排空口，所述进水口通过设有进水蠕动泵的管路与进样电磁阀连接，所述循环口通过设有循环电磁阀的管路与所述进水蠕动泵连接，与所述生物反应罐形成闭合回路;所述排空口与排空电磁阀连接;所述生物反应罐内部设有一膜组件，所述膜组件的底部设有曝气装置，所述曝气装置通过设有气体流量计的管路与曝气机连接，所述膜组件的出水口通过设有产水抽吸泵的管路与所述氨氮检测系统的入口连接;
所述氨氮检测系统包括氨氮传感器和氨氮测量室，所述氨氮传感器的测量端密封于于所述氨氮测量室内;所述氨氮测量室设有氨氮测量入口和氨氮测量出口，所述氨氮测量出口与所述生物反应罐连接;
所述流程控制系统包括可编程逻辑控制器和数据采集控制器，所述可编程逻辑控制器分别与所述进水蠕动泵、所述进水电磁阀、所述循环电磁阀、所述排空电磁阀、所述曝气机和所述产水抽吸泵连接;所述数据采集控制器与所述氨氮传感器连接;
所述数据采集与处理系统包括上位机，所述上位机分别与所述可编程逻辑控制器和所述数据采集控制器连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括氨氮投加系统，所述氨氮投加系统包括氨氮贮存罐，通过设有氨氮投加蠕动泵与所述生物反应罐连接;所述氨氮投加蠕动泵与所述流程控制系统中的中间继电器连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述氨氮传感器为氨氮离子选择性电极。
4.权利要求2或3所述的装置在污水脱氮工艺中测定最大氨氮利用速率、预测出水口氨氮浓度和硝化过程风险评估中的至少一种的应用。
5.利用权利要求1-3中任一种所述的装置对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测的方法，包括如下步骤：将所述活性污泥氨氮利用速率在线检测装置安装在污水处理厂生化单元好氧段的起始位置;重复下述步骤(A)-(C)对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：
(A)进样阶段：打开所述进样电磁阀，关闭所述循环电磁阀，控制所述进样蠕动泵完成进样;打开曝气机，向所述生物反应罐内曝气;关闭所述进样电磁阀，打开所述循环电磁阀，所述进样蠕动泵使所述生物反应罐内的活性污泥循环流动;
(B)测量阶段：重复下述步骤B-1)至B-3)对所述活性污泥的氨氮利用速率进 行在线检测：
B-1)控制所述产水抽吸泵将经过所述膜组件过滤得到的清液输送至所述氨氮检测系统中;
B-2)控制所述氨氮检测系统中的氨氮传感器，测定清液中的氨氮浓度;按照如下公式计算氨氮利用速率：
式(1)中，AUR表示氨氮利用速率;n为氨氮传感器测定氨氮的次数，为自然数，i=1～n;x0为测定开始时活性污泥中氨氮浓度;xi为第i次测量时活性污泥中氨氮浓度;t为所述氨氮传感器的采集周期;
B-3)经过步骤B-2)检测的清液回流至所述生物反应罐中;
(C)排空阶段：关闭所述循环电磁阀、所述进样蠕动泵和所述曝气机，打开排空电磁阀，将所述生物反应罐内的活性污泥排空。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(B)中，所述可编程逻辑控制器采集氨氮传感器的测试信号，采集频率为6～10秒/次，每1～2分钟为一个采集周期，取该周期下所有采集得到的信号值的平均值作为该采集周期下的信号值;
步骤(A)-步骤(C)为一个测量周期，所述测量周期为15～20分钟。
7.利用权利要求2或3所述的装置对活性污泥的最大氨氮利用速率进行检测的方法，包括如下步骤：
(A)按照权利要求4或5所述的方法对活性污泥进行测量，得到不投加氨氮标准物质的氨氮初始浓度和氨氮利用速率;
(B)按照权利要求4或5所述的方法，仅在步骤B-1)之前多次投加氨氮标准物质，测得投加氨氮标准物质之后的氨氮初始浓度和氨氮利用速率;
(C)将步骤(A)和步骤(B)得到的一组初始氨氮浓度和氨氮利用速率，分别作为CAN和AUR，以CAN/AUR为纵坐标，CAN为横坐标，制作标准曲线并进行线性拟合，所得拟合曲线的斜率即为最大氨氮利用速率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(B)中，所述氨氮标准物质的投加量为10～50mL，所述氨氮标准物质的质量体积浓度为5～20gN/L;所述氨氮标准物质为氯化铵或硫酸铵;所述生物反应罐内活性污泥的通入量为5～15L;在每个测量周期内，在投加所述氨氮标准物质后，所述测量的时间为15～25min。
9.利用权利要求2或3所述的装置对污水处理厂中的出水氨氮浓度进行估算的方法，包括如下步骤：
(A)按照下述公式(4)计算污水实际停留时间：
式(4)中，V为装置采样点距离出水点的池容，单位m3;Q为生化池的进水流量，单位m3/h;R为污泥回流比，r为混合液回流比，无量纲。
(B)分别测定好氧区首段、中段和末段的溶解氧的质量体积浓度;所述好氧区首段为好氧池前1/3容积区域，好氧区中段为中部1/3容积区域，剩余1/3容积区域为所述好氧区的末段;
(C)确定初始条件：
Ct=0=C0
Δt=T/m(5)
式(5)中，Δt为计算步长，m为迭代步数，m取5～30;
按照下述公式(6)依次迭代，直至t+Δt等于式(4)计算得到的实际停留时间T，得到的氨氮出水浓度即为工艺出水氨氮浓度：
Ct+Δt=Ct-AUR·Δt=Ct–AURm·Ct/(KAN+Ct)·DO/(KDO+DO)·Δt(6)
式(6)中，Ct+Δt为t时刻经过Δt后的氨氮浓度值;Ct为t时刻的氨氮浓度值;AUR为t时刻的氨氮利用速率，按照权利要求5中所述的方法进行在线检测;AURm和KAN按照权利要求6或7所述的方法计算得到，其中KAN为所述拟合曲线纵坐标的截距除以斜率得到;KDO取默认值0.5mg/L，或根据实验确定，范围0.1～1mg/L。
10.利用权利要求2或3所述的装置对污水处理厂的硝化过程的运行风险进行预测或控制的方法;
所述预测方法包括如下步骤：
按照权利要求9所述的方法计算好氧区的出水氨氮浓度，根据下述公式(7)计算超标风险R;
式(7)中，CS为出水标准，CT为出水浓度;
当风险等级R=1时，表示安全;当风险等级R大于1时，将R取整后作为预警的风险等级，即可对硝化过程进行风险评估;
所述控制方法包括如下步骤：根据可接受的风险等级R，按照公式(7)反算出需要的出水氨氮浓度CT，从而指导调整回流以改变AURm、或者调整曝气以改变DO。
说明书
一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置及检测方法，属于城市污水处理技术领域。
背景技术
我国水环境污染和水体富营养化的问题日益严重，氮是引起水体富营养化的主要因素之一。目前我国污水处理厂常见的生物脱氮工艺一般都是通过厌氧、缺氧、好氧的交替转化来强化生物脱氮的功能。工艺包含两个步骤：1)硝化反应，在好氧条件下将氨氮转化为亚硝态氮或硝态氮;2)反硝化反应，在缺氧环境下以有机碳源为电子供体将硝化反应过程中产生的亚硝态氮或硝态氮转化为氮气。
我国部分污水处理厂面临高标准氨氮达标的挑战，一方面是因为工艺设计和运行方面存在问题和不足;另一方面，也因为目前还缺少对硝化/反硝化过程的有效监测与控制手段。国内外目前都还停留在控制溶解氧浓度来间接调整硝化过程的阶段。由于缺少相关的仪器和设备支持，导致工艺人员无法了解过程参数，在调整工艺参数时缺乏有效指导，存在盲目调节的可能性。
虽然硝化速率测试的原理简单，但目前污水处理行业还没有专门用于监测硝化反应速率的仪表。这主要是因为现有在线水质仪表的测试周期比较长，通常是数十分钟得到一个浓度数据，而计算变化率时需要多个浓度数据，这使得反应速率测试的周期过长而起不到实时反应处理过程特征的作用。由于曝气过程的平衡时间约为0.5～1小时，平均为45分钟，因此根据采样原理，硝化速率测试周期需要低于平衡时间的一半，即20分钟左右。此外，高浓度活性污泥的预处理也是一个仪器开发的挑战。目前测定工艺硝化速率测试还需要在实验室开展人工采样和测试，时间长、成本高、连续性差。因此，研究和开发出快速能够连续、快速、实时检测污水处理过程硝化速率的在线仪表，实时反应污水处理工艺降解氨氮的反应速率，可以有效预测工艺运行的出水水质，对污水处理厂稳定达标运行及节能降耗具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置及检测方法，该活性污泥氨氮利用速率装置可快速测量污水中的氨氮浓度，并结合生物反应动力学、自动控制技术及计算模型，可在线测量活性污泥对氨氮的利用速率(AmmoniaUtilizingRate,AUR)，并可进一步实现硝化过程的在线测定、实时预测和风险评估。
本发明提供的一种活性污泥氨氮利用速率在线检测装置，它包括反应系统、氨氮检测系统、流程控制系统和数据采集和处理系统;
所述反应系统包括生物反应罐;所述生物反应罐上设有进水口、循环口和排空口，所述进水口通过设有进水蠕动泵的管路与进样电磁阀连接，所述循环口通过设有循环电磁阀的管路与所述进水蠕动泵连接，与所述生物反应罐形成闭合回路;所述排空口与排空电磁阀连接;所述生物反应罐内部设有一膜组件，所述膜组件的底部设有曝气装置，所述曝气装置通过设有气体流量计的管路与曝气机连接，所述膜组件的出水口通过设有产水抽吸泵的管路与所述氨氮检测系统的入口连接;
所述氨氮检测系统包括氨氮传感器和氨氮测量室，所述氨氮传感器的测量端密封于所述氨氮测量室内;所述氨氮测量室设有氨氮测量入口和氨氮测量出口，所述氨氮测量出口与所述生物反应罐连接;
所述流程控制系统包括可编程逻辑控制器和数据采集控制器，所述可编程逻辑控制器分别与所述进水蠕动泵、所述进水电磁阀、所述循环电磁阀、所述排空电磁阀、所述曝气机和所述产水抽吸泵连接;所述数据采集控制器与所述氨氮传感器连接;
所述数据采集与处理系统包括上位机，所述上位机分别所述可编程逻辑控制器和所述数据采集控制器连接。
上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，通过控制所述装置中的各个部件可对实现全自动连续检测，具体如下：
通过控制进水电磁阀和进水蠕动泵，使得污水处理厂生化池中的活性污泥混合液经所述进水蠕动泵被抽至所述生物反应罐中;通过控制所述产水抽吸泵，使得活性污泥混合液中的高浓度悬浮物被所述膜组件自动和连续的过滤掉，为后续水质仪表(氨氮检测系统)提供洁净的样品;通过控制所述数据采集控制器，控制所述氨氮传感器采用氨氮浓度;通过控制所述循环电磁阀，可使的活性污泥通过所述生物反应罐的循环口在所述生物反应罐内连续循环(进水-过滤-检测-排出);在循环过程中，控制所述曝气机为生物反应提供充足的氧气和混合条件，此外，还可同时搅动过滤采样装置的膜组件，起到控制膜污染的作用;检测结束后，通过控制排空电磁阀可将所述生物反应罐内的活性污泥排出。
上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，所述装置还包括氨氮投加系统，所述氨氮投加系统包括氨氮贮存罐，通过设有氨氮投加蠕动泵与所述生物反应罐连接;所述氨氮投加蠕动泵与所述流程控制系统中的中间继电器连接。
上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，所述氨氮检测系统中的氨氮传感器可实时在线检测活性污泥中的氨氮浓度，具体可采用氨氮离子选择性电极(在线氨氮探头)，测量时间短、响应快、易清洗。
上述的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中，所述数据采集与处理系统中的上位机还设有人机交互界面，所述人机交互界面采用全彩色触摸屏，使用组态软件编程， 实现人机交互功能，具体包括显示当前设备状态、实时测量氨氮浓度、AURm及历史曲线等;为了预测出水水质和评估处理风险，还在触摸屏工控机里编制了计算实时氨氧化速率AUR、预测出水口氨氮浓度CT和计算硝化过程运行风险R的程序，用于辅助工艺运行和分析。
上述活性污泥氨氮利用速率在线检测装置在污水脱氮工艺中测定最大氨氮利用速率、预测出水口氨氮浓度和硝化过程风险评估中的至少一种的应用，也在本发明的保护范围内。
本发明进一步提供了利用上述在线检测装置对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测的方法，包括如下步骤：
将所述活性污泥氨氮利用速率在线检测装置安装在污水处理厂生化单元好氧段的起始位置;重复下述步骤(A)-(C)对活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：
(A)进样阶段：打开所述进样电磁阀，关闭所述循环电磁阀，控制所述进样蠕动泵完成进样;打开曝气机，向所述生物反应罐内曝气;关闭所述进样电磁阀，打开所述循环电磁阀，所述进样蠕动泵使所述生物反应罐内的活性污泥循环流动;
(B)测量阶段：重复下述步骤B-1)至B-3)对所述活性污泥的氨氮利用速率进行在线检测：
B-1)控制所述产水抽吸泵将经过所述膜组件过滤得到的清液输送至所述氨氮检测系统中;
B-2)控制所述氨氮检测系统中的氨氮传感器，测定清液中的氨氮浓度;按照如下公式计算氨氮利用速率：
式(1)中，AUR表示氨氮利用速率;n为氨氮传感器测定氨氮的次数，为自然数，i=1～n;x0为测定开始时活性污泥中氨氮浓度;xi为第i次采集周期测量的活性污泥中氨氮浓度;t为所述氨氮传感器的采集周期;
B-3)经过步骤B-2)检测的清液回流至所述生物反应罐中;
(C)排空阶段：关闭所述循环电磁阀、所述进样蠕动泵和所述曝气机，打开排空电磁阀，将所述生物反应罐内的活性污泥排空。
上述氨氮利用速率的在线检测方法中，AUR定义为活性污泥混合液中氨氮浓度降低的速率，即AUR=dCAN/dt;所述可编程逻辑控制器连续和周期性的采集氨氮传感器的测试信号，采集频率为6～10秒/次，每1～2分钟为一个采集周期，取该周期下所有采集得到的信号值的平均值作为该采集周期下的信号值;
本发明氨氮利用速率的在线检测方法中，公式(1)中只需要计算当前氨氮浓度与 初始氨氮的差值，仅使用2个数据元来记录和累计该差值，就可以实时计算出AUR，避免了繁琐的直线拟合公式。
上述氨氮利用速率的在线检测方法中，步骤(A)-步骤(C)为一个测量周期，所述测量周期可为15～20分钟，测试时间短。
本发明在上述氨氮利用速率的在线检测方法的基础上，利用上述设有氨氮投加装置的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置对活性污泥最大氨氮利用速率进行检测的方法，包括如下步骤：
(A)按照上述氨氮利用速率的在线检测方法(步骤(A)-步骤(B))对活性污泥进行测量，得到不投加氨氮标准物质的氨氮初始浓度和氨氮利用速率;
(B)按照上述氨氮利用速率的在线检测方法，仅在步骤B-1)之前多次投加氨氮标准物质，测得多次投加氨氮标准物质之后的氨氮初始浓度和氨氮利用速率;
(C)将步骤(A)和步骤(B)得到的一组初始氨氮浓度和氨氮利用速率，分别作为CAN和AUR，以CAN/AUR为纵坐标，CAN为横坐标，制作曲线并进行线性拟合，所得拟合曲线斜率的倒数即为最大氨氮利用速率。
上述最大氨氮利用速率的检测方法中，步骤(B)中，所述氨氮标准物质的投加量可为10～50mL，所述氨氮标准物质的质量体积浓度可为5～20gN/L;所述氨氮标准物质可为氯化铵或硫酸铵;所述生物反应罐内活性污泥的通入量可为5～15L;在每个测量周期内，在投加所述氨氮标准物质后，所述测量的时间可为15～25min。
上述最大氨氮利用速率的检测方法中，所述溶解氧在所述硝化反应中是过量的，一般大于4mg/L;溶解氧不足时，调节流量计增加曝气量。
上述最大氨氮利用速率的检测方法中，步骤(C)中，所得拟合曲线的斜率即为最大氨氮利用速率，原理如下：
AUR的影响因素较多，重要的包括温度、溶解氧、污泥浓度、污泥活性等;在上述因素中，温度、污泥浓度、污泥活性对反应过程的影响主要限速于细胞的生理过程，其变化一般比较缓慢，周期为数个小时到一天，大于硝化速率评估的周期，因此在计算AUR时可以忽略;但溶解氧(DO)的平衡过程变化较快，且反应器内和生化池的条件差别较大，因此在计算中需要对DO进行修正，特别是在生化池溶解氧浓度较低时很有必要。
根据生物反应动力学，实际的AUR通过下式(2)计算：
式(2)中，AUR为实际氨氧化速率，AURm为仪器测试得到的最大氨氧化速率， CAN为氨氮浓度，DO为溶解氧浓度，KAN和KDO为模型参数。参数KAN和KDO一般通过实验确定，也可以通过工艺观测结合动力学模型率定;当缺乏实验条件时，可以采取默认值1mgN/L和0.5mg/L。
由于反应过程供氧充足，溶解氧较高，因此可以忽略式(2)中的溶解氧影响，仅余下氨氮浓度的影响。将式(2)作一定变化，得到下式线性关系，因此可以采用CAN/AUR与CAN拟合，根据斜率和截距估计AURm和KAN。
本发明方法中检测得到的最大氨氮利用速率排除了溶解氧的影响，综合反映了污泥浓度和硝化活性的特征，因此可以用于评价活性污泥的氨氧化活性。当仅需要测定AURm用于评估污泥硝化活性时，可以通过氨氮加标提高反应物浓度(加入10～20mgN/L，使CAN大于5倍KAN)，再将测得的AUR近似为AURm，根据历史数据的变化趋势来判断硝化活性的高低。
本发明在上述最大氨氮利用速率的在线检测方法的基础上，还提供了一种对氨氮出水浓度进行估算的方法，包括如下步骤：
(A)按照下述公式(4)计算污水实际停留时间：
式(4)中，V为装置采样点距离出水点的池容，单位m3;Q为生化池的进水流量，单位m3/h;R为污泥回流比，r为混合液回流比，无量纲。
(B)分别测定好氧区首段、中段和末段的溶解氧的质量体积浓度;所述好氧区首段为前1/3容积区域，好氧区中段为中部1/3容积区域，剩余大约1/3容积区域为所述好氧区的末段;
(C)确定初始条件：
Ct=0=C0
Δt=T/m(5)
式(5)中，Δt为计算步长，m为迭代步数，m取5～30;
按照下述公式(6)依次迭代，直至t+Δt等于式(4)计算得到的实际停留时间T，得到的氨氮出水浓度即为工艺出水氨氮浓度CT：
Ct+Δt=Ct-AUR·Δt=Ct–AURm·Ct/(KAN+Ct)·DO/(KDO+DO)·Δt(6)
式(6)中，Ct+Δt为t时刻经过Δt后的氨氮浓度值;Ct为t时刻的氨氮浓度值;AUR为t时刻的氨氮利用速率;AURm和KAN按照上述最大氨氮利用速率的在线检测方法得 到，其中KAN为所述拟合曲线的纵坐标截距除以斜率得到;KDO取默认值0.5mg/L，或根据实验确定，范围0.1～1mg/L。
本发明在上述氨氮出水浓度预测方法的基础上，进一步提供了一种硝化过程运行风险的预测或控制方法;
所述预测方法包括如下步骤：
按照上述氨氮出水浓度的预测方法得到好氧区的出水氨氮浓度，根据下述公式(7)计算超标风险R;
式(7)中，CS为出水标准，CT为出水浓度;
当风险等级R=1时(出水氨氮浓度CT=0)，表示安全;当风险等级R大于1时(当出水氨氮浓度逼近出水标准CS时，风险值趋近于无穷大;直观上易于判断和预警)，将R取整后作为预警的风险等级，即可对硝化过程的运行风险进行评估;
所述控制方法包括如下步骤：根据可接受的风险等级R，可以反算出需要的出水氨氮浓度CT;根据式(6)可知CT主要受AURm和DO的影响，因此当需要减小CT时，可以调整回流增加污泥浓度以提高AURm、或者加强曝气以提高DO，反之亦然。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的活性污泥氨氮利用速率在线检测装置，可实时在线检测污水中的氨氮浓度和氨氮利用速率，并用于工艺过程控制和预警评估，克服了现有氨氮利用速率测试技术周期长、操作复杂、无法在线的缺点。
(2)本发明活性污泥氨氮利用速率在线检测装置中的氨氮传感器采用氨氮离子选择性电极，测量时间短、响应快、易清洗，可在控制系统要求的周期内(如20分钟)完成氨氮利用速率的测试，支持曝气过程的实时控制。
(3)利用本发明装置可实时测量氨氮浓度CAN、氨氮利用速率AUR、最大氨氮利用速率AURm及历史曲线等;通过氨氮加标实验可以得到最大氨氮利用速率，运行人员可利用其历史数据评估系统的硝化活性，可及时掌握进水毒性物质的抑制影响。
(4)利用本发明装置可根据理论模型参数预测出水口氨氮浓度CT，并计算硝化过程运行风险R，可直观评估工艺运行的风险;根据可接受风险反算需要的出水浓度，从而可以计算和指导调整污泥浓度、曝气强度等工艺条件，对污水处理厂稳定达标运行及节能降耗具有重要意义。
