一种监测污水生物处理氧吸收速率和控制曝气量的方法

摘要

本发明涉及一种监测污水生物处理氧吸收速率和控制曝气量的方法。本发明测定在不同空气流量q、温度和设定污泥浓度条件下，曝气充氧的氧转移系数KLa(d-1)和饱和溶解氧浓度mg／L，求出氧转移系数KLa和供气量q、温度T，在已知设定氧转移系数KLa(d-1)和溶解氧浓度的条件下，通过拟合某时段内的溶解氧变化曲线，利用上一时段的氧吸收速率，作为下一阶段可能的氧吸收速率，所需要的下一时段的最低曝气量q，在接下来的时段内，空气量q，溶解氧变化曲线，求出该时段氧吸收速率。本发明克服了现有技术存在的设备投资大、构造复杂或测试频率低等缺陷。本发明不增加额外的副反应器、溶解氧探头和污水传输设备的前提下，仅利用溶解氧探头就可连续监测OUR。

说明书

技术领域

本发明属于一种污水生物处理的过程监测和控制技术，具体来说就是一种监测污水生物处理氧吸收速率和控制曝气量的方法。

背景技术

污水生物处理的方法也叫活性污泥法，自从20世纪初活性污泥法发明以来，一直是世界各国生活污水处理的主要方法。它是利用具有活性的微生物，在提供溶解氧的条件下，将污水中的有机物和氨氮等氧化，达到去除的目的。溶解氧的供应通常依靠鼓风机曝气来完成。曝气是污水处理过程中的主要能耗，通常能占到污水生物处理过程的50％以上的能耗。因此，在保证处理效果的前提下，寻找降低污水处理曝气量的方法，是降低污水处理能耗的重要手段。其中一个重要的监测指标就是确定生物的氧吸收速率(OUR)。

在本发明作出之前，生物的OUR是反应污水生物处理过程污染物降解速度、活性污泥活性的一个重要指标，传统的测定OUR方法包括间歇和连续测定两种方法。间歇法是在曝气停止后，记录污水处理反应器内的溶解氧(DO)在一定时间内降低的值，两者相除得到OUR，这种方法测定频率较低，不能作为一种连续的在线监测的方法，并且测定值一般偏小；连续法是在主反应器旁边设置小型副反应器(或者其它玻璃容器)，活性污泥混合液从主反应器中被连续输入到副反应器内，再回流至主反应器，同步测定主、副反应器内的溶解氧浓度，其浓度差值和副反应器停留时间(HRT)的比值即为OUR，这种方法需要在主反应器和副反应器内都设置溶解氧探头，并且需要污水回流设备，构造复杂，增加了设备投资，并且此方法测定的是副反应器内的OUR，并不能完全反映主反应器内OUR。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种监测污水生物处理氧吸收速率和控制曝气量的方法。

本发明的技术方案是：

一种监测污水生物处理氧吸收速率和控制曝气量的方法，其主要技术特征在于按照如下步骤进行：

(1)测定在不同空气流量q、温度和设定污泥浓度条件下，曝气充氧的氧转移系数K_La(d^-1)和饱和溶解氧浓度mg／L，求出氧转移系数K_La和供气量q、温度T的数量关系式：

KLa=aqb^T-20   (1)

(2)通过如下公式：

$>\frac{\mathrm{dDO}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{KLa}(O_{\mathrm{Sat}}-\mathrm{DO})+\mathrm{OUR}---(2-1)$>

$>\frac{\mathrm{dDO}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{KLa}(O_{\mathrm{Sat}}-\mathrm{DO})+\mathrm{OUR}-\frac{\mathrm{DO}}{\mathrm{HRT}}---(2-2)$>

在已知设定氧转移系数K_La(d^-1)和饱和状态下的溶解氧浓度的条件下，通过拟合某时段内的溶解氧变化曲线，求出本时段内的氧吸收速率，对于序批反应器，使用前一个公式(2—1)，对于连续反应器，使用后一个公式(2—2)；

(3)利用上一时段的氧吸收速率，作为下一阶段可能的氧吸收速率，同样利用步骤(2)里的公式，求出达到设定的溶解氧浓度，所需要的下一时段的最低曝气量q；

(4)在接下来的时段内，向反应器内施加有步骤(3)求得的空气量q，测定该时段内的溶解氧变化曲线，利用步骤(2)的方法，求出该时段的实际的氧吸收速率，重复上述步骤(1)、(2)、(3)，(4)，直到反应结束。

所述发明的溶解氧浓度的测定和氧吸收速率的测定都是在同一个主反应器内完成。

所述发明的测定的OUR为实际的污水处理反应器内的氧吸收速率值。

所述发明利用氧吸收速率的连续性，对污水处理过程曝气量的控制。

所述发明的氧吸收速率的测定，和曝气量的控制都是有步骤2所述的公式完成的。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明在不增加额外的副反应器、溶解氧探头和污水传输设备的前提下，可以连续的测定OUR；

2)本发明测定的OUR为实际的污水处理反应器内的OUR值，更加贴近实际情况；

3)本发明还可以用于污水处理过程曝气量的控制，控制效果优于传统的PID控制，能够做到根据氧吸收速率曝气，避免过量曝气。

4)本发明不需要设置副反应器，仅利用安装在污水生物处理反应器内的溶解氧探头，就可以连续的监测OUR。传统的污水生物处理曝气量控制一般采用可编程控制器(PLC)，利用PID控制原理，设定合适的PID参数，来使得曝气池内的溶解氧保持设定的浓度。由于污水成分和流量在早晚、以及季节性的变化，在某一时段合适的PID参数通常很难在另外一个时段取得较好的控制效果。本发明利用监测的OUR，可以准确的控制曝气量，保证反应器内溶解氧浓度处于设定值。

5)本发明可以应用于连续或者序批反应器中。

附图说明

图1——本发明系统流程示意图。

图2——本发明校准不同空气流量氧转移系数图，其中(A)为估计内源呼吸氧转移速率图，(B)为测定氧转移系数图图。

图3——本发明序批反应器实施效果图，其中(C)为空气流量图，(D)为溶解氧图，(E)为监测的氧吸收速率图。

图4——本发明连续反应器实施效果图，其中(F)为空气流量图，(G)为溶解氧图，(H)为监测的氧吸收速率图。

图中各标号表示对应的部件名称如下：

进液箱1、反应器2、溶解氧探头3、供气系统4、数据采集和控制系统5、计算机6、搅拌器7、进水泵8、温度探头9。

具体实施方式

下面结合具体实例，说明本发明在典型的序批(SBR)和连续活性污泥法中的具体实施方式。

进液箱1里的污水经过进水泵8传输到反应器2中，搅拌器7安装在反应器2中，用于低曝气量下的混合搅拌，溶解氧探头5在安装在反应器2中并淹没在液体中，温度探头9也安装在反应器2中并淹没在液体中，供气系统4伸入到反应器2内液体中；溶解探头3、温度探头9测定的数据经数据采集和控制系统5，发送到计算机6，且数据采集和控制系统5输出指令控制进水泵8、供气系统4。

下面分别就序批(SBR)和连续活性污泥法说明其具体的实施。

实施例1：序批(SBR)活性污泥法

其具体步骤如下：

步骤一：测定在不同空气流量q(0、30、40、60、80、120L／h)、温度变化条件下，曝气充氧的氧转移系数K_La(d^-1)和饱和溶解氧浓度Osat(mg／L)，求出氧转移系数K_La和供气量q、温度T的数量关系式。

测定氧转移系数K_La和供气量q的数量关系式方法如下：

1)将反应器内活性污泥连续曝气12小时以上，使得污泥处于内源呼吸状态，测定过程中保持污泥浓度稳定，从而避免污泥浓度对K_La和Osat的影响；

2)停止曝气15分钟，利用计算机数据采集系统按照每10秒一次的频率记录溶解氧浓度，利用曲线拟合的方式计算出内源氧呼吸速率(OUR_endmg／(L×d))，如图2(A)所示；

3)设定需要测定的某空气流量，开始曝气45分钟，按照每10秒一次的频率记录溶解氧浓度和温度，曝气结束后，用以下公式对溶解氧浓度进行曲线拟合：

$>\frac{\mathrm{dDO}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{KLa}(O_{\mathrm{Sat}}-\mathrm{DO})+{\mathrm{OUR}}_{\mathrm{end}}---\left(3\right)$>

其中DO为记录的溶解氧浓度，OUR_end为本步骤2测定。通过曲线拟合(图2(B))所示，就可以得出氧转移系数K_La(d^-1)和饱和溶解氧浓度Osat(mg／L)；

4)重复本步骤中的2，3两步，共测定三次K_La和Osat，取平均值作为测量值；

5)重复本步骤中的2，3，4，测定其它供气量q条件下的K_La和Osat；

6)得出氧气转移系数K_La和供气量q的数量关系式，如下：

KLa＝4.3042q1.017^T-20   (4)

其中a，b为系数，q为空气流量(L／h)，T为温度(摄氏度)

步骤二：在线估计5分钟时段(T₁)内的OUR。向反应器提供空气流量q₁＝23L／h，在接下来5分钟时段内，利用计算机数据采集系统，按照每10秒一次的频率，记录的溶解氧浓度，记录结束以后，利用公式(3—1)，拟合所得溶解氧浓度，估算此5分钟时段内的氧吸收速率(以下简称OUR)。

其中KLa值可以根据公式(4)换算得到，Osat根据温度T选定，在公式(2—1)，只有OUR未知，通过拟合所得溶解氧浓度曲线，就可以得到本时段内的OUR＝19.2mg O₂／(L*h)；

步骤三：计算下一5分钟时段内(T₂)的供气量。利用步骤二所得的OUR(19.2mg O₂／(L*h))，作为下一5分钟时段的OUR，利用公式(2—1)，计算出所需要的最小KLa值，使得在此5分钟时段末的溶解氧浓度接近设定值(DO_set＝1.0mg／L)。再由公式(4)反推所需要的供气量q₂＝9.7L／h，由计算机控制系统将供气量q₂指令供气系统实施；

步骤四：重复步骤二，三，计算时段(T₂)内的实际OUR值和再下一个5分钟内(T₃)的供气量，反复执行步骤二、三、四，直到反应结束。由图3(C)可以看到，本发明可以连续的控制曝气量，使得溶解氧维持在设定值1.0mg／L(图3(D))，并且连续的监测OUR(图3(E))。

实施例2：连续活性污泥法

其具体步骤如下：

步骤一：改造SBR实施案例中的反应器，使其连续进水，改变进水流量，使得连续反应器的停留时间(HRT)为8小时，并设置停留时间为4小时的沉淀池，沉淀池污泥回流比为2。进水流量以8小时平均停留时间为基准，进行连续变化，以模拟一日内污水量的波动。连续反应器内的氧转移系数K_La和供气量q的关系与SBR反应器相同，见公式(4)。

步骤二：在线估计5分钟时段(T₁)内的OUR。向反应器提供空气流量q₁=10L／h，在接下来5分钟时段内，利用计算机数据采集系统，按照每10秒一次的频率，记录的溶解氧浓度，记录结束以后，利用公式(2—2)，拟合所得溶解氧浓度，估算此5分钟时段内的OUR。

其中KLa值可以根据公式(4)换算得到，Osat根据温度T选定，在公式(2—2)，只有OUR未知，通过拟合所得溶解氧浓度曲线，就可以得到本时段内的OUR＝10.2mg O₂／(L*h)；

步骤三：计算下一5分钟时段内(T₂)的供气量。利用步骤二所得的OUR，作为下一5分钟时段的OUR，利用公式(2—2)，计算出所需要的最小KLa值，使得在此5分钟时段末的溶解氧浓度接近设定值(DO_set＝1.0mg／L)。再由公式(4)反推所需要的供气量q₂=4.1L／h，由计算机控制系统将供气量q₂指今供气系统实施；

步骤四：重复步骤二，三，计算时段(T₂)内的实际OUR值和再下一个5分钟内(T₃)的供气量，反复执行步骤二、三、四，直到反应结束。图4所示，本发明可以连续的调控供气量q(图4(F))，使得溶解氧保持在1.0mg／L(图4(G))，并且连续的监测OUR(图4(H))。