废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量方法，采用两根pH电极分别测量反应室进、出口的pH值，用pH1和pH2作为控制滴定的依据，得到生物处理过程中的HVR。该方法不仅实现了废水处理过程HVR的连续高精度测量，还可实现实际污水处理系统HVR的现场在线测量，无需采样。本发明还公开了一种实现上述方法的废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量方法及装置，用于测量废水生物处理过程中活性污泥微生物降解废水中污染物时的质子变化量(Hydrogen ion Variation Amount，HVA)及变化速率(Hydrogen ion VariationRate，HVR)，它适用于城市污水处理厂过程控制与运行管理、废水组分表征以及废水生物处理过程动力学实验室研究等方面，属于废水生物处理技术领域。

背景技术

生物处理法被认为是处理城市污水的最主要、最经济有效的方法，它是利用活性污泥中微生物的生理代谢活动来去除废水中的污染物质。根据微生物对氧气的需求情况，生物处理法被分为好氧生物处理法、缺氧生物处理法和厌氧生物处理法。氧利用速率(Oxygen Uptake Rate，OUR)是好氧微生物单位时间和体积内消耗的氧气的质量，这一指标把微生物的生长和底物的消耗联系起来。以OUR为变量可以建立活性污泥系统中各反应底物与微生物之间的数量关系，分析主要反应过程的动态特性，可用于城市污水组分测试和化学计量学、动力学参数识别与校核、好氧活性污泥工艺运行状态的监测和控制等。本发明的申请人在2006年4月30日申请了一种“污染物好氧生物降解呼吸测量方法及装置”，用于测量废水好氧生物降解过程的OUR。然而OUR测量仪只能用于废水好氧处理过程，不能用于耗氧量极少或严格厌氧的缺氧和厌氧过程。

大部分废水生物降解过程都会产生/消耗质子，因此，通过监测生化反应过程中的质子变化速率(HVR)，也能反映生物过程的动态特性。并且，HVR测量不受氧耗条件限制，在好氧、缺氧和厌氧过程中均可应用。目前，国外有关实验室开发了专门用于监测活性污泥系统质子产生(Hydrogen ion Production，HP)的滴定测量系统(Massone et al.，1995)，其由反应器系统、pH值测量系统、滴定系统和数据采集与控制系统组成。生物反应器下的搅拌系统保证反应器中的溶液混合均匀，当需要好氧条件时曝气装置供应一定的溶解氧浓度；置于反应器中的pH电极测得的数据通过计算机的数据采集系统被采集，进而计算机发出指令控制脉冲电磁阀投加酸或碱；如此反复进行，直至pH测量值达到设定值要求，滴定停止。这类滴定测量仪基本实现自动滴定，测试频率高，能够反映微生物过程，但从本质上讲还属于离线测量，在每次测量之前生物反应器中的混合液需从污水处理厂或实验室模拟反应器中提取；此外由于电磁阀的不稳定性，脉冲流量需要定期校核，Gernaey et al(1998)报道称使用时每天要校核两次。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量方法，以在线、连续测量废水生物处理过程中的HVR。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量方法，包括下列步骤：

(1)用蠕动泵将曝气室中的废水与活性污泥混合液送入密闭反应室中，同时启动搅拌器搅拌，废水在反应室中反应5～10分钟后，从反应室上部的出口经管道排入曝气室中，如此不断循环；

(2)分别用第一、二pH电极测量反应室进、出口溶液的pH值，并传输给计算机，每隔1～10秒，该计算机以进口溶液的pH值pH1为参考值，以出口溶液的pH值pH2和pH1的误差的比例，或误差的比例、积分和微分的线性组合为控制量u，对药品自动投加系统的泵进行控制，当u大于设定的误差定值ΔpH时，计算机向药品自动投加系统发出信号控制酸投加泵向反应室中投加酸，当u小于-ΔpH时，计算机向药品自动投加系统发出信号控制碱投加泵向反应室中投加碱，酸投加泵或碱投加泵每投加一次，计算机便记录一次酸投加量或碱投加量，所述ΔpH为0.01～0.05；

(3)在测量过程中，每隔10～120秒，计算机计算该时间段内酸累计投加量S1和碱累计投加量S2，将该时间段内的|S1-S2|进行线性拟合，其斜率Δ|S1-S2|/Δt为该时间段内的质子变化速率。

由于流入反应室的液体为废水与活性污泥混合液，当在反应室中停留时，生物反应会导致反应室内质子的产生或消耗，本发明采用两根pH电极分别测量反应室进、出口的pH值，用pH1和pH2作为控制滴定的依据，得到反应室中的HVR。这样不仅能够实现废水处理过程的连续测量(即废水生物反应过程中每个时刻的HVR)，还可以直接测量实际污水处理系统的HVR，无需采样。

作为上述技术方案的优选实施例，在步骤(2)中，第一、二pH电极的电流信号经过pH变送器、接线盒和数据采集卡传输到计算机，在计算机中进行数字滤波处理，再利用线形函数转换为进、出口测量室的pH值，并在计算机上实时显示并保存。

作为上述技术方案的另一优选实施例，在步骤(1)中，搅拌器的搅拌速度为20～200转/分。

作为上述技术方案的另一优选实施例，所述反应室放入温度为5～50℃的恒温水浴中，以使混合液温度与曝气室中混合液温度保持一致。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量装置，包括反应室、药品自动投加系统、pH变送器和计算机，药品自动投加系统的酸、碱投加泵的出口端与所述反应室连通，在该反应室内设有磁力搅拌器，所述反应室为密闭结构，在该反应室的底部和上部分别设有进口和出口，该进、出口分别经管道与进口测量室和出口测量室的出口连通，且进口测量室的进口经管道与蠕动泵的出口连通，在该进、出口测量室内分别装有第一pH电极和第二pH电极，该第一、二pH电极分别经数据线与所述pH变送器相连，该pH变送器将第一、二pH电极的电流信号转换为进、出口测量室的pH值再传输给所述计算机，该计算机以进口溶液的pH值pH1为参考值，以出口溶液的pH值pH2与pH1的误差的比例，或误差的比例、积分和微分的线性组合为控制量u，对药品自动投加系统的泵进行控制，当u大于设定的误差定值ΔpH时，计算机向药品自动投加系统发出信号控制酸投加泵向反应室中投加酸，当u小于-ΔpH时，计算机向药品自动投加系统发出信号控制碱投加泵向反应室中投加碱，所述ΔpH为0.01～0.05；所述计算机即时保存、显示酸、碱的投加量。

在上述技术方案中，所述进口测量室与出口测量室的结构相同，该进口测量室由上部的套筒和下部的测量筒轴向相连构成，在测量筒的底部和上部分别设有进口和出口；在所述套筒内装有所述第一pH电极，该第一pH电极的上部固套有螺栓，该螺栓与所述套筒的上端内壁螺纹配合，所述第一pH电极的下端穿出套筒伸入所述测量筒内，且该第一pH电极与套筒的下端内壁滑动配合且密封。

作为上述技术方案的优选实施例，所述反应室位于恒温水浴槽中。

作为上述技术方案的另一优选实施例，所述药品自动投加系统由酸投加泵、碱投加泵、酸剂瓶、碱剂瓶和直流电源构成，该酸、碱投加泵的入口端分别与酸、碱剂瓶连通，该酸、碱投加泵的出口端均与所述反应室连通，并且，该酸、碱投加泵分别经导线与直流电源相连，该直流电源经导线与所述计算机相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)两根pH电极的使用使得滴定测量仪真正实现连续测量，不再仅适用于采样批式试验，测试频率高，精度高；

(2)该滴定测量仪具有便携性，可用于任何污水处理厂的现场在线测量，无需采样，不再仅局限在实验室分析，具有较高的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量装置的结构示意图；

图2为本发明测量室的结构示意图；

图3为本发明滴定测量过程软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明。

参见图1、2，本发明废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量装置主要由反应室6、药品自动投加系统、pH变送器15、14和计算机16构成，其中，反应室6为密闭结构，在反应室6内装有搅拌器7，该搅拌器7为搅拌磁子，搅拌磁子通过磁力搅拌器8带动旋转。在该反应室6的底部和上部分别设有进口和出口，该进、出口分别经管道与进口测量室2和出口测量室4的出口连通。进口测量室2与出口测量室4的结构相同，参见图2，进口测量室2由上部的套筒2a和下部的测量筒2b轴向相连构成，并通过密封圈2c密封。在测量筒2b的底部和上部分别设有进口和出口；在套筒2a内装有第一pH电极3，该第一pH电极3的上部固套有螺栓3a，该螺栓3a与所述套筒2a的上端内壁螺纹配合，第一pH电极3的下端穿出套筒2a伸入所述测量筒2b内，且该第一pH电极3与套筒2a的下端内壁滑动配合且密封。第一、二pH电极3、5的上端分别经数据线与pH变送器15、14相连，pH变送器15、14经接线盒、数据采集卡与计算机16相连。进口测量室2的进口经管道与蠕动泵1的出口连通，蠕动泵1的入口经管道与曝气室19连通，在曝气室19中设有曝气装置20。

药品自动投加系统由酸投加泵10、碱投加泵11、酸剂瓶9、碱剂瓶12和直流电源13构成，该酸、碱投加泵10、11可以采用微量泵或电磁阀，该酸、碱投加泵10、11的入口端分别与酸、碱剂瓶9、12连通，该酸、碱投加泵10、11的出口端均与反应室6连通，并且，该酸、碱投加泵10、11分别经导线与24V直流电源13相连，该直流电源13经导线与计算机16相连，计算机16向直流电源13发出控制信号分别控制酸、碱投加泵10、11工作。

在计算机16内设置有控制模块、存储模块和计算模块，控制模块以进口溶液的pH值pH1为参考值，以出口溶液的pH值pH2与pH1的误差的比例，或误差的比例、积分和微分的线性组合为控制量u，对药品自动投加系统的泵进行控制，也即比例控制方法或PID控制方法。具体为：

比例控制，控制量u＝Kp*e(t)＝e(t)其中，Kp＝1，e(t)＝pH2(t)-pH1(t)。

PID控制，控制量

$u=K_{P}e\left(t\right)+K_I{\int }_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

式中，e(t)＝pH2(t)-pH1(t)；K_P-比例系数；K_I-积分系数；K_D-微分系数。

参考对pH值进行PID控制的大量试验研究的结果，K_P的经验值为0.9，K_I的经验值取0.45，K_D的经验值为1.3。

除了采用比例控制和PID控制的pH值控制方法之外，还可以采用模糊控制及其它控制方法，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。

当u大于设定的误差定值ΔpH时，控制模块向药品自动投加系统发出信号控制酸投加泵10向反应室6中投加酸，当u小于-ΔpH时，控制模块向药品自动投加系统发出信号控制碱投加泵11向反应室6中投加碱。ΔpH一般由pH电极和变送器的测量精度决定，范围为0.01～0.05，优选为0.03。存储模块用于即时保存、显示酸、碱的投加量。

每隔10～120秒，优选为30或60秒，计算模块计算该时间段内酸累计投加量S1和碱累计投加量S2，将该时间段内的|S1-S2|进行线性拟合，其斜率Δ|S1-S2|/Δt为该时间段内的质子变化速率(HVR)。

在实验室研究中，为保证反应系统恒温，可将曝气室19和反应室6放置入恒温水浴槽18中，曝气室19的容积几倍于反应室6的容积；在现场研究中，如污水处理厂，不需要曝气室，只需将蠕动泵1的入口和出口测量室4的出口连接到实际污水处理厂反应池即可，同样为了为保证反应系统恒温，将反应室6放置入恒温水浴槽18中，使反应室6中混合液的温度与反应池中混合液的温度相同，这样可以保证自动滴定测量仪的连续在线测量。

参见图1～3，废水生物处理中质子变化速率的在线滴定测量方法按下列步骤进行：

(1)用蠕动泵1将曝气室19中的待测废水与活性污泥混合液送入密闭反应室6中，同时启动磁力搅拌器7搅拌，废水在反应室6中反应5～10分钟后，优选为8分钟，从反应室6上部的出口排入曝气室19中，如此不断循环。通过控制蠕动泵1的流速以及反应室6的体积即可控制废水与活性污泥混合液在反应室6中的反应时间(也即停留时间)；磁力搅拌器的搅拌速度为20～200转/分，优选为100转/分。

(2)分别用第一、二pH电极3、5测量反应室6进、出口溶液的pH值，第一、二pH电极3、5的电流信号经过pH变送器14，15、接线盒和数据采集卡传输到计算机16，在计算机16中进行数字滤波处理，再利用线形函数转换为进、出口测量室2、4的pH值，并在计算机16上实时显示并保存。计算机16每隔1～10秒，优选为5秒，该计算机16以进口溶液的pH值pH1为参考值，以pH2和pH1的误差e(t)的比例(P)，或误差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合(PID)为控制量u，对药品自动投加系统的泵进行控制。当控制量u大于设定的误差定值ΔpH时，计算机16向药品自动投加系统发出信号控制酸投加泵10向反应室6中投加酸，当u小于-ΔpH时，计算机16向药品自动投加系统发出信号控制碱投加泵11向反应室6中投加碱。

(3)在测量过程中，每隔10～120秒，优选为30或60秒，计算机16计算该时间段内的酸累计投加量S1和碱累计投加量S2，将该时间段内的|S1-S2|进行线性拟合，其斜率Δ|S1-S2|/Δt为该时间段内的质子变化速率(HVR)；废水与活性污泥混合液在曝气室19与反应室6之间不断循环，通过连续测量反应室6中混合液质子变化速率(HVR)，从而实现了废水处理过程中的连续、在线测量。