快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备和方法

摘要

一种快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备，包括恒温水浴系统、主反应系统和检测控制系统，设备运行中无需专人值守，通过控制模块控制系统实现温度的调控、各项数据的在线和测量和自动判断，为运行者提供性能预警和工艺调整建议，效率较高；同时结构简单，尺寸较小，节约空间，操作简便，容易维护。本发明快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法，引入了新的评价污泥活性的指标，即活性污泥指数κ，与以往的耗氧速率和比耗氧速率相比，污泥活性指数的测量结果减少了计量误差。本专利所述的方法和装置可以通过快速、直接测量污水处理外加碳源的有效性，从而让污水处理运行者能够及时调控污水处理系统的运行状态。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理的技术领域，尤其是涉及一种快速评价污水处理厂外加 碳源有效性的设备和方法。

背景技术

国内污水处理厂接纳的污水普遍存在着C/N比偏低的问题，这会导致活性 污泥处理法反硝化的过程中的碳源量无法满足需求，反硝化脱氮和除磷过程受 到限制，污水处理厂实际运行过程中通常需要外加碳源加以补充。

目前生产中一般以污水处理厂终端出水作为碳源质量的评价指标，但是污 水在污水处理厂中的停留时间一般较长(一般为1天以上)，而且实际工况中 污水处理工艺较为复杂，影响终端出水水质的因素较多，各种控制参数和外部 因素的变化都会影响到出水水质。因此仅仅靠终端出水水质来反应碳源有效性 不但存在滞后性，而且检测结果对碳源有效性评价的参考意义也是有限的。因 此碳源有效性的评价方法耗时越短、对活性污泥活性的响应越能直接，其对生 产运行中的知道意义就越大。

现有技术中的方法经常通过仪器检测来评价碳源有效性。但是实际生产中 用到的碳源物质一般都是工业副产品，其有效组分不止一种而且含量不稳定， 而且往往含有对活性污泥有毒、有害的物质，这些组分经常也是未知的，这些 物质可能对污水处理工艺稳定性造成冲击。仪器检测一般只能通过针对某一种 或一类物质的化验方法来定量碳源物质的含量，但是针对未知含量的碳源组分 检测成本较高而且检测结果往往不能够全面、及时反映目标碳源的有效性。

目标工艺中污泥活性是评价碳源的最直接也是最快速的方法。有文献报道 可以用生物活性污泥的耗氧速率(OUR)来评估碳源有效性，目前OUR的测 定方法大都比较粗放，没有考虑温度对测量结果的影响，实际上温度每升高1℃， 微生物代谢活性会增加约12％。OUR对比实验中检测时间往往较长，环境温度 变化往往对污泥活性有较大的影响，OUR的测量结果不能如实反映出碳源的有 效性。另外，传统计算OUR过程中通常选取溶氧衰减曲线上选取两点，计算 两点所在直线的斜率。这种计算方法受计算点的选取影响较大，不同的点计算 结果差别较大。污泥耗氧速率计量方法是：

但是以往的研究中报道中污泥耗氧速率、比耗氧速率(SOUR)的测量、 计算方法中一般用(单位数量)活性污泥中微生物消耗水体中的溶解氧量和时 间的比来表示：

从图1可以知道其数值意义是有差别的，传统计算过程中通常选取溶氧衰 减曲线上选取两点，计算两点所在直线的斜率，这种计算方法受计量点的选取 影响较大，如图1中(t

现有技术中还有用比耗氧速率(SOUR)来评估碳源有效性，但是SOUR 所反映出的是活性污泥中单一活体微生物的活性变化趋势，这种检测方法忽视 了污泥浓度对响应结果的影响。而且由于各工艺段中污泥浓度往往不稳定，个 别点的MLSS测量结果水无法反应出活性污泥工艺整体状况，检测结果往往误 差较大。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种快速评价污水处理厂外加 碳源有效性的设备和方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备，包括恒温水浴系统、 主反应系统和检测控制系统；其中恒温水浴系统包括恒温水浴槽、水浴加热器、 测温电极、造流循环泵和电磁搅拌器，恒温水浴槽形成水浴加热的容器，水浴 加热器和测温电极和造流循环泵设置在恒温水浴槽中，多个电磁搅拌器设置在 恒温水浴槽外；主反应系统包括预反应瓶和反应瓶，反应瓶为多个，预反应瓶 和反应瓶工作时置于恒温水浴槽中，位置与电磁搅拌器相对应，在预反应瓶和 反应瓶中分别设置搅拌子，预反应瓶还设有气体分布器，气体分布器通过管路 与外部的爆气泵相连接，对应预反应瓶和反应瓶分别设置溶氧电极；检测控制 系统包括控制模块和交互显示装置，控制模块分别与水浴加热器、测温电极、 造流循环泵、电磁搅拌器、溶氧电极和交互显示模块相连接，控制模块控制各 部件工作并进行数据处理，交互显示模块实现操作者对设备的控制信息输入和 检测结果显示。

本技术方案还可以采用以下技术措施：

所述的恒温水浴槽中设置反应瓶限位板，反应瓶限位板上设置多个限位孔， 限位孔与电磁搅拌器的位置一一对应。

所述的预反应瓶和反应瓶分别包括螺纹瓶盖和螺口玻璃瓶体，溶氧电极分 别设置在各螺纹瓶盖上。

所述的恒温水浴槽包括槽体和保温封盖，保温封盖与槽体相结合内部形成 水浴空间。

所述的预反应瓶的容积与单个反应瓶的容积之比为(6～10)：1。

本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法，选取标准碳源物， 后续检测结果换算成标准碳源物的当量值，以当量值来评价待检测碳源的有效 性；以污泥活性指数κ表征污泥活性的变化趋势，污泥活性指数κ的数值意义 是溶氧饱和度衰减曲线与时间的积分的倒数和活性污泥常数的乘积，即：

其中f(t)是溶氧饱和度随时间的衰减函数，污泥活性常数N

Y

本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法，包括以下步骤：

A、通过交互显示模块设定积分步长t

B、通过交互显示模块启动设备，水浴加热器、造流循环泵分别开始运行；

C、取好氧池污泥加入预反应瓶内，加至预反应瓶总容积的75～85％处；

D、将预反应瓶置入恒温水浴槽，预反应瓶的底部位置对应于电磁搅拌器， 在预反应瓶内放入搅拌子，电磁搅拌器启动并带动搅拌子对预反应瓶中污 泥进行搅拌；

E、曝气泵启动，爆气步长时间为t

F、预反应瓶内液体同时满足以下条件时停止曝气：温度为T

G、将预反应瓶中的液体等量分装到各反应瓶内，并在各反应瓶内分别放入 搅拌子，电磁搅拌器启动并带动搅拌子对反应瓶中液体进行搅拌；

H、在一反应瓶内加入标准碳源液体作为标准反应瓶，其他各反应瓶内分别 加入相同体积的待检测碳源液体；

I、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

J、根据积分步长t

K、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

L、按κ值排列各反应瓶内的结果，并通过交互显示模块对排序结果进行显 示；

M、储存各反应瓶对应的积分面积、κ值及溶氧衰减曲线。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备中，包括恒温水浴系 统、主反应系统和检测控制系统，设备运行中无需专人值守，通过控制模块控 制系统实现温度的调控、各项数据的在线和测量和自动判断，为运行者提供有 效性预警和工艺调整建议，效率较高；同时结构简单，尺寸较小，节约空间， 操作简便，容易维护。本发明快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法，引 入了新的评价污泥活性的指标，即活性污泥指数κ，与以往的耗氧速率和比耗 氧速率相比，污泥活性指数的测量结果减少了计量误差。本专利所述的方法和 装置可以通过快速、直接测量污水处理外加碳源的有效性，从而让污水处理运 行者能够及时调控污水处理系统的运行状态。

附图说明

图1是现有技术中耗氧速率评价外加碳源有效性方法的结果示意图；

图2为本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备的结构示意图

图3为本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备中预反应瓶的 结构示意图；

图4为本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备中反应瓶的结 构示意图；

图5为本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法的流程图；

图6为本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法中溶氧衰减曲 线的示意图；

图7为本发明的第一实施例中标准反应瓶的实验结果示意图；

图8为本发明的第一实施例中添加第一样本的反应瓶的实验结果示意图；

图9为本发明的第一实施例中添加第二样本的反应瓶的实验结果示意图；

图10为本发明的第一实施例中添加第三样本的反应瓶的实验结果示意图；

图11为本发明的第二实施例中标准反应瓶的实验结果示意图；

图12为本发明的第二实施例中添加第一样本的反应瓶的实验结果示意图；

图13为本发明的第二实施例中添加第二样本的反应瓶的实验结果示意图；

图14为本发明的第二实施例中添加第三样本的反应瓶的实验结果示意图。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发 明范围内的一切技术改进。

如图2至图4所示，本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的设备， 包括恒温水浴系统、主反应系统和检测控制系统；其中恒温水浴系统包括恒温 水浴槽1、水浴加热器3、测温电极11、造流循环泵4和电磁搅拌器2，恒温水 浴槽形成水浴加热的容器，水浴加热器和测温电极和造流循环泵设置在恒温水 浴槽中，造流循环泵能够保证水浴中的水能够产生流动，保持各位置温度快速 均衡，多个电磁搅拌器设置在恒温水浴槽外；主反应系统包括预反应瓶12和反 应瓶6，根据检测样品的数量不同，反应瓶为多个，预反应瓶和反应瓶工作时 置于恒温水浴槽中，位置与电磁搅拌器2相对应，在预反应瓶和反应瓶中分别 设置搅拌子10，预反应瓶还设有气体分布器14，气体分布器为环形，通过管路 与外部的爆气泵13相连接，对应预反应瓶和反应瓶分别设置溶氧电极7；检测 控制系统包括控制模块和交互显示装置9，控制模块分别与水浴加热器、测温 电极、造流循环泵、电磁搅拌器、溶氧电极和交互显示模块相连接，控制模块 控制各部件工作并进行数据处理，交互显示模块实现操作者对设备的控制信息 输入和检测结果显示。

恒温水浴槽采用弧形池壁，可以形成漩涡形水流，有助于减少池体内死角， 确保池体内温度均一稳定。

恒温水浴槽中设置反应瓶限位板5，反应瓶限位板上设置多个限位孔，使 用时将限位板于恒温固定设置于恒温水浴槽中，各限位孔与电磁搅拌器的位置 一一对应，反应瓶分别放入限位孔后能够保证反应瓶中的搅拌子能够得到电磁 搅拌器的驱动。

预反应瓶和反应瓶分别包括螺纹瓶盖和螺口玻璃瓶体，溶氧电极7分别设 置在各螺纹瓶盖上，提高了操作的便利性，无需进行单独的溶氧电极的放入步 骤，仅将螺纹瓶盖与螺口玻璃瓶体配合即可。

恒温水浴槽包括槽体和保温封盖，保温封盖与槽体相结合内部形成水浴空 间，检测时可以将保温封盖与槽体结合封闭，以便维持恒温水浴槽中的温度恒 定，避免外界造成的干扰。

预反应瓶的容积与单个反应瓶的容积之比为(6～10)∶1，以保证预反应 瓶中的液体能够分放于多个不同的反应瓶中，以进行对比和参照。

如图5、图6所示，本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法， 选取标准碳源物，后续检测结果换算成标准碳源物的当量值，以当量值来评价 待检测碳源的有效性；以污泥活性指数κ表征污泥活性的变化趋势，污泥活性 指数κ的数值意义是溶氧饱和度衰减曲线与时间的积分的倒数和活性污泥常数 的乘积，即：

其中f(t)是溶氧饱和度随时间的衰减函数，污泥活性常数N

溶氧饱和度是指一定温度条件下水体中溶解氧的测量值占该温度下蒸 馏水的饱和溶氧的百分比。

本发明的快速评价污水处理厂外加碳源有效性的方法，包括以下步骤：

A、通过交互显示模块设定积分步长t

B、通过交互显示模块启动设备，水浴加热器、造流循环泵分别开始运行；

C、取好氧池污泥加入预反应瓶内，加至预反应瓶总容积的75～85％处；好 氧池污泥即污水处理厂好氧池末端出水的泥水混合物；

D、将预反应瓶置入恒温水浴槽，预反应瓶的底部位置对应于电磁搅拌器， 在预反应瓶内放入搅拌子，电磁搅拌器启动并带动搅拌子对预反应瓶中污 泥进行搅拌；

E、曝气泵启动，爆气步长时间为t

F、预反应瓶内液体同时满足以下条件时停止曝气：温度为T

G、将预反应瓶中的液体等量分装到各反应瓶内，并在各反应瓶内分别放入 搅拌子，电磁搅拌器启动并带动搅拌子对反应瓶中液体进行搅拌；

H、在一反应瓶内加入标准碳源液体作为标准反应瓶，其他各反应瓶内分别 加入相同体积的待检测碳源液体；

I、开启水浴加热器，温控步长时间为t

J、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

K、根据积分步长t

L、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

M、按κ值排列各反应瓶内的结果，并通过交互显示模块对排序结果进行显 示；

N、储存各反应瓶对应的积分面积、κ值及溶氧衰减曲线。

实施例1

本实施例所提供的是快速评价污水处理厂外加碳源性能的方法，具体来说， 是用于评价不同浓度的同一种碳源的有效性的方法，包括以下步骤：

A、通过交互显示模块设定积分步长为t

B、通过交互显示模块启动设备，水浴加热器、造流循环泵分别开始运行；

C、取待添加碳源的污水处理厂好氧池末端出水的泥水混合物加入预反应瓶 内，加至预反应瓶总容积的80％处；

D、将预反应瓶置入恒温水浴槽，预反应瓶的底部位置对应于电磁搅拌器， 在预反应瓶内放入搅拌子；

E、曝气泵启动，爆气步长时间为t

F、预反应瓶内液体同时满足以下条件时停止曝气：温度为35±0.5℃，溶 氧值达到设定值95±2％；

G、将预反应瓶中的液体等量分装到各反应瓶内，并在各反应瓶内分别放入 搅拌子，电磁搅拌器启动并带动搅拌子对反应瓶中液体进行搅拌；

H、在一反应瓶内加入标准碳源液体作为标准反应瓶，采用1000mg/L的乙 酸钠溶液作为参比样本，其他各反应瓶内分别加入相同体积的待检测碳源 液体；

I、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

J、根据积分步长t

K、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

L、按κ值排列各反应瓶内的结果，并通过交互显示模块对排序结果进行显 示；

M、储存各反应瓶对应的积分面积、κ值及溶氧衰减曲线。

表1实验样品污泥活性结果排序

从上述表1中κ值比较可以得出，乙酸钠作为参比样品污泥活性指数数值最 大，碳源样品3和参比样品较为接近，碳源样品1的碳源性能与参比和样品3 相比污泥活性指数较低，碳源样品2泥活性指数数最低。

实施例2

本实施例所提供的是经济成本相同的不同碳源有效性的评价方法，包括以 下步骤：

A、通过交互显示模块设定积分步长为t

B、通过交互显示模块启动设备，水浴加热器、造流循环泵分别开始运行；

C、取待添加碳源的污水处理厂好氧池末端出水的泥水混合物加入预反应瓶 内，加至预反应瓶总容积的75％处；

D、将预反应瓶置入恒温水浴槽，预反应瓶的底部位置对应于电磁搅拌器， 在预反应瓶内放入搅拌子；

E、曝气泵启动，爆气步长时间为t

F、预反应瓶内液体同时满足以下条件时停止曝气：温度为35±0.5℃，溶 氧值达到设定值95±2％；

G、将预反应瓶中的液体等量分装到各反应瓶内，并在各反应瓶内分别放入 搅拌子，电磁搅拌器启动并带动搅拌子对反应瓶中液体进行搅拌；

H、在一反应瓶内加入标准碳源液体作为标准反应瓶，采用10ml浓度30％ 工业副产乙酸钠溶液作为参比样本，其他各反应瓶内分别加入相同体积的 待检测碳源液体；

I、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

J、根据积分步长t

K、控制模块通过溶氧电极检测判断各反应瓶内溶氧值DO是否达到设定值 DO

L、按κ值排列各反应瓶内的结果，并通过交互显示模块对排序结果进行显 示；

M、储存各反应瓶对应的积分面积、κ值及溶氧衰减曲线。

表2实验样品污泥活性结果排序

从上述表2中κ值比较可以得出，工业乙酸钠作为参比样品污泥活性指数数 值最大，碳源样品3和碳源样品2较为接近，碳源样品1的碳源泥活性指数数 最低。且每组数据图中都出现了曲线二次拐点，说明在测量时间内，外加碳源 已经消耗殆尽，基本可以排除缓释碳源的干扰，需要指出的是，如果且数据图 中没有出现了曲线二次拐点，说明外加碳源并未完全消耗，此时应该降低参比 碳源的投加量重新检测。通过以上实验可以得出，同样成本投入情况下，参比 样品的碳源对节约运行成本更为有利。

实施例3

相较实施例2，实施例3仅步骤C中取待添加碳源的污水处理厂好氧池末端 出水的泥水混合物加至预反应瓶总容积的85％处，实验所得结果与实施例2中 结果相同，均为工业乙酸钠作为参比样品污泥活性指数数值最大。

在总容积的75-85％范围内，相同好氧池污泥的添加量不影响实验结果。

本发明未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不 限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况 下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实 施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不 是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权 利要求。