基于序批式生物毒性監測預警系統及監測方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于序批式生物毒性監測預警系統及監測方法。預警系統包括污水系統、保安過濾器、活性污泥系統、污水注入泵、污泥注入泵、序批式反應器、溶解氧電極和PLC系統，監測方法包括注入混合、接觸攪拌、曝氣充氧、反應監測、排空清洗共五個階段。本發明的預警系統采用序批式反應器的原理，其反應、混合效果最佳，裝置完全密閉狀態，抗干擾能力強。因此，其反應更加高效、結果更準確。通過序批式反應的方法，實現了在同一個反應器、利用同一個溶解氧電極，完成活性污泥呼吸速率的測定和計算，相比連續運行的反應器更為高效、準確，避免了常規利用連續運行中使用多個溶解氧電極監測的系統誤差，可廣泛應用于污水毒性的在線監測預警。
【專利說明】基于序批式生物毒性監測預警系統及監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于序批式生物毒性監測預警系統及監測方法，屬于生物毒性監測預警系統及監測方法【技術領域】。
【背景技術】
[0002]活性污泥法是城市污水處理領域中的主要工藝。大多數城市污水由生活污水和工業污水混合組成，其中工業污水成分復雜，其中往往含有有毒有機物、重金屬等對活性污泥微生物的毒害物質，造成生物處理過程不穩定甚至是處理系統的癱瘓。近年來，工業污水對城市污水廠造成嚴重沖擊的報道屢見不鮮，如昆山北區污水廠在節假日期間，進水銅離子多次造成系統的長時間的癱瘓；惠州市仲愷高新區污水處理廠、浙江富陽市新登污水處理廠、東莞清溪長山頭污水處理廠、陜西省咸陽市東郊污水處理廠等均受到重金屬、pH、氰化物等有毒物質的間歇式沖擊，均不同程度地造成了系統的癱瘓，直接影響出水不達標、大幅增加運行和補救成本。因此，污水中毒性物質的在線監測和預警的開發有著重要的意義，可以第一時間反饋并采取應急措施，避免瞬時的毒性污水對污水處理廠的沖擊和影響，保證污水處理廠的穩定運行。
[0003]目前，城市污水廠進水在線監測主要包括一些常規水質指標，用于判斷污水的水質特征，如水溫、pH值、電導率、COD、BOD、氨氮、總磷、總氮、懸浮物等。盡管如此，由于污水成分的復雜性、毒性物質的隱蔽性，這些表觀指標并不能直接反映出污水的毒性和異常。為此，國內外以指示生物、特種細菌、電流等間接指標開展了生物毒性預警研究，如Schahe等利用在線生物監測預警系統，分析了魚類作為水質實時監測指示生物所涉及的參數等數據；Yoshi等研究了基于細胞膜生物傳感器的環境監測系統，并用于工業污水處理過程中的實時監測；Chang等基于電流分析法研制出了微生物燃料電池傳感器，通過電池轉移電荷反映污染物負荷；Kurn等對多種藻類開展重金屬毒性試驗，并獲得了不同藻類對污水毒性的值域。馬梅等利用新型淡水發光菌(Q67)測定了重金屬離子，研究結果表明Q67淡水發光菌作為水生生物毒性檢驗具有快速簡便靈敏度高的特點。
[0004]從以上國內外研究進展來看，基于傳感電流、微生物燃料電池為基礎原理的毒性預警方法，其方法仍處于理論探索階段，理論上與實際應用仍存在著較大差距。而基于生物預警的方法，大多利用發光細菌、藻類、魚類、微型動物等的反饋來判斷毒性，其中以發光細菌的研究和應用較為廣泛，但發光細菌無法實現在線培養和在線監測，而且這類監測方法都是利用活性污泥外源的指示生物，沒有考慮到活性污泥自身的馴化和適應能力，其測試結果不能真實反映活性污泥中微生物的受抑制情況。
[0005]耗氧速率(OUR)是好氧型活性污泥微生物利用有機物時的氧消耗速率，是表征活性污泥微生物活性的理論指標，活性污泥OUR的變化情況一定程度反應了微生物的毒性和抑制性程度。基于活性污泥OUR原理，通過活性污泥與毒性物質反應、其OUR值發生變化的原理，成為生物毒性監測預警的方法之一。目前，基于此原理開發的生物預警監測方法和裝置較少，其采取的工藝方法都是采用連續流的工藝(如CN102495103A)，一般都是通過多個電極監測溶解氧指標。但這種連續流態的監控預警方法，難以考慮活性污泥與毒性物質接觸中毒的時間，由于采取連續流態必須使用多個不同的電極測定不同時間的溶解氧值，而多個不同電極監測的溶解氧存在儀器系統誤差，當監測不同時間溶解氧指標越多時，其系統誤差越大，而當不同時間溶解氧指標越少時，很難真實反映OUR值。因此，基于OUR原理的連續流工藝方法，其生物毒性監測和預警的準確性、穩定性有待提高。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是基于活性污泥耗氧速率(OUR)原理，克服連續流監測預警方法存在的問題，進而提供一種基于序批式生物毒性監測預警系統及監測方法。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]基于序批式生物毒性監測預警系統，包括:污水系統、保安過濾器、活性污泥系統、污水注入泵、污泥注入泵、序批式反應器、攪拌裝置、曝氣器、曝氣機、溶解氧電極和PLC系統，所述污水系統的出口和保安過濾器的入口相連通，保安過濾器的出口和污水注入泵的入口相連通，污水注入泵的出口和序批式反應器內相連通，所述活性污泥系統的出口和污泥注入泵的入口相連通，污泥注入泵的出口和序批式反應器內相連通，溶解氧電極的下端設置在序批式反應器內的上部，溶解氧電極的數據輸出端與PLC系統的數據輸入端相連接，所述攪拌裝置設置在序批式反應器內的底部，曝氣器設置在序批式反應器內下部的一偵牝曝氣器和序批式反應器外部的曝氣機的氣體輸出端相連通。
[0009]所述序批式反應器為三個，所述三個序批式反應器并聯連接。
[0010]基于序批式生物毒性監測預警系統的監測方法，步驟如下:
[0011]步驟一:注入混合階段，通過污水注入泵將經過保安過濾器過濾后的污水注入序批式反應器中，通過污泥注入泵將活性污泥注入序批式反應器中，污水的體積流量比Q1: 92為1:1?4: 1，注入時間控制為30s，活性污泥采用濃縮后的污泥，污泥濃度MLSS控制8000?10000mg/L，使得污水與污泥混合后的濃度保持在2000_4000mg/L，便于后續的充分接觸和反應；
[0012]步驟二:接觸攪拌階段，啟動序批式反應器內的攪拌裝置，使得活性污泥和污水能夠充分混合，補充投加后續反應所需的碳源如甲醇，碳源的最大投加濃度為20mg/L ;攪拌接觸時間控制在18min，使污水中潛在的毒性物質與污泥中的微生物充分反應中毒；
[0013]步驟三:曝氣充氧階段，停止攪拌裝置，打開曝氣機，通過曝氣器為序批式反應器供給反應的溶解氧(DO)，曝氣充氧時間控制為30s，通過曝氣后，反應器中混合液溶解氧(DO)濃度達到飽和溶解氧濃度；
[0014]步驟四:反應監測階段，停止曝氣機，打開攪拌裝置，使活性污泥微生物與溶解氧DO充分接觸，序批式反應器為密閉的系統，微生物利用混合液中的溶解氧(DO)進行呼吸作用，開始消耗溶解氧(D0)，隨著反應時間的延長，反應器內的溶解氧(DO)濃度逐步降低，設置在反應器中的溶解氧電極，每隔30s監測溶解氧值并進行采集，反應時間為lOmin，采集數據20組，PLC裝置根據采集的DO數據，自動完成耗氧速率(OUR)的計算，完成本批次的耗氧速率(OUR)值，并自動計算出數據的相關度R2，判斷數據的置信度；
[0015]步驟五:排空清洗階段，完成以上階段的反應后，序批式反應器將排空反應器內的混合液，并利用清水進行清洗，避免上批次潛在的毒性物質對下一批次監測產生影響，排空和清洗時間為Imin。
[0016]經過以上五個步驟，完成了序批式反應器一個批次的監測預警，本發明一個序批式反應器每批次總時間30min。可通過并聯多個反應器，實現多反應器、多批次的生物毒性在線監測，例如，當三個序批式反應器并聯運行時，其監測反饋時間為lOmin。本發明通過序批式反應的方法，實現在同一個反應器、利用同一個溶解氧電極，完成活性污泥呼吸速率的測定和計算，相比連續運行的反應器更為高效、準確，避免了常規利用連續運行中使用多個溶解氧電極監測的系統誤差，可廣泛應用于污水毒性的在線監測預警。
[0017]與現有技術相比，本發明的優點是:
[0018]1、采用序批式反應器的原理，其反應、混合效果最佳，裝置完全密閉狀態，抗干擾能力強。因此，其反應更加高效、結果更準確。
[0019]2、本發明根據序批式不同反應階段，設有五個反應階段，每個階段作用和功能不同，且不同階段其相互干擾小，對于OUR的計算更符合客觀值。
[0020]3、接觸攪拌階段，充分考慮到了接觸時間對微生物中毒的影響，通過設置接觸攪拌階段完成了微生物與毒性物質的充分接觸反應，并增加了碳源，避免了反應時間和碳源不足對后續反應的影響，提高了結果的準確性。
[0021]4、由于采用了序批式反應器，僅需一個溶解氧電極監測，避免常規連續流反應器中必須使用多個溶解氧電極監測造成的儀器系統誤差，提高了溶解氧監測的準確性。
[0022]5、本發明耗氧速率(OUR)的計算基礎采用一系列溶解氧數據，從20組DO數據中篩選5-10組，更加科學、客觀地反映出系統OUR值，且可通過相關性R2作為置信度判別，解決了連續型反應器僅通過兩個數據判別OUR的誤差。
[0023]6、本發明采用序批式反應器工藝和方法，相對于連續式反應器原理，其監測預警時間與每批次時間相關，如一個序批式反應器總時間30min，無法實現連續式反應器實時反饋的功能，但通過并聯多個反應器可縮短預警反饋時間，完全滿足于污水的生物毒性的在線監測和預警。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明基于序批式生物毒性監測預警系統的示意圖；
[0025]圖2為三個序批式反應器5并聯運行的示意圖；
[0026]圖3為本發明中序批式反應器的運行工序示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發明的保護范圍不限于下述實施例。
[0028]如圖1所示，本實施例所涉及的一種基于序批式生物毒性監測預警系統，包括:污水系統1、保安過濾器2、活性污泥系統3、污水注入泵4-1、污泥注入泵4-2、序批式反應器5、攪拌裝置5-1、曝氣器5-2、曝氣機5-3、溶解氧電極6和PLC系統7，所述污水系統I的出口和保安過濾器2的入口相連通，保安過濾器2的出口和污水注入泵4-1的入口相連通，污水注入泵4-1的出口和序批式反應器5內相連通，所述活性污泥系統3的出口和污泥注入泵4-2的入口相連通，污泥注入泵4-2的出口和序批式反應器5內相連通，溶解氧電極6的下端設置在序批式反應器5內的上部，溶解氧電極6的數據輸出端與PLC系統7的數據輸入端相連接，所述攪拌裝置5-1設置在序批式反應器5內的底部，曝氣器5-2設置在序批式反應器5內下部的一側,曝氣器5-2和序批式反應器5外部的曝氣機5-3的氣體輸出端相連通。
[0029]如圖2所示，所述序批式反應器5為三個，所述三個序批式反應器5并聯連接。
[0030]所述序批式反應器5為圓柱形有機玻璃的密閉反應器。
[0031]實施例1
[0032]如圖3所示，基于序批式生物毒性監測預警系統的監測方法，步驟如下:
[0033]步驟一:注入混合階段，通過污水注入泵4-1將經過保安過濾器2過濾后的污水注入序批式反應器5中，通過污泥注入泵4-2將活性污泥注入序批式反應器5中，污水的體積流量比Q1: 02為1:1?4: 1，注入時間控制為30s，活性污泥采用濃縮后的污泥，污泥濃度MLSS控制8000?10000mg/L，使得污水與污泥混合后的濃度保持在2000-4000mg/L，便于后續的充分接觸和反應。
[0034]步驟二:接觸攪拌階段，啟動序批式反應器5內的攪拌裝置5-1，使得活性污泥和污水能夠充分混合，補充投加后續反應所需的碳源如甲醇，碳源的最大投加濃度為20mg/L。由于微生物中毒不僅與毒性物質和濃度有關，還與接觸時間相關，根據試驗接觸時間數據，取攪拌接觸時間控制18min，使污水中潛在的毒性物質與污泥中的微生物充分反應中毒。
[0035]步驟三:曝氣充氧階段，停止攪拌裝置5-1，打開曝氣機5-3，通過曝氣器5-2為序批式反應器5供給反應的溶解氧(DO)，曝氣充氧時間宜控制為30s，一般通過曝氣后，反應器中混合液溶解氧(DO)濃度達到飽和溶解氧濃度。
[0036]步驟四:反應監測階段，停止曝氣機5-3，打開攪拌裝置5-1，使活性污泥微生物與溶解氧DO充分接觸，序批式反應器5為密閉的系統，微生物利用混合液中的溶解氧(DO)進行呼吸作用，開始消耗溶解氧(D0)，隨著反應時間的延長，反應器內的溶解氧(DO)濃度逐步降低，設置在反應器中的溶解氧電極6，每隔30s監測溶解氧值并進行采集，一般反應時間為lOmin，采集數據20組，PLC裝置將根據采集的DO數據，自動完成耗氧速率(OUR)的計算，完成本批次的耗氧速率(OUR)值，并自動計算出數據的相關度R2，判斷數據的置信度。
[0037]步驟五:排空清洗階段，完成以上階段的反應后，序批式反應器5將排空反應器內的混合液，并利用清水進行清洗，避免上批次潛在的毒性物質對下一批次監測產生影響，排空和清洗時間為Imin。
[0038]經過以上五個步驟，完成了序批式反應器一個批次的監測預警，本發明一個序批式反應器每批次總時間30min。PLC裝置采集每個批次的DO數據，每批次取DO值2_6mg/L范圍內的數據約10組，繪制成斜率曲線，計算出斜率即為本批次的OUR值，并計算出數據的相關度R2，根據R2值校核OUR值的準確度，一般R2 > 0.98時，則說明OUR值較準確。
[0039]根據以上方法，可通過OUR值的較小率判斷污水中的毒性物質，在PLC程序中自動獲取一個基準OURtl,假定為未有任何毒性物質的耗氧速率，第i個批次監測計算出OURi, OUR變化率用n表示，則n = (OUR1-OURtl)/OURtl，通過變化率n來判斷污水對活性污泥的毒性。方法如下:
[0040](I)理論上，當η i < O時，表明基準活性污泥受到毒性物質的抑制，n i值負越大，則污水中的毒性越強；實際運行中，一般Hi < -10%時，系統開始報警。[0041](2)理論上，當Jli時，表明污水中無生物毒性物質，實際運行中，一般Hi< ±10%時，系統裝置不報警。
[0042](3)理論上，當Jli > 0時，表明基準OURtl值一定程度受到毒性物質影響，表明活性污泥系統從受抑制中的恢復程度，實際運行中，一般Hi > 10%時，系統提示活性污泥系統正在恢復信息。
[0043]人工配制含毒性物質(Zn2+)污水，配制不同的反應濃度(0、10、20、40、60mg/L)，活性污泥取自無錫某城市污水處理廠活性污泥。按照以上實施步驟分別進行序批式反應器的監測試驗。通過監測的溶解氧數據選擇10組，分別計算得到每個批次的OUR值和R2，并得不同濃度Zn2+對活性污泥的毒性程度Hi,具體見下表1。從表中看出，不同Zn2+濃度對活性污泥有明顯的毒性作用，隨著濃度的增加，其毒性越大。
[0044]表1不同Zn2+濃度對活性污泥的毒性影響
[0045]
【權利要求】
1.一種基于序批式生物毒性監測預警系統，包括:污水系統(I)、保安過濾器(2)、活性污泥系統(3)、污水注入泵(4-1)、污泥注入泵(4-2)、序批式反應器(5)、攪拌裝置(5-1)、曝氣器(5-2)、曝氣機(5-3)、溶解氧電極(6)和PLC系統(7)，其特征在于，所述污水系統(I)的出口和保安過濾器(2)的入口相連通，保安過濾器(2)的出口和污水注入泵(4-1)的入口相連通，污水注入泵(4-1)的出口和序批式反應器(5)內相連通，所述活性污泥系統(3)的出口和污泥注入泵(4-2)的入口相連通，污泥注入泵(4-2)的出口和序批式反應器(5)內相連通，溶解氧電極(6)的下端設置在序批式反應器(5)內的上部，溶解氧電極(6)的數據輸出端與PLC系統(7)的數據輸入端相連接，所述攪拌裝置(5-1)設置在序批式反應器(5)內的底部，曝氣器(5-2)設置在序批式反應器(5)內下部的一側，曝氣器(5-2)和序批式反應器5外部的曝氣機(5-3)的氣體輸出端相連通。
2.根據權利要求1所述的基于序批式生物毒性監測預警系統，其特征在于，所述序批式反應器(5)為三個，所述三個序批式反應器(5)并聯連接。
3.根據權利要求2所述的基于序批式生物毒性監測預警系統，其特征在于，所述序批式反應器(5)為圓柱形有機玻璃的密閉反應器。
4.一種權利要求1、2或3所述的基于序批式生物毒性監測預警系統的監測方法，其特征在于， 步驟一:注入混合階段，通過污水注入泵將經過保安過濾器過濾后的污水注入序批式反應器中，通過污泥注入泵將活性污泥注入序批式反應器中，污水的體積流量比Q1: Q2為1:1~4: 1，注入時間控制為30s，活性污泥采用濃縮后的污泥，污泥濃度MLSS控制8000~10000mg/L，使得污水與污泥混合后的濃度保持在2000_4000mg/L，便于后續的充分接觸和反應； 步驟二:接觸攪拌階段，啟動序批式反應器內的攪拌裝置，使得活性污泥和污水能夠充分混合，補充投加后續反應所需的碳源如甲醇，碳源的最大投加濃度為20mg/L ;攪拌接觸時間控制在18min，使污水中潛在的毒性物質與污泥中的微生物充分反應中毒； 步驟三:曝氣充氧階段，停止攪拌裝置，打開曝氣機，通過曝氣器為序批式反應器供給反應的溶解氧，曝氣充氧時間控制為30s，通過曝氣后，反應器中混合液溶解氧濃度達到飽和溶解氧濃度； 步驟四:反應監測階段，停止曝氣機，打開攪拌裝置，使活性污泥微生物與溶解氧充分接觸，序批式反應器為密閉的系統，微生物利用混合液中的溶解氧進行呼吸作用，開始消耗溶解氧，隨著反應時間的延長，反應器內的溶解氧濃度逐步降低，設置在反應器中的溶解氧電極，每隔30s監測溶解氧值并進行采集，反應時間為lOmin，采集數據20組，PLC裝置根據采集的DO數據，自動完成耗氧速率的計算，完成本批次的耗氧速率值，并自動計算出數據的相關度R2，判斷數據的置信度； 步驟五:排空清洗階段，完成以上階段的反應后，序批式反應器將排空反應器內的混合液，并利用清水進行清洗，避免上批次潛在的毒性物質對下一批次監測產生影響，排空和清洗時間為Imin。
5.根據權利要求4所述的監測方法，其特征在于，所述步驟一中，污水的體積流量比Q1: Q2 取 2: I。
6.根據權利要求4所述的監測方法，其特征在于，所述步驟一中，污水與污泥混合后的濃度保持在2000mg/L。·
【文檔編號】G01N27/00GK103592334SQ201310340605
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2013年8月7日
【發明者】陳亞松, 呂席卷, 楊廣文 申請人:陳亞松