基于SBR工艺的活性污泥呼吸速率在线软测量的研究.pdf

4 结论 进行 TVOC 样品测定时的各个环节都会对检测 结果产生影响。采样体积应以实际流量确定采样时 间使采样体积达到 10 L 。在封闭前应对现场进行充 分的通风换气, 时间最好在 1 d 以上 。由于热解吸率 随解吸时间延长而下降, 热解吸时间控制在 3 min 以 内比较合适 。将初始柱温提高 , 不设停留时间 ,可大 大缩短分析时间 ,而对测定结果影响甚微。 参考文献 1 民用建筑工程室内环境污染控制规范 GB50325 -2001 . 北京 中 国计划出版社,2002. 2 王喜元主编. 民用建筑工程室内环境污染控制规范辅导教材. 北 京 中国计划出版社,2002. 3 张福贵, 周岩枫,张竹艳. 气相色谱法测定作业面所中的苯、甲苯、 二甲苯. 化学与粘合,2002. 4 192～ 193. 4 黄薇, 肖上甲. 居室空中对二氯苯的污染与测定方法. 现代预防医 学, 2003. 2 573～ 575. 5 吕仕军, 农军. 毛细管气相色谱法测定胶粘剂中苯、甲苯和二甲苯. 标准计量与质量,2003. 1 45～ 45. 作者通讯处 郭雅男 100073 北京丰台区六里桥 7 号院5 号楼 北 京元方圆建筑工程检测所 2004- 08-03 收稿 基于 SBR工艺的活性污泥呼吸速率 在线软测量的研究 ＊ 陈健波 施东文 奚旦立 东华大学环境科学与工程学院, 上海 200051 李龙海 忻培强 江苏大学生物与环境工程学院, 镇江 212013 摘要 呼吸速率是表征活性污泥处理过程的主要变量, 它直接反映了好氧生物处理过程中生物的活性和有机物的降 解速率。本研究通过对呼吸速率测定原理的探讨, 提出了基于 SBR 工艺的呼吸速率在线软测量模型, 并通过实验室 搭建的控制平台实现了微生物呼吸速率的在线测量。 关键词 呼吸速率 活性污泥 软测量 数据拟合 simulink ＊江苏大学校长基金资助项目 1 引言 微生物的呼吸速率 OUR Oxygen Uptake Rate 是 指单位时间单位体积混合液中微生物的耗氧速率或 氧利用速率 。呼吸速率受多种因素 如底物浓度、毒 物、 负荷、氧气浓度 、絮体颗粒大小 、 污泥浓度、温度、 pH 值等 影响 [ 1～ 4] ,它直接与微生物的生长和底物的 去除相关联。因此微生物呼吸速率相对其他测量变 量更能反映出微生物对底物的降解过程和降解活性。 一般的呼吸速率测量仪器的测量条件比较高 ,过 程繁琐,很难做到在线数据采集。而对于一个实际的 活性污泥处理的过程控制 ,需要OUR值是连续的 、 准 确的 、 稳定的、 在线的 ,只有这样的呼吸仪对实际的过 程控制才有实用价值 。 2 软测量和呼吸速率模型 2. 1 软测量 软测量的核心是表征辅助变量和主导变量之间 的数学关系的软测量模型, 因此, 软测量的本质就是 如何建立软测量模型 ,也就是一个数学建模问题。通 过构建软测量模型, 可以监测反应过程更确切的反应 状态 ,获得反应物成分更深层次的内容。 软测量过程见图 1。 图 1 软测量示意图 2. 2 呼吸速率模型的提出 在最一般的情况下, 对于微生物的好氧反应, 反 应器中溶解氧浓度的变化速率可以用下式表示 62 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 d VLCO dt QinCO,in-QoutCO VLKLa CS-CO-VLrO 1 式中 CO 液相的溶解氧浓度 mg L ; CS 液相的饱和溶解氧浓度 mg L ; CO,in 通过液相进入系统的溶解氧浓度 mg L ; KLa 氧传递系数 min -1 ; Qin 进入系统的液体流量 L min ; Qout 出系统的液体流量 L min ; ro 液体中微生物的呼吸速率 mg L min; VL 液相体积 L 。 如果对于在反应过程中没有进水出水的 SBR 反 应池来说 ,QinQout 0,则方程变为如下形式 dC O dt KLa CS-CO-ro KLa CS-CO- OURexOURen 2 式中 OURex外源呼吸速率 mg Lmin; OURen内源呼吸速率 mg L min。 即 OUR KLa CS-C-dC dt 3 因此, 只要通过 KLa和 CS的准确表达, 就可以实 现对OUR的准确的、实时的软测量。由于活性污泥 混合液中, 氧气的转移受到水中的溶解性有机物、无 机物等的影响, 造成同一曝气设备在同样条件下清水 与污水中的氧转移速率不同和水中的饱和溶解氧浓 度不同。为此引入总转移系数和氧溶解度的修正系 数 α , β。故 3 变为 OUR α KLa βCS-C-dC dt 4 3 软测量技术的实现 3. 1 实验装置 针对呼吸速率软测量的软硬件要求 ,构筑了性能 可靠的水处理实验平台。 试验装置见图 2。 试验装置在硬件上采用工业控制计算机为现场 级控 制站, 研华 高速多 通道数据 采集板 卡 PCL- 812PG、 PCL-813B 和 PCL- 1800 作为数据采集和控制信 号传输的 I O 模块。软件上使用Matlab 的 simulink 工 具箱建立相应的数据采集和控制模型 。这种控制实 现方法的优点在于把计算和数据处理等工作交给了 图 2 试验装置示意图 1计算机; 2A D, D A 板卡; 3在线监测仪表; 4计量泵; 5空 压机 带流连控制仪 ; 6出水; 7pH 传感器; 8DO 传感器; 9 温度传感器; 10ORP 传感器; 11电导传感器; 12COD 在线监测 仪; 13滗水器; 14搅拌机。 计算机进行 ,合理地利用了计算机及其软件的强大的 计算能力。 3. 2 饱和溶解氧 β CS值的测量 由于在模型中, 对任何一个实时温度都要有一个 对应的饱和溶解氧值 ,选取参考文献[ 5] 中 ,典型温度 下的饱和溶解氧数值 ,将这些点拟合成多项式曲线, 用于对不同温度的饱和溶解氧的计算 。拟合过程使 用Origin6. 1, 采用 3 阶多项式拟合法, 拟合曲线方程 式 5 。 CS-5. 050 88 10 - 5 t 3 0. 006 56 t 2 -0. 380 72t 14. 558 88 5 对于废水的饱和溶解氧系数修正值 ,采用氧气活 度系数的方法确定 [ 5] 。氧气的活度系数 fo2可以采用 以下的公式 fo210 KSI 10 2. 5 10- 5KSECg 6 式中 KS 氧气的盐析系数,KS0. 132; I 离子强度; EC 电导率 ms cm ; g Kemp 比例因子,通常取 0. 67。 由于氧气的盐析现象的存在,氧气的溶解氧浓度 将随离子强度的增大而下降。因此需要在拟合的方 程的左边乘上一个多项式 1 10 2. 510- 5KSECg 。最终饱 和溶解氧的浓度可以由式 7 方程计算 βCS 1 10 2. 5 10- 5KS ECg -5. 050 88 10 - 5 t 3 0. 006 56t 2 -0. 380 72t 14. 558 88 7 63 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 3. 3 对 α KLa测量 氧传递的机理为双膜 气膜与液膜 理论。对于一 个给定的曝气设备,其充氧能力主要和曝气流量关联 。 在一定曝气流量和充氧效率下 ,其充氧能力可以近似 的认为是不变。氧的传递速率可用式 8 表示 [ 5] 。 dC dt α KLa βCS-C 8 式中 dC dt 氧传递速率 mg Ls; C 液体内氧的实际浓度 mg L; α KLα 总转移系数 h -1 ; βCS 液体中氧气的溶解度; β 相对于纯水的校正系数。 从而求得 α KLa2. 303 t -t0 lg βCS-CO βCS-Ct ln βC S-CO-ln βCS-Ct t -t0 9 式 9 可见,可以求出曲线 Y ln βCS-Ct 的斜 率即为 α KLa。 采用国内外都普遍使用的间歇非稳态法来测试 曝气设备的充氧性能 。即向池内注入实验废水后 ,将 待曝气的水以无水亚硫酸钠为脱氧剂, 氯化钴为催化 剂,脱氧至 0 后开始曝气。液体中的溶解氧的浓度 C 是时间t 的函数, 然后以亏氧量的对数为纵坐标, 求 得斜率即为 α KLa。α KLa除了和充气流量有关外,还和 温度、压强、反应器构造等因素有关。根据实验平台 的实际,选取曝气流量为主要考虑因素 。 对于曝气流量为 2、 4、6、 8 L min 的 KLa分别进行 实验 。最终得到在曝气量为 2、 4、 6、 8 L min 不同情况 下的 KLa值为 0. 003 5、 0. 004 84、 0. 006 92、 0. 010 78。 使用Origin ,对于曝气流量分别为 2、 4、 6 、 8 L min 的KLa进行拟合计算 ,拟合成 3 次多项式 。通过这种 方法求得该曝气设备的 KLa与曝气流量之间的关系 α KL α1. 547 7 10 - 5 P 3 -1. 169 5 10 - 4 P 2 0. 000 76 P 0. 001 33 10 式中 P 曝气流量 L min 3. 4 在线 OUR的实现 将呼吸速率的软测量的理论公式 ,在 Simulink 中 进行建模 ,用实时控制模型的方式表达出来。 对于溶解氧数据采集, 由于各种电机等电气干 扰,经常会有干扰性的波动以及少数错误值的出现。 因此需要溶解氧数据处理模块 , 剔除错误值 ,以及进 行适当数据平滑。可以取 20 s 的溶解氧值 , 利用 Polynomial fit 模块进行实时拟合, 以求得斜率。然后 通过建立实时计算模型, 得出 OUR 的实时软测量结 果 如图 3 。 图 3 呼吸速率在线软测量结果图 4 结论与讨论 通过对呼吸速率的研究 , 推导了基于 SBR 工艺 的呼吸速率软测量模型, 并在实验室平台上获得了在 线的OUR值 。 若要实现对普通活性污泥反应池中的 OUR 的软 测量,所建立的模型只需要满足方程 1 的物料平衡即 可。一般进水污水中的溶解氧都是处于极低的状态 , 这一项也可以认为等于 0。因此对普通活性污泥曝气 池中的呼吸速率软测量,相对 SBR反应池只需要增加 曝气池排放到二沉池的溶解氧检测和出水流量检测。 OUR结合其他的运行变量对于水处理工艺的优 化控制具有重要的意义 。因此呼吸速率软测量技术 有着良好的应用前景 。 参考文献 1 Ros, M. , Dular, M. and Farkas, P . A . Measurement of respiration of activated sludge . Wat. Res. , 1988. 22 1 405～ 1 411. 2 Vanrolleghem, P . A. , Kong , Z . and Coen, F. Full -scale on -line assessment of toxic wastewaters causing change in biodegradation model structure and parameters. Wat . Sci . Technol. , 1996. 33 2 162～ 175. 3 Kim, C.-W. , Kim, B. G . , Lee, T .-H. and Park,T .-J. Continuous and early detection of toxicity in industrial wastewater using an on -line respiration meter. Wat . Sci . Technol . ,1994. 30 3 11～ 19. 4 Longdong, J. and Wachtl, P . Six years of practical experience with the operation of on -line analysers. Wat. Sci. Technol. , 1996. 33 1 159～ 164. 5 何燧源等编著. 环境化学计算. 北京 中国环境科学出版社, 1996. 作者通讯处 陈健波 200051 上海市延安西路 1882 号 东华大学 环境科学与工程学院 2004- 05-19 收稿 64 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 INDOOR AIR BY CAPILLARY GAS CHROMATOGRAPHYGuo Yanan et al 60 Abstract The factors influencing the concentrationof total volatile organic compound TVOCinthe indoor air, whichwasmeasured by gas chromatography GC, were studied. By prolonging the sampling time, 10 L air could be taken according to the real measured flow. The sufficient convection between the indoor air and the outdoor air after longer time ventilation was beneficial to the diffusion of the harmful air from indoors to outdoors. And then when the room was closed, the concentration of TVOC in 1 hour could be accurately measured. The thermal desoprtion rate of the single component was affected by its molecule weight and polarity;and the thermal desoprtion rate decreased with desorption time. The measuring time could be shortened if the initial and final coulmn temperatures were changed from 50 to 70 ℃ and 250 to 230 ℃, respectively while the results remained unchanged. Keywords TVOC, gas chromatography, thermal adsorption and Tenax -TA tube STUDY OF ON -LINE SOFT MEASUREMENT OF RESPIRATORY RATE OF ACTIVATED SLUDGE BASED ON SBR Chen Jianbo et al 62 Abstract Respiratory rate is the main varibale in the process of activated sludge wastewater treatment. It directly reflects the activity of microorganism and degradation rate of organic matters during the process of aerobic biological treatment. Through studying the principles of measuring respriatory rate in activated sludge wastewater treatment, the soft measuring model of respriatory rate based on SBR is set up . In the end, the online value of microbial respiratory rate based on the experiment control plat is also obtained. Keywords respiratory rate, activated sludge, soft measuring, data fitting and simulink THE UATION OF SEWAGE TREATMENT BY AB FOR HEDONG SEWAGE TREATMENT FACTORY IN URUMQIHailiqimMaimaiti et al 65 Abstract The process of sewage treatment by AB in Hedong Sewage Treatment Factory in Urumqi and the characteristics of AB are recommended. The problems of operation are analyzed and a improving scheme for them is raised. Keywords sewage treatment, AB , aerobic and anaerobic EXPLORATION OF DETERMINATION OF PARTIAL HEAVY-METALS IN SOIL WITH DRY ASHING -ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETRYJia Haidong 67 Abstract The dry ash isused to treat the soil sampleswhenflame AAS is used to determine Cu, Zn, Pb etc in soil. The soil samples are heated up to 500 ℃ for digestion, and then extracted by acid. This has higher precision and accuracy, and is a fast one. Keywords soil, heavy metal, dry ashing digestion and atomic absorption spectrometry DEVELOPMENTOFIMMUNOASSAYFORSMALLMOLECULARENVIRONMENTAL POLLUTANTSYu Ruozhen et al 69 Abstract According to the present status of the immunoassay of small molecular environmental pollutants, it is introduced the principle, feature and the main steps of research and development of immunoassay. The assay ats, the design of hapten, synthesis of immunogen and preparation of antibody were presented. The new development and the application of the technology for environmental pollutants were reviewed. Keywords immunoassay , hapten and environmental pollutants THE EXPERIMENT STUDY ON EFFECT OF BUILDING STRUCTURE ON AIR POLLUTION Han Mingshan et al 73 Abstract This article has conducted the simulation research through the wind tunnel modeling test, studied the diffusion properties of air pollution under complicated environment, also discussed the effect of building structure s style change on the air pollution distribution, on the basis of that, analyzed the essential factorswhich influence the diffusion under the complicated environemnt, obtainedthe general rule of diffusion of air pollutants among complex construction structures. Keywords air pollution, atmosphere diffusion, building structure, wind tunnel and modeling test APPLICATION OF CONSTRUCTED RAPID INFILTRATION IN ACTUAL PROJECT Li Zhengyu et al 76 Abstract Combining project, this paper introduced the technology process and treatment effect of constructed rapid infiltration CRI system. The results indicated that except T -P CRI system had good treatment effect. When it treated domestic sewage, CODCrwas 5. 0 ～ 26. 0 mg L, SS was 1. 7～ 10. 0 mg L, NH3-N was 0. 30～ 2. 31 mg L. When it treated river sewage, CODCrwas8. 0～ 26. 0mg L, BOD5was 1. 0 ～ 6. 0 mg L, SS was 2. 0～ 6. 0 mg L, NH3-N was 0. 17～ 2. 54mg L. CRI system is worth popularizing as a new type of treating technology. Keywords constructed rapid infiltration, domestic sewage, river sewage and hydraulic loading 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 3, Jun. , 2005