专利名称：：废水处理中的混合液分析方法
技术领域：
：本发明涉及一种利用活性污泥模型分析废水处理过程的方法，特别是涉及一种在利用需氧性微生物分解废液成分过程中的混合液分析方法。
背景技术：
：在利用需氧性微生物的废水处理中，用曝气装置将含有活性污泥和废液的混合液进行曝气时，混合液中的溶解氧浓度DO的变化用下述式表示o=KLa(DOsat-DO)-(ASact+BODact)(1)式dt在此，DOsat是饱和溶解氧浓度[mg/lj,DO是曝气槽内溶解氧浓度[mg/1，KLa是将混合液的饱和溶解氧浓度与该时刻的该混合液的溶解氧浓度之差设定为推进力时的总物质移动系数[l/minl、ASact是活性污泥在呼吸中所使用的氧消耗速度[mg/l/minl，BODact是活性污泥在BOD成分的分解中所使用的氧消耗速度[mg/l/min。(l)式右边第1项是来自曝气装置的氧供给速度，第2项是活性污泥在呼吸及BOD的分解中所使用的氧消耗速度。由于(l)式的BODact变化，故不能简单地积分，但由于ASact是由微生物的呼吸产生的氧消耗速度，故在进行测定的时间的范围、DO>0.5mg/l的范围内假设其大致恒定，因此，在BODact—0的状态，则(2)式成立，可以积分。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(2)式将该混合液用该曝气装置进行充分长时间地曝气，使混合液的BODN0mg/1，用符号DOhf表示溶解氧浓度大致恒定时的值时，(2)式可以积分，用(3)式表示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)式其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>由(3)式引起的DO变化结果如图1的A所示的曲线。现在，预先进行充分曝气，使混合液中的BOD—0mg/1,使用已测定了KLa和DOhf的混合液，用图1的实线B表示在DO的初始值DOo的状态下添加被测定废液进行曝气时的DO变化曲线。通过添加被测定废液，在混合液中存在BOD成分，通过改变作为主要分解对象的BOD成分，BODact的值与曝气经过时间t同时从大的值向小的值变化。如果最终没有可以分解的BOD成分，则BODact几乎为0。因此，(1)式不能如(3)式那样简单地积分，DO的变化为如图l的B所示的曲线。即，分解中，DO以氧供给速度和ASact+BODact的氧消耗速度平衡的低水平的DO进行推移，当分解结束时，DO上升至DOhf成为恒定值。而且，申请人公开有对混合液中含有多种BOD成分时的溶解氧变化曲线的分析方法(参照专利文献1)。参照图2,将其概要进行说明。将添加了被测定废液时的溶解氧浓度变化曲线划分成区段状，现在，当将区段2的起始的溶解氧浓度设定为DOl，将t设定为该区段的起始时间时，通过<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(4)式计算的假定溶解氧浓度变化曲线Al为将从该区段的^开始至BOD几乎为0mg/1的混合液进行了曝气时的溶解氧浓度变化。另外，通过<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(5)式计算的假定溶解氧浓度变化曲线A2为将在该区段内可以分解的BOD变为0mg/1的混合液进行了曝气时的溶解氧浓度变化。因此，在图2中，在由该区段内的溶解氧浓度变化曲线、假定溶解氧浓度变化曲线Al和假定溶解氧浓度变化曲线A2围成的面积S2乘以KLa的值，为该区段中的微生物在BOD成分的分解中使用的氧消耗量、即BOD值。该关系对图2的n-l4成立。在长时间的曝气过程中，由于BODact变化，故(l)式不能简单地积分，但在划分成的各区段内，由于引起对应于每种物质的不同的酶或微生物分解，故在该范围内BODact可以看做是恒定的。当用BODactn表示该值时，(l)式容易得到解DO=highDOn-(highDOn_DOnl)exp(-KLa(t-tnl))(6)式其中，highDOn=DOsat-(ASact+BODactn)/KLa在此，DO是第n区段的溶解氧浓度，DOn—,是该区段的起始的DO值，t是曝气经过时间，tn是该区段的起始时间。另外，highDOn是在该区段内由曝气产生的氧供给速度和微生物呼吸及BOD成分的分解使用的氧消耗速度平衡的DO值。在图2中，highDOn是在区段1中曲线变得平坦的highD(^值，在区段3中，由于在完全变得平坦之前开始下面的分解，故可以从区段内的曲线的形状外插，假设设定highD03，将用(6)式计算的结果与该区段内的测定值比较，使highD03反复变化进行计算，可以求出可以与区段内的测定值最近似的值作为highD03。由于该highDOn和在将BOD=Omg/1的混合液进行了曝气时的最终平衡的DOhf之差为DOhf-highDOn=BODactn/KLa因此，用BODactn=KLax(DObf-highDOn)(7)式表示的BODactn为将第n区段的BOD成分进行分解时的氧的消耗速度。一般来讲，由于废液中含有多种成分，因此每种成分分别进行上述分解反应。图2是含有3种成分的废液的分解例。例如，该废液含有容易分解的X成分、具有中等程度的分解性的Y成分和分解速度慢的Z成分时，区段1是分解X成分的过程，区段2是分解Y成分的过程，区段3是分解Z成分的过程。在专利文献l中，公开有如上所述利用多个区段划分的方法。在将活性污泥曝气并使混合液的BOD几乎为Omg/1的活性污泥混合液中，添加被测定废液，在将得到的溶解氧浓度变化曲线进行分析的现有分析法中，对活性污泥的处理状况的推定不充分。与此相对，在利用本发明的分析方法中，可以对各种情况的活性污泥进行分析。例如在重新制作处理装置时，该情况大大地提高装置设计的效率。另外，即使用已有装置进行废水处理时，也可以简单地推定现有的废水可以处理至何种程度的负荷、在处理新的废水时用现有的装置是否可以进行处理、可以处理至何种程度等。图l是说明本方法的原理的图。图2是说明现有方法的BOD分解速度的求解方法的图。图3是说明本发明的BOD分解速度的求解方法的图。图4是说明标准活性污泥法的图。图5是说明分析标准活性污泥法的方法的图。图6是说明分段曝气法的图。图7是说明分析分段曝气法的方法的图。图8是表示溶解氧浓度变化的实测数据和分解速度的关系的图。图9是模式性表示本发明的计算结果的图。具体实施例方式下面，对本发明的实施方式，参照图3~9更详细地进行说明。需要说明的是，本发明的范围是专利权利要求书记栽的范围，但并不限定于下面的实施方式。(第一实施方式)图3表示初始值DO。在DOhf的条件下添加了被测定溶液时的DO变化曲线的图。将该DO变化曲线以曝气时间的经过顺序划分成为1~x个区段。在将第n区段的最前面的溶解氧浓度用DO^表示、将起始时间用tn表示、将结束时间用"表示时，以highDOn为各区段的常数，将t^〈t刍tn中的DO的变化曲线用DO=highDOn-(highDOn-DO^)exp(-KLa(t-t(IO)式进行近似计算。另外，将第n区段中的氧消耗量BOD设定为BODn。需要说明的是，(10)式与上述的(6)式相同。至此，与专利文献l所述的方法相同，但在本发明中，对构成被测定废液的BOD的每种BOD成分，进一步计算分解时的氧消耗速度和BOD量。将具体的计算例示于下面。对最后的第x区段而言，根据与最后残留的BOD成分的分解相对应的DO变化曲线，根据第x区段的近似曲线<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(11)式，该区段的一种BOD成分分解时的氧消耗速度kx为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(12)式，如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(13)式成立，则存在<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(14)式的关系。在此，BODx是第x区段的BOD浓度。接着，由于第x-1区段应是与第x区段的BOD成分的分解和另一种BOD成分的分解之和相对应的DO变化曲线，因此，根据第x-1区段的近似曲线<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(15)式，另一种BOD成分分解时的氧消耗速度kx为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(16)式，如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(17)式成立，则该区段的BOD^存在<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(18)式的关系。当如上所述依次计算下去时，最初的区段是与全部的BOD成分的分解相对应的DO变化曲线，因此，根据该区段的近似曲线<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(19)式，最后一种BOD成分分解时的氧消耗速度、为ki-KLa'(highD02-highDOi)(20)式，如果At产t!(21)式成立，则该区段的BODi存在BODi=(ka+k2+...++kx).Ati(22)式的关系。如上所述，可以计算对应于全部区段的ki,算出BODj。如果将其用通式表达时，则为kj=Kla*(highDOi+1-highDO;)(23)式，△ti=t「tH(24)式，BODj=2kj'Ati(25)式。作为氧消耗速度kj的BOD成分的BOD浓度pBODj，根据各区段的BOD浓度ki，Ati的累计，结果为pBODj-kj'ti(26)式。图9是模式地表示该关系的图。通过使用如上所述求出的分解速度数据，可以通过计算求出活性污泥在各种处理条件下的BOD。在计算时，由于假定"由分解产生的氧消耗速度kj不依赖于浓度而为恒定值"，因此，当将从计算起始位置至计算目的位置的经过时间设定为t时，第i成分的分解量用k"表示。因此，如果用outBODi表示计算目的位置的残留BOD，则outBODi=inBODi-k,t(26)式。如果曝气槽内的流动是完全的活塞流动，则全部量的滞留时间为t，实际的曝气槽内的流动因混合等，滞留时间具有分布性。此时，计算曝气槽的混合特性，求出滞留时间分布，对每一成分基于滞留时间分布求出分解量。进一步由其与计算起始位置处的BODj之差求出各成分的残留BODi，通过对全部成分的数据进行累计，可以求出残留BOD。作为代表性的活性污泥处理方式，将标准活性污泥法中的BOD的计算方法具体例示于下面。图4是模式地表示标准活性污泥的图。曝气槽一般为沿下游方向长的长方形形状，原水投入到曝气槽的前端。在曝气槽出口的后段有沉淀槽，分离成污泥和上清液，污泥作为回流污泥返回到曝气槽的最前面。对每一BOD成分进行计算。当将原水的BOD由x个BOD成分构成的第i成分的BOD浓度表示为inBODj、将由分解产生的氧消耗速度表示为ki时，由于在曝气槽最前面由原水产生的BOD和由回流污泥产生的BOD增加，因此，对曝气槽最前面的第i成分的BOD浓度pBODi而言，在用F表示原水处理量、用inBODi表示原水中的BOD浓度、用RS表示回流污泥量、用outBODj表示曝气槽出口的第i成分的BOD浓度、用clBODi表示沉淀槽内的变化浓度时，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式，但由于在沉淀槽内不进行曝气，故如果沉淀槽内的变化量clBODi^0,贝'j<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(28)式。如图5所示，将曝气槽作为N个容积V的完全混合槽串联连接而成的曝气槽的混合特性进行模型化时，对滞留时间分布函数f(t)而言，在以曝气槽容积为NV、以流量为q、以从曝气槽最前面至出口的滞留时间为t、以平均滞留时间为T=NV/q、用e-t/T表示无因次滞留时间时，f(t)用(29)式表示。由于f(t)表示至曝气槽出口的滞留时间为t的混合液的比例，故混合液量(F+RS).f(t)的第i成分的分解浓度为kjXt，即使kiXt全部分解，最大也为pBODj，因此，作为tv-pBODAi，用下式表示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式求出满足(28)式和(30)式的outBODi,如果对outBODjX)的总成分进行累计，则outBOD=SoutBODi(31)式。这样求出的outBOD是曝气槽出口处的BOD值。(第二实施方式)下面，对采用分段曝气法方式时的BOD计算方法实例进行说明。图6是模式地表示分段曝气法方式的活性污泥的图。与标准活性污泥处理法的大的差异是，原水的流入位置在下游方向有多个。将曝气槽作为N个容积V的完全混合槽串联连接而成的曝气槽的混合特性进行模型化，与标准活性污泥处理法相同，但分段膝气法的情况如同一图所示，对1个完全混合槽中分配1处原水流入位置时在计算上方便。为了方便，邻接并流入的原水集中于1处。对每一完全混合槽进行计算。如图7所示，在串联连接的完全混合槽中依次从1至N进行编号，将Fj设定为流入第j完全混合槽的原水量。不流入原水时设定为F尸0。当用inBODjj表示流入第j完全混合槽的第i的BOD成分的BOD浓度、用outBODij表示从第j完全混合槽流出的笫i的BOD成分的BOD浓度时，回流污泥返回的第1完全混合槽的物料收支为pBODi,=(F,"nBODi+RS'outBODin)/(F,+RS)(33)式，设t,pBODu/ki，贝'JoutBODii=pBODi1-/ki't'f(t)dt—/pBODirf(t)dt第2以后的第j完全混合槽的物料收支为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(36)式其中，t是从第j完全混合槽出来的经过时间，f(t)是N4的滞留时间分布函数。另外，i:F是总原水量，是Fj的j-lN的总和。对进入第2以后的原水不流入的完全混合槽中的BOD浓度而言，由于是1个前面的完全混合槽的出口的BOD浓度，可以汇总不流入原水的连续z个完全混合槽而进行计算。例如，如果从第j开始连续z个，则第j第j+z-1的完全混合槽的物料收支为pBODi,outBODij"因此，设t^pBODij/kj，可以计算为其中，t是从第j+z-1的完全混合槽出来的经过时间，f(t)是N=z的滞留时间分布函数。求出满足这些式子的outBODiN,如果对outBODiN>0的总成分进行累计，则outBOD=ZoutBODiN(38)式，在分段曝气法的情况，由于在没有完全分解最初流入的原水时流入下面的原水，在专利文献1公开的方法中，并列计算最初的原水的A成分、B成分及C成分和之后的原水的A成分的分解，A成分以分解速度为外观上2倍的速度进行分解。如上所述，重复成分以外观上重复数倍的速度分解，成为仅将原水分段流入而增加分解量的计算，明显地与实测值相差悬殊。为了避免这种情况，相同成分存在时，不改变分解速度地增加成分量，没有相同成分时，通常相对于全部的滞留时间的分布，只要施行进行计算的处理即可。但是，当成分数多、完全混合槽数增加、原水流入位置为多个时，即使具有计算机，该计算也很复杂，且作业量非常大。而且，当A成分的分解和B成分的分解同时进行时，不能保证各自的实际分解速度与计算使用的分解速度相同。如上所述，在专利文献1公开的计算方法中，分段曝气法的活。utBODij+H=pBODij-i-/ki个f(t)dt-/pBODij'f(t)dt性污泥处理存在应用困难之类的问题。另一方面，在利用本发明的计算法中，由于对每个成分求出因分解产生的氧消耗速度且使用该值，因此，即使在曝气槽的中途多次流入原水，也可以只应对追加成分量、改变成分浓度即可。当然，不能应对当成分浓度变化时由分解产生的氧消耗速度变化的BOD成分的情况，最初，由于以由分解产生的氧消耗速度不依赖于浓度为前提，故这种情况需要用其它模型进行分析。通常情况下，在分析活性污泥的运转状况的数mg/1~数100mg/l的范围内，即使进行本发明那样的处理，多数情况下也可以充分反映实测值，本发明的分析方法是有效的。由于沉淀槽中的变化量clBODi不进行曝气，故分解量少而忽视，但在曝气槽出口处的混合液中大量存在硝酸离子时，在沉淀槽中溶解氧为0mg/1，由于由脱氮菌引起的脱氮反应消耗BOD成分，因此，clBODi不能忽视。在这种情况下，必须用其它方法求出脱氮反应速度，使clBODi量有效。实施例图8是在初始值DOo=DOhf的条件下添加被测定废液进行曝气时的溶解氧浓度变化的实例。同一图中，o是溶解氧的数据，每30秒收集1次数据。将该数据以DOhf=7.24[mg/l、KLa-0.312[l/min划分为4区段，用连接D00和highDO!、DO，和highD02、D02和highD03、D03和highDO4的曲线表示用(10)式进行近似计算的曲线。而且，将由(23)式(25)式求出的各BOD成分的氧消耗速度、该BOD浓度及其相对于总体BOD的比例示于表1。作为参考将用专利文献1公开的方法分析的各BOD成分的氧消耗速度、该BOD浓度及其相对于总体BOD的比例示于表2。<table>complextableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>权利要求1.混合液分析方法，是利用需氧性微生物的废水处理中的混合液分析方法，其特征在于，对曝气后的混合液，基于因多种BOD成分的氧消耗速度不同而形成的溶解氧浓度变化曲线的阶梯状变化，将废水处理过程划分成x个区段，将各区段中的溶解氧浓度变化利用下式进行近似计算，DO＝highDOi-(highDOi-DOi-1)exp(-KLa·(t-ti-1))(i＝1～x)并且，将各区段的氧消耗速度看做该区段中所含的各BOD成分的氧消耗速度ki(i＝1～x)的线型结合，通过对ki求解，求出各BOD成分的氧消耗速度ki，同时，利用pBODi＝ki·ti的关系，求出作为各BOD成分的BOD浓度的pBODi。2.权利要求1所述的混合液分析方法，其特征在于，最初，对于仅含有单一BOD成分的最后的区段(区段X)，使用上述溶解氧浓度变化曲线近似式及Atx=tx-tx—"BODx=kxAtx，求出氧消耗速度kx=KLa*(DOhf-highDOx)，然后，对于含有两种BOD成分的倒数第2区段(区段X-1)，利用kxl=KLa.(DOhf-highDOxl)-kx=KLa'(highDOx-highDO^)，求出km依次进行该演算直至最初的区段，由此，以ki=KLa'(highDOi+1-highDOi)求出各BOD成分的氧消耗速度kj，进而，使用pBODi=ki.tj的关系，求出各BOD成分的BOD浓度。3.混合液分析方法，其特征在于，使用根据权利要求1或2得到的各BOD成分的氧消耗量pBODx及氧消耗速度ki，将滞留时间分布函数为f(t)及<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>，利用下式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>求出曝气槽的任意位置处的混合液的BOD，再以对outBODi>0的总成分累计的值OutBODi)，推定该位置处的混合液的BOD值。全文摘要本发明提供一种对利用需氧性微生物分解废液成分过程中的氧消耗量及氧消耗速度进行分析的技术。最初，对于仅含有单一BOD成分的最后的区段(区段X)，使用所述溶解氧浓度变化曲线近似式及Δt<sub>x</sub>＝t<sub>x</sub>-t<sub>x-1</sub>、BOD<sub>x</sub>＝k<sub>x</sub>·Δt<sub>x</sub>，求出氧消耗速度k<sub>x</sub>＝KLa·(DOhf-highDO<sub>x</sub>)，然后，对于含有两种BOD成分的倒数第2区段(区段X-1)，利用k<sub>x-1</sub>＝KLa·(DOhf-highDO<sub>x-1</sub>)-k<sub>x</sub>＝KLa·(highDO<sub>x</sub>-highDO<sub>x-1</sub>)求出k<sub>x-1</sub>，依次进行该演算直至最初的区段，由此，利用k<sub>i</sub>＝KLa·(highDO<sub>i+1</sub>-highDO<sub>i</sub>)的关系，求出各BOD成分的氧消耗速度k<sub>i</sub>，同时，以pBOD<sub>i</sub>＝k<sub>i</sub>·t<sub>x</sub>求出作为各BOD成分的BOD浓度的pBOD<sub>i</sub>。文档编号G01N33/18GK101189513SQ20068000652公开日2008年5月28日申请日期2006年6月16日优先权日2006年6月16日发明者小川尊夫申请人:株式会社小川环境研究所