基于序批式生物毒性监测预警系统及监测方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于序批式生物毒性监测预警系统及监测方法。预警系统包括污水系统、保安过滤器、活性污泥系统、污水注入泵、污泥注入泵、序批式反应器、溶解氧电极和PLC系统，监测方法包括注入混合、接触搅拌、曝气充氧、反应监测、排空清洗共五个阶段。本发明的预警系统采用序批式反应器的原理，其反应、混合效果最佳，装置完全密闭状态，抗干扰能力强。因此，其反应更加高效、结果更准确。通过序批式反应的方法，实现了在同一个反应器、利用同一个溶解氧电极，完成活性污泥呼吸速率的测定和计算，相比连续运行的反应器更为高效、准确，避免了常规利用连续运行中使用多个溶解氧电极监测的系统误差，可广泛应用于污水毒性的在线监测预警。
【专利说明】基于序批式生物毒性监测预警系统及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于序批式生物毒性监测预警系统及监测方法，属于生物毒性监测预警系统及监测方法【技术领域】。
【背景技术】
[0002]活性污泥法是城市污水处理领域中的主要工艺。大多数城市污水由生活污水和工业污水混合组成，其中工业污水成分复杂，其中往往含有有毒有机物、重金属等对活性污泥微生物的毒害物质，造成生物处理过程不稳定甚至是处理系统的瘫痪。近年来，工业污水对城市污水厂造成严重冲击的报道屡见不鲜，如昆山北区污水厂在节假日期间，进水铜离子多次造成系统的长时间的瘫痪；惠州市仲恺高新区污水处理厂、浙江富阳市新登污水处理厂、东莞清溪长山头污水处理厂、陕西省咸阳市东郊污水处理厂等均受到重金属、pH、氰化物等有毒物质的间歇式冲击，均不同程度地造成了系统的瘫痪，直接影响出水不达标、大幅增加运行和补救成本。因此，污水中毒性物质的在线监测和预警的开发有着重要的意义，可以第一时间反馈并采取应急措施，避免瞬时的毒性污水对污水处理厂的冲击和影响，保证污水处理厂的稳定运行。
[0003]目前，城市污水厂进水在线监测主要包括一些常规水质指标，用于判断污水的水质特征，如水温、pH值、电导率、COD、BOD、氨氮、总磷、总氮、悬浮物等。尽管如此，由于污水成分的复杂性、毒性物质的隐蔽性，这些表观指标并不能直接反映出污水的毒性和异常。为此，国内外以指示生物、特种细菌、电流等间接指标开展了生物毒性预警研究，如Schahe等利用在线生物监测预警系统，分析了鱼类作为水质实时监测指示生物所涉及的参数等数据；Yoshi等研究了基于细胞膜生物传感器的环境监测系统，并用于工业污水处理过程中的实时监测；Chang等基于电流分析法研制出了微生物燃料电池传感器，通过电池转移电荷反映污染物负荷；Kurn等对多种藻类开展重金属毒性试验，并获得了不同藻类对污水毒性的值域。马梅等利用新型淡水发光菌(Q67)测定了重金属离子，研究结果表明Q67淡水发光菌作为水生生物毒性检验具有快速简便灵敏度高的特点。
[0004]从以上国内外研究进展来看，基于传感电流、微生物燃料电池为基础原理的毒性预警方法，其方法仍处于理论探索阶段，理论上与实际应用仍存在着较大差距。而基于生物预警的方法，大多利用发光细菌、藻类、鱼类、微型动物等的反馈来判断毒性，其中以发光细菌的研究和应用较为广泛，但发光细菌无法实现在线培养和在线监测，而且这类监测方法都是利用活性污泥外源的指示生物，没有考虑到活性污泥自身的驯化和适应能力，其测试结果不能真实反映活性污泥中微生物的受抑制情况。
[0005]耗氧速率(OUR)是好氧型活性污泥微生物利用有机物时的氧消耗速率，是表征活性污泥微生物活性的理论指标，活性污泥OUR的变化情况一定程度反应了微生物的毒性和抑制性程度。基于活性污泥OUR原理，通过活性污泥与毒性物质反应、其OUR值发生变化的原理，成为生物毒性监测预警的方法之一。目前，基于此原理开发的生物预警监测方法和装置较少，其采取的工艺方法都是采用连续流的工艺(如CN102495103A)，一般都是通过多个电极监测溶解氧指标。但这种连续流态的监控预警方法，难以考虑活性污泥与毒性物质接触中毒的时间，由于采取连续流态必须使用多个不同的电极测定不同时间的溶解氧值，而多个不同电极监测的溶解氧存在仪器系统误差，当监测不同时间溶解氧指标越多时，其系统误差越大，而当不同时间溶解氧指标越少时，很难真实反映OUR值。因此，基于OUR原理的连续流工艺方法，其生物毒性监测和预警的准确性、稳定性有待提高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是基于活性污泥耗氧速率(OUR)原理，克服连续流监测预警方法存在的问题，进而提供一种基于序批式生物毒性监测预警系统及监测方法。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]基于序批式生物毒性监测预警系统，包括:污水系统、保安过滤器、活性污泥系统、污水注入泵、污泥注入泵、序批式反应器、搅拌装置、曝气器、曝气机、溶解氧电极和PLC系统，所述污水系统的出口和保安过滤器的入口相连通，保安过滤器的出口和污水注入泵的入口相连通，污水注入泵的出口和序批式反应器内相连通，所述活性污泥系统的出口和污泥注入泵的入口相连通，污泥注入泵的出口和序批式反应器内相连通，溶解氧电极的下端设置在序批式反应器内的上部，溶解氧电极的数据输出端与PLC系统的数据输入端相连接，所述搅拌装置设置在序批式反应器内的底部，曝气器设置在序批式反应器内下部的一侦牝曝气器和序批式反应器外部的曝气机的气体输出端相连通。
[0009]所述序批式反应器为三个，所述三个序批式反应器并联连接。
[0010]基于序批式生物毒性监测预警系统的监测方法，步骤如下:
[0011]步骤一:注入混合阶段，通过污水注入泵将经过保安过滤器过滤后的污水注入序批式反应器中，通过污泥注入泵将活性污泥注入序批式反应器中，污水的体积流量比Q1: 92为1:1?4: 1，注入时间控制为30s，活性污泥采用浓缩后的污泥，污泥浓度MLSS控制8000?10000mg/L，使得污水与污泥混合后的浓度保持在2000_4000mg/L，便于后续的充分接触和反应；
[0012]步骤二:接触搅拌阶段，启动序批式反应器内的搅拌装置，使得活性污泥和污水能够充分混合，补充投加后续反应所需的碳源如甲醇，碳源的最大投加浓度为20mg/L ;搅拌接触时间控制在18min，使污水中潜在的毒性物质与污泥中的微生物充分反应中毒；
[0013]步骤三:曝气充氧阶段，停止搅拌装置，打开曝气机，通过曝气器为序批式反应器供给反应的溶解氧(DO)，曝气充氧时间控制为30s，通过曝气后，反应器中混合液溶解氧(DO)浓度达到饱和溶解氧浓度；
[0014]步骤四:反应监测阶段，停止曝气机，打开搅拌装置，使活性污泥微生物与溶解氧DO充分接触，序批式反应器为密闭的系统，微生物利用混合液中的溶解氧(DO)进行呼吸作用，开始消耗溶解氧(D0)，随着反应时间的延长，反应器内的溶解氧(DO)浓度逐步降低，设置在反应器中的溶解氧电极，每隔30s监测溶解氧值并进行采集，反应时间为lOmin，采集数据20组，PLC装置根据采集的DO数据，自动完成耗氧速率(OUR)的计算，完成本批次的耗氧速率(OUR)值，并自动计算出数据的相关度R2，判断数据的置信度；
[0015]步骤五:排空清洗阶段，完成以上阶段的反应后，序批式反应器将排空反应器内的混合液，并利用清水进行清洗，避免上批次潜在的毒性物质对下一批次监测产生影响，排空和清洗时间为Imin。
[0016]经过以上五个步骤，完成了序批式反应器一个批次的监测预警，本发明一个序批式反应器每批次总时间30min。可通过并联多个反应器，实现多反应器、多批次的生物毒性在线监测，例如，当三个序批式反应器并联运行时，其监测反馈时间为lOmin。本发明通过序批式反应的方法，实现在同一个反应器、利用同一个溶解氧电极，完成活性污泥呼吸速率的测定和计算，相比连续运行的反应器更为高效、准确，避免了常规利用连续运行中使用多个溶解氧电极监测的系统误差，可广泛应用于污水毒性的在线监测预警。
[0017]与现有技术相比，本发明的优点是:
[0018]1、采用序批式反应器的原理，其反应、混合效果最佳，装置完全密闭状态，抗干扰能力强。因此，其反应更加高效、结果更准确。
[0019]2、本发明根据序批式不同反应阶段，设有五个反应阶段，每个阶段作用和功能不同，且不同阶段其相互干扰小，对于OUR的计算更符合客观值。
[0020]3、接触搅拌阶段，充分考虑到了接触时间对微生物中毒的影响，通过设置接触搅拌阶段完成了微生物与毒性物质的充分接触反应，并增加了碳源，避免了反应时间和碳源不足对后续反应的影响，提高了结果的准确性。
[0021]4、由于采用了序批式反应器，仅需一个溶解氧电极监测，避免常规连续流反应器中必须使用多个溶解氧电极监测造成的仪器系统误差，提高了溶解氧监测的准确性。
[0022]5、本发明耗氧速率(OUR)的计算基础采用一系列溶解氧数据，从20组DO数据中筛选5-10组，更加科学、客观地反映出系统OUR值，且可通过相关性R2作为置信度判别，解决了连续型反应器仅通过两个数据判别OUR的误差。
[0023]6、本发明采用序批式反应器工艺和方法，相对于连续式反应器原理，其监测预警时间与每批次时间相关，如一个序批式反应器总时间30min，无法实现连续式反应器实时反馈的功能，但通过并联多个反应器可缩短预警反馈时间，完全满足于污水的生物毒性的在线监测和预警。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明基于序批式生物毒性监测预警系统的示意图；
[0025]图2为三个序批式反应器5并联运行的示意图；
[0026]图3为本发明中序批式反应器的运行工序示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0028]如图1所示，本实施例所涉及的一种基于序批式生物毒性监测预警系统，包括:污水系统1、保安过滤器2、活性污泥系统3、污水注入泵4-1、污泥注入泵4-2、序批式反应器5、搅拌装置5-1、曝气器5-2、曝气机5-3、溶解氧电极6和PLC系统7，所述污水系统I的出口和保安过滤器2的入口相连通，保安过滤器2的出口和污水注入泵4-1的入口相连通，污水注入泵4-1的出口和序批式反应器5内相连通，所述活性污泥系统3的出口和污泥注入泵4-2的入口相连通，污泥注入泵4-2的出口和序批式反应器5内相连通，溶解氧电极6的下端设置在序批式反应器5内的上部，溶解氧电极6的数据输出端与PLC系统7的数据输入端相连接，所述搅拌装置5-1设置在序批式反应器5内的底部，曝气器5-2设置在序批式反应器5内下部的一侧,曝气器5-2和序批式反应器5外部的曝气机5-3的气体输出端相连通。
[0029]如图2所示，所述序批式反应器5为三个，所述三个序批式反应器5并联连接。
[0030]所述序批式反应器5为圆柱形有机玻璃的密闭反应器。
[0031]实施例1
[0032]如图3所示，基于序批式生物毒性监测预警系统的监测方法，步骤如下:
[0033]步骤一:注入混合阶段，通过污水注入泵4-1将经过保安过滤器2过滤后的污水注入序批式反应器5中，通过污泥注入泵4-2将活性污泥注入序批式反应器5中，污水的体积流量比Q1: 02为1:1?4: 1，注入时间控制为30s，活性污泥采用浓缩后的污泥，污泥浓度MLSS控制8000?10000mg/L，使得污水与污泥混合后的浓度保持在2000-4000mg/L，便于后续的充分接触和反应。
[0034]步骤二:接触搅拌阶段，启动序批式反应器5内的搅拌装置5-1，使得活性污泥和污水能够充分混合，补充投加后续反应所需的碳源如甲醇，碳源的最大投加浓度为20mg/L。由于微生物中毒不仅与毒性物质和浓度有关，还与接触时间相关，根据试验接触时间数据，取搅拌接触时间控制18min，使污水中潜在的毒性物质与污泥中的微生物充分反应中毒。
[0035]步骤三:曝气充氧阶段，停止搅拌装置5-1，打开曝气机5-3，通过曝气器5-2为序批式反应器5供给反应的溶解氧(DO)，曝气充氧时间宜控制为30s，一般通过曝气后，反应器中混合液溶解氧(DO)浓度达到饱和溶解氧浓度。
[0036]步骤四:反应监测阶段，停止曝气机5-3，打开搅拌装置5-1，使活性污泥微生物与溶解氧DO充分接触，序批式反应器5为密闭的系统，微生物利用混合液中的溶解氧(DO)进行呼吸作用，开始消耗溶解氧(D0)，随着反应时间的延长，反应器内的溶解氧(DO)浓度逐步降低，设置在反应器中的溶解氧电极6，每隔30s监测溶解氧值并进行采集，一般反应时间为lOmin，采集数据20组，PLC装置将根据采集的DO数据，自动完成耗氧速率(OUR)的计算，完成本批次的耗氧速率(OUR)值，并自动计算出数据的相关度R2，判断数据的置信度。
[0037]步骤五:排空清洗阶段，完成以上阶段的反应后，序批式反应器5将排空反应器内的混合液，并利用清水进行清洗，避免上批次潜在的毒性物质对下一批次监测产生影响，排空和清洗时间为Imin。
[0038]经过以上五个步骤，完成了序批式反应器一个批次的监测预警，本发明一个序批式反应器每批次总时间30min。PLC装置采集每个批次的DO数据，每批次取DO值2_6mg/L范围内的数据约10组，绘制成斜率曲线，计算出斜率即为本批次的OUR值，并计算出数据的相关度R2，根据R2值校核OUR值的准确度，一般R2 > 0.98时，则说明OUR值较准确。
[0039]根据以上方法，可通过OUR值的较小率判断污水中的毒性物质，在PLC程序中自动获取一个基准OURtl,假定为未有任何毒性物质的耗氧速率，第i个批次监测计算出OURi, OUR变化率用n表示，则n = (OUR1-OURtl)/OURtl，通过变化率n来判断污水对活性污泥的毒性。方法如下:
[0040](I)理论上，当η i < O时，表明基准活性污泥受到毒性物质的抑制，n i值负越大，则污水中的毒性越强；实际运行中，一般Hi < -10%时，系统开始报警。[0041](2)理论上，当Jli时，表明污水中无生物毒性物质，实际运行中，一般Hi< ±10%时，系统装置不报警。
[0042](3)理论上，当Jli > 0时，表明基准OURtl值一定程度受到毒性物质影响，表明活性污泥系统从受抑制中的恢复程度，实际运行中，一般Hi > 10%时，系统提示活性污泥系统正在恢复信息。
[0043]人工配制含毒性物质(Zn2+)污水，配制不同的反应浓度(0、10、20、40、60mg/L)，活性污泥取自无锡某城市污水处理厂活性污泥。按照以上实施步骤分别进行序批式反应器的监测试验。通过监测的溶解氧数据选择10组，分别计算得到每个批次的OUR值和R2，并得不同浓度Zn2+对活性污泥的毒性程度Hi,具体见下表1。从表中看出，不同Zn2+浓度对活性污泥有明显的毒性作用，随着浓度的增加，其毒性越大。
[0044]表1不同Zn2+浓度对活性污泥的毒性影响
[0045]
【权利要求】
1.一种基于序批式生物毒性监测预警系统，包括:污水系统(I)、保安过滤器(2)、活性污泥系统(3)、污水注入泵(4-1)、污泥注入泵(4-2)、序批式反应器(5)、搅拌装置(5-1)、曝气器(5-2)、曝气机(5-3)、溶解氧电极(6)和PLC系统(7)，其特征在于，所述污水系统(I)的出口和保安过滤器(2)的入口相连通，保安过滤器(2)的出口和污水注入泵(4-1)的入口相连通，污水注入泵(4-1)的出口和序批式反应器(5)内相连通，所述活性污泥系统(3)的出口和污泥注入泵(4-2)的入口相连通，污泥注入泵(4-2)的出口和序批式反应器(5)内相连通，溶解氧电极(6)的下端设置在序批式反应器(5)内的上部，溶解氧电极(6)的数据输出端与PLC系统(7)的数据输入端相连接，所述搅拌装置(5-1)设置在序批式反应器(5)内的底部，曝气器(5-2)设置在序批式反应器(5)内下部的一侧，曝气器(5-2)和序批式反应器5外部的曝气机(5-3)的气体输出端相连通。
2.根据权利要求1所述的基于序批式生物毒性监测预警系统，其特征在于，所述序批式反应器(5)为三个，所述三个序批式反应器(5)并联连接。
3.根据权利要求2所述的基于序批式生物毒性监测预警系统，其特征在于，所述序批式反应器(5)为圆柱形有机玻璃的密闭反应器。
4.一种权利要求1、2或3所述的基于序批式生物毒性监测预警系统的监测方法，其特征在于， 步骤一:注入混合阶段，通过污水注入泵将经过保安过滤器过滤后的污水注入序批式反应器中，通过污泥注入泵将活性污泥注入序批式反应器中，污水的体积流量比Q1: Q2为1:1~4: 1，注入时间控制为30s，活性污泥采用浓缩后的污泥，污泥浓度MLSS控制8000~10000mg/L，使得污水与污泥混合后的浓度保持在2000_4000mg/L，便于后续的充分接触和反应； 步骤二:接触搅拌阶段，启动序批式反应器内的搅拌装置，使得活性污泥和污水能够充分混合，补充投加后续反应所需的碳源如甲醇，碳源的最大投加浓度为20mg/L ;搅拌接触时间控制在18min，使污水中潜在的毒性物质与污泥中的微生物充分反应中毒； 步骤三:曝气充氧阶段，停止搅拌装置，打开曝气机，通过曝气器为序批式反应器供给反应的溶解氧，曝气充氧时间控制为30s，通过曝气后，反应器中混合液溶解氧浓度达到饱和溶解氧浓度； 步骤四:反应监测阶段，停止曝气机，打开搅拌装置，使活性污泥微生物与溶解氧充分接触，序批式反应器为密闭的系统，微生物利用混合液中的溶解氧进行呼吸作用，开始消耗溶解氧，随着反应时间的延长，反应器内的溶解氧浓度逐步降低，设置在反应器中的溶解氧电极，每隔30s监测溶解氧值并进行采集，反应时间为lOmin，采集数据20组，PLC装置根据采集的DO数据，自动完成耗氧速率的计算，完成本批次的耗氧速率值，并自动计算出数据的相关度R2，判断数据的置信度； 步骤五:排空清洗阶段，完成以上阶段的反应后，序批式反应器将排空反应器内的混合液，并利用清水进行清洗，避免上批次潜在的毒性物质对下一批次监测产生影响，排空和清洗时间为Imin。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述步骤一中，污水的体积流量比Q1: Q2 取 2: I。
6.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述步骤一中，污水与污泥混合后的浓度保持在2000mg/L。·
【文档编号】G01N27/00GK103592334SQ201310340605
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2013年8月7日
【发明者】陈亚松, 吕席卷, 杨广文 申请人:陈亚松