申请日2016.07.22
公开(公告)日2016.10.26
IPC分类号C02F3/30; C02F3/12; G06Q10/06
摘要
本发明公开了一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，包括：1)对污水处理厂活性污泥进行呼吸图谱分析，得到呼吸图谱DO‑t曲线;2)将呼吸图谱DO‑t曲线转化为对应的呼吸图谱OUR‑t曲线;3)根据呼吸图谱OUR‑t曲线上OUR变化特征得到两个变化点B和C，同时在呼吸图谱DO‑t曲线上分别找到这两点各自对应点Bˊ和Cˊ，DO‑t曲线起始点A分别与点Bˊ、Cˊ连线，将DO‑t曲线划分成区域Ⅰ和区域II;4)根据区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值，评估活性污泥除磷效率，区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值越大，活性污泥除磷效率越高。本发明根据对活性污泥呼吸图谱分析，有效评估活性污泥的除磷效率。
权利要求书
1.一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)取污水处理厂活性污泥，用缓冲溶液对活性污泥进行多次清洗，并且充分曝气使活性污泥进入内源呼吸状态;
2)选定曝气设备的曝气量参数kLa，在步骤1)进入内源呼吸状态的活性污泥中，依据选定的曝气量参数kLa，控制有机物添加量S，并根据活性污泥的实际除磷特性，调整曝气量参数，获得呼吸图谱DO-t曲线;
3)选定活性污泥存在条件下的饱和溶氧值C*，同时结合步骤2)选定的曝气设备曝气量参数kLa，依据公式将步骤2)获得的呼吸图谱DO-t曲线转化为呼吸图谱OUR-t曲线;
4)在步骤3)获得的呼吸图谱OUR-t曲线上，确定呼吸速率OUR突变点B和呼吸速率OUR变化终止点C，然后在对应的呼吸图谱DO-t曲线上找到呼吸速率OUR突变点B对应点Bˊ和呼吸速率OUR变化终止点C对应点Cˊ;连接呼吸图谱DO-t曲线起始点A和点Cˊ，以呼吸图谱DO-t曲线上A、Bˊ两点连线为分界线，将呼吸图谱DO-t曲线分成两个区域，连线ABˊ与呼吸图谱DO-t曲线构成区域Ⅰ;连线ABˊ、连线ACˊ与呼吸图谱DO-t曲线构成区域Ⅱ;
5)根据区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值，评估活性污泥除磷效率，区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值越大，活性污泥除磷效率越高。
2.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，所述步骤1)中，活性污泥进入内源呼吸状态的具体过程为：
取污水处理厂活性污泥，并用体积比1:3的比例添加自来水稀释，将活性污泥样品通过搅拌、沉淀、去上清液、定容至活性污泥稀释液的1/2体积，用PBS缓冲溶液洗泥3次，之后添加自来水将活性污泥混合液定容至活性污泥稀释液的原体积，曝气2h，活性污泥进入内源呼吸状态。
3.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，所述的呼吸图谱DO-t曲线满足以下条件：
DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min;
DO下降阶段的下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L;
DO-t曲线总持续时间t3，120≤t3≤600min。
4.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，所述步骤2)中，呼吸图谱DO-t曲线通过下述条件控制获得：
2a)调整有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS，控制DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min和DO下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L;
其中，△DO指呼吸图谱DO-t曲线起始点A的DO与DO下降阶段结束点D的DO差值;
当DO下降阶段持续时间t1<5min或者DO下降幅度△DO<0.2mg/L时，则增大有机物添加量S或者活性污泥稀释液浓度MLSS;
当DO下降阶段持续时间t1>25min或者DO下降幅度△DO>6.0mg/L时，则降低有机物的量S或者活性污泥稀释液浓度MLSS;
通过不断调整有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS，使DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min和DO下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L;
2b)保持上述步骤2a)中得到的有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS不变，通过调整曝气设备曝气量参数kLa，控制DO-t曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min;
其中，t3为曲线斜率变化趋于零的时间点;
保持满足DO下降阶段持续时间t1和DO下降幅度△DO条件的有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS不变，当曲线总持续时间t3<120min时，则减小曝气设备曝气量参数kLa;当曲线总持续时间t3>600min时，则增大曝气设备曝气量参数kLa;通过不断调整kLa，使曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min;
2c)若上述步骤2b)中通过不断调整kLa，在曝气设备曝气量参数kLa可控范围内无法实现曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min，则调整有机物添加量S，在不改变DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min和DO下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L前提下，实现曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min;
2d)在上述步骤2a)、2b)和2c)中综合确定的有机物的量S和曝气设备曝气量参数kLa条件下，得到的DO-t曲线，即为呼吸图谱DO-t曲线，同时可得到呼吸图谱DO-t曲线上升阶段拐点出现时间t2：30≤t2≤300min。
5.按照权利要求4所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，所述调整活性污泥稀释液浓度MLSS调节范围为250～5000mg/L。
6.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，所述有机物为单一碳源：乙酸钠、葡萄糖，或为混合碳源：生活污水;步骤2)依据选定的曝气设备曝气量参数kLa，控制有机物添加量S，控制方法如下：
2aˊ)若有机物为单一碳源乙酸钠，则数值上的对应关系为S=(0.23～136)kLa;
2bˊ)若有机物为单一碳源葡萄糖，则数值上的对应关系为S=(0.38～231)kLa;
2cˊ)若有机物为混合碳源生活污水，则数值上的对应关系为S=(1.25～750)kLa;添加量S单位mg/L，kLa单位h-1。
7.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，步骤2)获得呼吸图谱DO-t曲线过程的温度控制为8～40℃。
8.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，步骤3)中，将呼吸图谱DO-t曲线转化为对应的呼吸图谱OUR-t曲线，通过下述公式转化得到：
其中，为呼吸图谱DO-t曲线上的实际溶氧值对时间的导数，kLa为曝气设备曝气量参数，C*为污泥存在条件下饱和溶氧值，C为实际溶氧值，OUR为呼吸速率OUR。
9.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，步骤1)中，所述清洗污泥的缓冲溶液为PBS缓冲溶液，该缓冲溶液为以下组分混合液：
A：KH2PO4浓度为1.5～2.5mmol·L-1;
B：Na2HPO4浓度为8～12mmol·L-1;
C：NaCl浓度为135～140mmol·L-1;
D：KCl浓度为2.5～3.0mmol·L-1。
10.按照权利要求1所述的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，其特征在于，步骤5)中，所述呼吸图谱DO-t曲线起始点A为添加有机物同一时刻点;所述呼吸图谱OUR-t曲线上呼吸速率OUR突变点B为呼吸速率OUR极速变小到趋于平稳过程中的转折点，其在呼吸图谱DO-t曲线上的对应点Bˊ为B点同一时刻呼吸图谱DO-t曲线上的对应点;所述呼吸图谱OUR-t曲线上呼吸速率OUR变化终止点C为呼吸速率OUR变化很小到趋于恒定过程中的转折点，其在呼吸图谱DO-t曲线上的对应点Cˊ为C点同一时刻呼吸图谱DO-t曲线上的对应点。
说明书
一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，涉及一种通过对活性污泥呼吸图谱的分析，评估活性污泥除磷效率的方法。
背景技术
水体富营养化导致了水质恶化，严重影响了人们的生产和生活，氮、磷同为水体生物的重要营养物质，但是藻类等水生生物对磷更敏感，如何解决水体富营养化问题，关键是去除污水中磷。
目前，普遍采用化学和生物方法实现污水中磷的去除。化学除磷是最早采用的一种除磷方法，其基本原理是通过投加化学药剂(铝盐、钙盐和铁盐等)，与水中磷反应生成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离除去水中的磷。此方法操作简单，除磷效率高。但由于化学药剂的投加，显著增高了处理费用，且产生大量的污泥，难于后续处理;生物除磷，即活性污泥除磷，主要是由活性污泥中一类统称为聚磷菌的微生物完成，其除磷机理如下：在厌氧条件下，活性污泥中聚磷菌把胞内的聚磷水解为磷酸盐释放胞外，并从中获取能量，同时将污水中易降解的有机物合成贮能物质PHB存储于胞内;然后在好氧条件下，活性污泥中聚磷菌氧化分解PHB，并利用该反应产生的能量，超量摄取污水中磷酸盐，以聚磷的形式贮存于胞内。通常好氧吸磷量大于厌氧释磷量，故通过排放剩余污泥可实现除磷的目的。生物除磷法具有可持续性、运行费用低、不造成二次污染等优点，致使目前绝大多数国家均选择应用此方法实现高效除磷的目的。因此，如何准确评估活性污泥除磷效率显得至关重要。
评估活性污泥除磷效率一般采用厌氧释放磷的速率、厌氧存储的PHB含量等方法。本发明通过呼吸图谱分析建立了一种更为简单易行的活性污泥除磷效率评估方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，该方法利用好氧条件下获得活性污泥呼吸图谱DO-t曲线，得到区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值，从而准确评估活性污泥除磷效率。
作为一种评估活性污泥除磷效率的方法，污水厂活性污泥测试结果表明：我们发明的基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法能够准确、高效的评估活性污泥除磷效率。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
根据本发明实施例提供的一种基于呼吸图谱评估活性污泥除磷效率的方法，包括下述步骤：
1)取污水处理厂活性污泥，用缓冲溶液对活性污泥进行多次清洗，并且充分曝气使活性污泥进入内源呼吸状态;
2)选定曝气设备的曝气量参数kLa，在步骤1)进入内源呼吸状态的活性污泥中，依据选定的曝气量参数kLa，控制有机物添加量S，并根据活性污泥的实际除磷特性，调整曝气量参数，获得呼吸图谱DO-t曲线;
3)选定活性污泥存在条件下的饱和溶氧值C*，同时结合步骤2)选定的曝气设备曝气量参数kLa，依据公式将步骤2)获得的呼吸图谱DO-t曲线转化为呼吸图谱OUR-t曲线;
4)在步骤3)获得的呼吸图谱OUR-t曲线上，确定呼吸速率OUR突变点B和呼吸速率OUR变化终止点C，然后在对应的呼吸图谱DO-t曲线上找到呼吸速率OUR突变点B对应点Bˊ和呼吸速率OUR变化终止点C对应点Cˊ;连接呼吸图谱DO-t曲线起始点A和点Cˊ，以呼吸图谱DO-t曲线上A、Bˊ两点连线为分界线，将呼吸图谱DO-t曲线分成两个区域，连线ABˊ与呼吸图谱DO-t曲线构成区域Ⅰ;连线ABˊ、连线ACˊ与呼吸图谱DO-t曲线构成区域Ⅱ;
5)根据区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值，评估活性污泥除磷效率，区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值越大，活性污泥除磷效率越高。
进一步，所述步骤1)中，活性污泥进入内源呼吸状态的具体过程为：
取污水处理厂活性污泥，并用体积比1:3的比例添加自来水稀释，将活性污泥样品通过搅拌、沉淀、去上清液、定容至活性污泥稀释液的1/2体积，用PBS缓冲溶液洗泥3次，之后添加自来水将活性污泥混合液定容至活性污泥稀释液的原体积，曝气2h，活性污泥进入内源呼吸状态。
进一步，所述的呼吸图谱DO-t曲线满足以下条件：
DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min;
DO下降阶段的下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L;
DO-t曲线总持续时间t3，120≤t3≤600min。
进一步，所述步骤2)中，呼吸图谱DO-t曲线通过下述条件控制获得：
2a)调整有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS，控制DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min和DO下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L;
其中，△DO指呼吸图谱DO-t曲线起始点A的DO与DO下降阶段结束点D的DO差值;
当DO下降阶段持续时间t1<5min或者DO下降幅度△DO<0.2mg/L时，则增大有机物添加量S或者活性污泥稀释液浓度MLSS;
当DO下降阶段持续时间t1>25min或者DO下降幅度△DO>6.0mg/L时，则降低有机物的量S或者活性污泥稀释液浓度MLSS;
通过不断调整有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS，使DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min和DO下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L;
2b)保持上述步骤2a)中得到的有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS不变，通过调整曝气设备曝气量参数kLa，控制DO-t曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min;
其中，t3为曲线斜率变化趋于零的时间点;
保持满足DO下降阶段持续时间t1和DO下降幅度△DO条件的有机物添加量S和活性污泥稀释液浓度MLSS不变，当曲线总持续时间t3<120min时，则减小曝气设备曝气量参数kLa;当曲线总持续时间t3>600min时，则增大曝气设备曝气量参数kLa;通过不断调整kLa，使曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min;
2c)若上述步骤2b)中通过不断调整kLa，在曝气设备曝气量参数kLa可控范围内无法实现曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min，则调整有机物添加量S，在不改变DO下降阶段持续时间t1：5≤t1≤25min和DO下降幅度△DO：0.2≤△DO≤6.0mg/L前提下，实现曲线总持续时间t3：120≤t3≤600min;
2d)在上述步骤2a)、2b)和2c)中综合确定的有机物的量S和曝气设备曝气量参数kLa条件下，得到的DO-t曲线，即为呼吸图谱DO-t曲线，同时可得到呼吸图谱DO-t曲线上升阶段拐点出现时间t2：30≤t2≤300min。
进一步，所述调整活性污泥稀释液浓度MLSS调节范围为250～5000mg/L。
进一步，所述有机物为单一碳源：乙酸钠、葡萄糖，或为混合碳源：生活污水。
步骤2)依据选定的曝气设备曝气量参数kLa，控制有机物添加量S，控制方法如下：
2aˊ)若有机物为单一碳源乙酸钠，则数值上的对应关系为S=(0.23～136)kLa;
2bˊ)若有机物为单一碳源葡萄糖，则数值上的对应关系为S=(0.38～231)kLa;
2cˊ)若有机物为混合碳源生活污水，则数值上的对应关系为S=(1.25～750)kLa;添加量S单位mg/L，kLa单位h-1。
进一步，步骤2)获得呼吸图谱DO-t曲线过程的温度控制为8～40℃。
进一步，步骤3)中，将呼吸图谱DO-t曲线转化为对应的呼吸图谱OUR-t曲线，通过下述公式转化得到：
其中，为呼吸图谱DO-t曲线上的实际溶氧值对时间的导数，kLa为曝气设备曝气量参数，C*为污泥存在条件下饱和溶氧值，C为实际溶氧值，OUR为呼吸速率OUR。
进一步，步骤1)中，所述清洗污泥的缓冲溶液为PBS缓冲溶液，该缓冲溶液为以下组分混合液：
A：KH2PO4浓度为1.5～2.5mmol·L-1;
B：Na2HPO4浓度为8～12mmol·L-1;
C：NaCl浓度为135～140mmol·L-1;
D：KCl浓度为2.5～3.0mmol·L-1。
进一步，步骤5)中，所述呼吸图谱DO-t曲线起始点A为添加有机物同一时刻点;所述呼吸图谱OUR-t曲线上呼吸速率OUR突变点B为呼吸速率OUR极速变小到趋于平稳过程中的转折点，其在呼吸图谱DO-t曲线上的对应点Bˊ为B点同一时刻呼吸图谱DO-t曲线上的对应点;所述呼吸图谱OUR-t曲线上呼吸速率OUR变化终止点C为呼吸速率OUR变化很小到趋于恒定过程中的转折点，其在呼吸图谱DO-t曲线上的对应点Cˊ为C点同一时刻呼吸图谱DO-t曲线上的对应点。
本发明具有以下优点：
1)本发明找到呼吸图谱区域Ⅱ/区域Ⅰ面积比值与实际除磷效率间关系，可以准确、高效的评估活性污泥除磷效率，进而为解决水体富营养化问题提供有效的判定方法，具有一定的指导意义。
2)本发明方法检测方便。步骤简单易行，且测试设备自动化，例如使用西安绿标水环境科技有限公司提供的WBM系列污水处理智慧运行工作站，即可在无人操作的情况下自动化对待测试污泥进行测试。