活性污泥呼吸速率的在线测量

活性污泥呼吸速率的在线测量

杨云程何绪文宋英豪 2 杨丽丽1

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中国矿业大学（北京）环境科学与工程系，（100083）2

北京市环境保护科学研究院，（100038）

E-mail: [email protected]

摘 要： 20世纪50年代，Hoover[1]和Smith[2]等人首次将呼吸的概念引入到废水生物处理中，

用来对微生物活动进行描述。呼吸速率的测量方法是呼吸速率技术应用的前提。本文对近年来国内、外学者提出的呼吸速率测量方法进行了总结，并提出了一种新的呼吸速率在线测量方法。该方法采用一个溶解氧探头测量呼吸室进、出口的溶解氧浓度，降低了测量误差，更适用于呼吸速率的在线测量和计算。

关键词： 活性污泥 呼吸速率 在线测量

1.引言

呼吸速率也称耗氧速率，是单位时间内单位体积混合液中的微生物所消耗的氧气的量。呼吸速率与MLSS浓度的比值称为比呼吸速率，是表征活性污泥处理过程和可生化物质降解过程的一个关键性变量[3]，也是反映基质浓度变化的间接指标。呼吸速率技术的研究是从对呼吸速率测量方法的研究开始的。早期的呼吸速率测量方法受到当时控制技术和仪器、仪表技术方面的制约，发展并不顺利。到20世纪后期，随着控制、仪表技术的进步，呼吸速率的测量方法有了较大的发展。

按照所测量的氧的形态，呼吸速率的测量方法可以分为两大类：一种是在液相中测量溶解氧的浓度，称为液相法；一种是在气相中测量气态氧的体积或浓度，称为气相法。目前常用的是液相测量法，该方法根据液体的流动状态又可分为两种：一种是间歇测量法，即被测液体是相对固定的；另一种是连续测量法，即被测液体是流动，不断更新的。液相测量法一般都有一个小呼吸室，与活性污泥系统的曝气池相连，作为氧气的吸收场所，与溶解氧浓度的测量设备组成一套完整的测量系统。

1．间歇式呼吸速率测量法

1.1手动间歇测量法

手动间歇式测量法是最简单的一种测量方法，首先对待测混合液曝气，使溶解氧浓度接近饱和，然后取其中一部分至一完全封闭的呼吸室。封闭呼吸室中配有溶解氧探头，探头与分析仪相连，通过溶解氧仪记录小室中溶解氧浓度的变化。所记录的溶解氧浓度下降曲线斜率就是呼吸速率。在测量过程中利用磁力搅拌器对待测液进行混合（装置图参见图1）[4]。

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图1 间歇手动测量装置示意图

1.2自动间歇测量法[5]

自动间歇式呼吸速率测定法是把前面所提到的手动测量装置用自动化技术控制，像SBR一样间歇循环运行。这种方法也有个呼吸室，用泵替代人工取样，电动气阀门控制曝气，再用一个电磁阀控制呼吸室放水。运行过程为：呼吸室进水，曝气，呼吸速率计算以及呼吸室放水。每运行一个周期获得一个呼吸速率值。测量过程中呼吸室内溶解氧浓度变化情况见图2。

尽管自动间歇式测定法以一种半连续方式自动运行，但与人工测量一样，其结果无法真实地反应取样时刻的呼吸速率；同时测量周期比较长，测量数据点教少，而状态估计或活性污泥处理工艺的控制需要相对连续的数据。

2. 连续式呼吸速率测定法[6]

连续式呼吸速率测定法是目前进行呼吸速率在线测量的主要方法。连续式呼吸速率测定法采用进水泵不断向呼吸室打入混合液试样，而不像间歇式呼吸速率测定法那样每隔一定时间取一次样。其装置见图3。

图3中，采用两个溶解氧探头同时测定呼吸室进出水的溶解氧浓度，通过两个溶解氧测量值和混合液在呼吸室内的停留时间算出呼吸速率。呼吸室是密闭的，用磁力搅拌器进行搅拌，使混合液处于完全混合状态。

这种呼吸速率测定方法虽然可以进行呼吸速率的在线测量，但仍然存在不少问题。主要缺点有两个：一是所用计算公式与实际不符；一是两个溶解氧仪造成一定的测量误差[7]。

呼吸速率30

mg/l.h

1min

溶解氧浓度mg/l

溶呼吸室

图2 自动间歇测量法呼吸室内溶解氧浓度变化曲线图 图3 连续式呼吸速率测定法示意图

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3. 本实验提出的呼吸速率在线测定方法

3.1 实验设备及装置

试验所用混合液取自SBR反应器，反应器进水采用人工配水，COD浓度一般在400mg/l左右。

试验装置主要由三部分组成：取样部分，测量部分和数据记录部分。取样泵为Cole-Parmer MasterFlex 7518-10型蠕动泵，磁力搅拌器为81B－5型恒温磁力搅拌器，两个三通电磁阀为SIRAI Z530A型。装置示意图如下：

图4 呼吸速率测量装置图

3.2 实验原理

本方法对原有的连续测量法进行了改进。其主要特点是：进出呼吸室混合液的溶解氧浓度仅用一个探头测量，该探头位于呼吸室的一个开口处。并通过电磁阀改变混合液流过呼吸室的流向，见图（5）。

有水流动

(a) 测量进口时水流情况

无水流动

有水流动无水流动

(b)

测量出口时水流情况

图5 改进后呼吸速率测定仪的工作原理

如图5所示，图（a）中测量的是进入呼吸室的混合液的溶解氧浓度，经过一定时间后三通电磁阀的进口与两出口的连通状态发生变化，原来呼吸室的进口变成了出口（图（b）），

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而溶解氧探头的位置是固定的，因而此时测量的是流出呼吸室的混合液溶解氧浓度。一定时间后呼吸室进出口再次变换。所测溶解氧浓度变化见图6[1]

图6 呼吸室进出口溶解氧浓度

3.3 呼吸速率的离线计算

3.3.1计算公式推导

由图6可以看出h时间内可以完成一次进出口溶解氧浓度的测量，h为测量周期。 呼吸室内溶解氧的物料平衡方程如下：

dCq

=(C进−C出)−rdTV

(1)

式中：q为进入呼吸室的混合液流量，V为呼吸室体积 令α=q/v 由公式(1)得

r=α(C进−C出)−

dC

dT

(2)

则图6中CK时刻呼吸室进出口溶解氧浓度计算如下：

C进=

CK+1+CK−1

2

C出＝CK

采用平行四边形法则计算呼吸室中溶解氧的变化速率

dC(Ck+2−Ck−2)

=dT2h

(3)

把进出呼吸室溶解氧浓度值和公式(3)代入公式(2)整理如下:

rk=(a(Ck+1+Ck−1)−(a+2/h（)Ck+2+Ck)/2−(a−2/h)(CK−2+Ck)/2)/2 (4)

如果被测系统中溶解氧浓度变化不大，即呼吸室中dC/dt≈0，则可使用与原来的连续式方法相同的公式，即：

4

rk=α((Ck+1+Ck−1)/2−Ck)

是呼吸速率的计算周期。 3.3.2溶解氧仪记录结果

(5)

从图6可以看出，每隔一段时间h在取样时刻Ck 处可以计算一个呼吸速率值，因此h也

图7为SBR反应过程中某一段时间内混合液进出呼吸室的溶解氧浓度计算机取样结果，测量间隔时间为4s。

图7 SBR反应过程中某一段时间内混合液进出呼吸室的溶解氧浓度

3.3.3溶解氧数据处理及呼吸速率的计算

由于计算呼吸速率值所用的是进出口某一时刻的溶解氧值，因此要对这些溶解氧数值

进行取舍，仅留下上述溶解氧曲线中取样周期内的极大值和极小值。处理后的溶解氧曲线见图8。

图8 处理后的溶解氧变化情况

处理后的数据通过呼吸速率的动态公式(4)与稳态公式(5)进行计算。计算结果见图9

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图9 呼吸速率的离线计算结果

溶解氧数据处理及呼吸速率的计算是采用Excel电子表格宏来完成的。

从图9中可以看出无论用稳态公式计算还是用动态公式计算，在反应器内的溶解氧浓度梯度非常小时，计算结果基本吻合。但起始阶段，反应器中的溶解氧浓度迅速上升时，由于呼吸室中的溶解氧梯度比较大，两种方法的计算结果差别比较大。稳态公式计算值缓慢下降而动态公式计算值迅速下降。因此，动态公式的灵敏度要比稳态公式的灵敏度高，动态公式的计算结果能更加迅速的反映反应器内微生物呼吸速率或耗氧情况的变化。

3.4 呼吸速率的在线测定

在线计算呼吸速率的过程主要是极值点的搜索，由于溶解氧极值的出现是由三通电磁

阀开关状态的改变引起，因此首先想到的是采用三通电磁阀状态改变的时刻作为极值点出现的标志。把这种用三通电磁阀开关状态改变的时刻点作为极值点的搜索方式叫硬搜索（见图10）。与硬搜索相对应，还可以通过计算机语言实现极值的搜索，这种搜索叫软搜索（见图11）。软搜索算法是用Visual Basic语言实现的。

图10 溶解氧浓度极值点的硬搜索结果

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图11 溶解氧浓度极值点的软搜索结果

呼吸速率的数据存储及在线计算是采用EXCEL表格的形式完成的。图12是一段时间内的呼吸速率的测量结果，溶解氧的取样时间间隔为4秒，测量周期为2分钟。同时每隔10

在线测量结果的上下波动比较多，这是由于在线测量的扰动比较大，溶解氧仪的稳定性、计算方法、传输的误码和取样频率等都会影响测量结果的稳定性。手动测量结果与连续测量结果基本吻合，也说明了本试验采用的连续测量方法是可行的。

4. 结论

(1) 溶解氧仪对呼吸速率的在线测量影响较大。在选择溶解氧仪时，既要考虑其反应时间，又要考虑到其稳定性及精确度。

(2) 采用一个溶解氧探头测量呼吸室进出口的溶解氧浓度，降低了测量误差，该方法更适用于呼吸速率的在线测量和计算。但在计算算法方面要尽量避免造成误差。

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参考文献

[1] Hoover, S.R.,Jasewicz, L.and Proges, N. An interpretation of the B.O.D. test in terms of endogenous respiration of bacteria. Sewage Ind. Wastes 25, pp. 1163-1173, 1953

[2] Smith, D.B. Measurement of the respiratory activity of activated sludge. J. Wat. Pollut. Control Fed. 25, pp. 767-778, 1953

[3] 宋英豪，SBR设计方法和自动化控制的研究，硕士论文，北京市环科院，2000

[4] B.K.Lee, Automatic control for DO and pH in the activated sludge process in a coke wastewater treatment plant, Wat. Sci. Tech. Vol.37, No.12. 141-148, 1998

[5] E.Y.Giroux, H.Spanjers, G.G.Party, Dynamic Modelling for operational design of a repirometer, Wat. Sci. Tech. VOL.33. NO.1.1996,

[6] Henri Spanjers, Respirometry in Activated Sludge,Doctoral Thesis，1990

[7] Chang-won Kim, Validation of On-line Respiraition Meter and Its Applications by computer Simulation, Wat. Sci. Tech, Vol.26, No.5-6, pp. 1355-1363, 1992

On–line Measurement for the Respiration Rate of

Activated Sludge

Yang Yuncheng He Xuwen Song Yinghao Yang Lili

Department of Environmental Science and Engineering

China University of Mining & Technology (Beijing), 100083

Abstract

In 1950s, Hoover and Smith had introduced the concept of respiration to the biological wastewater treatment for the first time to describe the microorganism activity. The measurement of respiration rate is the precondition for its application .This article, a simple summary about the respiration rate measurements which proposed by researchers of various countries in recent years will be made and a new on-line measurement will be described in detail. This method can reduce the measuring error and will be suitable for the on-line measurement and calculation.

Key word: Activated Sludge Respiration Rate On-line Measurement

杨云程：男，1981年出生，硕士研究生。主要研究方向：废水生物处理。

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