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自动呼吸—滴定测量系统开发及其在监测短程硝化反硝化中的应用

张欣  
【摘要】:自动在线监测方法和仪器是现代废水生物处理过程控制的关键基础。自动滴定测量仪被认为是一种良好的在线测量仪器,其开发及应用是国内废水生物处理领域亟待填补的空白。论文开发了一套自动滴定测量系统,并与实验室之前开发的混合呼吸测量仪进行集成,形成一种新型呼吸-滴定测量仪。设计多种试验对仪器性能进行了充分测试,并在实验室SBR反应器实现生物短程脱氮过程的监测和控制中进行了应用,得到如下主要研究成果和结论: (1)自动滴定测量部分主要有反应器系统,数据采集与保存系统和药品自动投加系统组成。自动滴定测量有两种实现方法:一种是使用1支pH电极测量系统pH值,对整个系统固定pH值进行“定点”滴定,称为“单pH电极批式滴定测量法”;一种是使用2支pH电极,分别放在测量室的入口和出口处,通过判断出口pH值和入口pH值的一致性对测量室进行滴定,命名为“双pH电极连续滴定测量方法”,这种滴定方式是对第一种的改进,使用范围更广,现实意义更大。两种方式的硬件系统组成相同,在LabView平台上对应开发了两种应用程序。 (2)基于LabVIEW开发的呼吸-滴定测量软件提高了所开发仪器的自动化程度,降低了滴定测量和呼吸测量的操作难度;采用7阶中值滤波技术消除干扰信号和5阶滑动均值滤波技术对测量数据进行平滑处理,提高了测量结果的精度;通过pH读数延迟校正,提高了双pH电极连续滴定测量方法的准确度。 (3)在清水中通过人为投加药品模拟系统质子变化,从“总量”一致和“速率”一致两个角度设计试验评估了滴定测量的准确度和精确度。“总量”一致试验结果显示:在1L反应器中,当pH设定值分别为7.93±0.03,7.5±0.03,7.0±0.03,6.5±0.03,6.0±0.03时,平均滴定误差除pH设定值为7.93时的误差为负数(-9.47%)外,其它均为正误差,数值在7.26-11.25%之间波动,重复试验的CV在2.41%-4.69%之间;将pH设定值固定在7.0±0.03,分别在0.5L,1L、2L和3L反应器中进行滴定试验,滴定平均误差分别为0.52%,3.18%、-5.08%和-9.16%,重复试验的变异系数CV在3.86%到5.4%之间。试验结果表明大反应器因动态效应显著,影响测试准确度,在较小的反应器中,滴定准确度和精确度均较高。 (4)“速率”一致试验包括两台微量泵互跟踪滴定试验和蠕动泵投加造成系统动态变化的滴定试验:两台微量泵互跟踪滴定试验结果显示,滴定总量误差在-4.16%到2.51%之间,平均误差为-0.68%,滴定速率平均误差为0;蠕动泵投加造成系统动态变化的滴定试验结果显示,pH设定值为6.5、7、7.5、8和8.5下的滴定速率同投加速率的平均相对误差依次是-2.29%、-2.34%、-2.31%、-1.53%和-0.86%,滴定速率几乎与投加速率重合。这些结果证明了自动滴定测量仪能够及时准确地测量系统质子变化速率。 (5)开发自动呼吸-滴定测量仪的目的是应用于废水生物处理过程动态监测,通过应用自动呼吸-滴定测量仪监测活性污泥硝化过程来验证两种滴定测量方式测试性能。对于单pH电极批式滴定测量方式,在1L的反应器中改变NH4+-N浓度分别为1.67、3.33、8.33、16.66和30.00mg/L下实测氨氧化量与质子产生量的比值与其理论值2的相对误差在2.09%~6.34%之间;保持NH4+-N浓度16.66mg/L,在1、2、3和4L的反应器中实测比值相对误差在2.09%~-18.57%之间,随反应器体积增大而明显增大。反应器系统中的碳酸氢盐和氨盐缓冲体系,特别是在较大容积反应器中的滴定动态效应是导致测试误差的重要原因。在硝化动态过程试验中,对活性污泥硝化过程定时取样、实测NH4+-N浓度,比较其与基于HPR或OUR计算的NH4+-N浓度间的一致程度,评估自动滴定测量装置测试硝化过程动态的性能。在初始NH4+-N浓度分别为20和25mg/L的间歇试验中,基于OUR计算的NH4+-N浓度与实际浓度间的相关系数分别为0.9967和0.9972,基于HPR计算NH4+-N浓度与实际浓度间的相关系数分别为0.9991和0.9992,表明OUR和HPR均能及时准确地反映硝化过程的动态特性。 (6)对于双pH电极连续滴定测量方式,在NH4+-N底物浓度分别为3、4.5、6、7.5、9和10.5mg/L下,基于OUR和HPR计算的NH4+-N浓度与实际浓度间均表现为良好的线性关系,相关系数分别为0.9982和0.9968,试验结果显示,pH、DO、OUR和HPR信号均能对硝化过程结束点做出明确指示,并且基于OUR和HPR的判断比DO和pH更加灵敏。 (7)把自动呼吸-滴定测量仪应用于实验室SBR好氧时段控制上,以实现短程硝化反硝化脱氮。首先考察了应用双pH电极连续滴定测量方式在线测量HPR的可行性,结果显示HPR可同时用于硝化过程控制和NH4+-N组分浓度动态估计。之后采用pH和HPR作为主要控制信号,实时控制SBR以实现短程脱氮。经过约20d的运行后SBR内的亚硝酸盐积累率上升到了50%,进入了短程硝化反硝化状态;运行约40d后亚硝酸盐积累率达到88%并趋于稳定,成功实现了短程硝化反硝化,COD和NH4+-N去除率均在95%以上。 (8)在SBR短程硝化反硝化脱氮工艺稳定运行近4个月后,出现了污泥膨胀现象。NH4+-N去除率受到了明显影响。通过采取添加新污泥、加大曝气量、提高体积交换比等措施,污泥膨胀得到了有效控制,约10d后亚硝酸盐积累率又回到了80%以上,系统运行约30d后,系统重新实现了稳定的短程硝化反硝化。


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