污水处理厂在线呼吸速率仪的开发与应用研究 80页

污水处理厂在线呼吸速率仪的开发与应用研究(申请清华大学工程硕士专业学位论文)培养单位：环境学院工程领域：环境工程申请人：黄伟明指导教师：施汉昌教授联合指导教师：庞洪涛高工清华大学二○一五年六月\nStudyontheInstrumentationandApplicationofOnlineRespirometryinWastewaterTreatmentPlantsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringbyHuangWeiming(EnvironmentalEngineering)ThesisSupervisor:ProfessorShiHanchangAssociateSupervisor:ProfessorPangHongtaoJune,2015\n摘要摘要我国水环境问题日益突出，污水处理厂的排放标准也日趋严格。这对污水处理厂的运行管理提出了更高要求。本研究开发了一种在线呼吸速率仪，可支持污水处理厂的运行管理。该仪器基于开放式好氧呼吸速率测量方法，连续测量微生物接触污水处理厂进水后的呼吸速率，可评价进水对活性污泥的抑制作用、进水的负荷波动特征等。本研究首先讨论了基于开放式反应器的呼吸速率连续测量方法，建立了呼吸速率连续测量的数学模型，并给出模型关键参数的估值方法，如饱和溶解氧（DOs）、氧传质系数（KLa）和平衡态溶解氧（DObl）等。然后，采用载体生物膜代替常见的活性污泥，设计并开发了在线呼吸速率仪，实现自动连续测量呼吸速率和参数估值。改进了数据预处理算法，采用指数滤波方法（系数α=0.7）。研究了模型参数影响因素，确定了DObl的温度表达式。第三，现场调试和优化了在线呼吸速率仪。在北京某污水处理厂现场，研究了载体数量、进水流量和曝气量等参数对呼吸速率的影响，确定较优的运行条件为载体数量15颗、进水量380mL/min、曝气量5L/min。最后，实际应用和验证了在线呼吸速率仪的工程性能。通过与污水处理厂的进水水质数据比对，确认了在线呼吸速率仪能快速响应进水COD浓度波动，可与进水水质仪表配合，指示进水对微生物的抑制影响。在此基础上，提出了基于呼吸速率的工艺优化控制策略。关键词：呼吸速率；在线监测；活性污泥；节能降耗；优化控制I\nAbstractAbstractThewaterenvironmentalissuesinChinaisbecomingmoreandmoreprominent,andtheemissionstandardsarebecomingstricterandstricter.ThisbringsforwardhigherrequirementsfortheoperationandmanagementofWastewaterTreatmentPlant(WWTP).Inthisreasearch,anonlinerespirometryisdeveloped,whichcansupporttheoperationandmanagementofWWTP.Thisinstrumentisbasedonopenreactormeasurementmethodforaerobicrespirationrate,measurecontinuouslyrespirationrateofmicrooganismafterexposuretoinfluentofWWTP.Andthismeasurementcanbeusedforevaluationoninfluentinhibitionofactivatedsludge,thecharacteristicsofinfluentloadingfluctuation.Firstly,thisstudydiscussescontinuousmeasuringmethodforrespirationratebasedonopenreactor,andestablishesmathematicalmodelforthecontinuousmeasurementofrespirationrate,andgivesoutestimationmethodforkeyparameters,suchassaturateddissolvedoxygenconcentrationinwastewater(DOs),oxygentransfercoefficient(KLa),dissolvedoxygenatbalancestate(DObl),andsoon.Then,designanddeveloponlinerespirometryusingcarrierbiofilminsteadofthecommonactivatedsludge,andtheautomaticmeasurementofrespirationrateandparametersestimationarerealized.Thealgorithmofdatapreprocessingisimprovedandtheexponentialfilteringmethod(coefficientα=0.7)isadopted.Theinfluencefactorforparametersofmodelisstudied,andthetemperatureexpressionforDOblisdetermined.Thirdly,theonlinerespirometryisdebuggedandoptimizedon-site.OnafieldofWWTPinBeijing,studytheeffectonrespirationratefromparameterssuchascarrierquantity,samplerate,andaerationflow,andsoon.Anddetermineabetteroperationconditionis:thenumberofcarrierinreactoris15,thesamplerateis380mL/min,andtheaerationflowis5L/min.Finnally,theengineeringperformanceofonlinerespirometryisappliedandverified.BycomparingwiththeinfluentwaterqualitydataofWWTP,confirmsthattheonlinerespirometrycanreposetotheflutuationofCODconcentrationquickly,andindicateinfluentinhibitioneffectonmicrooganism.Basedonthis,theprocessoptimizedcontrolstrategybasedononlinerespirometryisproposed.II\nAbstractKeywords:RespirationRate;OnlineMonitoring;ActivatedSludge;EnergySaving;OptimizationControlIII\n目录目录第1章绪论.............................................................................................11.1污水处理厂进水负荷的研究意义....................................................11.1.1污水处理厂节能降耗的需求.....................................................11.1.2污水处理厂冲击负荷的影响.....................................................21.1.3好氧呼吸速率指标的作用.........................................................21.2污水处理厂过程控制的技术与设备................................................31.2.1ICA技术的概念与进展.............................................................31.2.2污水处理厂过程控制的理论和技术..........................................41.2.3污水处理厂的实时控制系统.....................................................61.2.4污水处理厂的过程控制仪表...................................................111.3呼吸速率测量的理论与方法.........................................................141.3.1呼吸速率测量理论..................................................................141.3.2呼吸速率测量的实现方法.......................................................141.4进水特征的评估方法....................................................................161.4.1进水特征评估方法概述...........................................................161.4.2水生动植物评估方法..............................................................161.4.3微生物检测评估方法..............................................................171.4.4呼吸速率的评估方法..............................................................181.5研究目的、内容和技术路线.........................................................191.5.1研究目的.................................................................................191.5.2研究内容.................................................................................191.5.3技术路线.................................................................................191.6本章符号表...................................................................................21第2章在呼吸速率仪的原理设计..........................................................222.1呼吸速率测量的原理....................................................................222.1.1内源呼吸速率..........................................................................222.1.2外源呼吸速率..........................................................................222.1.3总呼吸速率.............................................................................23IV\n目录2.1.4连续测量的原理......................................................................232.2呼吸速率连续测量的模型.............................................................242.3呼吸速率连续测量的参数估值.....................................................252.4本章小结.......................................................................................26第3章在线呼吸速率仪的设计开发......................................................273.1在线呼吸速率仪的系统设计.........................................................273.1.1在线呼吸速率仪的功能设计...................................................273.1.2在线呼吸速率仪的结构设计...................................................283.2在线呼吸速率仪的硬件集成.........................................................293.2.1在线呼吸速率仪的水路系统设计............................................293.2.2在线呼吸速率仪的电气控制系统设计....................................303.3在线呼吸速率仪的下位机开发.....................................................323.3.1在线呼吸速率仪的程序结构...................................................323.3.2在线呼吸速率仪的DO读取程序............................................343.3.3在线呼吸速率仪的数据处理程序............................................353.3.4在线呼吸速率仪的连续OUR测量程序..................................383.3.5在线呼吸速率仪的OUR参数估值程序..................................393.3.6在线呼吸速率仪的DO校准程序............................................413.4在线呼吸速率仪的上位机开发.....................................................413.4.1在线呼吸速率仪的运行界面...................................................423.4.2在线呼吸速率仪的系统界面...................................................423.4.3在线呼吸速率仪的设置界面...................................................433.4.4在线呼吸速率仪的历史曲线界面............................................443.4.5在线呼吸速率仪的校准界面...................................................453.4.6在线呼吸速率仪的数据导出界面............................................463.5在线呼吸速率仪的问题与调试.....................................................463.5.1在线呼吸速率仪存在的问题...................................................463.5.2在线呼吸速率仪的调试和改进...............................................473.5.3在线呼吸速率仪的重现性与误差............................................483.5.4仪器的技术参数......................................................................493.6本章小结.......................................................................................50V\n目录第4章在线呼吸速率仪的调试应用......................................................514.1在线呼吸速率仪的影响因素与性能优化......................................514.1.1水样中SS对呼吸速率测量的影响.........................................514.1.2生物膜载体数量对呼吸速率测量的影响................................524.1.3进样速率对呼吸速率测量的影响............................................544.1.4曝气量对呼吸速率测量的影响...............................................554.2在线呼吸速率仪的应用与集成.....................................................574.2.1污水处理厂进水负荷突变和活性抑制预警.............................574.2.2基于进水负荷的污水处理厂过程优化控制.............................604.3本章小结.......................................................................................63第5章结论与建议................................................................................655.1结论...............................................................................................655.2建议...............................................................................................65参考文献...................................................................................................67致谢.......................................................................................................70声明.......................................................................................................71个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果....................................72VI\n第1章绪论第1章绪论1.1污水处理厂进水负荷的研究意义1.1.1污水处理厂节能降耗的需求近年来，污水处理厂的排放标准不断提高。2015年国家发布的“水污染防治行动计划”（水十条），提出“全面控制污染物排放”，要求“敏感区域（重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域）城镇污水处理设施应于2017年底前全面达到一级A排放标准”，对于“建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市”，其“新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准”。这必将进一步推进污水处理工艺的发展，推进过程控制系统和技术在污水处理厂的发展应用。活性污泥法是目前应用最为广泛的污水处理技术之一。活性污泥法利用活性污泥中微生物的新陈代谢作用，转化和降解废水中的污染物质。几十年来，随着对生物反应和净化机理的深入研究探讨，活性污泥法在生物学方面、反应动力学的理论方面以及工艺方面都得到了长足的发展，出现了符合不同条件的多种工艺类型，如厌氧-缺氧-好氧（AAO）、氧化沟（OD）、序批式反应器（SBR）等工艺。随着污水排放标准的不断提高，迫切需要提高污水处理系统的运行效率，以降低出水水质超标的风险。这要求除了在工艺上不断创新之外，还需要在运行控制方法上有所进步，比如：采用成套设备和系统的方法，来实现污水生化处理系统的自动控制。任何高效的自动控制，都是基于有效、准确、及时的检测值，因此，可靠的在线水质分析仪表是污水处理系统自动控制的基础。目前，在线测量的溶解氧（DO）、pH、氧化还原电位（ORP）、污泥浓度（MLSS）、氨氮、硝氮、总氮、磷酸盐、总磷、总有机碳（TOC）和化学需氧量（COD）等分析仪已经比较成熟，能够实时反映生化系统运行状态的参数，为污水处理系统的自动控制提供了有效的依据。实践证明，通过在线水质分析仪表可以实时监测污水处理厂进水负荷及运行状态，同时利用活性污泥模型和现代控制理论，能够提高污水处理效率，增[1]强工艺稳定性，从而抵抗冲击负荷，实现节能降耗。1\n第1章绪论1.1.2污水处理厂冲击负荷的影响伴随着近代工业的发展，日益增多的工业废水，在对水环境造成了巨大的污染的同时，产生了大量的毒性物质。因此，进行废水的毒性检测成为迫在眉睫的工作。污水处理厂因为要收集并处理各种各样的废水，更容易遭受有毒废水的冲击。当含有毒性的废水进入采用活性污泥法的污水处理厂时，会对活性污泥中的微生物产生抑制和毒害作用，可能会导致微生物群落的不利转变，抑制活性污泥的生物活性，降低微生物的处理效率，破坏污水处理厂的正常运行，最终导致污水处理厂的出水水质不达标。有毒废水甚至会使污水处理厂的微生物完全失去活性。例如，2002年2月8日，一种未知的化学物质进入污水收集系统，最终进入Maryland的Hagerstown污水处理厂，造成污水处理厂活性污泥系统的微生物完全[2]失活，导致大量未经处理的废水排入了河流。因此，对于处理工业废水的污水处理厂，由于进水存在极大的不确定性，迫切要求对进水毒性进行实时监测。对于只处理生活污水的污水处理厂，其对进水毒性的监测要求可能并不高，但也不能排除含有毒性的废水进入污水处理厂，所以也需要监测进水毒性。在国内，目前还没有以污水毒性削减为目标来设计、选择污水处理工艺，也[3]很少有从毒性控制的角度来评估污水处理技术的研究。在实际运行中，污水处理厂由于缺少进水监测设备，无法了解不断变化的进水情况，往往在发生污泥中毒等严重影响之后，才能发现问题并进行处理。因此，迫切需要开发用于实时检测污水毒性的仪器设备，以便污水处理厂能够及时发现问题并采取适当的措施进行预处理。为保证活性污泥微生物正常进行污水的处理，需要选择合适的预处理措施来[4]消除毒性物质影响。吉宏根据稀释法、转化法和分离法等目前主要预处理方法的特点及适用性，提出针对污水处理厂选择最佳预处理方案的优化原则如下：污水的各项水质指标（包括毒性物质）必须达到国家规定的排放标准；必须保证活性污泥微生物处理工艺的正常运行；在保证前两点的基础上，应最大限度实现污水处理工艺流程简单、无二次污染，并且使投资尽量少、运行费用尽量低，同时还要方便管理。1.1.3好氧呼吸速率指标的作用氧利用速率(OxygenUptakeRate，OUR)，即活性污泥微生物的好氧呼吸速率，是指单位体积的好氧微生物在单位时间内消耗的溶解氧。好氧呼吸速率可以反映活性污泥中微生物降解底物基质的动态特性，是一种能够更加直接反映污水生化2\n第1章绪论处理系统运行状态的参数，既可以用来判断废水的毒性特征，也可以用于指导污水处理厂的运行管理。近年来，对好氧呼吸速率的应用性研究已成为污水领域的研究热点之一。徐[5]丽婕等研究了运用开放式呼吸速率方法测量活性污泥2D模型（ASM2D）的参数，如异养菌产率系数（YH）、半饱和常数（KS）、易生物降解有机物（SS）在进水[6]COD中的比例等。杨文娟研究了利用密闭式呼吸速率法与活性污泥模型（ASM）解析法结合，用于同时测量污水中SS与慢速可生物降解有机物（XS）两种组分的[7-9]方法。宋英豪等研究了如何用呼吸速率判断活性污泥的抑制类型，利用呼吸速率判断出高盐废水中NaCl抑制葡萄糖降解的过程属于非竞争性抑制类型，并通过实验获得NaCl对葡萄糖降解过程的抑制常数，以及利用呼吸速率控制SBR的反[2]应时间。Sock-HoonKoh等研究了苯酚和糠醛对活性污泥呼吸速率的影响，并分别研究了生产活性酶和生产燕麦产品两个工厂的废水对活性污泥呼吸速率的影[10]响。JaniqueBergeron等通过测量各种情况下的呼吸速率（SOURat、SOURnmax、SOURtox）和三磷酸腺苷含量（SATP），监测活性污泥系统，可以判断微生物的健康状态并进行微生物早期预警。1.2污水处理厂过程控制的技术与设备1.2.1ICA技术的概念与进展国际水协（IWA）在上世纪70年代提出了ICA技术概念，即在污水系统中实现仪器化（Instrumentation）、控制化（Control）和自动化（Automation）。这三个领域高度关联，相辅相成。仪器化主要是为污水系统装备合适的仪器，包括监测设备和执行器等，作为系统的“眼睛”和“手脚”，为系统提供进水负荷和工艺运行状态的信息，以及改变系统运行状态的能力，是ICA技术的基础；控制化确保执行器受系统控制，包括开关控制和变频控制等，而不是简单的人工手动操作；自动化实现系统的自动运行，根据进水负荷和工艺运行状态，结合污水工艺模型、控制理论等计算最优控制策略，自动控制执行器的运行。ICA技术应用于污水处理厂，是通过监测进水负荷变化和工艺运行状态，运用活性污泥模型、控制理论等，优化污水处理厂的运行管理，提高污水处理系统的稳定性，使污水处理厂在稳定达标排放的情况下，减少人工操作的浪费，降低运行费用，最终实现节能降耗。ICA技术是在不改变现有工艺的情况下，提高污水处理效率，其驱动力来源[11]于：3\n第1章绪论（1）需求拉动：监管要求、经济和效率都是ICA技术的重要驱动力；监管要求越来越高，促使污水处理工艺不断升级，如增加生物反应池、对好氧池进行分区曝气控制、增加内回流等，使得系统更加复杂，迫切需要ICA技术来解决复杂系统的运行问题，同时提高运行效率，降低运行成本。（2）技术推动：计算机技术的快速发展为复杂控制模型的应用提供了可能，大量先进的仪器可以为控制系统方便地提供可靠的数据，执行器的控制因为精密的变频控制器而更加精准。ICA技术经过几十年的发展，在污水处理系统中已经有了大量的应用。2001年ICA会议上，IWA公布了欧洲13个国家的污水处理厂采用过程控制情况的调[12]查报告。调查的36座污水处理厂共安装了83套控制器，其中61%是开/关控制器，37%是比例积分微分（PID）控制器，1.8%是先进控制器，剩下的控制器类型未知。所有污水处理厂都至少安装有一套PID控制器，75%的污水处理厂安装有开/关控制器，25%的污水处理厂安装有先进控制器。[13]我国污水处理厂的大规模建设晚于欧美约20年。所以，IWA在2001年对欧洲污水处理厂的调查报告，也大致能够反映目前中国污水处理厂的过程控制技[14]术的发展现状。邱勇等指出：目前我国污水处理厂都拥有自动控制系统，但大多数还停留在“只监不控”或“多监少控”的状态。我国污水处理厂在最近几年迅速发展，安装了大量在线监测仪表和控制设备，液位、流量、压力等可以实现自动控制，但多数控制系统还处于手动运行状态。污水处理厂的工艺过程控制大多以实验室测量的结果为准，有很多在线监测仪表只作为显示用。这不仅有在线监测仪表本身的问题，也有人员维护不到位的原因。1.2.2污水处理厂过程控制的理论和技术（1）控制理论的发展和应用随着水环境问题日益突出，人类环保意识不断增强，排放标准也日益严格。为提高污水处理效率，减少污染物排放，满足日益严格的排放标准，污水处理过程控制技术也在不断发展。自动控制理论自20世纪初开始形成，经历了经典控制[15]理论、现代控制理论和智能控制理论三代的发展。经典控制理论。主要是应用频域分析方法，对“单输入-单输出”的线性定常控制系统进行分析设计。在工业控制领域中有着很广泛的应用，如PID控制、串级控制等。但经典控制理论主要有两方面的局限性：第一，经典控制理论所使用的频率特性以及传递函数，都是对系统外部状态的描述，无法对系统的内部状态4\n第1章绪论进行描述；第二，需要对频域分析方法进行积分变换，原则上只适用于解决“单输入-单输出”的线性定常控制系统的问题，虽然可以推广到“多输入-多输出”的线性定常控制系统，但不适用于非线性系统以及时变系统。现代控制理论。采用时域分析法，用“状态变量”和“状态方程”描述系统，克服了经典控制理论的局限性，主要研究最优估计与系统辨识理论、最优控制理论和多变量线性系统理论这三部分内容。智能控制理论。是人工智能、自动控制、运筹学和信息论学科的交集，目前颇具影响的智能控制有模糊控制、专家系统控制、人工神经网络等。（2）常见的过程控制技术随着污水处理工艺和自控技术的发展，形成了多种针对污水处理系统的过程控制技术：1)简单控制。因排水管网的污水流量不固定，需要对提升泵进行分组开关控制，以适应污水流量变化。实际控制中，一般根据集水井液位进行分段控制，当集水井液位低时，减少开启的提升泵数量；当集水井液位超过某一限值时，增加开启的提升泵数量。2)常规控制。由于进水负荷变化会导致好氧区DO浓度值变化，为此需要进行曝气控制，[16]获得稳定的DO浓度值。Wahab等采用多变量PID控制器对活性污泥工艺的好氧区进行分区控制，利用优化后的PID控制器参数，分别控制每个好氧区的DO浓度值，取得良好的动态控制性能。3)模糊控制。[17]Ma等在A/O脱氮工艺中采用模糊逻辑控制内回流和外加碳源的投加，使缺氧池末端ORP值稳定在-86mV至-90mV之间，实现脱氮的最优控制，提高出水水质并降低运行费用。4)神经网络控制。[18]Chaiwat等采用神经模糊控制系统，控制复合式厌氧反应器在初始化、两倍过载以及过载恢复中的运行。研究表明，神经模糊控制能够控制复合式厌氧反应器高效稳定的运行，并快速响应过载负荷。此外，还有诸如专家智能控制、遗传算法控制、学习控制系统等。这些过程控制技术只要与合适的污水过程工艺模型结合，就能够指导污水处理厂的生产运[14]行。邱勇等提出污水处理工艺的全流程控制策略，分析了提升泵房、初沉池、5\n第1章绪论生化处理单元、二沉池、化学除磷过程以及深度处理单元的运行与控制技术。从中可以看出大部分的污水处理工艺可以采用经典控制理论实现，只有少数需要采用现代控制理论和智能控制理论实现。1.2.3污水处理厂的实时控制系统[11]随着ICA技术的发展，Olsson等也发现ICA应用实施中的问题：传感器监测数据的可靠性；缺乏标准控制器；没有故障运行策略，无法避免或减少传感器故障带来的控制风险。这些认识为控制技术实用化的发展提供了前进方向。(1)污水处理厂的实时控制器最近几年，国内外出现了专门针对污水处理厂的优化控制系统，可以对曝气、除磷剂投加等进行优化控制，实现在达标排放的情况下，减少运行费用。哈希公司的实时控制器（RTC），也称WTOS（WastewaterTreatmentOptimizationSolution的缩写），是专为污水处理优化控制而设计的标准控制器，在欧美有着广泛的应用。RTC的理念是：在改变现有工艺的前提下，优化污水处理厂的运行管理，提高污水处理效率，从而实现稳定达标排放的情况下，减少人工操作的浪费，节能降耗。这和ICA技术理念是一致的。RTC是实时控制器，能够根据在线监测设备的测量值，进行实时优化运算，输出工艺优化参数设定。包含三部分内容：1)在线监测设备根据工艺运行的关键参数，如：氨氮、硝氮、正磷酸盐等，在合适位置，安装合适的在线监测设备，提供过程控制的基础数据。这是整个控制系统的基础。2)PROGNOSYS诊断模块实现两个功能：获取在线监测设备的数据，包括测量值和设备状态信息，通过内置的分析算法，获得测量数据的可靠性程度和设备的健康状态；提醒即将到来的维护保养工作，避免在线监测设备因缺少维护而出现故障，增加稳定运行的时间。3)RTC实时控制器根据PROGNOSYS提供的可靠数据，利用内置的算法，实时计算污水工艺过程参数的最优设定值。RTC是标准控制器，所有控制功能都内置在RTC控制器内，大部分的工作在6\n第1章绪论出厂前已经完成，现场只需要根据污水处理厂的实际情况，调整参数即可使用。RTC内置故障运行策略，可以最大限度的减少控制风险。当在线监测设备故障或测量数据不准确时，启用故障运行策略，该故障运行策略是在开始运行前，根据污水处理厂实际运行情况和经验输入到控制器中。(2)工艺实时控制的功能哈希公司的RTC有如下5个标准控制器：1)P-RTC化学除磷优化模块化学除磷优化模块包含P-RTC实时控制器、正磷酸盐分析仪PHOSPHAXsc、SC1000通用控制器、附属采配水样单元等，如图1.1所示。图1.1P-RTC化学除磷优化模块系统图P-RTC化学除磷优化模块能够对污水处理厂化学除磷工艺进行优化，实时监测工艺中正磷酸盐浓度和污水流量的变化，控制化学除磷药剂的自动投加，使出水磷稳定达标，同时减少除磷剂投加的浪费，从而实现节能降耗。2)N-RTC硝化优化模块硝化优化模块包含N-RTC实时控制器、氨氮分析仪AMTAXsc、污泥浓度计SOLITAXsc、溶氧分析仪LDOsc和SC1000通用控制器、附属采配水样单元等，如图1.2所示。7\n第1章绪论图1.2N-RTC硝化优化模块系统图N-RTC硝化优化模块能够对污水处理厂中的生物脱氮工艺进行优化，主要应用于连续曝气工艺。实时监测曝气池进出口氨氮值、进口流量、污泥浓度及水温等变化，以此计算DO最佳设定值及曝气强度并通过可编程逻辑控制器（PLC）控制曝气装置，使出水氨氮稳定达标，避免过度曝气，实现节能降耗，同时改善反硝化工艺的厌氧环境，减少外加碳源投加量。3)N/DN-RTC硝化/反硝化模块硝化/反硝化模块包含N/DN-RTC实时控制器、氨氮分析仪AMTAXsc、硝氮分析仪NITRATAXsc、DO分析仪LDOsc（可选）和SC1000通用控制器，如图1.3所示。8\n第1章绪论图1.3N/DN-RTC硝化/反硝化模块系统图N/DN-RTC硝化/反硝化模块对污水处理厂中的生物脱氮工艺进行优化，主要应用于间歇曝气工艺，如SBR工艺。实时监测生物反应池出口氨氮值、硝氮值、及DO浓度值（可选）变化，以此计算最佳曝气量并控制曝气装置，使出水氨氮及硝氮稳定达标，并可减少曝气能耗的浪费。适度曝气同时优化了反硝化反应的环境，使反硝化反应效果更为理想。4)ST-RTC污泥浓缩优化模块污泥浓缩优化模块包含ST-RTC实时控制器、污泥浓度计SOLITAXsc和SC1000通用控制器，如图1.4所示。9\n第1章绪论图1.4ST-RTC硝化/反硝化模块系统图ST-RTC污泥浓缩优化模块对污水处理厂污泥浓缩工艺进行优化，实时监测污泥浓缩池进出口污泥浓度和流量的变化，以此通过计算控制脱水剂的自动投加，使出口污泥浓度达到最佳效果并减少脱水剂投加的浪费，同时还能有效降低污泥产量，实现节能降耗。5)SD-RTC污泥脱水优化模块污泥脱水优化模块包含SD-RTC实时控制器、污泥浓度计SOLITAXsc和SC1000通用控制器，如图1.5所示。10\n第1章绪论图1.5SD-RTC硝化/反硝化模块系统图SD-RTC污泥脱水优化模块对污水处理厂污泥脱水工艺进行优化，实时监测污泥进入脱水工艺的污泥浓度和流量的变化，以此通过计算控制脱水剂的自动投加，使出口污泥浓度达到最佳效果并减少脱水剂投加的浪费，同时还能有效降低污泥产量，实现节能降耗。1.2.4污水处理厂的过程控制仪表（1）过程仪表的种类与特征随着过程控制技术在污水处理厂的发展，对在线监测设备的要求也越来越高。一方面，由于在线监测设备是过程控制系统的基础，对其可靠性的要求越来越高；另一方面，随着控制理论的发展，需要更多的参数能够实现在线监测。目前，污水处理厂常见的在线监测设备可分为两大类：热工测量仪表和水质分析仪表。热工测量仪表主要是测量压力、温度、物位、流量等常规物理参数，如表1.1所示。11\n第1章绪论表1.1污水处理厂常用热工测量仪表类别参数测量点常用仪表水压污水、污泥泵站进出口管路弹簧管式压力表、压力压力气压鼓风机出口变送器进、出水PT100热电阻（有时内温度温度生物反应池置于pH传感器）超声波明渠流量计、电进、出水管道或明渠磁流量计流量流量污泥内回流电磁流量计污泥回流电磁流量计液位进水泵站集水池超声波液位计物位格栅前后液位差超声波泥位计或污泥界泥位初沉池、二沉池面分析仪这些参数的测量技术都比较成熟，运用比较广泛，大部分可以实现过程控制。在污水处理厂要测量温度的地方一般也需要测量水质参数，而有些水质参数的测量需要进行温度补偿，所以温度值可以直接从水质分析仪表中得到。在初沉池、二沉池中需要测量污泥界面，一般采用污泥界面分析仪。表1.2污水处理厂常用在线水质分析仪表类别参数测量点常用仪表COD进、出水COD在线分析仪有机物指标TOC进、出水TOC在线分析仪氨氮进、出水，生化池氨氮分析仪硝氮生化池硝氮分析仪营养盐指标总氮进、出水总氮分析仪正磷酸盐化学除磷点正磷酸盐分析仪总磷进、出水总磷分析仪生化池污泥浓度固体浓度指标污泥回流污泥浓度计（悬浮物）进、出水pH进、出水，生化池pH传感器其他常规指标ORP生化池ORP传感器DO生化池DO传感器12\n第1章绪论水质分析仪表主要是测量污水的水质，诸如有机物、营养盐等水质参数，如表1.2所示。有机物指标一般监测COD、BOD、UV、TOC等参数。COD在线分析仪具有测量准确、简单、快速等特点，自动测量能够减少操作人员与危险试剂的接触，在污水处理厂的进出、水口大多都安装COD在线分析仪。BOD测量需要5天的培养时间，故没有采用国标的在线分析仪。UV法可以间接测量COD、BOD或TOC，但其测量准确度依赖于水样成分的稳定性，而实际上废水成分不太稳定，导致UV法在线有机物分析仪的应用较少。TOC测量方法成熟，具有测量准确、快速、氧化比较完全等特点，非常适合在线监测，但由于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）没有TOC的控制指标，在污水处理厂的应用较少。营养盐指标一般监测氨氮、硝氮、总氮、正磷酸盐和总磷等参数。这些参数的在线分析仪已经比较成熟，氨氮在线分析仪还有气敏电极、水杨酸比色、逐出比色、离子选择电极等多种方法可供选择。目前，在进、出水监测氨氮和总磷比较常见，也有一些污水处理厂监测总氮。最近几年，随着排放标准的提高，污水处理厂为了达标排放，开始重视在生物池中监测氨氮、硝氮和正磷酸盐，以便更好的进行曝气控制和化学除磷剂的投加。固体浓度指标主要监测污泥浓度（悬浮物）。污泥浓度计的在线测量技术成熟，应用比较广泛。在生物反应池和回流污泥管道监测污泥浓度，可以监测污泥龄，对排泥控制有着非常重要的作用。在进水监测悬浮物可以为工艺运行提供基础数据，在出水可以监测悬浮物是否满足排放标准。其他常规指标一般监测pH、ORP、DO等电化学参数。这些参数是进、出水和生物池的常规监测参数，有着广泛的应用。（2）过程仪表的研究与应用IWA关于欧洲13个国家的污水处理厂采用过程控制情况的调查报告显示，目前大部分的传感器测量的是诸如流量、液位、气流、气压等物理参数，这些传感器大部分都用于在线控制；在工艺过程控制参数中，作为在线控制应用最广泛的是DO传感器，其次是作为沉淀工艺控制的悬浮固体传感器和污泥界面传感器；广泛应用的营养盐（如氨氮、硝氮和磷酸盐）传感器也备受关注，尤其磷酸盐传感器主要用于在线控制；而有机物测量传感器的应用很少，如COD、生化需氧量（BiologicalOxygenDemand,BOD）等。好氧呼吸速率（OUR）传感器在污水处[12]理厂还没有任何应用。目前在污水处理厂的实际运行中，还没有监测过程速率等可以反应活性污泥13\n第1章绪论微生物健康的参数。然而在活性污泥模型和BenchmarkSimulationModel（BSM）等理论研究中已经在使用过程速率等指标，来指导、控制污水处理厂的工艺运行。所以，有必要对呼吸速率仪之类的仪表进行深入研究。1.3呼吸速率测量的理论与方法1.3.1呼吸速率测量理论活性污泥微生物在降解底物基质的过程中，会导致DO浓度发生变化，通过测量DO浓度的变化曲线，可以获得微生物的好氧呼吸速率，从而反映微生物的活性变化及其生存状态。通过测量活性污泥的呼吸速率曲线，就能够获得活性污[19]泥的活性参数，还能了解污水特性。多种因素会影响呼吸速率，如：底物基质组成、pH值、温度、毒性物质、DO浓度值等。过酸或过碱的环境都会影响污泥的活性，但污泥微生物对于酸性环境的耐受能力较强；从22.5℃初始温度开始，温度上升会增加污泥的活性，到达32.5℃附近时，污泥活性最强，继续升温，污泥活性会逐渐下降，但污泥的内源呼吸2+[20]速率受温度的影响不明显；Cu对污泥的活性有明显的抑制作用。[21]呼吸速率的测量方法主要有三类：估计法、耗气法和仪器法。估计法测量呼吸速率，根据在线测量的空气流速和DO浓度值算出呼吸速率，依据完全混合式曝气池中溶解氧动力学模型。耗气法测量呼吸速率，是根据空气经过曝气池后消耗的氧气除以曝气池体积得出，需要同时测量进、出曝气池空气中的氧气浓度和空气流量。由于测量装置复杂，比较少用。仪器法测量呼吸速率，是设计与曝气池相连的反应器，并在此反应器中进行DO浓度值的测量来计算氧消耗。由于测量简单快速，应用比较广泛。按照反应器是否密封，可以分为密闭式和开放式。密闭式测量方法采用密封的反应器，反应器内的活性污泥不接触外界大气，测量不需考虑大气复氧作用。开放式测量方法采用的反应器不密封，内置曝气头，活性污泥与外界大气存在氧的交换，测量需要考虑大气复氧作用。1.3.2呼吸速率测量的实现方法[22]施汉昌等采用开放式呼吸速率测量方法，开发出快速生物活性检测仪(RapidBiologicalActivityTester)，测量微生物的呼吸速率，并通过数学模型评价污泥微生物的活性。14\n第1章绪论开放式呼吸速率测量方法，能够分别测量内源呼吸速率和外源呼吸速率，还能测量难以测定的氧传质系数。相对于密闭式测量方法，开放式测量方法的反应[19]器条件更能真实地模拟污水处理厂的曝气池，还不需要高成本的密闭反应器。在开放式测量方法的反应器中，DO浓度值的变化速率可以用式（1-1）表示：dDOtKDODOtOUROUR（1-1）Lasexendt式中：DO(t)为t时刻混合液的溶解氧浓度，单位：mg/L；-1KLa为氧传质系数，单位：min；DOs为饱和溶解氧浓度，单位：mg/L；OURex为外源呼吸速率，单位：mg/(L·min)；OURen为内源呼吸速率，单位：mg/(L·min)。对反应器进行持续充氧，直到DO浓度值达到平衡，反应器中的活性污泥会进入内源呼吸状态，反应器中原有的反应底物可以认为已经耗尽，微生物外源呼吸速率OURex=0，可以用式（1-2）表示：OURKDODOenLasbl（1-2）式中：DObl为平衡状态下的溶解氧浓度，单位：mg/L。迅速加入少量有机物质，反应器中的活性污泥微生物就会开始分解新加入的有机物质。此时，外源呼吸速率>0，总呼吸速率增大，反应器中的DO浓度值显著下降。在短时间中，可以认为内源呼吸速率几乎无变化，（1-1）式减（1-2）式，可得式（1-3）：dDOtOURKDODOtexLabldt（1-3）采用双Monod模型进行参数估值，可以得到KLa值，再测量基线处的DO浓度值DObl和每时刻DO浓度值DO(t)，即可得出OURex。快速生物活性检测仪实现了全自动测量，采用稳定性好、计算量适中的有限刺激响应(finiteimpulseresponse,FIR)的低通数字滤波器对信号处理，并采用双Monod模型进行参数估值，可以获得有用的组合模型参数。15\n第1章绪论1.4进水特征的评估方法1.4.1进水特征评估方法概述进水特征中最受关注的是毒性特征，因为该特征可能影响到稳定运行和出水达标。目前，测定污水进水毒性特征的方法主要有两大类：物理化学分析方法和[3]生物学分析方法。物理化学分析方法是传统的毒性检测方法，主要是对有毒污染中主要成分进行定量分析，能够准确了解某种毒性物质成分的含量。但是，由于水中毒性物质的多样性，很难对全部毒性物质成分都进行定量分析，更不可能考虑各种毒性物质成分之间的抑制和协同作用，所以只能定量分析有毒污染物中主要毒性物质成分的含量，不能反映污染物中各种毒性物质成分对环境的综合影响。生物学分析方法作为毒性检测方法，是利用对环境污染或毒性敏感的生物体产生的反应，实现对环境质量的评价。生物毒性检测法能够快速反映各种毒性物质对环境产生的综合影响，是对环境毒性综合性指标的一种快速检测方法。生物毒性检测法弥补了物理化学检测方法的不足，快速检测的特点使其在水质安全评价和水生态保护中起着无可替代的重要作用，已经成为水质安全监测和水生态环境评价的重要手段之一。利用生物毒性检测法，还可以监测未知物质成分对环境的影响，比较不同物质成分的毒性高低，了解水体的污染程度和水体中物质成分的生物可利用性。对于生物毒性检测方法，研究者们提出了很多不同的方法来识别毒性物质对生物的毒性影响。总体来说，目前的生物毒性检测方法可分为两大类：水生动植物毒性检测方法和微生物毒性检测方法。1.4.2水生动植物评估方法水生动植物毒性检测方法，就是利用毒性物质对水生动植物产生的毒性影响，[6]进行毒性检测，主要有鱼类、蚤类、藻类以及微生物毒性检测方法。这些方法适用于干净水体的毒性检测，而不适用于污水的检测。（1）鱼类毒性检测方法利用鱼类对水环境的变化敏感的特性，进行水体的毒性实验。当水体中污染或毒性物质达到一定的浓度时，就会引起鱼类的一系列中毒反应，如：反应迟钝、行为反常，导致出现游动停滞、麻痹、停止摄食等情况；生殖系统出现变化，形态发生改变；种群的数量和结构发生改变。所以，在监测各种水体的生物毒性中，16\n第1章绪论广泛采用鱼类毒性检测方法。目前，斑马鱼、青鱼、草鱼、金鱼等都是国内外通用的毒性检测标准用鱼。（2）蚤类毒性检测方法水蚤属于甲壳纲枝角目，是体形较小的浮游生物，以藻类、真菌等为食，分布广泛，繁殖周期短。由于蚤类易于取材，对许多毒性物质都很敏感，所以被广泛应用于生物毒性实验。受到污染的水体中，如果含有毒性物质将会影响水蚤的[23]生长过程，导致蚤类个体死亡，也会对水蚤的生殖和发育产生干扰。梁怒坤研究了多氯联苯对水生生物的生态毒性，指出水蚤在自然条件下，大多数都是无性生殖产生雌性后代，当水蚤在胚胎期受到多氯联苯的污染，会导致产生雄性后代；其繁殖率也会由于多氯联苯的污染而下降，体长也会有所减小。因此，普遍采用水蚤的繁殖能力或死亡率作为毒性检测指标，这是目前环境污染物综合毒性检测评价的常规方法之一。（3）藻类毒性检测方法藻类是水生植物，是水生生态系统食物链的初级生产力。生态系统的结构和功能，直接体现在藻类的多样性和生产量。藻类个体小、繁殖快，具有对毒性物质敏感、容易分离等特点，是比较理想的毒性实验生物之一。当污染物质或毒性物质进入水体中，就会影响藻类的生命活动，使其数量发生改变。例如：高浓度有机污染物以及重金属会抑制藻类的光合作用和固氮能力，影响其生长，导致数量减少。在毒性检测实验中，普遍采用藻类的生长抑制作为毒性检测指标。1.4.3微生物检测评估方法采用微生物作为毒性检测评价，是基于水体中污染物质或毒性物质对微生物的毒性效应，如抑制发光细菌的发光强度、降低脱氢酶的活性、抑制微生物的呼吸。微生物检测方法中，大多数适用于干净水体的毒性检测，微生物的呼吸抑制方法可以适用于污水的毒性检测。发光细菌在正常的环境下会发出特定波长的光，当环境受到毒性物质污染时，发光强度会被毒性物质所抑制。由于其发光强度的变化与废水的毒性强弱具有相关性，通过测量发光强度即可实现水质的毒性检测。利用发光细菌进行毒性检测具有灵敏度高，测试快速简便等特点，受到众多研究者的关注，是目前应用较为广泛的毒性检测方法之一。但发光细菌毒性检测方法还存在发光强度的本底值不稳定、无法实现毒性连续监测等缺点。脱氢酶的活性会因毒性物质的存在而降低，其活性降低的程度与毒性物质的17\n第1章绪论毒性具有相关性。通过在无氧环境中，亚甲基蓝的脱色（蓝色变为无色）速度可以测定脱氢酶的活性，从而确定毒性物质的毒性强弱。微生物活性会受到毒性物质的抑制而下降，表现为呼吸受到抑制。通过测量活性污泥微生物的呼吸速率，可以污水中判断毒性物质的毒性大小。有研究表明，通过测定呼吸速率的变化，可以检测废水中毒性物质的毒性大小，其检测结果与发光菌法有着较好的相关性。1.4.4呼吸速率的评估方法在装有活性污泥微生物的开放式反应器中，加入过量底物基质，并进行持续曝气，使活性污泥微生物达到最大呼吸速率。当活性污泥混合液的DO达到稳定值时，混合液的氧传质速率等于活性污泥微生物的总呼吸速率，此时，总呼吸速率可由氧传质表示，如式（1-4）所示：OURKDODOttotLas（1-4）式中，OURtot为反应器中活性污泥微生物的总呼吸速率，单位：mg/(L·min)，包含内源呼吸速率OURen和外源呼吸速率OURex；DO（t）为加入过量底物后的平衡溶解氧，作为比较基准的平衡溶解氧浓度，单位：mg/L。此时，加入毒性物质到开放式反应器中，活性污泥微生物的活性将受到抑制，导致呼吸速率降低，造成混合液的氧传质速率大于活性污泥微生物的总呼吸速率。*反应器DO浓度值因此升高，并重新达到平衡，此时的溶解氧为DOt。受抑制*后的呼吸速率OUR可由（1-4）式表达。tot活性污泥微生物的呼吸速率受抑制的程度，可由式（1-5）表示：**OUROURDOtDOttottotI%%%OURDODOttots（1-5）式中：I%为抑制率。*通过监测水体中DO浓度值的变化，从DOt变为DOt，只要知道水体中饱和溶解氧DOs即可获得呼吸速率受抑制的程度。通过呼吸速率受抑制的程度，即可了解活性污泥微生物活性受抑制的程度。此种毒性检测方法主要适用于测试工业废水和市政污水的毒性，可为污水处理厂的运行管理提供参考依据。18\n第1章绪论1.5研究目的、内容和技术路线1.5.1研究目的本研究以在线监测污水处理厂微生物的呼吸速率为目的，以污水处理厂进水为实验对象，应用DO传感器，设计并开发出能够连续监测微生物呼吸速率的仪表，并应用于污水处理厂进水负荷监测，为污水处理厂的工艺运行优化控制提供重要依据。1.5.2研究内容具体研究内容如下：（1）在线呼吸速率仪的原理设计。讨论呼吸速率的测量原理，采用开放式测量方法，研究呼吸速率连续测量的原理模型、参数估值方法以及温度修正方法，设计载体生物膜反应器进行呼吸速率的连续测量。（2）在线呼吸速率仪的开发。硬件设计开发：研究在线呼吸速率仪的功能需求，采用水电分离的理念，设计系统结构、管路系统和电气控制系统。软件设计开发：根据在线呼吸速率仪的系统原理和组成，设计开发系统的程序结构和人机界面，根据实验室运行情况进行调试完善。（3）在线呼吸速率仪的现场调试优化。研究在线呼吸速率仪的影响因素，开展污水处理厂进水的在线监测实验，获得仪表的最佳运行参数。（4）在线呼吸速率仪的应用。进行污水处理厂进水的活性抑制预警应用，考察连续运行的效果；同时研究污水处理厂的工艺过程控制，提出基于在线呼吸速率仪的优化控制策略。1.5.3技术路线图1.6为技术路线图。本研究应用开放式呼吸速率连续测量原理，设计并开发出在线呼吸速率仪，通过分析在污水处理厂的实际运行数据，对仪表进行参数优化，同时获得仪表的性能参数，表明此在线呼吸速率仪用于污水处理厂进水负荷的在线监测中，可以实现负荷突变和活性抑制预警，并提出基于呼吸速率的工艺过程优化控制策略。19\n第1章绪论污水处理厂在线呼吸速率仪的开发与应用在线呼吸速率仪测量和影响分析工艺应用负活优原硬软调现数荷性化理件件试场据突抑控设设开完测分变制制计计发善量析预预策警警略仪器开发仪器性能仪器应用在线监测进水负荷突变及活性抑制预警图1.6技术路线图20\n第1章绪论1.6本章符号表符号含义单位ASM活性污泥模型ASM2D活性污泥2D模型YH异养菌产率系数无量纲KS利用易生物降解底物的半饱和常数mg/LSS易生物降解有机物mg/LXS慢速可生物降解有机物OUR呼吸速率mg/(L·min)SOURat曝气池MLSS的呼吸速率mg/h/gMLSSSOURnmax10%进水加入曝气池的呼吸速率mg/h/gMLSSSOURtox50%进水加入曝气池的呼吸速率mg/h/gMLSSSATP每克干污泥含有三磷酸腺苷的量mg/gMLSSIWA国际水协PID比例-积分-微分RTC实时控制器P-RTC化学除磷优化模块N-RTC硝化优化模块N/DN-RTC硝化/反硝化优化模块ST-RTC污泥浓缩优化模块SD-RTC污泥脱水优化模块DO(t)t时刻的溶解氧浓度mg/LKLa氧传质系数/minDOs饱和溶解氧浓度mg/LDObl平衡溶解氧浓度mg/LOURex外源呼吸速率mg/(L·min)OURen内源呼吸速率mg/(L·min)OURtot总呼吸速率mg/(L·min)I%呼吸速率抑制率无量纲21\n第2章在线呼吸速率仪的原理设计第2章在呼吸速率仪的原理设计2.1呼吸速率测量的原理在线呼吸速率仪是基于开放式呼吸速率测量方法，实现呼吸速率的连续测量。相对于密闭式呼吸速率测量方法，开放式呼吸速率测量方法的反应器更接近曝气池的真实情况，既与大气相通又有人工曝气装置，还没有密闭式反应器的密封问题，加工更容易，能够实现呼吸速率的连续测量。采用开放式呼吸速率测量方法的在线呼吸速率仪，通过连续监测微生物呼吸速率的变化，可以快速了解污水处理厂进水对微生物的呼吸影响，从而判断进水负荷突变情况以及微生物的活性抑制情况。2.1.1内源呼吸速率活性污泥微生物在新陈代谢过程中，没有其他底物基质可利用、仅靠消耗自身细胞内物质的状态，称为内源呼吸状态。此时的呼吸速率即为内源呼吸速率。实际测量中，因无法快速创造这样的环境，故一般把内源呼吸速率定义为：溶液中没有易降解有机物时，单位体积的活性污泥微生物在单位时间内消耗的氧。如1.3.2所述，在开放式反应器内，进行不断曝气，可以使活性污泥微生物进入内源呼吸状态，DO浓度值会维持平衡状态，因没有外源呼吸，内源呼吸速率可用（1-2）式表示。停止曝气后，DO会在内源呼吸作用下逐渐下降，如果忽略大气复氧作用，即KLa=0，内源呼吸速率可用（2-1）式近似表示：dDOtOURendt（2-1）通过获取内源呼吸状态下停止曝气后的DO浓度值，可以获得内源呼吸曲线，对该曲线进行线性拟合，即可获得微生物的内源呼吸速率。2.1.2外源呼吸速率当溶液中含有其他底物基质可被活性污泥微生物利用时，微生物处于外源呼吸状态。仅用于降解底物基质的呼吸速率，称为外源呼吸速率。活性污泥微生物22\n第2章在线呼吸速率仪的原理设计通过外源呼吸进行底物基质的降解过程，就是采用活性污泥技术的污水处理厂去除污染物的过程。底物基质降解后主要分为两部分，一部分用于活性污泥微生物的生长，合成微生物细胞体；另一部分转化为微生物生长所需要的能量。如1.3.2所述，在一直曝气的情况下，活性污泥微生物将会进入内源呼吸状态。然后快速加入少量底物基质，呼吸速率增大，反应器中的DO显著下降。内源呼吸速率在短时间内几乎不变，外源呼吸速率可由式（1-3）表达。由式（1-3）可知，只要测出DO浓度值，并获得KLa和DObl，即可得到外源呼吸曲线。2.1.3总呼吸速率单位体积的活性污泥微生物在新陈代谢和降解底物基质过程中，在单位时间消耗的氧，称为总呼吸速率。总呼吸速率包含了内源呼吸速率与外源呼吸速率。由（1-1）式可得总呼吸速率的公式：OUROUROURtotenexdDOtKDODOtLasdt（2-2）2.1.4连续测量的原理传统的开放式呼吸速率测量方法一般都是采用间歇测量方式，是在开放式反应器中直接加入活性污泥进行呼吸速率的测量，测量时再加入适当的水样。要求反应器具有进、排泥功能和搅拌功能，测量设备比较复杂。本研究对传统的开放式呼吸速率测量方法进行改进，在开放式反应器中放置合适的载体，加入污水处理厂的活性污泥，通过不断的循环曝气进行驯化挂膜。挂膜成功后，即可进行呼吸速率的测量。在污水处理中，生物膜法和活性污泥法都是利用微生物降解去除污水中有机物和营养盐等污染物质。采用生物膜工艺的优点有：增加生物反应池单位体积的生物量，提高水力负荷；在生物膜中能形成好氧区、厌氧区和兼氧区，能同时实现多种功能；脱落的生物膜具有良好的沉降性能；不用担心污泥膨胀；不存在污泥的沉降性能限制。在呼吸速率测量过程中，采用载体生物膜代替活性污泥主要的优点有：（1）同样进水条件下，载体与悬浮相生物群落结构存在相似性；（2）载体的生物量比较稳定，易于就地培养，也易于控制生物量；23\n第2章在线呼吸速率仪的原理设计（3）使用载体，可以在没有活性污泥的管网泵站开展监测；（4）较大的单位体积生物量，可以减少反应器的容积；（5）不需要搅拌功能，通过曝气的搅拌即可；（6）不需要进泥功能；（7）设备相对简单。当反应器中载体成功挂膜后，仪器在运行一段时间后，载体生物膜的生长和脱落将达到平衡，其微生物数量也将达到稳定。此时，如果环境温度、曝气量、循环速度等参数不变，微生物的内源呼吸也不变，反应器内的DO浓度值也稳定在平衡DO浓度值DObl附近，可由式（1-2）计算内源呼吸速率。当含有底物基质的污水连续进入反应器，反应器内微生物立即进入外源呼吸状态。如果该污水稳定，微生物的呼吸速率也将稳定，反应器内的DO将稳定在新的浓度值上。可由式（2-2）计算反应器内微生物的总呼吸速率，由于DO浓度值稳定，d[DO(t)]/dt=0，和内源呼吸的计算一致。上述计算方法需要知道KLa、DOs和实际DO浓度值（内源呼吸状态时为平衡DO浓度值）。由于DOs不容易测量，且理论计算值需要估算清污系数，准确度不高，使得上述方法不容易实现。因为内源呼吸速率比外源呼吸速率更加稳定，测量外源呼吸速率的意义更大，更能够反映污水的负荷情况，所以可以采用式（1-3）测量外源呼吸速率。该计算方法需要知道KLa、DObl和DO(t)，其中KLa和DObl可通过估值测量得到，DO(t)可通过实时测量得到。测量外源呼吸速率，可以反映污水的负荷情况，了解污水对污泥微生物的活性抑制情况，指导污水处理厂的生产运行。同时，计算过程中用到的DObl可以在某种程度上反映内源呼吸的情况，可以了解外源与内源呼吸的比例，为污水处理厂的生产运行提供参考。通过对传统开放式呼吸速率测量方法进行改进，在开放式反应器中放置载体进行驯化挂膜，更改间歇进样为连续进样。通过实时测量反应器中的DO浓度值，以及事先估值测量出的KLa和DObl参数进行呼吸速率的计算，即可实现呼吸速率的连续测量。2.2呼吸速率连续测量的模型在装有活性污泥微生物的开放式反应器中持续曝气，加入过量底物基质，使活性污泥微生物达到最大呼吸速率。当活性污泥混合液的DO达到稳定值DOst时，混合液的氧传质速率等于微生物的耗氧速率，此时，可由式（2-2）推导出最大呼吸速率，即：24\n第2章在线呼吸速率仪的原理设计OURKDODOtotLasst（2-3）式中，DOst为加入过量底物后的平衡溶解氧，作为比较基准的平衡溶解氧浓度值，单位：mg/L。当过量的底物基质消耗完毕后，即进入内源呼吸状态，此时的呼吸速率即为内源呼吸速率可由式（1-2）表示。持续往反应器中加入含有底物基质的水样，活性污泥微生物将持续降解底物基质，呼吸速率因此改变。如果该水样中的底物基质相对稳定，反应器中混合液的DO浓度值将会进入新的平衡状态。所以反应器中的总呼吸速率可由式（2-4）表示：OURKDODOttotLas（2-4）由上式可知，只要测出反应器中DO浓度值，并获得KLa和DOs即可计算总呼吸速率。式（2-4）减式（1-2），可得外源呼吸速率的连续测量表达式，见式（2-5）：OURKDODOttotLabl（2-5）与式（2-4）相似，只要测出反应器中DO浓度值，并获得KLa和DObl即可计算外源呼吸速率。2.3呼吸速率连续测量的参数估值[24]张朝能提出饱和DO计算方法，指出饱和DO受温度和大气压影响，此方法适合淡水的饱和DO计算。所以，清水中饱和DO可根据式（2-6）来计算：P4778.DOfPT32.260（2-6）式中：DOf为清水中饱和溶解氧，单位：mg/L；P为当地实际大气压，单位：mmHg；P0为标准大气压，单位：mmHg；T为水温，单位：℃。由于污水中饱和DO（DOs）小于清水，一般可以由DOf乘以β值进行修正，25\n第2章在线呼吸速率仪的原理设计所以DOs的表达式可表示为：P4778.DOβsPT32.260（2-7）《给水排水设计手册》建议城镇污水处理厂设计采用的清污系数β值为0.85~0.95，所以在线呼吸速率仪对DOs估值可采用β=0.9。关于氧传质系数（KLa）和平衡DO（DObl）的估值，可根据2.1.1章内源呼吸曲线进行估值。曝气使得开放式反应器中活性污泥微生物处于内源呼吸状态，停止曝气后，反应器中的DO开始下降，当下降到一定程度后，重新曝气，此时OURex=0，把式（1-2）代入式（1-1），可得：dDOtKDODOtKDODOLasLasbldtKDOtKDOLaLabl（2-8）DO(t)为实际测量的曲线，据此可计算d[DO(t)]/dt。然后根据式（2-8）对d[DO(t)]/dt~DO(t)进行线性拟合，可以得到线性拟合的斜率s和截距i，根据式（2-8），可得：KsLa（2-9）iDOblKLa（2-10）氧传质系数KLa受很多因素影响，反应器装置确定后，温度的影响较大。邹[29]联沛等研究表明，氧传质系数KLa随温度升高而不断变大。2.4本章小结（1）确定在线呼吸速率仪的测量方法原理。基于开放式测量方法，设计呼吸速率连续测量的方法模型。（2）确定在线呼吸速率仪关键参数的估值方法。对氧传质系数KLa、平衡溶解氧DObl和污水饱和溶解氧DOs进行估值分析，确认估值方法。26\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发第3章在线呼吸速率仪的设计开发3.1在线呼吸速率仪的系统设计3.1.1在线呼吸速率仪的功能设计在线呼吸速率仪通过连续测量微生物的呼吸速率，对污水处理厂的进水负荷进行实时监测，实现负荷突变和微生物活性抑制预警。为实现该功能，设计在线呼吸速率仪完成如下功能：（1）连续测量外源呼吸速率OURex，并显示实时曲线。根据设定的测量间隔，采用Modbus协议，通过RS485接口读取DO传感器的DO浓度值和温度值。每个采样周期，对DO浓度值进行自适应指数滤波，同时对估值好的KLa和DObl参数进行温度修正。然后根据滤波后的数据以及温度补偿后的参数，进行OUR的运算，并在人机界面进行显示、存储以及绘制曲线。（2）外源呼吸速率OURex的变化，在一定程度上反映了污水处理厂进水负荷的变化。通过监测OURex的变化，实现进水负荷突变和微生物活性抑制预警。当OURex增大，说明进水负荷增加；当OURex变小，说明可能是进水负荷减小，也可能是进水负荷中含有抑制微生物活性的物质。在线呼吸速率仪会自动计算最近存储的6个数据的相对标准偏差（RSD），当RSD大于设定的阈值时，即输出进水负荷突变或微生物活性抑制预警。（3）实现氧传质系数KLa和平衡溶解氧DObl的参数估值。当准备好估值水样后，仪器会自动进行反应器排空、进样，并自动进行曝气。当判断RSD小于设定的阈值或达到曝气时间时，仪器会存储DObl并停止曝气。当判断RSD小于设定的阈值或达到停曝气时间时，仪器会存储积分下限（DOmin），并进行10分钟的复曝气过程。此时，仪器会自动按照（3-5）式进行积分运算，直到复曝气过程完成，存储积分上限（DOmax），同时给出估值。（4）实现DO传感器的校准。当进行DO传感器的校准时，需要准备1~2种DO标准样。如果采用一点校准，则把DO传感器放置于DO标准样中测量，当显示的DO浓度值稳定时，输入标准样的值，点击确认按钮即可。如果采用两点校准方式，需要按照上述方法，依次放置于两种标准样中。（5）实现数据的实时传输。仪器测量的呼吸速率可以通过4-20mA模拟信号27\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发进行实时输出。（6）实现数据存储，并方便下载。仪器测量的DO浓度值、温度值、计算的OUR值、估值的KLa和DObl参数等都可以存储于人机界面中，并可以通过U盘下载。3.1.2在线呼吸速率仪的结构设计根据设计功能，设计了在线呼吸速率仪的系统结构，如图3.1所示。图3.1在线呼吸速率仪的系统结构在线呼吸速率仪以PLC（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器）为控制核心，运用水电分离的设计理念，确保电气部分不会因为水路系统的泄露而出现故障，包含图3.1所示的两部分。第一部分为水路系统，包含反应器、管路系统、DO传感器和测量室。由开放式反应器、载体组成反应器模块，确保载体中的活性污泥微生物与底物基质正常反应。由进样泵、排空阀、空气泵和管路组成的管路系统，实现水样、空气的可控连续流动。进样泵和进样管路可以向反应器提供连续水样，空气泵、空气管路和曝气头组成的曝气系统向反应器提供空气，反应器底部的排空阀可通过PLC控制排出反应器内部的水样。DO传感器安装于测量室内，用于测量DO浓度值。测量室与反应器相连，水样经过反应器后即进入测量室，然后再通过排水管正常排出，当需要维护时，可通过测量室底部的排空阀进行排空。28\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发第二部分为电气控制系统，包含PLC控制系统和人机界面。由PLC、继电器、断路器和电源模块组成了PLC控制系统。电源模块把交流电源转换为直流电源，为在线呼吸速率仪提供设备所需的24V、12V和5V直流电源。断路器控制设备电源的通断，当出现过流时可以自动断开。PLC的数字量输出信号，通过继电器控制进样泵、空气泵以及排空阀等实现手动或自动操作，PLC通过RS485接口与DO传感器相连，实现DO信号的采集、处理、参数估值等。由触摸屏组成的人机界面，通过RS485接口与PLC相连，实现数据的传输、显示和存储，还可以显示系统状态，同时实现系统的参数设定和设备的操作。3.2在线呼吸速率仪的硬件集成3.2.1在线呼吸速率仪的水路系统设计在线呼吸速率仪的水路系统如图3.2所示。水样通过进样泵进入装有载体微生物的开放式反应器中，通过设计的反应器溢流堰进行定量，再进入测量室进行DO浓度值测量，最后排出。图3.2在线呼吸速率仪的水路系统开放式反应器是活性污泥微生物降解底物基质的场所，可以模拟污水处理厂曝气池的情况。反应器为圆筒状，内设溢流堰进行定量，有效容积为1.38L，布置有29个边长为15mm的立方体聚氨酯微生物载体。反应器内底部设置曝气头，与空气泵、转子流量计和空气管路组成曝气系统，用于向反应器提供空气，模拟实际生化单元的处理过程。空气泵是型号为ACO-003的电磁式空气泵，最大供气量29\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发为50L/min，由两台交替运行为反应器提供空气，可以通过编程控制开启时间。在空气管路上设计的转子流量计，用于调节和控制气量大小。反应器通过侧壁的底部进样，采用T100系列蠕动泵作为进样泵。进样泵通过进水管线向装填有固定载体的反应器提供连续进水，最大可提供380mL/min的流量。进水流量可以通过进样泵的内部拨码开关进行调整，也可以通过PLC编程控制进水流量。进样泵的持续时间由PLC的数字量输出控制。上述子系统组成一个单元，为系统提供连续可控的水样、空气。水样通过溢流堰溢流到安装有DO传感器的测量室，进行DO的测量。然后通过测量室的出水口排出。在反应器和测量室底部设计有排空阀，采用KLD20-B3型微型电动阀，可控制开启时间，主要用于维护检修时排空反应器和测量室内部的混合液，也可以在参数估值时实现进水的更换。3.2.2在线呼吸速率仪的电气控制系统设计在工业自动化控制和仪表领域，一般把直接发出控制命令的计算机称为上位机，如工业计算机、触摸屏等人机界面，把直接控制设备并获取设备状态的控制器称为下位机，如PLC、单片机等。下位机定期读取设备的状态信息和测量信号，发送给上位机进行显示、存储及传输，操作人员根据上位机显示的信息，进行判断后，通过上位机发送控制命令给下位机，下位机再把控制命令转换成设备的控制信号实现设备的控制。PLC是可编程逻辑控制器，是专为工业环境应用设计的具有数字运算功能的电子装置，具有如下特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强，能够在复杂的工业环境下实现可靠的控制，这是PLC的核心特点；（2）强大的逻辑处理能力，能够实现工业自动控制中的大部分自动控制功能；（3）编程环境简单易学，符合广大工程技术人员使用习惯；PLC广泛应用于工业、交通运输、环保以及服务业等行业，实现基于开关量等顺序逻辑控制、基于位置传感器的位置控制、基于各种工业测量参数的过程控制以及各种数学运算。在线呼吸速率仪的电气控制系统由下位机和上位机组成。下位机是呼吸速率仪的控制核心，采用西门子S7-200系列PLC，型号为S7-224XP，实现泵阀的控制、DO的测量、呼吸速率的运算和估值。上位机是在线呼吸速率仪的人机界面，采用昆仑通态的嵌入式触摸屏，型号为TPC7062Ti，实现测量数据和仪器状态信息的30\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发采集、显示、存储、传输，并实现仪器的操作和参数设定。该PLC有P0和P1两个RS485接口：其中，P0口与DO传感器连接，PLC控制器作为Modbus主站，采用ModbusRTU协议，进行DO和温度测量值的读取，以及DO传感器的设置和校准。因为模拟信号在传输过程中会产生误差，而数字信号传输没有这样的问题，所以采用ModbusRTU数字通讯协议进行通讯，减少系统误差。由于PLC的RS485接口是9针母头，而DO传感器的RS485接口就是A、B两根信号线，通过自制的通讯电缆进行连接，容易把信号线A、B接反，导致通讯错误。实际的通讯调试中，因无法通过PLC观察到设备发送和接收的原始数据，无法确定PLC、DO传感器和通讯电缆的问题所在，可采用安装有串口调试软件的计算机作为辅助的通讯调试工具。如图3.3所示，通过“RS232/485转换模块”把RS485信号转换为RS232信号，即可实现计算机的总线监听功能。通过计算机监听到的数据可以判断通讯问题所在。图3.3RS485Modbus通讯调试示意图P1口与触摸屏连接，采用PPI协议，进行包括DO浓度值、呼吸速率和系统状态等信号的传输，并接受触摸屏的操作指令。由于采用的设备自带通讯电缆，只要参照设备说明即可实现通讯。该PLC有10路数字量输出信号，可以根据呼吸速率的测量要求，通过继电器控制进样泵、排空阀和气泵的启停。该PLC有14路数字量输入信号，作为按钮输入使用，当触摸屏故障时，可以用按钮进行应急操作。31\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发该PLC有2路模拟量输入信号，当DO传感器的输出信号为模拟信号时，可作为DO浓度值和温度的模拟量输入使用。该PLC有1路模拟量输出信号，作为呼吸速率的模拟量输出使用。3.3在线呼吸速率仪的下位机开发在线呼吸速率仪的下位机，使用STEP7MicroWINV4.0作为软件开发平台。该平台采用PLC编程语言实现各种运算控制功能，支持SIMATIC和IEC1131-3指令集。IEC1131-3是由国际电工委员会（IEC）提出，在自控领域软件编程语言的国际标准；SIMATIC指令集是厂家的编程标准。在线呼吸速率仪的软件采用SIMATIC指令集，因为在该PLC上运行SIMATIC指令执行时间通常比较短，指令功能更加丰富。在线呼吸速率仪采用易于理解的梯形图编程，程序由主程序、子程序、中断程序组成。主程序是OB1，PLC在每个扫描周期中顺序执行OB1中的指令代码。以SBR开头的是子程序，只有在主程序调用才会被执行，本程序把呼吸速率仪的主要功能做成子程序，供主程序调用。以INT开头的是中断程序，当中断事件发生时才会被执行。本程序采用Modbus通讯中断和定时中断。Modbus协议库应用Modbus通讯中断程序和预组态的子程序，可以实现准确、高效ModbusRTU通讯。Modbus是一种现场总线协议，采用请求应答协议，是一种单主站多从站的通讯协议，在一个总线上只能有一个主站，最多247个从站。Modbus通讯协议有ASCII和RTU两种传输模式，帧结构见表3.1所示。Modbus通讯协议可以在多种物理层上进行通讯，主要有：RS232接口、RS485接口、以太网。在线呼吸速率仪采用的是ModbusRTU传输模式，硬件接口是RS485。表3.1Modubs传输模式传输模式起始位设备地址功能代码数据CRC校验结束位ASCII1个字符2个字符2个字符n个字符2个字符2个字符RTU3.5个字符3.5个字符8位8位n个8位16位时间时间由于主程序的每个扫描周期不固定，会导致普通的定时器出现定时误差，本程序采用定时中断程序，实现准确定时读取DO读数。3.3.1在线呼吸速率仪的程序结构在线呼吸速率仪的程序结构如图3.4所示。32\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发图3.4在线呼吸速率仪的程序结构上电开机后，仪器进行初始化，默认进入“运行界面”，并且默认“手动”操作模式，进入等待状态。此时，用户可选择“设置界面”进行参数设置，选择“校准界面”对DO传感器进行校准。在“运行界面”的手动模式下，用户可以手动操作进样泵、排空阀、气泵1、气泵2的启停。点击“自动”进入自动模式，准备好水样后，点击“OUR测量”即可进行呼吸速率测量；如果准备好估值水样，可点击“DObl估值”和“KLa估值”进行DObl和KLa参数的估值。在线呼吸速率仪的程序模块见表3.2。33\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发表3.2在线呼吸速率仪程序模块名称类型内容功能处理各种输入信息、切换逻Main(OB1)主程序主循环程序辑状态、调用子程序、输出信号Init(SBR8)子程序初始化设定初始值Modbus数据读取DO_RD(SBR0)子程序读取DO传感器数据及解析排空阀、进样泵控Prepare(SBR5)子程序准备水样制DO_Filter(SBR1)子程序自适应滤波DO数据处理、存储OUR_Cal(SBR6)子程序OUR估值控制DObl和KLa参数估值OUR_M(SBR7)子程序OUR测量控制呼吸速率计算、存储DO_Cal(SBR9)子程序DO校准控制校准DO传感器Timer(INT0)中断程序定时中断程序精确定时采样间隔设置P0口通讯协议、波特MBUS_CTRL(SBR2)库子程序P0口Modbus设置率、校验方式MBUS_MSG(SBR3)库子程序P0口Modbus读写DO传感器数据读写MBUS_M1(SBR4)库子程序--MBUS_M2(INT1)库中断程序P0口中断程序-3.3.2在线呼吸速率仪的DO读取程序子程序DO_RD(SBR0)实现DO传感器数据的读取功能。PLC通过RS485接口的P0口与DO传感器连接，采用ModbusRTU通讯协议。DO传感器读取子程序DO_RD（SBR0）实现了DO浓度值、温度值的读取和存储功能。主程序先调用Modbus协议库的初始化程序MBUS_CTRL，进行P0口的ModbusRTU初始化，设定通讯波特率为“9600”和校验方式为“无校验”。然后调用水样准备子程序Prepare（SBR5）准备水样。该子程序先启动排空阀，定时100s（可设定）后，把反应器中的水样排空，然后关闭排空阀，开启进样泵，把水样泵入开放式反应器中，定时720s（可设定）后，水样充满整个反应器，完成水样准备。准备好水样后，再调用子程序DO_RD（SBR0）读取DO浓度值和温度值，并34\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发存储最新的6个数据。该子程序在正常工作时，每个采样周期（默认6秒，可设定）读取一次数据；当进行DO传感器校准时，每秒读取一次数据。调用Modbus协议库的读写程序MBUS_MSG（SBR3）实现数据读取，读取DO传感器保持寄存器中以40001为起始地址共16个字（即8个浮点数类型的寄存器）的数据。DO传感器的Modbus寄存器信息见表3.3。表3.3DO传感器Modubs寄存器寄存器地址名称数据类型长度描述Oxygen浓度值，40001Float2Concentrationmg/L40003PercentSaturationFloat2饱和度40005TemperatureFloat2温度，℃40007PhaseFloat2相位，角度40009aFloat2保留40011bFloat2保留40013SaltFloat2盐度40015AirPressureFloat2气压由上述程序获取的DO原始数据无法按照PLC浮点数格式进行解析。例如，获取的某DO数据，为4字节浮点数，以十六进制数表示为：312140FF，PLC无法按照此顺序解析出正确的数值。如果把原始数据的高字（3121）、低字（40FF）进行对调，即变为：40FF3121，再通过PLC进行解析，即可得到正确的数据：7.974747，表示水样的DO浓度值为7.974747mg/L，数据正确。这是由于Modbus协议按字传输，该PLC和该DO传感器定义的浮点数高、低字传输格式不一致导致的。因此，该PLC接收该DO传感器的浮点数，使用时需要把高、低字进行对调。同理，如果要发送浮点数，也要把高、低字对调之后再发送。3.3.3在线呼吸速率仪的数据处理程序子程序DO_Filter(SBR1)实现DO浓度值的滤波功能，实现滤波算法的一段程序如下：Network2//如果第一次进入滤波子程序，则不用滤波计算，直接输出DO测量值；//之后每次进行滤波计算：y(n)=0.7x(n)+0.3y(n-1)LDM7.6MOVR0.7,VD6035\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发*RVD0,VD60MOVR0.3,VD64*RVD4,VD64MOVRVD64,VD0+RVD60,VD0上述程序实现的是自适应指数滤波算法，既综合了移动平均法和加权平均法的优点，又不需要进行大量数据存储。如式（3-1）所示。x(n),n,1ynαxn1αyn1,n.2（3-1）式中：x(n)为第n次采样的DO测量值，单位：mg/L；y(n-1)为第n-1次采样的DO滤波值，单位：mg/L；y(n)为第n次采样的DO滤波值，单位：mg/L；α为滤波常数，取值范围0≤α≤1。在线呼吸速率仪采用自适应指数滤波算法对DO原始测量值进行数据处理。自适应指数滤波器采用递归算法，能够避免复杂的运算以及大量的存储空间，在不知道输入信号完整特征情况下，能够自动通过迭代算法适应输入信号的变化，实现最优滤波。在指数滤波方法中，对α取值有如下原则：当滤波对象呈现相对稳定的趋势，应选择较小的α值，一般取α=0.05~0.2；当滤波对象呈现一定的波动，如果长期趋势的变化不大，可选择稍大的α值，一般取α=0.1~0.4；当滤波对象波动比较大，且长期趋势的变化幅度也较大，应选择较大的α值，一般取α=0.5~0.8。根据DO测量值的变化特性以及呼吸速率的功能，初步估计常数α可能的取值为0.5、0.6和0.7。然后根据实际得到的DO原始测量值，分别计算三种α常数下的DO滤波值进行比较。如图3.5所示为10分钟的数据图，从中可以看出：三种α常数获得的滤波曲线，都能够很好的去除波动大的干扰数据；α=0.7的滤波值曲线与DO原始测量曲线最接近，数据失真最少；α=0.5的滤波值曲线与DO原始测量曲线最远，有一定的数据失真。由于较大的α增大了当前测定的权重，减小了历史数据的影响，能够获得较好的拟合效果。36\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发图3.510分钟DO测量值的滤波图形比较在进水负荷监测的实际运行中，获取其中24小时的DO测量值和滤波值数据进行验证比较，如图3.6所示。图3.624小时DO测量值的滤波图形比较从24小时的数据图中可以看出，通过三种α常数得到的DO滤波值，都跟DO原始测量值有着很好的相关性。在较大的时间尺度上，三种α值的自适应滤波并没有明显差别，这是因为大尺度下的波形对应的频率较低，即变化比较缓慢，在α不是很小的情况下，其低通滤波特性相似。进一步获取其中部分数据，见表3.4，比较各滤波值与原始测量值的均方差（MSE），计算公式见式（3-2）。2n1MSEyixini1（3-2）根据上式及表中数据，可以得到：α=0.5时，MSE=0.001347；α=0.6时，37\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发MSE=0.000639；α=0.7时，MSE=0.000279。综上所述，选取α值为0.7是比较合适的。该指数滤波主要满足数据变化较快情况下的需要，可以在不破坏信号变化识别能力的前提下，减少错误数据和系统噪音的干扰。表3.4DO测量值的滤波值比较DO值指数滤波值（mg/L）时间（mg/L）α=0.5α=0.6α=0.711:12:535.975.975.975.9711:12:595.925.9455.945.93511:13:055.865.90255.8925.882511:13:115.825.861255.84885.8387511:13:175.775.8156255.801525.79062511:13:235.775.7928135.7826085.77618811:13:295.715.7514065.7390435.72985611:13:355.665.7057035.6916175.68095711:13:415.625.6628525.6486475.63828711:13:475.585.6214265.6074595.59748611:13:535.545.5807135.5669845.55724611:13:595.545.5603565.5507935.545174MSE0.0013470.0006390.000279PLC采取上述自适应指数滤波算法，对每次采样的DO测量值进行滤波，并存储最新的6个数据，供后续计算RSD值。3.3.4在线呼吸速率仪的连续OUR测量程序子程序OUR_M(SBR7)实现总呼吸速率的连续测量。-1根据（2-5）式进行外源呼吸速率的测量。式中，KLa（默认0.25min）和DObl（默认6.25mg/L）可由系统进行估值得到，也可根据经验自行设定。PLC获取DO传感器的温度值和滤波后的DO浓度值，先根据温度修正KLa和DObl，然后再连续计算外源呼吸速率，并存储最新的6个数据，供后续使用。然后，采用与DO测量值同样的自适应指数滤波方法进行滤波，并存储最新的6个数据，供后续计算RSD值。开始进样和曝气时，呼吸速率的变化比较大，此时波动的呼吸速率无法代表真实的进水负荷。所以，在开始测量呼吸速率时，程序会定时3分钟（可设定）38\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发后开始水样负荷突变预警。当OUR超出变化阈值并持续30s（可设定），则输出给水样负荷突变报警。只有用户确认该报警后，报警才会消除。3.3.5在线呼吸速率仪的OUR参数估值程序子程序OUR_Cal(SBR6)实现在内源呼吸状态下，进行OUR参数KLa和DObl估值功能。显然，如前所述的线性拟合方法，不适合用于PLC在线运算进行参数估值。实际估值时，取污水处理厂出厂水泵入反应器中，连续曝气使其在内源呼吸状态下，计算连续6个DO浓度值的相对标准偏差RSD，当RSD≤0.05时，判断DO浓度值稳定后，此时的DO即为DObl。然后停止曝气，DO会持续下降，当RSD≤0.05时可以判断DO浓度值稳定，此时获取DOmin。再进行复曝气，根据式（1-3），在内源呼吸状态下，OURex=0，则有：dDOtKDODOtLabldt（3-3）对式（3-3）两边进行积分，并整理得：DODOtdtblKLaDOt（3-4）实际通过PLC计算积分时，一般采用近似算法：DOblDOttKLaDODOmaxmin（3-5）在复曝气开始时，每6秒采样一个DO值，计算[DObl-DO(t)]*0.1，1分钟计算10次并累加，累加10分钟后结束，此时的DO浓度值即为DOmax。把累加值、DOmax和DOmin代入（3-5）式，即可计算出近似的KLa。实际上，DObl和KLa受温度影响，而上述估值方法需要一定时间才能完成，无法实现呼吸速率的连续测量。在线呼吸速率仪在设计中，只要获得DObl和KLa与温度的曲线，就能实时对DObl和KLa参数进行温度补偿，实现呼吸速率的连续测量。加入开放式反应器的底物基本消耗完，即反应器内DO浓度值基本恢复到加入底物前的水平。然后，再连续曝气3天，使微生物完全进入内源呼吸状态，此39\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发时的DO浓度值即为平衡DO浓度值（DObl）。继续维持内源呼吸状态，观察DObl和温度随时间的变化，两天的数据如图3.7所示。图3.7DObl、温度值随时间的变化从图中可以看出：温度降低，则DObl升高；温度升高，则DObl降低。根据上述数据将作出DObl与温度的关系图，并进行线性拟合，如图3.8所示。图3.8DObl与温度值的关系由以上分析可知，DObl与温度是线性关系，可表达为：DOaTbbl（3-6）式中：T为温度，单位：℃；a为斜率，在此实验中为-0.269；b为截距，在此实验中为12.987。因为每个应用现场的情况不一样，DObl也不一样，所以a、b的值也不一样，需要根据现场测量的数据得出。在线呼吸速率仪先进行DObl估值，并存储估值完成时的温度，记为DObl(T0)与T0（可根据经验设定），之后每个采样周期读取实40\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发际温度值，并采用式（3-7）对DObl进行温度补偿：aTbDO(T)DO(T)blbl0aTb0（3-7）式中：T0为估值完成时的温度，DObl(T0)为T0温度时的平衡DO浓度值，T为实际测量的温度值，DObl(T)为T温度时的平衡DO浓度值。根据式（2-10），可得：iKLaDObl（3-8）同理，可根据T0温度的氧传质系数KLa(T0)，进行温度补偿得到T温度下的KLa(T)，温度补偿表达式为：aTb0K(T)K(T)LaLa0aTb（3-9）式中：KLa(T0)为T0温度时的平衡DO浓度值，KLa(T)为T温度时的平衡DO浓度值。3.3.6在线呼吸速率仪的DO校准程序子程序DO_Cal(SBR9)实现DO传感器的校准功能。当DO测量不准确时，可选择DO传感器校准功能。此时，PLC每秒读取一次DO浓度值，校准公式见式（3-10）：DOcalaDOorgb（3-10）式中：DO（cal）为校准后DO浓度值，单位mg/L；DO（org）为原始DO浓度值，单位mg/L；a为斜率，无纲量；b为偏差，单位mg/L。可选择一点或两点校准方式。当选择一点校准方式时，把DO传感器放入到装有溶解氧标准样品中（一般为饱和溶解氧），等到读数稳定时，按下确认键，输入标准样品的DO值并按下确认键即可完成校准。一点校准不会改变斜率a，仅改变偏差b。当选择两点校准方式时，会同时改变斜率a和偏差b。3.4在线呼吸速率仪的上位机开发在线呼吸速率仪的上位机采用MCGS嵌入版组态软件，是基于实时多任务系41\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发统（real-timemulti-tasksoperatingsystem）的组态软件，通过模块化组态即可进行应用系统开发。通过采集下位机PLC的数据，可实现人机交互，如：趋势显示、流程控制、报表输出、修改设置以及安全登录等功能。在线呼吸速率仪的人机界面包含：运行界面、系统界面、设置界面、历史曲线界面、校准界面、报警界面和数据导出界面。3.4.1在线呼吸速率仪的运行界面系统开机后立即进入运行界面，如图3.9所示。图3.9运行界面界面主要显示OUR、DO、温度实时测量值和实时曲线，同时显示OUR计算参数DObl和KLa，可根据进样进行手动修改。右边有操作按钮，可进行手、自动切换等操作。手动状态下，可手动操作进样泵、排空阀、气泵1、2的启停。自动状态下，可实现水样准备、OUR测量、DObl估值和KLa估值操作。当出现紧急情况时，可按下“急停”按钮。出现故障报警时，报警条会有报警信息，此时可根据实际情况进行“复位”操作。状态栏让用户清楚了解设备的运行状况。在运行界面底部有8个按钮。7个按钮链接到各个界面窗口，点击相应的按钮即可进入对应的界面窗口，可方便进行各个界面的切换；1个返回按钮链接到运行界面，在任何界面下，点击该按钮，都返回到运行界面。3.4.2在线呼吸速率仪的系统界面点击“系统界面”按钮，即进入系统界面。如图3.10所示，直观地显示在线42\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发呼吸速率仪的水路系统，包含开放式反应器、DO传感器、进样泵、气泵等。各设备的状态会以动画显示，可以直观的看到设备的运行状态，通过闪烁表示设备运行，不闪烁表示设备停止。也可以进行设备的操作，点击对应的设备即可实现设备的启动或停止操作。图3.10系统界面3.4.3在线呼吸速率仪的设置界面点击“设置界面”按钮，即进入设置界面。如图3.11所示，可查看并进行系统的参数设置，包括采样间隔、报警阈值、OUR参数、时间设定等。43\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发图3.11设置界面如果要修改OUR报警阈值改为0.05mg/L，可点击“OUR报警阈值：”右边的输入框，即弹出修改窗口，如图3.12所示。图3.12输入框修改窗口在此窗口输入0.05，点击“确认”即可。如果因误操作进入修改窗口，可点击“取消”按钮放弃修改。3.4.4在线呼吸速率仪的历史曲线界面点击“历史曲线”按钮，即进入历史曲线界面。如图3.13所示，可查看OUR、DO和温度的历史数据。如果要查看更早的数据，可以点击左下方的箭头按钮，移动曲线视图。44\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发图3.13历史曲线界面3.4.5在线呼吸速率仪的校准界面点击“校准界面”按钮，即进入DO校准界面，如图3.14所示。可以进行DO的一点或两点校准，还可以设定盐度和气压参数。如果要校准，先在该界面选择一点或两点校准方式。以一点校准为例，把DO传感器放置于准备好的标准液中，当DO测量值稳定时，点击“第一点确认”按钮，仪器即存储当前的DO，此时把修正值输入到输入框中，并点击“第一点修正值已输入”按钮，即完成一点校准。图3.14DO校准界面45\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发3.4.6在线呼吸速率仪的数据导出界面点击“数据导出”按钮，进入数据导出界面，如图3.15所示。可以查看历史数据，通过点击界面右边的按钮（设置、上页、下页、首页或末页）进行历史数据的浏览。可以把历史数据下载到U盘，每次下载都会存储为逗号分隔文件（CSV），文件后缀为“.csv”，文件名为“OUR”加上下载时的日期时间，例如：“OUR20150427114523.csv”。如果要下载指定范围的历史数据，则要先在界面左下角输入历史数据的时间范围：开始时间和结束时间，然后再点击“下载指定范围数据”按钮进行下载。如果要下载所有的历史数据，则点击“下载全部数据”按钮。如果之前有下载过历史数据，现在只想下载从那之后的历史数据，则点击“仅下载自上次下载之后的数据”按钮。在下载过程中，如果想取消下载，可点击“取消下载”按钮。如果下载完成，会有下载完成提示。图3.15数据导出界面3.5在线呼吸速率仪的问题与调试3.5.1在线呼吸速率仪存在的问题在线呼吸速率仪完成后，在实验室和污水处理厂实际测试过程中，通过数天的运行，发现如下几类问题：46\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发第一类：DO传感器相关问题。DO传感器的响应速度比较慢；安装有DO传感器的测量室容易产生污泥淤积，无法排出，导致测量值产生偏差；目前的管路系统中DO传感器测量室水样流通较慢，影响呼吸速率的测定；测量室的维护量较大。第二类：曝气过程相关问题。曝气头容易堵塞，导致曝气量偏小，无法满足载体微生物的需氧量；交替运行的两台空气泵，所产生的曝气量不一样；反应器的维护量较大。第三类：数据处理相关问题人机交互界面每次导出的数据只有有限，无法实现所有数据一次性全部导出，需要多次操作，较为繁琐。3.5.2在线呼吸速率仪的调试和改进针对实验室和污水处理厂实际测试过程中发现的问题，进行分析总结，对仪器进行了改进：第一类：DO传感器相关问题。DO传感器响应慢的原因是厂家在出厂时设计了较长时间的滤波。解决方法：根据厂家给出的方法重新对DO传感器进行重新设定，减小滤波时间，响应速度有所改善。测量室容易产生污泥淤积的原因是：开放式反应器中，生物膜载体上的活性污泥多，在曝气的作用下会脱落并进入测量室，而测量室没有排空装置。解决方法：在反应器溢流堰设计过滤网，以减少污泥进入测量室；同时在测量室设计排空阀，以便在需要时进行排泥。水样流通慢的主要原因是进样慢，运行一段时间后测量室会淤积污泥。解决方法：调节进样泵的进样速率尽量大，增加测量室排空阀定期进行排空。测量室的维护量较大的主要原因是反应器中的污泥进入测量室。解决方法：在反应器出水口增加过滤装置，减少污泥进入测量室。第二类：曝气过程相关问题。曝气头堵塞原因是因为采用的曝气头偏小，解决方法：更换更大的曝气头。同时增加转子流量计调节气量大小，使曝气可控。两台空气泵的曝气量不一样的原因是：两台空气泵产生的声音大小不一样，声音较大的空气泵有故障，曝气性能稍差。解决方法：更换新的气泵，增加转子流量计实现空气流量的调节和指示。反应器的维护量较大的主要原因是进水比较脏，污泥多。解决方法：在进样47\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发处增加过滤装置，减少颗粒物进入反应器。第三类：数据处理相关问题下载数据繁琐的原因是：下载功能函数一次只能下载6万组数据，当超过6万组的数据要下载时，就需要多次操作。解决方法：编写新的脚本，实现数据的一次性全部导出。3.5.3在线呼吸速率仪的重现性与误差首先，进行模拟污水实验。每天加入20mL浓度为10g（COD）/L的模拟污水，其中两次加入模拟污水的OUR数据如图3.16和图3.17所示：图3.164月27日加入模拟污水的OUR曲线图3.174月28日加入模拟污水的OUR曲线由上图可以看出，4月28日加入模拟污水后，DO浓度比前一天下降更多，呼吸速率更高。这与微生物的生长有关，前一天加入模拟污水，其中的一部分有机物被微生物利用合成新的微生物，使得反应器中生物量X增加。生物量的增加导致内源呼吸速率增大，也使得DObl降低，最大呼吸速率也随之增大。对于产率估计有：48\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发OURtdtY1HCOD（3-11）通过对获得的图形数据进行积分，再根据式（3-11）即可计算出产率系数。在线呼吸速率仪存在一定的系统误差。通过对测量数据进行统计分析，可以分析仪器总体性能，从而了解误差大小。对在线呼吸速率仪进行多次测量后，根据获得的数据，计算多批次水样的平均值和方差，见式（3-12）和式（3-13）。n1xxini1（3-12）2n1Sxixn1i1（3-13）3.5.4仪器的技术参数在线呼吸速率仪的技术参数如下：DO测量范围：0-20mg/LDO测量精度：±0.2mg/L或±1%F.SDO响应时间：T90<60秒DO分辨率：0.01mg/LOUR波动范围：0-1.6mg/L.minOUR测试间隔：可自由设定，默认每6秒测试一个数据DObl波动范围：2-10mg/LDObl测试频率：根据需要进，默认每6秒做一次温度修正KLa范围：0.1-0.6KLa测试频率：根据需要进，默认每6秒做一次温度修正操作温度：0-50℃温度测量精度：±0.5℃温度响应时间：小于10秒温度分辨率：0.1℃电源要求：220VAC≥±10%，50Hz，5A功率：<200W49\n第3章在线呼吸速率仪的设计开发3.6本章小结根据呼吸速率的连续测量方法，设计并开发出在线呼吸速率仪：（1）硬件设计开发。根据在线呼吸速率仪的功能，进行硬件设计，并在实际运行中进行改进完善；（2）软件设计开发。根据在线呼吸速率仪的功能，配合硬件系统，进行PLC控制器和嵌入式触摸屏的编程调试，并在实际测试中进行调试完善。50\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用第4章在线呼吸速率仪的调试应用4.1在线呼吸速率仪的影响因素与性能优化实验室测试完毕后，进入污水处理厂的现场测试。选取北京某污水处理厂进行在线呼吸速率仪的现场测试，连续监测进水的呼吸速率变化，该污水处理厂典型的进、出水水质见表4.1。表4.1进、出水水质（单位mg/L）参数CODBOD氨氮总氮总磷SS进水45020050606250出水（一级B标60208（15）20120准）先把聚氨酯载体用薄纱布包裹放置于曝气池中进行挂膜培养，成功挂膜后取出，立即装入在线呼吸速率仪的反应器开始测试。测试过程中，分别采用不同的载体数量、进样速率和空气泵流量进行呼吸速率的测定。通过数据分析不同情况对呼吸速率测量的影响，从而选取最合适的测试参数。4.1.1水样中SS对呼吸速率测量的影响在反应器中生物膜载体为58颗，曝气量为12L/min，进样速率为152mL/min的条件下，污水处理厂的进水不经过预处理，直接进入在线呼吸速率仪，连续测量4小时的数据。然后清洗反应器和测量室，水样经200μm的过滤膜过滤后再连续测量4小时。DO测量值对比数据如图4.1所示，从28日17:20开始测量未过滤水样，其DO测量值一开始为4.96mg/L，21:20时为0.23mg/L。而从29日中午12：00开始测量过滤后的水样，DO测量值一开始为5.2mg/L，16:00时为0.94mg/L。可以看出，过滤后的水样，初始DO测量值更高，DO测量值的下降速率也更慢。51\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用图4.1水样中SS对DO测量值的影响OUR对比数据如图4.2所示，从28日17:20开始测量未过滤水样，其OUR测量值一开始为0.36mg/L，21:20时为1.50mg/L。从29日中午12：00开始测量过滤后的水样，OUR测量值一开始为0.25mg/L.min，16:00时为1.33mg/L.min。可以看出，过滤后的水样，初始OUR测量值更低，OUR测量值的上升速率也更慢。图4.2水样中SS对OUR测量值的影响根据过滤前后的数据对比，说明水样的SS含有一定的有机物，会影响呼吸速率的测量。4.1.2生物膜载体数量对呼吸速率测量的影响以过滤后的污水处理厂进水为实验对象，在曝气量为12L/min，进样速率为152mL/min的条件下，改变反应器中生物膜载体数量，观察载体数量的变化对测量值的影响。DO测量值对比数据如图4.3所示。载体数量为58颗时，DO初始值为5.26mg/L。52\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用载体数量为29颗时，DO初始值为5.93mg/L。载体数量为15颗时，DO初始值为6.17mg/L。可以看出，生物膜载体数量越少，DO测量值越高。图4.3载体数量对DO测量值的影响OUR测量值对比数据如图4.4所示。载体数量为58颗时，OUR波动范围为0.25~0.38mg/(L.min)。载体数量为29颗时，OUR波动范围为0.08~0.19mg/(L.min)。载体数量为15颗时，OUR波动范围为0.02~0.14mg/(L.min)。可以看出，载体数量越少，OUR测量值越小。图4.4载体数量对OUR测量值的影响这是因为，载体数量越少，反应器内微生物就越少，消耗的氧也就越少，DO也就越高，呼吸速率也就越小。为了使DO和呼吸速率在合适的范围，需要设置合适的载体数量。53\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用4.1.3进样速率对呼吸速率测量的影响取二沉池出水为实验对象，观察进样速率对呼吸速率测量的影响。在曝气量为12L/min，载体生物膜为29颗的情况下，改变进样速率，观察进样速率的变化对测量值的影响。DO测量值对比数据如图4.5所示。进样速率为380mL/min时，在半个小时内，DO测量值从4.37mg/L下降到4.25mg/L；进样速率为152mL/min时，在半个小时内，DO测量值从4.25mg/L下降到3.95mg/L；进样速率为76mL/min时，在半个小时内，DO测量值从3.95mg/L下降到3.6mg/L。可以看出，进样速率越快，DO测量值越高。图4.5进样速率对DO测量值的影响OUR测量值对比数据如图4.6所示。进样速率为380mL/min时，在半个小时内，OUR测量值从0.47上升到0.50mg/(L.min)。进样速率为152mL/min时，在半个小时内，OUR测量值从0.50上升到0.57mg/(L.min)。进样速率为76mL/min时，在半个小时内，OUR测量值从0.57上升到0.66mg/(L.min)。可以看出，进样速率越快，OUR测量值越小。54\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用图4.6进样速率对OUR测量值的影响这是因为测量室中残留的污泥含有微生物，会消耗水样中的DO，从而影响水样中的DO浓度值，使其降低。进样速率越快，测量室的流动也越快，残留的污泥微生物的影响就越小，而且反应器的曝气效果会更快传递到测量室。所以，进样速率越大，DO浓度值就越高，OUR值就越低。为减少影响，真正反映出反应器中的DO和OUR，进样速率应该设定在最大值。4.1.4曝气量对呼吸速率测量的影响取二沉池出水作为实验对象，在生物膜载体数量为29颗，进样速率为152mL/min的条件下，改变反应器中曝气量大小，观察曝气量的变化对测量的影响。DO测量值对比数据如图4.7所示。曝气量为5L/min时，在半个小时内，DO稳定在5.71mg/L；曝气量为8L/min时，在半个小时内，DO稳定在5.47mg/L；曝气量为12L/min时，在半个小时内，DO稳定在5.3mg/L。可以看出，曝气量越大，DO反而越低。图4.7过量曝气量对DO测量值的影响（载体29颗）55\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用这是由于反应器内的固定载体比较多，在过量曝气的情况下造成的。由于过量曝气，氧传质已经达到最大值，不会因为曝气的增大而增大。在过量曝气的情况下，当曝气量较小时，载体中只有部分微生物参与反应，消耗的氧较少，DO较高；当曝气量较大时，大量的气体冲击固定载体，使得更多的微生物参与反应，消耗的氧较多，而氧传质几乎没有增加，DO较低。因此，减少载体数量为15颗，先后用10L/min、5L/min、3L/min和1L/min的曝气量进行曝气，得到如图4.8的数据。图中10L/min、5L/min两条曲线最后重合，半小时后，DO都达到6.4mg/L左右。说明在过量曝气的情况下，两种不同大小的曝气中，反应器内的污泥微生物都参与反应了。从图中的实验数据可以看出，在曝气量较大时，由于曝气量的改变而导致的DO变化也比较小，主要是因为曝气量大，气泡就更大，兼并更剧烈，在水中停留时间短，导致曝气量增大，而氧传质没有相应的增加，增加量变小，DO的增加量也就比较少。图中5L/min、3L/min和1L/min的曲线在逐渐降低，曝气量在3L/min时，在20分钟内，DO从6.42mg/L下降到了5.74mg/L；曝气量在1L/min时，在20分钟内，DO从5.07mg/L下降到了3.97mg/L，还有进一步下降的趋势。说明曝气量减少，反应器内DO随之变小。图4.8曝气对DO测量值的影响（载体15颗）综上所述，在反应器的进样速率应该越大越好，选择380mL/min；生物膜载体应为15颗，以确保载体上的所有微生物都参与反应；曝气量应为5L/min，可避免过量曝气，又能实现充分的搅拌功能。如图4.9所示，为参数优化前的仪器数据曲线。56\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用图4.9参数优化前的数据曲线如图4.10所示，为参数优化后的仪器数据曲线。图4.10参数优化后的数据曲线通过上面的数据曲线对比，可以看出优化后的曲线更加平稳。通过参数优化后，在线呼吸速率仪具有较好的动态响应特性，能够连续测量外源呼吸速率，并实现KLa和DObl参数的估值。4.2在线呼吸速率仪的应用与集成在线呼吸速率仪采用开放式反应器，模拟曝气池的工作环境，测量结果能够反映曝气池系统的运行状态。可用于污水处理厂进水的监测，实现负荷突变和微生物活性抑制预警，以及污水处理厂过程控制与优化运行。4.2.1污水处理厂进水负荷突变和活性抑制预警在线呼吸速率仪在污水处理厂运行了一段时间，对进水监测数据进行分析。如图4.11所示，是北京某污水处理厂6月1~2日的监测数据。设备的参数是：载体数量29颗，进样速率为152mL/min，曝气量12L/min。由于载体数量较多，且曝气量大，导致大量载体微生物参与反应，呼吸速率在逐渐增大，但这并不影响57\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用仪器对进水负荷波动的响应。在2日凌晨3:57，仪器监测到反应器内OUR突然降低，从1.2mg/(L.min)降到了0.87mg/(L.min)。在2日上午9:57，仪器同样监测到OUR突变，从从1.1mg/(L.min)降到了0.86mg/(L.min)。这反应了进水负荷发生较大的波动，导致OUR突然降低，可能是进水负荷突然减小，也可能是进水负荷重含有抑制微生物活性的物质。实际情况是，从1日开始，偶尔会有垃圾渗滤液进入污水处理厂，这次仪器监测到的就是垃圾渗滤液的入侵。污水处理厂的监测设备监测到对应的时间点，进水COD分别从420mg/L上升到793mg/L，从330mg/L上升到627mg/L。图4.116月1~2日实际监测数据如图4.12所示，是6月3~4日的监测数据。设备的参数是：载体数量15颗，进样速率为380mL/min，曝气量5L/min。仪器在3日傍晚19:00做完维护后，于21:56监测到OUR突然降低，OUR在1分钟内下降了0.05mg/(L.min)，表明进水负荷发生突变。污水处理厂的监测设备监测到对应的时间点，进水COD从301mg/L上升到712mg/L。4日凌晨3:44监测到OUR突然降低，在1分钟内，OUR下降了0.12mg/(L.min)，表明进水负荷发生突变。污水处理厂的监测设备监测到对应的时间点，进水COD从345mg/L下降到267mg/L。4日早上6:16监测到OUR突然降低，在1分钟内，OUR下降了0.05mg/(L.min)，表明进水负荷发生突变。污水处理厂的监测设备监测到对应的时间点，进水COD从329mg/L上升到576mg/L。58\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用图4.126月3~4日实际监测数据如图4.13所示，是6月6日到7日的监测数据。设备的参数是：载体数量15颗，进样速率为380mL/min，曝气量5L/min。仪器在6日16:20做完维护后，于20:15监测到OUR突然降低，在1分钟内，OUR从1.51mg/(L.min)降到1.17mg/(L.min)，下降了0.34mg/(L.min)，表明进水负荷发生突变。污水处理厂的监测设备监测到对应的时间点，进水COD从653mg/L下降到261mg/L。图4.136月6~7日实际监测数据在运行期间，人为加入活性抑制剂硫酸铜溶液，浓度为30mg/LCu2+，观察到OUR抑制曲线，如图4.14所示，加入抑制剂之前OUR为1.13mg/(L.min)。在13:40加入硫酸铜溶液，13:45OUR下降到1.04mg/(L.min)，判断出现抑制情况；13:55OUR降到最低0.85mg/(L.min)，然后逐渐恢复，4小时后完全恢复。59\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用图4.14铜抑制曲线根据实际运行数据，可以得出如下结论：（1）在线呼吸速率仪通过监测污水处理厂进水的呼吸速率，可以通过呼吸速率的突变反映进水负荷的突变或微生物的活性抑制。（2）呼吸速率正常的变化速率一般都小于0.05mg/L.min，若呼吸速率的变化大于0.05mg/L.min，可以认为出现异常。不同污水处理厂的限值不一样，可以根据在线呼吸速率仪的实际运行数据设定。如果呼吸速率增大且超过该限值，说明进水负荷突然增大；如果减少且超过该限值，说明进水中可能含有抑制微生物活性的物质或者负荷突然减小。在线呼吸速率仪可以快速反映进水负荷的突变以及对微生物的活性抑制，但无法分析出具体的物质。实验室分析能够分析进水的物质，但耗时较长。采用在线呼吸速率仪配合自动采样器及实验室分析，结合二者的优势，可以组成污水处理厂进水负荷预警系统。当污泥微生物的呼吸速率受未知物质的影响而发生突变，污水处理厂就可以通过在线呼吸速率仪快速了解到此变化，以便在第一时间采取措施进行应急处理。在线呼吸速率仪检测到负荷突变或活性抑制时，输出信号给自动采样器进行采样，通过对保存水样的实验室分析，了解进水指标的具体情况，从而采取更精确的应急处理方式。4.2.2基于进水负荷的污水处理厂过程优化控制对污水处理厂的工艺过程进行优化控制，可以提高污水处理效率，可以实现在稳定达标排放的前提下减少运行中的浪费，达到节能减排。工艺过程优化控制成了国内外学者研究的热点。近年来，国内外的污水处理厂越来越重视工艺优化控制。国外已经有不少工艺优化产品实现了成功应用；国内对污水处理厂的工艺优化控制还处于起步阶段，但也有污水处理厂实现了成功应用。在线呼吸速率仪的测量结果，能够反映污泥微生物的活性和污水负荷情况，60\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用为污水处理厂的工艺运行控制提供了新的手段。基于呼吸速率，可以实现多种工艺优化控制策略。（1）基于呼吸速率的污水处理厂曝气优化控制策略目前，常用的曝气控制是基于DO浓度值的控制，能够控制曝气池的DO浓度值稳定在给定的DO设定值附近。这种控制简单，在一定程度上能够反映实际负荷对曝气量的需求，应用比较广泛。但是，如何给出合适的DO设定值？这就需要具有丰富专业知识的管理者，根据日常运行的管理经验提供。但由于进水负荷不断变化，这种运行方式无法满足日常的管理需求。基于这种情况，研究者们提出了曝气优化控制策略，主要是利用在线分析仪表监测进、出水水质和过程关键参数，并根据活性污泥模型计算合适的工艺参数，优化曝气控制。国外运用比较成熟的有哈希公司的N-RTC控制器，该控制器主要是通过监测进、出水氨氮和污泥浓度等，计算曝气池所需的DO浓度值，再据此控制风机的风量。如图4.15所示，控制器采用前馈+反馈的复合控制方式。其前馈控制主要基于连续监测的进水氨氮值、曝气池的污泥浓度和温度，采用活性污泥模型计算曝气池的DO浓度设定值。由于实际环境不断变化，导致模型假定的参数发生变化，产生不确定性，无法保证出水氨氮稳定达标，增加基于出水氨氮值的反馈控制，消除不确定性的干扰。通过这种复合控制方式来优化曝气控制，结合了前馈模型控制的快速响应特性和反馈控制的可靠性，能够实现较好的曝气控制。图4.15曝气优化控制策略这种复合控制的前馈控制基于氨氮浓度值，主要反映自养菌的作用，但没有61\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用考虑异养菌的作用。如果在上述的前馈模型上考虑异养菌的作用，将使控制模型将更加符合实际情况。在线呼吸速率仪的测量值是自养菌和异养菌共同作用的结果。用于测量污水处理厂的进水，可以监测进水负荷，根据污水处理厂的各构筑物的水力停留时间，预测负荷到达生物反应池的时刻，从而根据上述的前馈模型，预测曝气池所需的DO浓度值，从而确定合适的曝气量。当在线呼吸速率仪监测到进水负荷升高时，可以适当增加曝气量，提高曝气池DO浓度值，减少出水超标的风险；当进水负荷减少时，可适当减少曝气量，减少曝气池DO，减少曝气量的消耗。（2）基于呼吸速率的污水处理厂污泥回流比控制策略当在线呼吸速率仪监测到进水负荷升高时，此时污泥负荷比F/M升高，可适当增加污泥回流，增加生物池的污泥量，使F/M恢复到合理的范围；当监测到进水负荷减少时，F/M降低，可适当减少污泥回流，减少生物池的污泥量，使F/M恢复到合理的范围。污泥回流比的控制配合曝气控制，可以实现更加高效的控制。（3）污水处理厂的污泥龄优化控制策略目前，大部分污水处理厂都是根据曝气池的污泥浓度进行排泥控制。有些是间断排泥，每天通过手动控制排泥泵开启的时间来控制排泥量；有些是连续排泥，通过手动控制排泥泵的流量大小来控制排泥量。间歇排泥会导致：开始排泥时污泥龄下降；停止排泥时，污泥龄上升。连续排泥不会这种情况，但由于进水负荷的动态变化，这种手动控制因无法实时调整而导致污泥龄出现波动。国外有污水处理厂已经开始使用污泥龄优化控制器来控制排泥。主要是通过曝气池温度计算污泥龄，再通过测量曝气池和污泥回流的污泥浓度，在知道曝气池体积的情况下，计算排泥量，实时控制排泥，实现稳定的预期污泥龄。如图4.16所示。62\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用图4.16污泥龄优化控制策略这是以污泥浓度为基础，通过污泥浓度来间接体现活性污泥中微生物的含量，但不能体现活性污泥微生物的活性状态。呼吸速率是活性污泥微生物单位时间的耗氧量，能够反应微生物的活性，可以直观地体现其降解底物基质的能力。呼吸速率包含内源呼吸速率和外源呼吸速率，在活性污泥处理系统中，合理减少内源呼吸的比例，可以提高活性污泥处理效率。当内源呼吸的比例增加时，表明F/M比值减少，可能是由于进水负荷降低导致外源呼吸速率降低，也可能是由于排泥过少导致内源呼吸速率增大，此时适当增加排泥量可以提高污水处理效率，还能够减少氧的消耗。当内源呼吸的比例减少时，表明F/M比值增大，可能是由于进水负荷增大导致外源呼吸速率升高，也可能是由于排泥过多导致内源呼吸速率降低，此时污水处理效果会变差，出水水质可能会超标，适当减少排泥量可以提高污水处理效率。4.3本章小结完成了在线呼吸速率仪在现场的运行测试，通过实验确定了仪器测量值的影响因素：（1）水样中SS的存在会影响呼吸速率的测量；（2）生物膜载体数量越多，OUR越大；（3）进样速率越快，OUR越小；（4）在生物膜载体数量合适且不过量曝气的情况下，曝气量越大，DO越高，63\n第4章在线呼吸速率仪的调试应用OUR越小。通过影响因素实验获得仪器的最佳参数：反应器内生物膜载体为15颗，曝气量为5L/min，进样速率为380mL/min。分析了呼吸速率仪的实际运行数据，结合污水处理厂的监测数据，得出结论：（1）在线呼吸速率仪通过监测污水处理厂进水的呼吸速率，可以通过呼吸速率的突变反映进水负荷的突变或微生物的活性抑制。（2）呼吸速率正常的变化速率一般都小于0.05mg/L.min，若呼吸速率的变化大于0.05mg/L.min，可以认为出现异常。不同污水处理厂的限值不一样，可以根据在线呼吸速率仪的实际运行数据设定。如果呼吸速率增大且超过该限值，说明进水负荷突然增大；如果减少且超过该限值，说明进水中可能含有抑制微生物活性的物质或者负荷突然减小。提出了基于呼吸速率的污水处理工艺优化控制策略。64\n第5章结论与建议第5章结论与建议5.1结论本研究设计开发出基于开放式连续测量方法的在线呼吸速率仪；并通过实验室和现场调试进行完善；同时获取实验室和北京某污水处理厂进水监测的数据；分析了在线呼吸速率仪的性能参数；并提出基于呼吸速率的工艺优化控制策略。得出如下结论：（1）根据基于开放式反应器的呼吸速率连续测量方法，建立呼吸速率连续测量的数学模型，得到外源呼吸速率的计算公式。根据内源呼吸曲线和估值公式，可进行平衡溶解氧DObl和氧传质系数KLa的估值；（2）根据呼吸速率连续测量的数学模型，采用载体生物膜代替常见的活性污泥，设计并开发了在线呼吸速率仪。实现外源呼吸速率的连续测量，采用指数滤波作为数据预处理算法，并确定滤波系数α=0.7；实现关键参数KLa、DObl等的估值，并根据确定的DObl温度表达式，进行KLa和DObl的温度修正。（3）在北京某污水处理厂，研究了各运行参数对呼吸速率的影响：载体数量越多，呼吸速率越大，但过多的载体会导致部分微生物不参与反应；进水流量越快，呼吸速率越小，受残留污泥的影响也更小；过多的载体且过量曝气时，曝气量越大，冲击载体导致更多的微生物发生反应，呼吸速率越大，DO反而越小；合适的载体且不过量曝气，曝气量越大，DO越小。最后确定了较优的运行条件：载体数量15颗，进水流量38mL/min，曝气量5L/min。（4）通过在线呼吸速率仪的测量结果与污水处理厂进水水质数据的比对，当2+COD浓度发生突变时，或者人为加入30mg/LCu溶液作为抑制剂，呼吸速率在5分钟内变化均达到0.05mg/(L.min)。确认了在线呼吸速率仪可以快速响应进水COD浓度的波动，可与进水水质仪表配合，指示进水对微生物的抑制影响。在此基础上，提出基于呼吸速率的污水处理厂工艺优化控制策略。5.2建议在线呼吸速率仪目前还有待进一步研究，从而实现产品化，建议从以下方面进行进一步的研究：65\n第5章结论与建议（1）在线呼吸速率仪的改进。实际运行中获得了良好的效果，但仪器的性能还有待进一步的提高。例如，改进反应器和测量室，进一步减少维护量；改进水路和电气系统，使操作更加简单，功能更加全面。（2）在线呼吸速率仪的最优运行条件。现场获得的较优运行条件，已经取得了较好的运行效果，但如何实现最优的运行条件还有待进一步研究。例如，载体数量和曝气量多种不同组合对OUR的影响。（3）基于呼吸速率的优化控制策略没有机会进行实践。建议进行进一步研究，并进行实践。66\n参考文献参考文献[1]黄伟明,武云志,方闻.在线水质仪表在城市污水厂节能中的应用[J].中国给水排水,2010,26(22):122-124.[2]Sock-HoonKoh,TimothyG.Ellis.ProtocolforEarlyDetectionandEvaluationofInhibitoryWasterwaterUsingCombinedAerobicRespirometricandAnaerobicBatchTechniques[J].WaterEnvironmentResearch,2005,77(7):3092-3100.[3]黄满红,李咏梅,顾国维.活性污泥工艺中污水毒性研究的现状[J].四川环境,2004,23(2):11-13.[4]吉宏.含毒有机废水生物处理前的预处理[J].给水排水,2002,28(3):49-52.[5]徐丽婕,朱五星,邱勇等.开放式呼吸速率法用于ASM2D参数测量[J].中国给水排水,2006,22(7):78-81.[6]杨文娟.废水COD组分SS、XS和SA的表征方法及其应用[博士学位论文].重庆:重庆大学环境工程专业.2009.[7]宋英豪,王凯军,倪文等.以呼吸速率为基础判断活性污泥抑制类型的研究[J].环境保护科学,2008,34(5):7-9,22.[8]宋英豪,王凯军,倪文等.以呼吸速率为基础活性污泥抑制动力学常数的测定研究[J].环境工程学报,2008,2(4):493-497.[9]宋英豪,王凯军,王绍堂.用呼吸速率控制SBR反应时间的基础研究[J].环境污染治理技术与设备,2006,7(4):60-63.[10]JaniqueBergeron,MichaelPaice.Monitoringofactivatedsludgesystemsusingacombinationofspecificoxygenuptakeratesandspecificadenosinetriphosphatemeasurements.WaterQual.Res.J.Canada,2001,36(4):659-685.[11]OlssonG.,CarlssonB.,ComasJ.Instrumentation,ControlandAutomationinWastewater-FromLondon1973toNarbonne2013[J].WaterScienceandTechnology,2014,69(7):1373-1385.[12]OlssonG.,NielsenM.,YuanZ.Instrumentation,ControlandAutomationinwastewaterSystems[M].London:IWA,2005.[13]施汉昌.污水处理技术的研究和发展[J].给水排水,2013,39(2):1-3.[14]邱勇,施汉昌,曾思育等.污水处理厂自动控制系统的全流程策略与方法[J].中国给水排水,2011,27(2):16-19.[15]王国军,陈松乔.自动控制理论发展综述[J].微型机与应用,2000,6:4-7.[16]N.A.Wahab,RezaKatebi,JonasBalderud.MultivariablePIDcontroldesignforactivatedsludgeprocesswithnitrificationandidentification.BiochemicalEngineeringJournal,2009,45(3):239-248.[17]MAYong,PENGYongzhen,WangShuying,etal.FuzzyControlofNitrateRecirculation67\n参考文献andExternalCarbonAdditioninA/ONitrogenRemobalProcess.ChineseJournalofChemicalEngineering,2005,13(2):244-249.[18]ChaiwatWaewsak;AnnopNopharatana;PawineeChaiprasert.Neural-fuzzycontrolsystemapplicationformonitoringprocessresponseandcontrolofanaerobichybridreactorinwastewatertreatmentandbiogasproduction.JournalofEnvironmentalSciences,2010,22(12):1883-1890.[19]邱勇,柯细勇,施汉昌.快速生物活性测定方法的仪器化.环境工程学报,2007,1(3):133-137.[20]施汉昌,柯细勇,张伟等.用快速生物活性测定仪测定活性污泥生物活性的研究[J].环境科学,2004,25(1):67-71.[21]卢少勇,宋英豪,申立贤等.呼吸速率测定研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(8):24-27.[22]施汉昌,张杰远,张伟等.快速生物活性测定仪的发展[J].环境污染治理技术与设备,2001,2(3):87-95.[23]梁怒坤.多氯联苯对水生生物的生态毒性研究进展.山东省农业管理干部学院学报,2009,23(4):155-158.[24]张朝能.水体中饱和溶解氧的求算方法探讨[J].环境科学研究,1999,12(2):54-55.[25]邱勇.快速生物活性测定方法的仪器化与控制策略研究[硕士学位论文].北京:清华大学环境科学与工程系,2003.[26]彭强辉.在线水质毒性监测仪开发研究[硕士学位论文].安徽理工大学化学工程与工艺专业,2009.[27]沈燕飞,张咏,厉以强.水质生物毒性检测方法的研究进展[J].环境科技,2009,22(2):68-72.[28]施汉昌,柯细勇,张伟等.快速生物活性检测仪RBAT的研制[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(12):80-84.[29]黄伟明,武云志,方闻.在线水质仪表在城市污水厂节能中的应用[J].中国给水排水,2010,26(22):122-124.[30]邹联沛,赵洪涛,刘知人等.水质条件对氧传质影响的研究.中北大学学报,2010,31(1):45-49.[31]崔卫华,宋英豪,倪文等.SBR系统中活性污泥内源呼吸速率的研究.环境工程学报,2007,1(4):123-126.[32]孙艳,李若谷,张雁秋.城市污水处理厂活性污泥呼吸速率的研究[J].能源环境保护,2011,25(1):19-22.[33]静贺,邱勇,沈童刚等.城市污水处理厂进水动态特性及其影响研究[J].给水排水,2010,36(8):35-38.[34]庞洪涛,薛晓飞,邱勇等.城市污水化学除磷优化控制技术及工程应用[J].中国给水排水,2014,30(23):16-18.[35]刘大伟,沈文浩.废水处理仿真基准模型BSM1简介[J].广州环境科学,2007,68\n参考文献22(1):11-15.[36]艾海男,卢培利,张代钧等.废水可生物降解COD组分2种表征方法的比较.环境工程学报,2009,3(11):1969-1972.[37]张代钧,艾海男,卢培利等.混合呼吸仪同时表征废水RBCOD和SBCOD组分[J].环境科学,2009,30(8):2293-2296.[38]赵丰,戴兴春,黄民生等.负荷（F/M）对A2/O工艺脱氮影响的研究[J].水处理技术,2009,35(7):59-63.[39]刘大伟,沈文浩.活性污泥法污水处理基准仿真模型的开发及进展[J].中国给水排水,2007,23(20):20-24.[40]谢继荣,王佳伟,蒋勇等.活性污泥法污水处理基准仿真模型的开发及进展[J].中国给水排水,2011,27(21):36-39.[41]黄伟明,武云志.营养盐在线分析仪表在污水处理厂的应用[J].中国给水排水,2014,38(8):30-32.[42]刘礼祥,张金松,施汉昌等.城市污水处理厂全流程节能降耗优化运行策略[J].中国给水排水,2009,25(16):11-15.[43]郭瑾,彭永臻.城市污水处理过程中微量有机物的去除转化研究进展.现代化工,2007,27(1):65-69.[44]邓彪,薛二军,刘文亚.城市污水再生回用的生态毒理问题[J].中国给水排水,2009,25(16):11-15.[45]陶仁诚,郭海峰.传感器动态特性方法研究.中国井矿盐,2006,4:35-38.[46]徐科军,江敦明,殷铭.传感器动态误差修正的若干方法研究.合肥工业大学学报,1997,20(3):1-6.[47]潘涌璋,张志永,师波.磁性载体生物膜反应器处理生活污水的试验研究[J].中国环境科学,2011,31(5):734-739.[48]钟世云,胡艳.塑料在污水处理悬浮载体生物膜工艺中的应用.中国塑料,2004,18(9):84-89.[49]王荣昌,文湘华,景永强等.悬浮载体生物膜反应器修复受污染河水试验研究[J].环境科学,2004,25(增刊):67-69.[50]曹从荣,贾立敏,黄青华等.悬浮载体生物膜反应器研究进展.城市管理与科技,2005,7(3):30-32.[51]朱文亭,颜玲,阎海英等.循环移动载体生物膜反应器的试验研究[J].中国给水排水,2000,16(11):51-54.[52]张常云.自适应滤波方法研究.航空学报,1998,19(7):96-99.[53]夏文辉,刘芬,周雹等.污水处理厂曝气控制研究[J].给水排水,2009,35(1):121-125.[54]王伟,彭永臻,罗奕凯等.传感器技术与污水处理过程控制技术的协同发展现状[J].中国给水排水,2008,24(10):16-20.69\n致谢致谢衷心感谢导师施汉昌教授和环境学院邱勇老师对本人的精心指导。他们的言传身教将使我终生受益。在仪器设计、开发和实验的过程中，得到了田宇心、刘垚、李冰、刘亚兰、张凤英等同学的无私帮助，不胜感激。感谢北控水务集团有限公司庞洪涛高工的热心指导和支持！70\n声明声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。签名：日期：71\n个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果个人简历1980年1月，出生于福建省龙岩市。1999年9月~2003年7月，北方工业大学，自动化专业，本科毕业并获得工学学士学位。2003年7月~2006年4月，北京金自天正智能控制股份有限公司，系统工程师。2006年4月至今，哈希公司，高级应用主管。2009年2月通过工程硕士考试进入清华大学环境学院攻读环境工程专业工程硕士学位至今。发表的学术论文[1]郑波,李俊英,黄伟明,方闻.污水处理厂化验室建设的思考.中国给水排水,2010,26(14):122-130.[2]黄伟明,方闻,MarciaKinley.Sigma流量计在市政排水管网的成功应用,中国给水排水,2010,26(16):148-150.[3]黄伟明,武云志,方闻.在线水质仪表在城市污水厂节能中的应用.中国给水排水,2010,26(22):122-124.[4]郑波,王正琪,黄伟明,胡璇.常见消毒剂分析仪在复合二氧化氯体系中的适用性.中国给水排水,2014,30(6):92-96.[5]黄伟明,武云志.营养盐在线分析仪表在污水处理厂的应用.中国给水排水,2014,30(8):30-32.研究成果邢卫宏,王帆,孙伟,王丽莉,梁静,黄伟明等，矿井提升机深度指示仪，发明专利证书，专利号：ZL200410080074.7672