一种原位监测活性污泥沉降性能的装置及检测方法

摘要

本发明公开了一种原位监测活性污泥沉降性能的装置及检测方法，包括用于放置样品的舱体以及用于测定分析的超声时域反射仪；舱体内部设有样品停滞区，舱体外设有样品入口和样品出口；样品入口与样品停滞区的顶部连通，样品出口与样品停滞区的侧壁连通；样品停滞区底部设有搅拌装置，样品停滞区的顶部设有超声探头；超声时域反射仪与超声探头信号连接。检测方法包括采样、搅拌、超声处理、数据检测，以30分钟时刻点的纵坐标时间位移作为衡量活性污泥的污泥体积指数的指标得出活性污泥沉降性能。本发明便携装置可以在试验现场测定污泥样品的沉降性能。

说明书

技术领域

本发明属于活性污泥法污水处理装置及方法，尤其涉及一种利用超声时域反射仪原位监测活性污泥沉降性能的装置及方法。

背景技术

活性污泥法是应用最广泛的污水生物处理技术之一，但其易出现污泥膨胀、污泥上浮、污泥泡沫等问题，导致产生出水水质不达标，且污泥处理处置需要添加额外大量的药剂等问题。大多数活性污泥存在的问题可以直观体现在活性污泥的沉降性上。目前针对污泥沉降性能进行检测方法有多种，包括传统的量筒目测法和重量差减法。例如公开号为CN205067282A的专利公开了一种测定污泥沉降比的装置，其装置主要由拍照组件、固定组件、量筒、二维码以及输出组件等组成，其目的是为了提供一种结构简单、测量准确、节省人力的污泥沉降比测量装置，但该方案对活性污泥的性能参数，例如污泥浓度(MLSS)、污泥体积指数(SVI)等无法测定，且在实际操作中仍然需要耗费大量的时间精力。公开号为CN105572001A的专利公开了一种活性污泥沉降浓缩综合性能测定装置及测定方法，在上层腔室中设置用于测定污泥层高度的超声波信号发射传感器和超声波信号接收传感器，以及用于测定污泥浓度值的红外光发射传感器和红外光检测器，因此，可以实现实时测量，但问题是只能测定流经探头间污泥性能，由于活性污泥的相对不均一性，可能得到厚度的结果可靠性需要重新审视。公开号为CN111796552A的专利公开了一种基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置及方法，该装置包括进样/出样装置、观测筒主体、污泥搅拌装置以及成像分析系统。进样/出样装置包括污泥输送管、污泥排出管和PLC控制系统，可实现测量过程的自动取样、分析和排空过程。成像分析由主机以及相应MATLAB控制分析程序构成，可实现长期连续采样过程的数据分析和记录。测量主体由透明观测筒和相应成像装置构成。可实现污水处理过程中污泥沉降性能自动监测，但该方法只能实时监测污泥的沉降比，而对污泥沉降性能中重要指标MLSS和SVI都无法监测。

目前亟需可以实时，便携，快速，无损，精确测定污泥特性的装置和方法，而超声时域反射装置基于超声波反射，通过超声波传播到不均一样品介质边缘引起传播波形及时间变化，可获取被测样本的特异性信息。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种能够有效快速测定污泥体积指数的装置；本发明的第二目的在于提供上述装置进行活性污泥沉降性能测试的方法。

技术方案：本发明的一种原位监测活性污泥沉降性能的装置，包括用于放置样品的样品舱体以及用于测定分析的超声时域反射仪；所述样品舱体内部设有样品停滞区，所述样品舱体外设有样品入口和样品出口；样品入口与样品停滞区的顶部连通，样品出口与样品停滞区的侧壁连通；所述样品停滞区底部设有搅拌装置，样品停滞区的顶部设有超声探头；所述超声时域反射仪与超声探头信号连接。

上述的装置中，通过采用超声时域反射仪可以实现对污泥沉降性能原位无损测定分析，通过设置样品停滞区可以实现对采集的样品的收集，样品停滞区的高度为25～30cm，体积为500mL，材质为玻璃，方便对样品的观测；通过设置搅拌装置实现了对样品的混合与沉淀处理，同时由于搅拌装置的自动控制，还实现了对同一污泥样品多次监测沉降性能，搅拌器搅拌速度为50-100rpm/min，搅拌时间为10-30s。

进一步的，所述超声时域反射仪包括超声发射器和示波器，所述超声发射器的信号输出端与超声探头的信号输入端连接，所述超声发射器的信号输出端与示波器的信号输入端连接。超声发射装置控制超声探头产生超声信号，示波器对于其产生的超声信号进行采集，最终采集的数据信号可以通过控制系统进行储存并显示。

进一步的，所述样品停滞区上设有用于排出气泡的排气管，所述排气管的一端与样品停滞区连通，另一端伸出舱体外部。排气是为了保证样品室内污泥处于稳定沉降状态，减少由于气泡对于超声信号的干扰。

进一步的，所述舱体内还设有用于将样品排空的蠕动泵，所述蠕动泵设置在样品出口与样品停滞区连通的管道上。管蠕动泵转速为200-500rpm/min，管径为0.1-0.5cm。

进一步的，所述样品入口处设置有控制进样速度的球阀，进样速度为10-30mL/min。

本发明还保护一种原位监测活性污泥沉降性能的装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、利用恒流蠕动泵对目标区域的污泥样品进行采集；

步骤二、将采集的污泥通过样品入口输送至样品停滞区，开启搅拌装置对污泥进行搅拌，利用排气管排出样品停滞区内的气体；

步骤三、关闭搅拌装置，开启超声时域反射仪的超声发射器，控制超声探头产生超声信号，对样品停滞区的污泥进行超声信号监测30分钟；示波器对产生的超声信号进行采集，显示对应时间的超声波形变化图；

步骤四、根据不同时间的超声波形变化图获取污泥沉降位移曲线；

步骤五、由污泥沉降位移曲线得到30分钟时刻点的曲线时间位移偏量，并根据拟合公式得出污泥体积指数SVI；

步骤六、测试结束后，通过蠕动泵将样品停滞区内的污泥排出。

进一步的，所述步骤四中，污泥沉降位移曲线制备的具体过程为：获取不同时间的超声波形变化图图谱中目标峰对应的最大时间位移偏量，并以0时刻的偏移量为基准作差，以上述各差值为纵坐标，各差值对应的时间点为横坐标，获取污泥沉降位移曲线。

进一步的，所述步骤五中，拟合公式为采用不同污泥的超声时域检测SVI结果与重量法测定的SVI结果对应并进行线性回归拟合得到；所述的拟合公式为：y＝4.3x+254.3，式中，y表述污泥体积指数，x表示30分钟时刻点的时间位移偏量。

进一步的，所述超声发射器设置的重复频率为10～20Hz，脉冲电阻为10～50Ω，脉冲电压为100～400V，增益为50～60dB，高通滤波为0.03～0.1MHz，低通滤波为1～3MHz。

进一步的，所述步骤三中，示波器采集信号为每2～60s一次。

本发明装置的工作原理是：利用超声时域反射仪对于污泥沉降过程中介质层面的密度以及厚度变化进行监测，可以精确获取不同时间点的污泥沉降过程的密度以及厚度信息，不仅在30分钟内得到传统方法4-5小时的检测结果，还能获得获取污泥的沉降位移曲线，获得污泥沉降过程中的污泥性能信息。

有益效果：与现有技术相比，本发明的具有如下显著优点：

(1)相比传统的污泥检测方法，传统方法需要复杂的测定程序且操作需在室内，本发明提供的装置能够便携在试验现场测定污泥样品的沉降性能；

(2)相比传统的污泥检测法，传统方法需要费时的测定程序(4-5小时)，本发明提供的方法对样品进行测定后的谱图中数据进行数学分析可以快速得到污泥的沉降特性指标信息(30分钟)；

(3)相比传统的污泥检测法，传统方法只能得到终点性数据，本发明提供的方法可提供精确至2秒的污泥沉降过程数据，并可在无人值守情况下得到不同时刻污泥沉降曲线；

(4)相比传统的污泥检测装置，传统方法仅可提供样品的一次性测定，本装置可通过磁力搅拌器实现对同一污泥样品多次监测沉降性能，并且可节约样品；

(5)相比传统的污泥检测法，本发明提供的装置可通过蠕动泵对活性污泥样品进行自由的抽入以及抽出，可快速测定不同的样品。

附图说明

图1本发明的装置结构图；

图2为实施例1检测得到的超声波形变化图；

图3为实施例1对应的污泥沉降位移曲线；

图4为实施例2检测得到的超声波形变化图；

图5为实施例2对应的污泥沉降位移曲线；

图6为实施例3检测得到的超声波形变化图；

图7为实施例3对应的污泥沉降位移曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

参见图1所示的一种原位监测活性污泥沉降性能的装置，包括用于放置样品的舱体1以及用于测定分析的超声时域反射仪10；述舱体1采用不锈钢隔音材质制备，舱体1内部设有样品停滞区8，样品停滞区8的高度为25cm，体积为500mL，材质为玻璃；舱体1外设有样品入口2和样品出口5，样品入口2为漏斗状，用于装盛预先采集的污泥样品；样品入口2处设置有控制进样速度的止回阀13，进样速度为15mL/min；样品停滞区8上设有用于排气的排气管4，排气管4的一端与样品停滞区8连通，另一端伸出舱体1外部；样品入口2与样品停滞区8的顶部连通，样品出口5与样品停滞区8的侧壁连通，舱体1内设有用于将样品排除的蠕动泵6，蠕动泵6设置在样品出口5与样品停滞区8连通的管道上，样品停滞区8底部设有搅拌装置7，搅拌器搅拌速度为75rpm/min，搅拌时间为25s；样品停滞区8的顶部设有超声探头3。超声时域反射仪10包括超声发射器12和示波器11，所述超声发射器12的信号输出端与超声探头3的信号输入端连接，所述超声探头3的信号输出端与示波器11的信号输入端连接。

实施例1

某市政污水存在出水水质不能满足一级(A)的要求，且好氧池存在严重污泥膨胀问题，需要对于污泥特性进行实时监控。

具体步骤为：

1)活性污泥采样

将目标池体划分为3个区域，分别针对每一区域进行采样；采样时采集距离液面0.5m深度的样品，将采集得到的3个样品进行混合；其中，采样时的具体方法如下：利用恒流蠕动泵进行采样，采样时恒流蠕动泵的泵管的进样口放置在预定目标位置，抽取200mL活性污泥样品，采样流量为10mL/min，且每进行完一次采样后，再进行下次采样前均需开启蠕动泵抽取2L左右采样点污水来润洗泵管。

2)样品测定

将本发明反应装置如图1放于平坦地面，将采集的污泥通过样品入口输送至样品停滞区，污泥在样品停滞区内距离顶部2～5cm处停止进样；开启搅拌装置对污泥进行搅拌，利用排气管排出样品停滞区内的气体，关闭搅拌装置，开启超声发射器，控制超声探头产生超声信号，对样品停滞区的污泥进行超声信号监测30分钟；示波器对产生的超声信号进行采集，每隔60s取一次样，显示对应时间的超声波形变化图，具体参见图2；图2中包括了0min～30min的数据，根据图2的波形图，获取每个时间段下的图谱的目标峰对应的最大时间位移偏量，并以0min时刻的偏移量为基准作差，以上述各差值为纵坐标，各差值对应的时间点为横坐标，绘制污泥沉降位移曲线，具体参见图3，由图3可知，随着时间的延长，时间位移偏量逐渐变大，通过污泥沉降位移曲线的变化趋势可以判断污泥沉降速率、分离污染物的性能，具有直观表现污泥沉降速率以及性能结果并且对于污泥沉降分离污染物效果进行直观表达的研究效果。其中，30分钟时刻的纵坐标的值为-7ns，作为衡量活性污泥的污泥体积指数的指标。

制备拟合曲线，拟合曲线是多组不同污泥的超声时域检测结果与传统重量法测定SVI结果一一对应并进行线性回归后得出，具体步骤为：

步骤(1)、对于典型污水处理厂的好氧段活性污泥进行采样并对其进行SVI的测定，重复三次取平均值。

步骤(2)、以相同的污泥，进行本申请的装置的测试，将样品加入样品仓中打开便携超声时域反射仪对其进行30分钟的监测，获得时间位移偏量，重复三次取平均值。

步骤(3)、将两个得到的数据进行对应，采用线性回归方式(拟合方法)，得到拟合公式为y＝4.3x+254.3，式中，y表述污泥体积指数SVI，mL/g，x表示30分钟时刻点的时间位移偏量，ns。

将上述计算得到的-7ns代入公式计算后得出SVI＝224.2(mL/g)，说明了本实施例的样品为严重污泥膨胀。与传统方法对比，本次试验仅需30分钟，而传统方法需要4-5小时，节约了大量时间。

实施例2

某市政污水存在出水水质不能满足一级(A)的要求，且好氧池存在轻微污泥膨胀问题，需要对于污泥特性进行实时监控。

具体步骤为：

1)活性污泥采样

将目标池体划分为3个区域，分别针对每一区域进行采样；采样时采集距离液面0.5m深度的样品，将采集得到的3个样品进行混合；其中，采样时的具体方法如下：利用恒流蠕动泵进行采样，采样时恒流蠕动泵的泵管的进样口放置在预定目标位置，抽取200mL活性污泥样品，采样流量为10mL/min，且每进行完一次采样后，再进行下次采样前均需开启蠕动泵抽取2L左右采样点污水来润洗泵管。

2)样品测定

将本发明反应装置如图1放于平坦地面，将采集的污泥通过样品入口输送至样品停滞区，污泥在样品停滞区内距离顶部2～5cm处停止进样；开启搅拌装置对污泥进行搅拌，利用排气管排出样品停滞区内的气体，关闭搅拌装置，开启超声发射器，控制超声探头产生超声信号，对样品停滞区的污泥进行超声信号监测30分钟；示波器对产生的超声信号进行采集，每隔60s取一次样，显示对应时间的超声波形变化图，具体参见图4；图4中包括了0min～30min的数据，根据图4的波形图，获取每个时间段下的图谱的目标峰对应的最大时间位移偏量，并以0min时刻的偏移量为基准作差，以上述各差值为纵坐标，各差值对应的时间点为横坐标，绘制污泥沉降位移曲线，具体参见图5，由图5可知，随着时间的延长，时间位移偏量逐渐变大，其中30分钟时刻纵坐标-22ns作为衡量活性污泥的污泥体积指数的指标，代入实施例1的拟合公式计算后得出SVI＝159.7(mL/g)，为轻微污泥膨胀。

实施例3

某市政污水存在出水水质不能满足一级(A)的要求，怀疑好氧池存在污泥膨胀问题，需要对于污泥特性进行实时监控。

具体步骤为：

1)活性污泥采样

将目标池体划分为3个区域，分别针对每一区域进行采样；采样时采集距离液面0.5m深度的样品，将采集得到的3个样品进行混合；其中，采样时的具体方法如下：利用恒流蠕动泵进行采样，采样时恒流蠕动泵的泵管的进样口放置在预定目标位置，抽取200mL活性污泥样品，采样流量为10mL/min，且每进行完一次采样后，再进行下次采样前均需开启蠕动泵抽取2L左右采样点污水来润洗泵管。

2)样品测定

将本发明反应装置如图1放于平坦地面，将采集的污泥通过样品入口输送至样品停滞区，污泥在样品停滞区内距离顶部2～5cm处停止进样；开启搅拌装置对污泥进行搅拌，利用排气管排出样品停滞区内的气体，关闭搅拌装置，开启超声发射器，控制超声探头产生超声信号，对样品停滞区的污泥进行超声信号监测30分钟；示波器对产生的超声信号进行采集，每隔60s取一次样，显示对应时间的超声波形变化图，具体参见图6；图6中包括了0min～30min的数据，根据图6的波形图，获取每个时间段下的图谱的目标峰对应的最大时间位移偏量，并以0min时刻的偏移量为基准作差，以上述各差值为纵坐标，各差值对应的时间点为横坐标，绘制污泥沉降位移曲线，具体参见图7，由图7可知，随着时间的延长，时间位移偏量逐渐变大，其中30分钟时刻纵坐标-28ns作为衡量活性污泥的污泥体积指数的指标，代入实施例1的拟合公式计算后得出SVI＝133.9(mL/g)，为轻微污泥膨胀。