【摘要】：自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方法和儀器是現(xiàn)代廢水生物處理過(guò)程控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)。自動(dòng)滴定測(cè)量?jī)x被認(rèn)為是一種良好的在線測(cè)量?jī)x器,其開(kāi)發(fā)及應(yīng)用是國(guó)內(nèi)廢水生物處理領(lǐng)域亟待填補(bǔ)的空白。論文開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)滴定測(cè)量系統(tǒng),并與實(shí)驗(yàn)室之前開(kāi)發(fā)的混合呼吸測(cè)量?jī)x進(jìn)行集成,形成一種新型呼吸-滴定測(cè)量?jī)x。設(shè)計(jì)多種試驗(yàn)對(duì)儀器性能進(jìn)行了充分測(cè)試,并在實(shí)驗(yàn)室SBR反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)生物短程脫氮過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制中進(jìn)行了應(yīng)用,得到如下主要研究成果和結(jié)論: (1)自動(dòng)滴定測(cè)量部分主要有反應(yīng)器系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集與保存系統(tǒng)和藥品自動(dòng)投加系統(tǒng)組成。自動(dòng)滴定測(cè)量有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一種是使用1支pH電極測(cè)量系統(tǒng)pH值,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)固定pH值進(jìn)行“定點(diǎn)”滴定,稱為“單pH電極批式滴定測(cè)量法”;一種是使用2支pH電極,分別放在測(cè)量室的入口和出口處,通過(guò)判斷出口pH值和入口pH值的一致性對(duì)測(cè)量室進(jìn)行滴定,命名為“雙pH電極連續(xù)滴定測(cè)量方法”,這種滴定方式是對(duì)第一種的改進(jìn),使用范圍更廣,現(xiàn)實(shí)意義更大。兩種方式的硬件系統(tǒng)組成相同,在LabView平臺(tái)上對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)了兩種應(yīng)用程序。 (2)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的呼吸-滴定測(cè)量軟件提高了所開(kāi)發(fā)儀器的自動(dòng)化程度,降低了滴定測(cè)量和呼吸測(cè)量的操作難度;采用7階中值濾波技術(shù)消除干擾信號(hào)和5階滑動(dòng)均值濾波技術(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,提高了測(cè)量結(jié)果的精度;通過(guò)pH讀數(shù)延遲校正,提高了雙pH電極連續(xù)滴定測(cè)量方法的準(zhǔn)確度。 (3)在清水中通過(guò)人為投加藥品模擬系統(tǒng)質(zhì)子變化,從“總量”一致和“速率”一致兩個(gè)角度設(shè)計(jì)試驗(yàn)評(píng)估了滴定測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度�！翱偭俊币恢略囼�(yàn)結(jié)果顯示:在1L反應(yīng)器中,當(dāng)pH設(shè)定值分別為7.93±0.03,7.5±0.03,7.0±0.03,6.5±0.03,6.0±0.03時(shí),平均滴定誤差除pH設(shè)定值為7.93時(shí)的誤差為負(fù)數(shù)(-9.47%)外,其它均為正誤差,數(shù)值在7.26-11.25%之間波動(dòng),重復(fù)試驗(yàn)的CV在2.41%-4.69%之間;將pH設(shè)定值固定在7.0±0.03,分別在0.5L,1L、2L和3L反應(yīng)器中進(jìn)行滴定試驗(yàn),滴定平均誤差分別為0.52%,3.18%、-5.08%和-9.16%,重復(fù)試驗(yàn)的變異系數(shù)CV在3.86%到5.4%之間。試驗(yàn)結(jié)果表明大反應(yīng)器因動(dòng)態(tài)效應(yīng)顯著,影響測(cè)試準(zhǔn)確度,在較小的反應(yīng)器中,滴定準(zhǔn)確度和精確度均較高。 (4)“速率”一致試驗(yàn)包括兩臺(tái)微量泵互跟蹤滴定試驗(yàn)和蠕動(dòng)泵投加造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的滴定試驗(yàn):兩臺(tái)微量泵互跟蹤滴定試驗(yàn)結(jié)果顯示,滴定總量誤差在-4.16%到2.51%之間,平均誤差為-0.68%,滴定速率平均誤差為0;蠕動(dòng)泵投加造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的滴定試驗(yàn)結(jié)果顯示,pH設(shè)定值為6.5、7、7.5、8和8.5下的滴定速率同投加速率的平均相對(duì)誤差依次是-2.29%、-2.34%、-2.31%、-1.53%和-0.86%,滴定速率幾乎與投加速率重合。這些結(jié)果證明了自動(dòng)滴定測(cè)量?jī)x能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量系統(tǒng)質(zhì)子變化速率。 (5)開(kāi)發(fā)自動(dòng)呼吸-滴定測(cè)量?jī)x的目的是應(yīng)用于廢水生物處理過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)呼吸-滴定測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)活性污泥硝化過(guò)程來(lái)驗(yàn)證兩種滴定測(cè)量方式測(cè)試性能。對(duì)于單pH電極批式滴定測(cè)量方式,在1L的反應(yīng)器中改變NH4+-N濃度分別為1.67、3.33、8.33、16.66和30.00mg/L下實(shí)測(cè)氨氧化量與質(zhì)子產(chǎn)生量的比值與其理論值2的相對(duì)誤差在2.09%~6.34%之間;保持NH4+-N濃度16.66mg/L,在1、2、3和4L的反應(yīng)器中實(shí)測(cè)比值相對(duì)誤差在2.09%~-18.57%之間,隨反應(yīng)器體積增大而明顯增大。反應(yīng)器系統(tǒng)中的碳酸氫鹽和氨鹽緩沖體系,特別是在較大容積反應(yīng)器中的滴定動(dòng)態(tài)效應(yīng)是導(dǎo)致測(cè)試誤差的重要原因。在硝化動(dòng)態(tài)過(guò)程試驗(yàn)中,對(duì)活性污泥硝化過(guò)程定時(shí)取樣、實(shí)測(cè)NH4+-N濃度,比較其與基于HPR或OUR計(jì)算的NH4+-N濃度間的一致程度,評(píng)估自動(dòng)滴定測(cè)量裝置測(cè)試硝化過(guò)程動(dòng)態(tài)的性能。在初始NH4+-N濃度分別為20和25mg/L的間歇試驗(yàn)中,基于OUR計(jì)算的NH4+-N濃度與實(shí)際濃度間的相關(guān)系數(shù)分別為0.9967和0.9972,基于HPR計(jì)算NH4+-N濃度與實(shí)際濃度間的相關(guān)系數(shù)分別為0.9991和0.9992,表明OUR和HPR均能及時(shí)準(zhǔn)確地反映硝化過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。 (6)對(duì)于雙pH電極連續(xù)滴定測(cè)量方式,在NH4+-N底物濃度分別為3、4.5、6、7.5、9和10.5mg/L下,基于OUR和HPR計(jì)算的NH4+-N濃度與實(shí)際濃度間均表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.9982和0.9968,試驗(yàn)結(jié)果顯示,pH、DO、OUR和HPR信號(hào)均能對(duì)硝化過(guò)程結(jié)束點(diǎn)做出明確指示,并且基于OUR和HPR的判斷比DO和pH更加靈敏。 (7)把自動(dòng)呼吸-滴定測(cè)量?jī)x應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室SBR好氧時(shí)段控制上,以實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化脫氮。首先考察了應(yīng)用雙pH電極連續(xù)滴定測(cè)量方式在線測(cè)量HPR的可行性,結(jié)果顯示HPR可同時(shí)用于硝化過(guò)程控制和NH4+-N組分濃度動(dòng)態(tài)估計(jì)。之后采用pH和HPR作為主要控制信號(hào),實(shí)時(shí)控制SBR以實(shí)現(xiàn)短程脫氮。經(jīng)過(guò)約20d的運(yùn)行后SBR內(nèi)的亞硝酸鹽積累率上升到了50%,進(jìn)入了短程硝化反硝化狀態(tài);運(yùn)行約40d后亞硝酸鹽積累率達(dá)到88%并趨于穩(wěn)定,成功實(shí)現(xiàn)了短程硝化反硝化,COD和NH4+-N去除率均在95%以上。 (8)在SBR短程硝化反硝化脫氮工藝穩(wěn)定運(yùn)行近4個(gè)月后,出現(xiàn)了污泥膨脹現(xiàn)象。NH4+-N去除率受到了明顯影響。通過(guò)采取添加新污泥、加大曝氣量、提高體積交換比等措施,污泥膨脹得到了有效控制,約10d后亞硝酸鹽積累率又回到了80%以上,系統(tǒng)運(yùn)行約30d后,系統(tǒng)重新實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化反硝化。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

NOHeNHO322+6 +5→0.5+3 +NO4H3e0.5N2HO222++→+ + + + +→+ 14pi2.8614Y1YCYmS(2.86Y1YSiSXYYXHHHN2HHNO3XNNHHHH + + +→+ 14pi1.7114Y1YCYmS(1.71Y1YSiSX1YYXNHHHN2HHNO3XNNHHHHXHHXNHHHHCYn(1Y)x14pi2.8614Y1YCYm(t ρ + + = +）XHSY1dtdS= ρ圖 1.1 反硝化過(guò)程中質(zhì)子產(chǎn)生/消耗同電子受體利用和底物利用的理論模型圖解（乙酸作為模型組分）（pertersen et al, 2002Fig 1.1 Illustration of the conceptual mode (acetate as model compthat links proton production (or consumption) to electron acceptor and substrate uptake during denitrification of NO3-N to N2ga

用兩種方法解析滴定曲線，第一種是用傳統(tǒng)的終點(diǎn)滴定法來(lái)確法（下文詳述）；第二種是應(yīng)用更加先進(jìn)的數(shù)據(jù)解析技術(shù)，可依數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的簡(jiǎn)單計(jì)算，也可依據(jù)對(duì)完整滴定曲線或?qū)?yīng)緩沖事實(shí)上，不是每次滴定都能產(chǎn)生像圖 1.2 那樣清晰的曲線，由于緩沖體系會(huì)對(duì)滴定曲線產(chǎn)生影響，會(huì)使滴定數(shù)據(jù)的解析更加復(fù)雜07）通過(guò)試驗(yàn)研究量化了 CO2傳質(zhì)對(duì)滴定測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。量技術(shù)的應(yīng)用試滴定曲線，最簡(jiǎn)單的組分測(cè)試方法便是斜率截距法，例如圖 1.僅根據(jù)曲線中兩階段的斜率和截距便可計(jì)算硝化過(guò)程初始 NH大硝化速率 r(Gernaey et al, 1998a)，分別見(jiàn)方程（1.30）和（B2 B1 圖 1.2 典型的硝化過(guò)程滴定曲線圖(Gernaey, 1998a)Fig 1.2 Typical cumulative base addition curve obtainedduring a titration experiment of nitrification process

的滴定測(cè)量?jī)x估污水處理系統(tǒng)的微生物活性已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種呼吸測(cè)量?jī)x和術(shù)為發(fā)展新的生物傳感器提供了基礎(chǔ)(Artiga et al, 2003)。已技術(shù)的傳感器（滴定測(cè)量?jī)x）很多，一般都要包括一個(gè)生物反的傳感器（如 pH 電極，DO 電極以及 ORP 電極等）、裝有起到控制作用的計(jì)算機(jī)軟硬件。元（titration unit）元（也即 Ammonium NitrificationNITA）是最早用于污水處理硝化監(jiān)測(cè)量?jī)x(Massone et al, 1995, 1996,rnaey et al, 1997, 1998)，如圖 1.4 所圖 1.3 堿度隨時(shí)間消耗過(guò)程圖Fig 1.3 Typical alkali consumption course withtime during the experiments

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2802069