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《废水生物处理OUR和HPR测量技术及其应用》可作为相关科研院所、工程设计单位及从事废水处理的科研、工程技术人员和管理人员的参考书，也可作为高等院校环境科学、环境工程、给排水工程、市政工程等与废水处理相关专业的研究生、本科生的参考书。

内容简介

《废水生物处理OUR和HPR测量技术及其应用》是目前国内较全面介绍废水生物处理过程氧利用速率(OUR)和氢离子产生速率(HPR)监测技术与应用**科研成果的专著，力求理论研究与实际应用相结合，反映该领域**研究进展。《废水生物处理OUR和HPR测量技术及其应用》共9章，第1章全面分析OUR呼吸测量和HPR滴定测量技术的发展现状；第2～5章系统介绍OUR和HPR测量系统的开发和技术评估；第6～9章分别介绍OUR和HPR测量技术在硝化过程监测、短程硝化过程控制、活性污泥聚β羟基烷酸酯(PHA)合成过程的模拟与PHA合成量的在线估计以及生物除磷过程监测中的应用。

目　　录

目录 前言 第1章绪论1 1.1问题的提出1 1.2废水生物处理中的呼吸测量技术进展3 1.3废水生物处理中的滴定测量技术进展4 1.3.1滴定测量技术原理4 1.3.2滴定测量技术的应用5 1.3.3滴定测量仪器10 参考文献13 第2章混合呼吸测量仪的开发19 2.1混合呼吸测量原理20 2.2简易混合呼吸仪存在的问题22 2.2.1电极漂移检测与校核22 2.2.2搅拌速度对DO电极测量值的影响22 2.2.3反应器流态差异对电极测量值的影响24 2.2.4电极测量值对SO，1和SO，2的代表性25 2.2.5系统整体恒温26 2.3混合呼吸测量仪硬件系统设计26 2.3.1系统组成26 2.3.2硬件结构26 2.4混合呼吸测量仪软件系统开发28 2.4.1软件程序流程设计28 2.4.2软件开发工具30 2.4.3dSO，2dt的算法32 2.4.4数字滤波32 2.4.5用户界面设计35 2.5新型混合呼吸测量仪的证实38 2.5.1搅拌和流速对电极的影响38 2.5.2电极测量值对SO，1和SO，2的代表性42 2.5.3不存在流态差异42 2.5.4整体恒温43 2.5.5电极漂移检测与校核43 2.6新型混合呼吸测量仪的应用实例43 2.7本章小结45 参考文献45 第3章混合呼吸测量仪的评估48 3.1长期运行稳定性实验49 3.1.1材料和方法49 3.1.2结果与讨论50 3.2基质加标回收实验52 3.2.1材料和方法53 3.2.2结果与讨论53 3.3参数估计实验56 3.3.1材料和方法56 3.3.2结果与讨论58 3.4毒性评价实验62 3.4.1材料和方法63 3.4.2结果与讨论64 3.5本章小结70 参考文献71 第4章自动滴定测量仪的开发74 4.1自动滴定测量仪概述74 4.2自动滴定测量仪硬件系统75 4.2.1数据测量与采集系统78 4.2.2滴定剂自动投加系统78 4.3自动滴定测量仪软件系统开发81 4.3.1软件程序流程设计81 4.3.2用户界面设计84 4.3.3pH读数一致性校验及延迟校正87 4.4本章小结88 参考文献88 第5章自动滴定测量仪的评估89 5.1“总量”一致性试验90 5.1.1材料和方法90 5.1.2结果与讨论90 5.2“速率”一致性滴定96 5.2.1两台微量泵互“跟踪”滴定试验96 5.2.2蠕动泵投加试剂模拟系统质子变化98 5.3活性污泥系统化学计量关系试验102 5.3.1材料与方法102 5.3.2结果与分析103 5.4本章小结105 参考文献106 第6章自动呼吸-滴定测量仪在硝化过程监测中的应用107 6.1应用OUR和HPR监测废水生物脱氮的理论基础107 6.1.1硝化反应的pH和DO变化107 6.1.2反硝化反应的pH变化108 6.2硝化过程动态试验110 6.2.1材料与方法110 6.2.2结果与讨论111 6.3双pH电极连续滴定测量方法的应用115 6.3.1材料与方法115 6.3.2结果与讨论115 6.4自动呼吸-滴定测量装置的优越性119 6.5本章小结119 参考文献120 第7章基于呼吸-滴定测量监控SBR运行实现短程硝化反硝化123 7.1材料与方法125 7.1.1试验用水来源和水质125 7.1.2试验装置125 7.1.3分析测试项目及方法126 7.2SBR全程硝化段的pH、DO和OUR在线监测127 7.2.1pH和DO变化规律127 7.2.2OUR变化规律128 7.3SBR全程硝化段的HPR在线监测129 7.3.1HPR变化规律129 7.3.2HPR用于SBR硝化段的NH+4-N浓度估计130 7.4监测控制SBR运行实现短程硝化反硝化131 7.4.1监测控制策略131 7.4.2SBR短程硝化反硝化的启动132 7.5SBR短程硝化反硝化的稳定性运行133 7.5.1污泥膨胀原因分析134 7.5.2短程硝化反硝化污泥膨胀的控制136 7.6本章小结137 参考文献138 第8章活性污泥同时贮存生长过程中的OUR-HPR测量141 8.1活性污泥同时贮存与生长过程141 8.2同时贮存与生长过程的OUR-HPR响应142 8.2.1材料与方法142 8.2.2不同基质浓度下的OUR-HPR响应144 8.2.3不同投加方式下的OUR-HPR响应148 8.3同时贮存生长过程的OUR-HPR模拟154 8.3.1SSAG-SMP模型154 8.3.2OUR模拟结果158 8.3.3HPR模拟结果160 8.4基于OUR测量估计内部贮存物生长过程参数162 8.5基于OUR-HPR测量在线估计PHA合成量163 8.5.1估计方法164 8.5.2结果与讨论164 8.6本章小结169 参考文献170 第9章呼吸-滴定测量在生物除磷过程中的应用173 9.1生物除磷过程OUR-HPR响应的理论基础173 9.1.1厌氧释磷阶段173 9.1.2好氧/缺氧吸磷阶段175 9.2好氧吸磷过程的OUR响应实验研究177 9.2.1聚磷菌的富集与性能测试177 9.2.2无外源COD条件下好氧吸磷过程的OUR响应183 9.2.3磷酸盐对聚磷菌好氧过程OUR的影响188 9.2.4富集污泥利用外源COD的OUR响应189 9.2.5pH冲击下吸磷过程OUR的响应194 9.3呼吸-滴定测量用于生物除磷反应器的监测与控制196 9.3.1监测厌氧-好氧除磷反应器196 9.3.2基于呼吸-滴定测量控制生物除磷反应器199 9.3.3厌氧-缺氧生物除磷过程的滴定测量201 9.4研究展望202 9.5本章小结203 参考文献204

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在线试读部分章节

　　第1章绪论
　　1.1问题的提出
　　当前，随着我国城市化和工业化进程的快速推进，经济社会发展与生态环境的矛盾日益突出，水环境的整体态势异常严峻和复杂：水资源短缺日益凸显、水体污染危害严重、水土流失形势严峻、水生态持续恶化。作为世界人口大国，我国所面临的水问题也已经从区域性问题发展为流域性和全局性问题。据相关统计，全国有近50%的河流、90%的城市水域受到不同程度的污染。面对严峻的水体污染形势，完善现有污染预防和控制体系，并在社会经济生产和生活中及时有效地实施已经迫在眉睫。
　　严格控制生产和生活污水达标排放是解决我国水污染问题的主要措施。根据国家《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，到2015年，污水处理率进一步提高，城市污水处理率达到85%（直辖市、省会城市和计划单列市城区实现污水全部收集和处理，地级市85%，县级市70%），县城污水处理率平均达到70%。此外，为应对日益严重的水体富营养化现象，控制氮磷排放是关键，脱氮除磷已成为水污染控制中的一项重要任务，新建或升级现有污水处理厂以实现脱氮除磷的深度处理，提高污水处理厂生物脱氮除磷能力和运行水平也成为工作重点之一。所以，城市污水处理厂的高效、安全运行管理和控制策略将是我国今后一段时间需要重点解决的关键科学技术问题。
　　现阶段，我国城市污水处理厂主要采用以活性污泥工艺为主的生物处理法。对废水生物处理过程进行实时监测，获取过程的有用信息，对系统进行模拟仿真研究有助于深入了解微生物代谢机理，进而从根本上改进工艺，促进污水处理工艺向**化方向发展，全面提升废水处理的效率和经济性，达到节能降耗的目的。而过程信息的监测离不开现代化的监测技术和工具。因此，近年来仪表、控制和自动化(instrumentation，controlandautomation，ICA)技术在污水处理领域的重要性越来越明显。ICA技术可为污水处理厂运行带来以下主要优势：①降低系统的运行能耗，保证系统的高效运行；②保证出水水质稳定并满足污水排放标准；③在现有污水处理厂反应器容积下充分提高系统的运行效率，无需改建或扩建污水处理厂就能增加污水处理厂的处理能力。

第1章绪论 
　　1.1问题的提出 
　　当前，随着我国城市化和工业化进程的快速推进，经济社会发展与生态环境的矛盾日益突出，水环境的整体态势异常严峻和复杂：水资源短缺日益凸显、水体污染危害严重、水土流失形势严峻、水生态持续恶化。作为世界人口大国，我国所面临的水问题也已经从区域性问题发展为流域性和全局性问题。据相关统计，全国有近50%的河流、90%的城市水域受到不同程度的污染。面对严峻的水体污染形势，完善现有污染预防和控制体系，并在社会经济生产和生活中及时有效地实施已经迫在眉睫。 
　　严格控制生产和生活污水达标排放是解决我国水污染问题的主要措施。根据国家《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，到2015年，污水处理率进一步提高，城市污水处理率达到85%（直辖市、省会城市和计划单列市城区实现污水全部收集和处理，地级市85%，县级市70%），县城污水处理率平均达到70%。此外，为应对日益严重的水体富营养化现象，控制氮磷排放是关键，脱氮除磷已成为水污染控制中的一项重要任务，新建或升级现有污水处理厂以实现脱氮除磷的深度处理，提高污水处理厂生物脱氮除磷能力和运行水平也成为工作重点之一。所以，城市污水处理厂的高效、安全运行管理和控制策略将是我国今后一段时间需要重点解决的关键科学技术问题。 
　　现阶段，我国城市污水处理厂主要采用以活性污泥工艺为主的生物处理法。对废水生物处理过程进行实时监测，获取过程的有用信息，对系统进行模拟仿真研究有助于深入了解微生物代谢机理，进而从根本上改进工艺，促进污水处理工艺向**化方向发展，全面提升废水处理的效率和经济性，达到节能降耗的目的。而过程信息的监测离不开现代化的监测技术和工具。因此，近年来仪表、控制和自动化(instrumentation，controlandautomation，ICA)技术在污水处理领域的重要性越来越明显。ICA技术可为污水处理厂运行带来以下主要优势：①降低系统的运行能耗，保证系统的高效运行；②保证出水水质稳定并满足污水排放标准；③在现有污水处理厂反应器容积下充分提高系统的运行效率，无需改建或扩建污水处理厂就能增加污水处理厂的处理能力。 
　　氧利用速率(oxygenuptakerate，OUR)和氢离子产生速率(hydrogenionproductionrate，HPR)能将废水生物处理过程的微生物生长、污染物降解、生化反应电子转移等过程联系起来，其变化过程将直接反映污水处理的动态过程，是非常重要的过程变量。呼吸测量法和滴定测量法分别是测量OUR和HPR*有效的技术方法，它们是ICA技术的重要组成部分。单独或联合应用它们开发的在线监控系统应用于污水处理厂的过程控制，既能在技术上满足处理的要求，又能在经济上节省运行费用［1，2］。近年来，对废水生物处理各生物化学反应中氧气利用和/或质子变化的研究不断推进，关于有机碳化学需氧量(COD)好氧降解、硝化过程中氨氮、亚硝态氮的转化过程的氧气利用和/或质子变化［310］，反硝化过程中COD、亚硝态氮及硝态氮等转化过程的质子变化［1113］，以及生物除磷好氧和厌氧代谢过程的氧气利用和/或质子变化的化学计量关系［14］已经取得重要进展。废水生物脱氮的硝化过程是两步生化反应，分别在氨氧化菌（ammoniaoxidizingbacteria，AOB）和亚硝酸盐氧化菌（nitriteoxidizingbacteria，NOB）作用下将NH+4N依次氧化为NO-2N和NO-3N。基于硝化过程消耗氧气和产生H+两个显著特征，呼吸测量和滴定测量被单独或联合用于硝化过程动力学参数估计［4，10，15］、模型校核［9］以及过程控制等［1620］。废水生物除磷是利用一类被称为聚磷菌（phosphorusaccumulationorganisms，PAOs）的微生物过量吸收磷酸盐储存为细胞内聚磷酸盐的能力，通过剩余污泥的排放达到从废水中去除磷的目的。目前，绝大多数强化生物除磷（enhancedbiologicalphosphorusremoval，EBPR）工艺都由厌氧释磷和好氧吸磷两个过程组成。PAOs在厌氧条件下，吸收诸如挥发性脂肪酸（volatilefattyacids，VFAs）的碳源，将其在细胞内储存为碳聚合物聚β羟基烷酸盐（polyhydroxyalkanoates，PHAs）；这些生物转化的能源来于聚磷酸盐的分解和细胞磷酸盐释放，形成PHAs所需要的还原力主要来源于细胞内储存糖原的酵解。厌氧释磷阶段各种物质转化伴随着质子的产生和消耗。在好氧条件下，PAOs能够利用其储存的PHAs作为能源供生物质生长、糖原更新、磷吸收和聚磷储存。好氧阶段不仅因物质转化导致质子产生和消耗，同时还存在氧气的利用。因此，呼吸测量和滴定测量在废水生物除磷过程的研究和工艺的状态监测方面也具有很好的潜力，并且已经有相关的工作报道［10，21，22］。然而，国内在废水生物处理过程的呼吸测量和滴定测量技术和仪器的开发及其应用方面的研究工作比较缺乏，除了这一技术的潜力未被充分认识外，还受限于测量技术和仪器开发方面的不足。西方发达国家在20世纪90年代末期已经开发出废水处理呼吸测量和滴定测量仪器，并在废水生物处理过程监测中取得了大量应用成果。因此，亟待加强该方面的研究，为我国污水处理厂污水处理过程在线监测、优化调控等提供先进、可靠的技术手段。 
　　1.2废水生物处理中的呼吸测量技术进展 
　　呼吸测量就是测量和解析活性污泥OUR的一类技术方法。由于OUR建立了微生物的生长和底物的消耗的直接联系，以OUR为变量可以建立活性污泥系统中各反应底物与微生物之间的定量关系，分析主要反应过程的动态特性［23］，可用于城市污水组分测试和化学计量学、动力学参数识别与校核，以及好氧活性污泥工艺运行状态的监测和控制等。从*初的瓦勃氏呼吸仪发展至今，已经有多种呼吸仪产品，一些具有较高的测试频率，适合于动态瞬变过程研究，而另一些则侧重于总生化需氧量(biochemicaloxygendemand，BOD)的测量。但是，就其基本原理，可以按照被测氧气所在介质的特点划分为测量气相中的氧气浓度和测量液相中的溶解氧(dissolvedoxygen，DO)浓度两个类型［24］。卢培利等对当今呼吸测量技术和仪器的发展进行了较为详细的总结［25］，主要包括： 
　　（1）测量气相中氧气浓度(压力)的呼吸测量技术。这种通过测量气相中氧气浓度(压力)变化来间接反映活性污泥微生物耗氧状况的呼吸测量技术是比较特殊的一类。商业化的仪器如Merit20型呼吸测定仪和Bioscience公司的BI2000型电解质呼吸仪，这类呼吸仪由于自身基本原理的限制使其不可能具有太高的测试频率，一般至少需要几分钟的采样间隔，因此，适用于长期的总BOD的测量，而不适合于动态过程研究。 
　　（2）测量液相中DO浓度的呼吸测量技术。这种技术是用DO电极测量液相中的DO浓度，通过对液相中的DO做物料衡算来得到OUR，在实践中应用*多。根据气相和液相的流动状态，又可以把这类呼吸测量技术分为： 
　　①静态气相静态液相呼吸测量技术，如常用的批式OUR测定仪［2632］。不存在外界的氧气传递使这种呼吸仪的原理简单，但存在可能由于反应器内DO浓度过低而限制微生物活性的问题。因此，这种呼吸设备常用于高基质浓度、低微生物浓度(高S(0)/X(0))的情况。定期重新曝气［33］、通过纯氧或加压来使污泥样品过饱和以获得更高的初始DO浓度［34］以及对混合液更新［35］可以在一定程度上解决DO受限的问题。但由于需要经历预曝气测量这样一个周期，OUR的测试频率较低，不适用于活性污泥动力学研究［36］。 
　　②流动气相静态液相呼吸测量技术。由于避免了氧气的限制，该技术可以用于更高微生物浓度的情况［37］，并缩短试验时间，如比利时Gent大学MicrobialEcology实验室开发的RODTOX(rapidoxygendemandandtOXicitytester)呼吸测量仪［38］。 
　　③静态气相流动液相呼吸测量技术［39］，如荷兰Wageningen农业大学环境技术系开发的RA1000呼吸测量仪［40］。 
　　④混合型呼吸仪［36］，综合了静态气相流动液相和流动气相静态液相两种呼吸测量原理，具有两种呼吸仪的优点而相互弥补了对方的不足：整个系统可以视为动态气相-静态液相呼吸仪，适用于较高微生物浓度而不存在DO限制的危险，两个电极的使用，使其测试频率更高；呼吸室相当于静态气相动态液相呼吸仪。 
　　1.3废水生物处理中的滴定测量技术进展 
　　1.3.1滴定测量技术原理 
　　废水生物处理是一个动态过程，有着多种复杂的物理和生物化学反应，伴随着酸度和/或碱度的产生，其中许多因素都会引发体系内pH的变化［4148］。废水生物处理系统中的pH变化通常与生物反应动力学密切相关。这种关系早已被人们认识，并将测量pH作为废水生物处理系统运行状态监测和控制的重要手段［42］。但是，废水生物反应过程中的pH变化很难换算成产生或消耗的质子的确切数值。寻找一种能准确测量或量化生物过程中质子产生或消耗情况的在线监测方法对深入理解废水生物处理过程机理、模拟过程动力学、进行参数估计及优化工艺运行等有着重要意义。滴定测量被证明是解决该问题的有效方法，它通过向系统中滴定已知浓度的酸或碱溶液以使系统pH稳定在设定值，只要其他过程所导致的质子产生或消耗速率的背景值可以忽略，或者借助其他途径可以确定，所投加酸或碱溶液的总量和投加速率可提供关于废水生物处理系统中生物反应过程质子产生（hydrogenionproduction，HP）或消耗（速率）及生物反应动力学的信息。如果预先设定一个pH（pHsetpoint±ΔpH）范围，当pH不在设定范围内时，便投加酸或碱溶液，使pH恢复至设定范围，同时记录投加的酸或碱溶液的量，便得到酸或碱溶液累计投加量随时间的变化曲线图，即滴定曲线图，见图1.1。当系统pH固定，可避免缓冲强度随系统pH变化的问题［49，50］，当pH变化时，活性污泥混合液的缓冲能力也在变化，因为混合液中存在许多酸或碱的缓冲系统，它们具有依赖于系统pH的缓冲强度。滴定曲线图是滴定测量技术应用的基础，依据中和反应方程、生物过程化学计量学方程、投加的酸或碱溶液的量、滴定曲线的变化规律以及由滴定曲线派生的其他曲线（如缓冲能力曲线）等，可计算出反应中酸度或碱度的消耗量、底物初始浓度、硝化速率等。图1.1典型的硝化过程滴定曲线图［51］ 
　　通常用两种方法解析滴定曲线:**种是用传统的终点滴定法来确定，即斜率和截距法（下文详述）；第二种是应用更加先进的数据解析技术，可依据滴定曲线上有限数据特征点的简单计算，也可依据对完整滴定曲线或对应缓冲能力曲线的模拟。事实上，不是每次滴定都能产生像图1.1那样清晰的曲线，因为污水中存在的多种缓冲体系会对滴定曲线产生影响，会使滴定数据的解析更加复杂。例如，Pratt等通过试验定量研究了CO2传质对滴定测量数据的影响［51］。 
　　1.3.2滴定测量技术的应用 
　　滴定测量被引入废水处理领域*初是用于硝化过程监测［32，52，53］，后来被应用于有机物厌氧降解、反硝化、有机物好氧氧化、甚至EBPR等过程监测［14，17，19，49，50，5457］。滴定测量已经被证明是一种用于监测活性污泥微生物活性的有效工具，特别是pH定点滴定允许获取生物过程的两种重要信息：进水的可生物处理性和生物处理能力［13］。滴定测量和呼吸测量通常被联合应用，众多的研究成果已经证明了这些在线测量工具在废水生物处理领域有着不可估量的应用价值。 
　　1.废水组分测试 
　　基于滴定曲线表征废水组分的*简单的方法是斜率截距法。如图1.1所示的废水硝化过程典型滴定曲线，根据曲线中两阶段的斜率和截距利用方程（1.1）和方程（1.2）可计算硝化过程初始NH+4N浓度

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