厌氧系统

厌氧系统（精选9篇）

厌氧系统 篇1

0 引言

造纸废水按生产工艺主要分3部分:蒸煮黑液、中段废水、纸机网下白水。对于进行碱回收的造纸企业,中段废水的治理是废水处理的重点和难点。制浆中段废水是经黑液提取后的蒸煮浆料在洗涤、筛选、漂白以及打浆的过程中所排出的废水,一般采用厌氧生物处理法对其进行处理,但处理过程中控制对象多且分散,具有大滞后、非线性等特点。针对以上情况,本课题设计了基于S7-300 PLC的中段废水DCS控制系统,并介绍了该厌氧处理工艺,分析了PH值、温度、液位、营养物质等环境因素对厌氧消化过程的影响,结合先进算法提出了一套经济有效的自动控制方案。实际应用效果证明了该方案的有效性。

1 中段废水厌氧处理的控制

1.1 工艺流程

废水在集水井中收集,根据液位变送器测定的液位值控制入水泵的启停,由泵将水通过过滤网导入初沉池,悬浮固体将在这里沉淀,沉淀后的水被泵到冷却塔,在这里水温约从65℃降至38℃,冷却塔里被冷却的水流入均衡池,废水在均衡池进行均质后,被泵入调制池。在调制池里,部分废水将由调制池混合泵进行循环,各药品投加泵向调制池投加药品,废水被“调制”到合适的pH值和成份,以达到理想的生物转化条件。调制好的废水经过热交换器后泵入厌氧反应器。在厌氧消化的过程中有沼气生成,从反应器出来的沼气送往沼气火炬里燃烧。在此转化过程中,厌氧污泥将逐渐增多,生产过程稳定后,当反应器内的厌氧污泥床的高度超过6米时,厌氧污泥由污泥泵泵入厌氧储池储存起来。厌氧处理的工艺流程如图1所示。

在厌氧消化过程中,人们总是竭尽所能地寻求使消化过程快速高效稳定地进行的控制条件。厌氧消化过程的控制因素很多,而主要影响厌氧消化过程的控制因素有:PH值、温度、液位、营养物质。

1.2 调制池废水PH值控制

对于废水厌氧处理过程,PH值是一个非常重要的环境条件,其控制质量的好坏将直接影响污水处理的合格程度。当pH在6.8～7.2时产甲烷菌的活性最高,超出此范围活性随之下降;当pH低于6.2时,产甲烷菌的生长则被明显抑制,而产酸菌的活性仍很旺盛,就可能产生VFA (挥发性脂肪酸)的积聚,导致PH降至4.5～5.0,这种酸化状态对甲烷菌是有毒害作用的。因此,废水在进反应器之前,必须在调制池里调制成适于厌氧反应的最佳pH值,否则会造成颗粒污泥解体、污泥大量流失、装置无法运行等一系列后果。

厌氧调制池的PH值控制原理图如图2所示,调制池入口和出口回流管上均安装有在线pH值检测仪,通过HCL和NaOH投料阀向调制池投加药品调节PH值。

原水PH值与投药量之间的关系受多种因素影响,而且pH调节过程具有严重的非线性、滞后性和不稳定性,简单的PID控制算法由于参数固定,不能完全适应对象的变化,对干扰抑制问题处理不足,使其对pH值的调节无法达到理想的控制效果。因此,我们采用专家控制和串级控制回路相结合的控制方式来控制调制池废水PH值。PH值控制系统结构如图3所示:

系统控制pH值的最佳范围是6.8

1.2.1 串级控制回路的设计

pH值调节过程总是会存在加酸和加碱两个过程,每个调节过程是一个串级控制配合PID的控制方案,两个方案之间要根据入水pH值的高低情况进行协调作用,才能真正达到控制pH值稳定的目的,系统选择不同的两个串级回路协调的控制回路如图4所示。

1.2.2 专家控制系统的设计

(1)经验表格查询法

首先,根据专家经验,我们制定一个输入为e1(k)、e0(k)、F1(k)、F2(k);输出为加酸投料阀门开度V1和加碱投料阀门开度V2的表格作为pH值控制回路的知识库。而且这个知识库具有强大的容错功能,即这个经验数据只有在pH值控制回路的设定值,或者出水pH值超出最佳范围时才使用,使用之后如果不能满足要求,则系统自动根据专家经验整理出来的多项规则进行调节,并且对原有不能满足要求的规则进行修改,通过这种自学习功能以不断完善。

在该pH值调节回路中,pH值在线测量仪的测量范围一般为0～14,但是实际控制系统当中pH值的最佳范围为6.8

(2)专家规则

控制规则的设计是设计专家控制器的关键,前文已经讲过我们采用产生式表示法表示我们获取的这些知识,形式为:“如果…则…”的形式,用机器语言表示为:IF a THEN b,其中,a称为前提,b称为结论。当前提由若干个条件的逻辑积表示时,产生式规则形式为:IF (控制局势)THEN (操作结论)。将输入e1(k)、e0(k)和输出V1、V2进行模糊量化。pH值偏酸加碱过程和pH值偏碱加酸过程的专家控制方案专家规则如表1所示:

在本课题中根据实际情况定出pH值以7.0为最佳值,6.8为最佳下限值,7.2为最佳上限值,6.5为偏酸极值,7.5为偏碱极值。其中6.8

(3)自学习算法

自学习算法是对经验表格的在线完善和补充。由于经验表格的数据只是根据以往经验制作而成,当实际生产中发生变化时,如何使这个经验表格保持最新的数据就是一个非常重要的问题。本文针对这一点设计了pH值控制系统专家控制器的自学习功能,当更为合适的数据出现时,该数据就会替代经验表格中的原始数据,作为新的经验数据供下次查询使用。

1.3 进反应器的废水水温控制

温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一,只有在最适的温度附近,细菌才会表现出良好的反应活性,从而增进反应器的运行效果和降解的速度,尤其是甲烷的形成对于温度有很强的依赖性。最佳温度是37℃,温度高于40℃时,活跃的细菌迅速被破坏,温度每降低10℃就使活性降低50%。

由锅炉来的热水用循环泵泵入换热器热水侧。在热交换器的下游安装一台温度变送器,用来检测进入反应器的水温。通过气动三通调节阀控制流经换热器的热水流量,从而控制水温。为了维持恒定的进反应器废水温度,必须克服各种扰动。引起热交换器出水口温度变化的扰动因素来自于2方面:一是进交换器的废水流量和温度,用D1表示;二是锅炉房来热水温度,用D2表示。进交换器水的流量通过FIC301回路调节稳定。锅炉房来的热水水温发生变化时,它需要通过反应器的热水仓、管壁、废水管道3个容积以后才能影响出水温度θ1变化,这时调节器开始动作调节热水阀门。很明显,从扰动开始到调节器动作白白浪费了一段时间,这段时间里由于热水的扰动已使θ1出现很大偏差,因此我们采用了串级控制,如图7所示。

因为D2的扰动很快能在热水仓温度θ2上表现出来,所以检测θ2通过θC2控制器来调节热水阀稳定θ2,那么调节动作就提前了很多,从而加快了调节速度,改善了调节品质。通过检测θ1送入θC1控制器,该控制器根据θ1的偏差来改变θr2给定值,从而稳定θ1。

1.4 均衡池和调制池液位连锁控制

厌氧处理系统自动运行的前提条件就是要首先确保进入厌氧反应器的水质均匀,流量稳定。为此在进调制池前设有流量控制回路。该控制回路在均衡池配有一台液位变送器,根据要求的液位值来控制调制池供料泵以及均衡池潜液式搅拌器的启停。这个控制回路保证了流量的稳定。因此有必要对均衡池和调制池液位进行连锁控制。

分析工艺条件,总结现场操作人员的经验,根据专家控制的基本思想,可以得到关于均衡池和调制池液位进行连锁控制的规则表,如表2所示。其中:PL1(k)——k时刻均衡池的液位的测量值;P(k)——k时刻调制池的液位的测量值;ALARMH——均衡池的液位高限报警位;ALARML——均衡池的液位低限报警位;RUNM101——均衡池搅拌器启动位;RUNP101——调制池进料泵启动位;a1a2a3 a4 a5 a6——液位的设定值。

1.5 营养物质投加控制

营养物质是厌氧微生物赖以生存的必要条件,在调制池中通过投加磷酸和尿素等营养物质,来维持进反应器废水成分,提供适合厌氧细菌生存的最佳环境。营养物质的投加采用比值控制即可完成,如图8所示,根据进入调制池的废水流量,按照一定的比例计算出营养物质的投加量,来控制加药计量泵。该比例系数的确定则是根据具有代表性的水样试验分析和污泥驯化后得到的。

2 控制系统的DCS硬件组成和软件设计

2.1 硬件组成

本系统是针对中段废水厌氧工艺而设计,整个控制系统的主体题框架由操作管理部分、过程控制部分和现场设备3部分组成,通讯部分用PROFIBUS-DP网,该硬件系统组成结构示意图如图9所示。

(1)操作管理站部分:由2台P4/2.4G/256M/80G/19纯平的工业控制计算机构成,一台作为工程师站(ES),另一台作为操作员(OS)站。编程软件采用STEP7 V5.2 SP1,主要完成系统的保护、数据采集及控制回路的编程等工作,组态软件采用Wincc V6.0版本,主要执行现场数据的在线显示、被控量的历史趋势显示、PID参数设置及控制、打印报表等功能。

(2)分散过程控制装置部分(即控制柜):主控制柜采用的是S7-400系列的模块,包括1块CPU412-2DP、1块电源PS～407(10A)、1块S7-400底板、1块400后备电池、1M的FLASH闪存卡、2块ET200M以及SM-331模块、SM-332模块、SM-321模块和SM-322模块。

(3)通信系统部分:操作管理级工程师站与操作员站之间、过程控制级与操作管理级之间都通过PROFIBUS-DP电缆连接,电缆一端接在CPU412-2DP的DP口上,另一端与操作员站主机上的CP5611通信卡相连接,CPU412-2DP网络的通讯速率设为1.5Mbps。

2.2 系统软件设计

软件设计包括下位机PLC编程和上位机编程。下位机PLC编程软件采用STEP7V5.2 SP1版本开发平台,程序主要包括采样和滤波子程序,主要用于对温度、压力、液位以及PH值等信号进行采集;上位机编程软件采用WinCC V6.0 SP1版本开发平台,主要完成现场数据在线显示、工艺报警、打印报表、PID参数设置等功能。WinCC具有良好的用户界面和强大的数据库功能。该课题的Wincc设计如图10～11所示:

3 小结

本课题设计的中段废水厌氧控制方案已在河南舞阳某造纸厂中段水处理工段的厌氧处理控制系统中成功采用。当进水维持在流量为1700 m3/day,COD浓度为2058 mg/L,COD负荷为3500 kg/day附近,进反应器水温维持在35℃左右,PH值维持在6.9～7.1之间时,系统COD去除率可以保持在48～52%,气体产率高达233 L/kg,其中CH4的含量约为65～80%,CO2的含量约为20～35%的。每天大约0.875 m3/d的厌氧污泥产生。系统运行稳定,安全可靠,达到了设计要求。

摘要：文章针对制浆中段废水的特点提出了一套结构简单、应用效果良好的废水厌氧处理过程控制方案。在对典型的中段废水厌氧处理工艺及厌氧消化过程主要影响因素进行分析的基础上，着重阐述了先进控制算法在废水厌氧处理过程中的应用情况。

关键词：中段废水,厌氧,专家控制

参考文献

[1]王孟效，孙瑜，汤伟，张根宝．制浆造纸过程控制系统及工程[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[2]施英乔，丁来保，李苹等．高得率制浆(APMP)废水厌氧-好氧处理的研究[J]．广东造纸，2000(3)：21．

[3]李刚，杨立中，欧阳峰．厌氧消化过程控制因素及PH和Eh的影响分析[J]．西南交通大学学报，2001，36(5)：518-521．

[4]杨翠容，庞全，张玉清．智能PH控制及在化工过程控制中的应用[J]．自动化仪表，1999，20(8)：34-36．

[5]金以惠．过程控制[M]．北京：清华大学出版社，1993：103-146．

厌氧系统 篇2

介绍内循环(IC)厌氧反应器的`发展、基本结构、运行机理.分析该反应器的工艺过程,指出该工艺具有处理效率高、抗冲击能力强等优点.针对IC反应器存在的缺陷,人们对该反应器进行技术改进:通过提高它的内循环的气量进行处理低浓度有机废水;增加外循环装置缩短IC反应器的启动周期.

作 者：甘树福 徐文彬 王国胜 刘玲 GAN Shu-fu XU Wen-bin WANG Guo-sheng LIU Ling  作者单位：广东工业大学环境科学与工程学院,广东,广州,510006 刊 名：水资源保护  ISTIC PKU英文刊名：WATER RESOURCES PROTECTION 年，卷(期)： 22(2) 分类号：X703 关键词：内循环厌氧反应器   厌氧生物处理   水力模型  

厌氧系统 篇3

微生物在厌氧段吸收废水中的短链脂肪酸(SCFA)合成胞内聚合物PHA,主要包括PHB、PHV和PH2MV,到了低氧段,系统内缺乏外碳源时,还原态胞内PHA可被氧化,为反硝化和吸磷过程提供能源和碳源。以乙酸作为单独碳源的SBR1中厌氧段合成了较多的PHB,而以丙酸/乙酸混合酸作为碳源的SBR2～SBR4中厌氧段合成的PHV较多。随着丙酸/乙酸碳摩尔比的提高,PHB的合成量在逐渐减少,这可能会对低氧段PHB的降解产生一定的影响。

以低氧段PHB为因变量,以低氧时间t为自变量进行拟合。PHB浓度随时间t呈指数降低,且两者的相关系数R2均大于0.90。拟合结果可得式(1)。

式中:t———低氧曝气时间,h;

C0———低氧始反应器中PHB浓度,mmol/L;

Ct———低氧曝气t时刻的PHB浓度,mmol/L;

k2———PHB降解速率常数,h-1。

图2四个SBRs中低氧始PHB浓度和低氧降解速率常数的关系

式1表明,低氧2 h内PHB的降解符合一级动力学规律,且有很好的相关系数(R2>0.90)。Dircks等[1]人的研究结果表明,活性污泥系统中乙酸的异养转化主要合成为PHB,且PHB的降解模式依赖于低氧初始PHB的浓度,短泥龄系统中PHB降解得较快。在厌氧-低氧生物除磷脱氮反应器SBR1～SBR4中,无丙酸投加的SBR1中PHB浓度最高,且明显高于其它3个SBRs中低氧始的PHB浓度,随着丙酸/乙酸比例的增加,低氧始PHB浓度不断降低,而4个反应器中PHB降解速率常数k2分别为0.5153、0.4632、0.4043和0.2287,同样呈下降的趋势。研究表明随着丙酸/乙酸碳摩尔比的提高,PHB的厌氧合成量愈来愈低,从而PHB低氧初始浓度也逐渐降低,最终导致PHB的低氧降解速率愈来愈慢。

2 低氧段PHV降解动力学

本文的研究结果表明:以乙酸为独立碳源的SBR1系统中厌氧段合成的占主导的胞内碳源为PHB。而随着进水中丙酸的加入,系统合成的胞内聚合物PHA中由PHB量占主导变为PHV量占主导地位,且当进水丙酸/乙酸碳摩尔比提高时,PHA中PHV所占比例也逐渐增大,从而引起系统除磷脱氮效果的变化。因此,研究PHV的代谢特征是提高系统除磷脱氮效果的有效途径。迄今为止,国内外文献中未见有关PHV降解动力学的报道。

由图1可知,PHV随低氧时间t而呈指数降低,且两者显示出良好的相关性(R2>0.90)。以PHV浓度为因变量,以低氧时间t为自变量进行拟合,得出低氧曝气2 h内PHV降解的动力学方程(式(2))。

式中:t———低氧曝气时间,h;

C0———低氧始反应器中PHV浓度,mmol/L;

Ct———低氧曝气t时刻的PHV浓度,mmol/L;

k3———PHV降解速率常数,h-1。

从式（2）可以看出，PHV低氧2 h内的降解也同样符合一级动力学规律。而图2显示，当碳源从乙酸改变为丙酸和乙酸混合酸时，PHV低氧始浓度增加，其降解速率常数也增大（k3从0.3844增加到0.5),PHV低氧降解速率加快。随着进水丙酸/乙酸碳摩尔比的继续提高，PHV低氧始浓度仍在增加，PHV降解速率常数则呈现出减小的趋势（k3分别为0.5、0.4708和0.4546),PHV的降解速率在不断降低。此时，PHV的降解速率常数与氨氮的低氧降解速率常数较为接近。

从一级动力学降解速率常数的对比分析中可以发现:在SBR1～SBR4中,随着低氧时间的延长,PHB的降解速率常数k2与氨氮的降解速率常数k1相差较大,而PHV的降解速率常数k3则与氨氮的降解速率常数k1比较接近。而与PHV相比,PHB很可能是一种快速氧化的内碳源,在相同浓度的条件下,其降解速率常数k2远大于PHV的降解速率常数k3。

接下来根据试验结果进一步分析NH4+-N、PHB和PHV在DO浓度为0.15 mg/L～0.55 mg/L时的氧化速率。在低氧曝气2 h内,4个SBRs中NH4+-N的氧化速率基本相同,分别为0.370、0.370、0.370和0.365 mmol/(L h);PHB的氧化速率差别很大,而且是随着丙酸/乙酸碳摩尔比的提高逐渐降低的,分别为0.500、0.220、0.160和0.085mmol/(L h);PHV的氧化速率也有很大区别,分别为0.187、0.301、0.323和0.336 mmol/(L h)。

综上所述,PHB和PHV是PHA的主要组成成分,也是低氧段同时反硝化的主要碳源,同时除磷脱氮系统脱氮效果的优劣也是由PHB和PHV的低氧降解速率来决定的。随着丙酸/乙酸碳摩尔比的提高,PHB的厌氧合成量减少,PHB低氧氧化速率不断减慢,PHB低氧降解速率常数逐渐减小。当由纯乙酸作为碳源改变为丙酸和乙酸混合酸为碳源后,PHV的降解速率常数随丙酸的加入而增大,其低氧氧化速率也在提高;然而当丙酸/乙酸碳摩尔比继续提高时,PHV低氧降解速率常数并未随浓度的继续增大而加快,相反却呈现逐渐降低的趋势,而PHV低氧氧化速率则略有提高。通过对两种主要的内碳源PHB和PHV降解速率常数和低氧氧化速率的比较,发现PHV的降解速率常数和低氧氧化速率均与低氧NH4+-N降解速率常数和氧化速率接近,而PHB与NH4+-N相比则差距较大。

因此通过动力学的讨论可以证明,随着丙酸/乙酸比例的提高,PHV的合成量也在不断增加。PHV是一种更加慢速氧化的内碳源,在相同浓度的条件下,其降解速率小于PHB,从而减慢碳源被氧气直接氧化的速率,而氨氧化过程也是一较慢的化学反应过程,PHV的氧化速率更接近于低氧氨氧化速率,从而有利于低氧段反硝化持续进行对碳源的需求,使得丙酸/乙酸比例较高的厌氧-低氧SBR系统获得较佳的除磷脱氮效果。

结论

通过对厌氧-低氧生物除磷脱氮系统的动力学研究,可得出如下结论:

通过对内碳源PHB和PHV降解速率常数和低氧氨氧化速率的比较,发现PHV的降解速率常数和低氧氨氧化速率均与低氧NH4+-N降解速率常数和氧化速率接近,而PHB与NH4+-N相比则差距较大。通过对PHA和氨氮低氧降解动力学的研究发现:PHV是一种更加慢速氧化的内碳源,从而减慢碳源被氧气直接氧化的速率,使其更接近于低氧氨氧化速率,从而有利于低氧段反硝化的持续进行。因此,提高厌氧段PHV的合成量可能是提高厌氧-低氧同时除磷脱氮系统中除磷脱氮效果的一个重要途径。

摘要：通过对PHA和氨氮低氧降解动力学的研究发现:PHV是一种更加慢速氧化的内碳源,从而减慢碳源被氧气直接氧化的速率,使其更接近于低氧氨氧化速率,从而有利于低氧段反硝化的持续进行。因此,提高厌氧段PHV的合成量可能是提高厌氧-低氧同时除磷脱氮系统中除磷脱氮效果的一个重要途径。

关键词：动力学,厌氧-低氧,丙酸,乙酸,除磷脱氮

参考文献

[1]Dircks K,Henze M,Van Loosdrecht M C M,Mosbaek H,Aspegren H.Storage and degradation of poly-β-hydroxybutyrate in activated sludge un-der aerobic conditions.Water Res.2001,35(9):2277-2285

[2]Oehmen A,Zeng R J,Yuan Z G,Keller J.Anaerobic metabolism of propionate by polyphos-phate-accumulating organisms in enhanced bio-logical phosphorus removal systems.Biotechnol.Bioeng.2005,91(1):43-53

厌氧-好氧-过滤法处理树脂废水 篇4

通过工程实例,介绍缺氧-好氧-过滤组合工艺处理树脂生产废水的`效果及主要设计参数.运行结果表明:CODCr、BOD5及SS的去除率达99.9%,99.95%和98.57%,最终出水水质达到广东省地方标准《水污染物排放限值》(DB44/26-)第二时段一级标准.组合工艺处理树脂废水处理效果好,运行费用低,带来了显著的经济效益和环境效益.

作 者：龙映臣 王诗发 杨英 Long Yingchen Wang Shifa Yang Ying  作者单位：龙映臣,Long Yingchen(四会市环境保护监测站,广东,四会,526200)

王诗发,Wang Shifa(广州市金龙峰环保设备工程有限公司,广东,广州,510000)

杨英,Yang Ying(广州钢铁集团设计院,广东,广州,510380)

刊 名：广东化工 英文刊名：GUANGDONG CHEMICAL INDUSTRY 年，卷(期)： 34(10) 分类号：X7 关键词：树脂废水   缺氧   好氧   过滤  

厌氧系统 篇5

本文在研究以发酵温度为控制对象的大时滞、时变不确定对象的控制问题基础上,以80C51F410为核心处理器,实际设计一种能够实现对发酵罐的高温厌氧发酵过程的温度监控系统。不仅具有控制方便、灵活和组态简单的优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而可以显著提高高温厌氧发酵的质量。

1 系统工作原理及硬件设计

温控系统以单片机80C51F410为主控制核心,配以温度传感器、驱动电路、电伴热带、液晶显示、键盘输入、报警电路构成,如图1所示。通过键盘输入设定温度,由温度传感器将发酵罐温度数据实时传给单片机,由单片机对信号进行处理判断,如果检测温度偏离设定温度,单片机控制电伴热带启闭实现对发酵罐温度的控制。

1.1 微处理器系统

80C51F410单片机为主控制器件,由Intel公司开发的低功耗、高性能单片机,它除正常工作外还可工作于低功耗的闲置和掉电模式,进一步减少了芯片的功耗,其内有128个RAM单元及4K的ROM,两个16位定时计数器,两个外中断,两个定时计数中断及一个串行中断,并有4个8位并行输入口。

80C51F410还负责按键、液晶以及通信等工作。本系统采用存储芯片24C512,它是电擦除可编程串行存储器,具有体积小、专用I/O口少、价格低廉、电路简单等优点,广泛使用于各种仪表设备中。它支持I2C总线数据传送协议,可编程自定时写周期,有字节写入方式和页写入方式两种,除此之外,24C512具有噪声保护施密特触发输入技术,保证芯片在极强的干扰下数据不丢失[1]。显示采用OCMJ4X8C液晶模块,模块集成中文字库,提供4行8列16×16大小汉字显示,使用串行接口与CPU连接,方便易操作。

1.2 数据采集模块

温度检测模块采用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器DS18820。DS18820体积小,电压适用范围宽,可以直接读取被测物体的温度值。该温度传感器不仅能像传统的热敏电阻一样直接读出被测温度,而且还可以通过一定的编程实现数字值读数[2]。DS18820通过一个单线接口发送或接收信息,因此在中央微处理器和DS18820之间仅需一条连接线,不需要经过其他转换电路,直接输出被测温度值[3]。测温范围为-55℃～125℃,分辨率为0.0625℃;每个DS18820都有一个独特的片序列号,所以多只DS18820可以同时连接在一根单线总线上。

在硬件上,DS18820与单片机的连接有两种方法:一种是用寄生电源供电,此时VCC与GND接地,I/O接单片机I/O;另一种是VCC接外部电源,GND接地,1/0与单片机的I/O线相连。但是,无论是内部寄生电源,还是外部供电,I/O口线要接5 kΩ左右的上拉电阻。

1.3 驱动控制模块

驱动控制电路模块采用过流触发性交流固态继电器(SSR)以及电伴热带。通过对电压进行通断的方法进行控制,以实现温度控制的目的。对电伴热带通断的控制采用固态继电器,其使用非常简单,只要控制电平,即可实现对继电器的启闭。加热的具体过程是:当发酵罐温度值低于52.6℃时,单片机发出信号,使固态继电器导通,此时电伴热带中有电流通过,从而产生热量,对发酵罐进行加热;当发酵罐温度值超过53.2℃时,单片机发出信号,使固态继电器断开,从而停止加热。

2 系统软件设计

本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法,便于功能扩展,程序可采用C语言进行编程。程序模块主要包括:主程序、PID数据处理、按键处理、温度采样、越限报警等子程序。

2.1 主程序

控制系统主程序的流程图如图2所示。本系统利用定时循环轮流对2个温度进行实时采样,为了能够实现温度的巡回测量,必须有相应的程序来选择温度输入通道。用户可以通过键盘设定温度的上限值和下限值、偏差值、PID控制系数等参数,实现温度数据的处理与反馈。

2.2 数据处理算法

通常,温度控制大多数采用PID控制方案,所谓PID控制,就是按设定值与测量值之间偏差的比例偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。在工业上,PID控制又称偏差控制,这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式,一般都能收到令人满意的效果[4]。

本温控系统采用的数字PID算法由软件实现,增量PID控制算法的优点是编程简单,数据可以递推使用,占用存储空间少,运算快。但是对于温度这种响应缓慢、滞后性大的过程,不能用标准的PID算法进行控制。当扰动较大或者给定的温度值大幅度变化时,由于产生较大的偏差,加上温控本身的惯性及滞后,在积分作用下,系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。因此,为克服这种不良的影响,采用积分分离法对增量PID算法进行改进。当偏差e(k)绝对值较大时,暂时取消积分作用;当偏差e (k)绝对值小于某一设定值M时,才将积分作用投入,以下为3个PID参数对控制性能的影响。

2.2.1 比例作用对控制性能的影响

比例增益的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号,一旦系统出现了偏差,比例调节作用立即产生调节作用,使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益较大的时候,PID控制器可以加快调节,但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量,从而降低系统的稳定性,在某些严重的情况下,甚至可能造成系统不稳定[5]。

2.2.2 积分作用对控制性能的影响

积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差,提高系统的无差度,以保证实现对设定值的跟踪,从原理上看,只要控制系统存在动态误差,积分调节就产生作用,直至无差,积分作用就停止,此时积分调节输出为一常数。积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小,积分时间越小积分作用越强,反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降,动态响应变慢。

2.2.3 微分作用对控制性能的影响

微分作用的引入,主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分能反映系统偏差的变化律,预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用。微分作用的强弱取决于微分时间的大小,微分时间越大,微分作用越强,反之则越弱。在微分作用合适的情况下,系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。

3 结束语

本研究以80C51F410单片机为核心,设计了生物质高温厌氧发酵温度调节系统,不但实现了现场温度液晶显示和按键控制,还实现了温度的自动调节以及声光报警,通过对PID算法中各控制参数的调整和采用积分分离方法,消除了系统的震荡和超调现象,经过实验验证,该温度控制系统结构简单、稳定性好,测温精确,具有一定实用价值。

摘要：温度是生物质高温厌氧发酵过程中非常重要的参数之一。为此,以80C51 F410单片机为核心,采用DSl8820温度传感器、电伴热带等,设计了生物质高温厌氧发酵过程中的温度控制系统。该系统可实现温度的调节、报警及显示等功能。在实际应用过程中,该系统确实能实现发酵罐温度恒定增温,确保了产生沼气的连续性,提高产气率。

关键词：温度控制,80C51 F410单片机,高温厌氧发酵

参考文献

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[4]赵新民.智能仪器设计基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2009:120-138.

厌氧系统 篇6

关键词：ZigBee,WLAN,厌氧发酵,监控系统

厌氧发酵技术不但能够有效消除农业有机废物、工业有机废物以及城市生活垃圾等污染, 而且能够发掘有机废物中含有的大量可利用生物能源。由于应用于厌氧发酵探索的中试系统普遍存在可扩展性差、缺少统一管理平台和视频监测、信息无法共享等缺点[1]。因此, 需要发展一种自动化程度高、安全可靠的监控系统。

随着无线网络技术迅速发展, 涌现了大量新技术。其中, 基于Wi-Fi (IEEE 802.11) 标准的WLAN具有价格低廉、占有率高等优势, 主要服务于计算机上网应用模式的网络服务[2];短程、低速率无线传感和控制应用的Zig Bee协议具有复杂度低、成本低、功耗低、延迟短、网络容量大和安全性高等诸多优点, 主要应用于仪器设备互联与控制服务[3]。Zig Bee网络和WLAN网络的日趋成熟为构建互联互通、可扩展性好的远程智能监控平台提供了技术支撑。

为了更详细与深入的研究、分析和验证厌氧发酵技术, 本文设计了基于Zig Bee与WLAN技术构成的厌氧发酵中试监控系统。它充分利用了大数据量、高速率的多媒体压缩码流与小数据量、低速率的监控信号, 结合了Zig Bee网络和WLAN网络的优势, 提高了监控系统的可扩展性、经济性和可靠性, 实现了远程智能监控。

1 系统总体设计

双层网络结构的厌氧发酵中试监控系统的总体结构如图1所示。

该系统主要由Zig Bee无线传感网络、视频网络、监控单元三部分组成。Zig Bee无线传感网络由低功耗传感器节点与中继单元组成, 每个传感器节点经由Zig Bee收发单元与中继单元通信, 返回采集数据或响应控制指令。基于WLAN构建的视频网络由视频传感器节点组成, 每个节点进行视频码流的采集、压缩处理和传输视频。监控单元负责远程监控、报警信息发布、数据存储等。科研人员既可以采用计算机作为客户端接, 也可以随时随地通过移动通信设备访问监控单元获取发酵数据与图像。

2 Zig Bee无线传感网络设计

2.1 Zig Bee网络

基于IEEE 802.15.4标准的Zig Bee技术是一种低功耗和成本的双向无线通信协议[4]。它是物联网领域内最具有应用前景, 拥有众多其他技术不具备的特点, 在本文设计的厌氧发酵中试监控系统中, 主要体现在以下几个方面:

第一, 成本低:Zig Bee协议简单, 大大降低了系统组网与维护成本。

第二, 安全性高:Zig Bee网络提供了数据完整性检查, 确保数据收发准确。

第三, 频率灵活:依据环境选用2.4GHz、868MHz或915MHz等免执照频率段。

第四, 网络容量大:单个Zig Bee网络最多支持255个接入设备[5]。

Zig Bee无线传感网络应用简单、稳定星型拓扑建立。中继单元实现底层Zig Bee网络与WLAN网络的信息交流、维护和协商功能。Zig Bee收发单元具有安装方便、维护简单和运行稳定等特点, 负责处理数据并与中继单元进行交流。当定时测量或事件触发时, 唤醒Zig Bee收发单元的休眠模式发送数据, 将功耗降至最低。在通信过程中, 发送数据前必须侦听信道, 若信道处于繁忙状态时, 则等待下一个时间再一次侦听, 若信道处于空闲时, 则发送数据。

2.2 Zig Bee收发单元

Zig Bee收发单元采用模块化方法设计, 分为传感器输入单元、控制输出单元、微处理器单元、无线通信单元与电源供给单元, 其硬件结构如图2所示。

其中, 处理器单元采用Silicon Laboratories公司设计的C8051F340单片机, 内置4个计数器/定时器、2个可扩展配置的全双工UART、4K字节内部RAM与40个I/O接口, 相比通用的8051结构具有更快的指令执行速度。无线通信单元采用Chipcon公司生产的CC2420芯片, 与单片机通过SPI接口进行设置和数据收发, 其设计技术指标超过了IEEE802.15.4标准要求, 更好地保证短距离通信的有效性和可靠性。传感输入单元依据系统接入类型进行模数转换。控制输出单元依据接入设备的驱动类型实现二次继电器、电流或电压的输出。电源单元除了提供5VDC、24VDC、220VAC电源外, 还设有电池供电电路。

2.3 中继单元

本文设计的厌氧发酵中试监控系统仅有一个中继单元, 作为接收各从站节点数据并把数据传输给WLAN网络的工具, 其结构框图如图3所示。

从图中可以看出, 基站由微处理器、显示模块、Zig Bee收发模块、存储模块、串口模块以及LAN接口模块等组成。主要完成如下功能:

第一, 利用无线Zig Bee网络收发模块接收各个从站节点发送的采集数据。

第二, 建立局域网, 连接互联网, 通过远程监控单元对数据进行分析处理。

第三, 通过远程监控单元实时修改各节点的设置参数及输出状态。

其中, 微处理器采用C8051F340器件作为主运算CPU;显示模块采用串口智能显示模块Ez UIV10_070K, 触摸屏为7.0英寸彩色TFT显示屏, 内置有256M资源存储器;存储模块采用存储芯片24c512, 它是电擦除可编程串行存储器, 具有体积小、专用I/O口少、价格低廉、电路简单等优点;LAN接口模块搭载ARM处理器, 集成了TCP/IP协议和10/100M自适应以太网接口, 将TCP网络数据包或UDP数据包与RS232接口数据实现透明传输的设备, 模块体积小巧, 功耗低。

2.4 软件设计

系统软件程序以C语言设计为主, 它结合了高级编程语言的优点与汇编语言空间小、运行速度快等的特点, 拥有突出的表达运算能力、可读性和可移植性, 具有高效的指令执行效率, 其开发环境采用Silicon Laboratories IDE。程序采用模块化设计, 系统程序的结构与流程通过主程序、子程序和子过程等框架描述, 并且定义了各个框架间的联系, 简化程序的开发、调试和维护。首先定义RAM区的变量数据, 之后完成C8051F340单片机、串口智能显示模块与Zig Bee收发模块等器件的初始化, 然后依据系统规定的工作顺序与状态依次执行相关子程序, 实现无线数据传输、显示与输入、传感器数据的采集、分析与判断等功能。

3 WLAN网络

拥有无线路由网桥的视频传感器与中继单元构成了WLAN网络, 实现了厌氧发酵的过程变量数据与现场运行视频的远程监控。其中, 厌氧发酵中试现场的视频与音频模拟信号经过A/D转换芯片转换成数字视频、音频信号, 送至视频与音频处理器产生符合MPEG_4H.264标准的压缩音视频码流, 然后存储于拥有专用的FLASH、以太网接口的SDRAM中。此外, 通过USB接口连接的移动硬盘、U盘可以作为音视频流、传感数据及报警信息的存储设备。基于UART接口扩展的RS-485和RS-232接口简化系统的云台调试和控制。

4 结语

本文设计的基于Zig Bee和WLAN技术的中试沼气发酵监测系统, 充分利用了Zig Bee和WLAN技术的优势, 构建了集合音视频监测、传感器参数读取与设备状态控制等功能的监控系统, 实现了计算机或移动通信设备实时监控运行状态、查看历史记录与接收报警信息等, 实现了远程智能监控, 提高了厌氧发酵中试监控系统的智能化程度、可扩展性、经济性与可靠性, 确保了沼气发酵科研实验的顺利进行。

参考文献

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[4]李建中, 高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展, 2008, 45 (1) :1-15.

厌氧系统 篇7

随着世界经济的发展, 人口的不断增加, 人类正在消耗巨大的能源, 同时, 人们也发现如果继续无节制的向大气排放二氧化碳等温室气体, 将会对整个生态环境产生不可挽回的影响。因此, 温室气体减排工作也是各行各业都要面临的一个重大问题。

近年来, 我国污水处理行业正在飞速发展, 与此同时, 污水处理过程中会产生大量污泥。截至2014 年3 月, 我国共建设污水处理厂3600 余座, 污水处理能力约1.53 亿立方米/ 日, 年产污泥量也达到3500 多万吨 (含水率80%) 。但是这些污泥中有80% 左右没有得到妥善处理, 其中绝大部分都是经过简单脱水后直接进行填埋, 这个过程中污泥厌氧分解出的CH4, CO2气体均直接排放至大气, 导致温室气体排放加剧。如果我们采用厌氧消化、好氧发酵、焚烧、干化等方法处置污泥, 可以有效减少污泥处理过程中的碳排放量。

本文主要参考IPCC[1]计算方法和CDM[2] (清洁发展机制) 方法学, 对小红门污水处理厂厌氧消化系统进行碳减排计算, 并对影响消化系统碳减排量的关键因素进行分析。

1 小红门污水处理厂厌氧消化系统简介

北京城市排水集团有限责任公司小红门污水处理厂设计日处理污水60 万吨, 主要承担北京市区西部、西南部、南部大部分地区污水处理任务, 污水处理采用A2/O除磷脱氮工艺, 污泥处理采用一级中温厌氧消化工艺, 消化后污泥经脱水形成泥饼外运进行后续处置。

小红门污水处理厂污泥消化系统, 共有5 座卵形消化池 ( 单池容积12300 立方米) 。采用一级中温厌氧消化工艺, 控制温度35 摄氏度, 消化池进泥为初沉污泥 (含水率97% 左右, 有机份60% 左右) , 单池满负荷进泥量为600 立方米/ 日, 24 小时连续进泥, 排泥方式为底部排泥, 搅拌采用沼气搅拌方式, 热交换器采用套管形式[3]。

消化系统产生的沼气经过脱硫后, 进入气柜存储, 用于锅炉燃烧和沼气拖动鼓风机运行, 多余沼气通过废气燃烧器进行燃烧。小红门污水处理厂消化系统工艺流程图见图1。

2 计算方法概述

根据小红门厂污泥厌氧消化系统工艺流程及CDM方法学, 可以总结出小红门厂厌氧消化系统碳减排量计算方法为:消化系统运行过程碳减排量= 沼气利用产生的碳减排量+ 消化过程污泥有机质减少产生的碳减排量- 消化系统运行耗能的碳排放量[4], 计算范围可归纳为图2。

小红门污水处理厂污泥厌氧消化系统碳减排计算条件为[5]:计算内容包括污泥厌氧消化过程中电能和其他能源的消耗产生的碳排放量, 沼气利用带来的碳减排量, 消化过程污泥有机质减少产生的碳减排量, 污泥外运及处置过程中产生的能耗不计, 厌氧消化系统运行参数采用2013 年小红门污水处理厂污泥厌氧消化系统运行数据。

3 小红门厌氧消化系统碳减排计算

3.1小红门污水处理厂厌氧消化系统设计参数

小红门厂消化系统设计数据见表1:

小红门厂消化系统产生的沼气主要用于三个方面, 第一, 部分沼气作为燃料拖动鼓风机, 代替原有电拖动鼓风机对曝气池进行曝气, 沼气拖动鼓风机运行过程中产生的热能通过冷却循环水为消化系统加热;第二, 部分沼气代替天然气用于锅炉燃烧, 产生的热能可用于消化池加热和厂区供暖;最后, 剩余的沼气会通过废气燃烧器直接进行燃烧[6]。我们在计算中直接使用小红门厂2013 年运行数据。

2013 年小红门厂消化系统累积进泥量551437m³, 进泥含水率96.9%, 累积沼气产量为6304530m3, 其中601815m3用于锅炉燃烧, 5342941 m3用于沼气拖动鼓风机, 其余沼气用于废气燃烧器燃烧。沼气甲烷平均含量为66.17%。

3.1.1 沼气拖动鼓风机节电产生的碳减排量

沼气拖动鼓风机节电产生的碳减排量可按公式 (1) 计算:

其中:PEelec——沼气拖动鼓风机节电产生的碳减排量, t CO2;EGd——沼气拖动鼓风机节约电能, MW·h;CEFelec——电量碳排放系数, t CO2。

小红门厂2013 年通过沼气拖动鼓风机共节电9083MW·h。电量排放系数, 我们使用2013 年国家发改委公布的华北区域电网电力边际排放因子 (OM) 和容量边际排放因子 (BM) 的加权平均值作为电量碳排放系数[7], 计算如下:

1.0302×0.5+0.5777×0.5=0.80395[t CO2/MW·h]

因此CEFelec值为0.80395, 代入公式 (1) , 可得:

3.1.2 沼气产热的碳减排量

沼气产热的碳减排量计算公式参考公式 (2)

其中: Qa——消化系统年产热量, TJ;boiler——锅炉产热效率, %;EFfuel——天然气产热碳排放系数, t CO2/TJ;

沼气产生热量计算可见公式 (3)

式中:Qa——沼气燃烧产生的热量, TJ;V——沼气体积, m3;NCVgas——甲烷净热值, KF/m3。

甲烷净热值为36KF/m3, 沼气体积使用锅炉燃烧沼气量和沼气拖动鼓风机用气量之和, 其中沼气拖动鼓风机在运行过程中沼气产生的热量约有30% 被循环冷却水带走, 用于消化系统加热[8], 因此:

3.1.3 小红门厂沼气利用产生的碳减排量

小红门厂2013 年生产沼气碳减排总量为:

3.2 污泥有机质减少产生的碳减排量

在污泥厌氧消化过程中, 有机质被分解产生沼气, 减少了污泥的干物质量, 从而减少后续处置中的碳排放量。我们使用IPCC指南中提供的废弃物碳排放量计算方法进行计算。

《1996 年IPCC国家温室气体清单指南修订本》 (IPCC指南) 概述了两种估算固体废弃物处理场所中甲烷排放的方法:缺省的估算方法和一阶衰减方法。两种方法的主要区别是一阶衰减方法提出随时间变化的甲烷排放估算, 该估算很好地反映了废弃物随时间的降解过程, 而缺省的估算方法是基于一个假设即所有潜在的甲烷均在处理当年就全部排放完全。这里我们使用第一种方法进行估算, 即一阶衰减法[9], 可见公式 (4) :

参考IPCC文件, 计算中模型修正系数 φ 取0.9, 填埋场回收或焚烧甲烷比例f取0, 氧化因子OX取0.1, GWPCH4参考IPCC第四次评估报告中的数值25, F取0.5, DOCF取0.5, MCF取1, DOC根据2013 年小红门厂消化系统排泥有机份平均含量取0.56, k值使用IPCC文件中缺省值0.05[10], 计算年份仅限于2013 年当年, 因此取x=y=1。

小红门厂厌氧消化系统2013 年累计进泥量为551437t, 进泥含水率平均值为96.61%, 排泥含水率平均值为98.01%, 因此全年消解干污泥质量为:

WX=551437×[ (1-96.61%) - (1-98.01%) ]=7720.12t

将以上各值带入公式 (4) 可得通过消化系统分解污泥有机质产生的碳减排量为:

因此, 小红门厂厌氧消化系统2013 年分解污泥中有机质减少的碳排放量为1423.2t CO2。

3.3 小红门厌氧消化系统运行能耗产生的碳排放量

根据小红门厂消化系统运行情况, 可用公式 (5) 进行碳排放量计算。

其中:PE——厌氧消化耗能产生的碳排放量, t CO2;PEelect——厌氧消化过程中消耗电能产生的碳排放量, t CO2;PEthermal——厌氧消化过程中热能消耗产生的碳排放量, t CO2;PEa——消化池碳逸散量, t CO2; PEfl are——厌氧消化剩余沼气燃烧产生的碳排放量, t CO2

污泥厌氧消化过程中碳逸散量较小, 且剩余沼气燃烧后产生的温室气体基本可以忽略不计, 因此我们只对厌氧消化过程中电能以及热能消耗所产生的碳排放量进行计算。

3.3.1 系统电能消耗产生的碳排放量

电能消耗产生的碳排放量的计算可用公式 (1)

其中:ECPJ, FF——系统耗电量, MW·h;CEFelec——电量碳排放系数, t CO2

小红门厌氧消化系统电能消耗主要发生在厌氧消化系统附属设备, 主要耗能设备包括消化池进泥泵, 消化池循环泵, 沼气压缩机等设备。主要耗电设备及其功率见表2:

据统计, 2013 年小红门厂厌氧消化系统总耗电量为1783.7MW·h, 根据3.2.1 计算, 电量排放系数为0.80395, 因此, 小红门厂厌氧消化系统电能消耗碳排放量为:

PEelec=ECPJ, FF×CEFelec=1783.7×0.80395=1434 (t CO2)

3.3.2 系统热能消耗产生的碳排放量

消化系统热能消耗产生的碳排放量计算可用公式 (2)

其中:Q——厌氧消化系统年需热量, TJ;boiler——锅炉产热效率, %;EFfuel——天然气产热碳排放系数, t CO2/TJ;

在消化系统运行过程中, 热量主要消耗在三个方面:污泥加热, 消化池保温所需热量以及消化系统热损失, 我们根据小红门厂2013年运行数据分别对三个方面进行计算。

(1) 消化系统进泥加热所需热量。加热生污泥所需热量可用公式 (6) 进行计算

其中:Q1——消化系统进泥加热所需热量, kcal/h;V——消化系统每日进泥量, m3/h;Td——消化池运行温度, ℃;TS——消化池全年平均进泥温度, ℃;

根据小红门厂2013 年消化系统运行数据, 日均进泥量V为1511m3, 系统运行温度为35℃, 进泥温度采用小红门厂初沉污泥全年平均温度, 16℃, 由此可得小红门厌氧消化系统进泥加热所需热量为:

因此, 小红门厂消化系统污泥加热全年消耗热量为:

1390.87×24×365=12184021.2KW·h ≈ 12184MW·h

(2) 消化系统保温所需热量。消化系统保温耗热量可用公式 (7) 进行计算Q2= ∑ FK (Td-Ta) ×1.2 (7)

其中:Q2——消化系统保温所需热量, kcal/h; F——池盖、池壁、池底散热面积, m2;K——池盖、池壁、池底传热系数, kcal/ (m2·h·℃ ) ;Td——消化池运行温度, ℃;Ta——室外平均温度, ℃;

根据小红门厂运行参数, 单座消化池池盖部分表面积F1为17m2, 地上部分表面积F2为2158m2, 地下部分F3表面积为725m2, 池盖部分散热系数K1为0.7 kcal/ (m2·h·℃ ) , 池壁地上部分散热系数K2为0.6 kcal/ ( m2·h·℃ ) , 池壁地下部分散热系数K3为0.45 kcal/ (m2·h·℃ ) 。小红门区域室外全年平均温度采用北京市全年平均温度, 为12℃。因此小红门厂单座保温所需热量为:

Q2= (17×0.7+2158×0.6+725×0.45) × (35-12) ×1.2=45069.42kcal/h=52.4KW·h

因此, 小红门厂消化池全年保温所需热量为:

52.4×5×24×365=2295120KW·h ≈ 2295MW·h

(3) 消化系统热损失量。管道及其它热损失可按消化系统运行所需热量的10% 进行计算, 可见公式 (8) :

其中:Q3——消化系统热损失量, MW·h;因此小红门厂消化系统热损失量为: (12184+2295) ×10%=1447.9MW·h

(4) 小红门厌氧消化系统热能消耗碳排放总量。根据以上计算可知, 小红门厂2013 全年厌氧消化系统热能消耗量为:

12184+2295+1447.9=15926.9MW·h ≈ 57.34TJ

假设锅炉产热效率为90%, 天然气碳排放系数为56.1t CO2/TJ, 因此小红门厂2013 年消化系统热能消耗碳排放总量为:

3.3.3 厌氧消化运行过程碳排放总量

2013 年小红门厂厌氧消化系统碳排放总量= 系统消耗电能碳排放量+ 系统消耗热能碳排放量=1434+3574.2=5008.2 (t CO2)

3.4 小红门厂厌氧消化系统碳减排总量

根据以上计算, 可以得出小红门污水处理厂厌氧消化系统2013年碳减排量为:沼气利用产生的碳减排量+ 消化过程污泥有机质减少产生的碳减排量- 消化系统运行耗能的碳排放量=10576+1423.2-5008.2=6991 (t CO2) 。

消化系统处理单位污泥碳减排量为:

4 小红门厂厌氧消化系统碳减排量影响因素

小红门厌氧消化系统于2008 年11 月正式开始运行, 我们可以根据上述计算方法, 将2010 年至2013 年运行参数代入公式计算, 对比分析各年消化系统运行的碳减排量, 见表3。

根据表3 的数据, 以有机物产气量和污泥碳减排量分别作为横、纵坐标分析, 可得图3。

从图3 可以看出, 消化系统分解单位有机物产气量与处理单位质量干污泥碳减排量呈线性关系, 这与小红门厂近几年消化系统运行情况保持一致。当系统运行稳定, 产气率较高时, 碳减排量也相应较高[11]。因此, 可以通过优化系统运行, 提高系统产气率来提高碳减排量。

参考文献

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厌氧系统 篇8

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所需剩余污泥取自合肥市朱砖井污水处理厂, 接种污泥取自该污水处理厂的贮泥池, 秸秆取自合肥近郊, 磺胺喹噁啉钠 (含量>98%) 购于Sigma公司。反应器系统:反应器为1 L的广口瓶, 瓶口用橡胶塞塞紧密封, 导气管通过橡胶塞引至广口瓶内收集产生的气体, 气体用集气袋收集。

1.2 试验设计

试验共设6个处理, 分别为:添加磺胺喹噁啉钠10 mg/kg (A) 、20 mg/kg (B) 、50 mg/kg (C) 、100 mg/kg (D) 、200 mg/kg (E) , 以不添加磺胺喹噁啉钠为空白对照 (CK) 。

1.3 试验方法

将反应底物碳氮比调制为20, 含水率调制为80%, 底物中加入秸秆, 以增大孔隙率、提高系统的疏松性, 有利于气体的输出。按试验设计分别加入不同浓度的磺胺喹噁啉钠, 装瓶后冲入氮气2 min, 排出系统中的氧气, 形成无氧环境, 反应器放置在 (55±1) ℃的恒温箱中。

2 结果与分析

2.1 VS产气量的变化

由表1可以看出, CK的挥发性固体 (VS) 去除率最大达到39.62%, 1 g VS的产气量和初始产气量也是最大, 说明磺胺喹噁啉钠对高温厌氧消化的产气有一定抑制作用。随着磺胺喹噁啉钠浓度的增大抑制作用增强, 但是当磺胺喹噁啉钠浓度达到100 mg/kg时, 产气量变化不大, 说明抑制作用已经不再随着浓度的增大而持续增大。此外, 消耗的VS总体呈逐渐降低趋势, 但是相差不大, VS去除率也呈降低趋势, 初始1 g VS产气量和消耗1 g VS产气量总体上也呈下降趋势, 说明磺胺喹噁啉钠对VS的产气量有抑制作用。

2.2 高温厌氧消化系统产气性能的变化

从图1可知, CK最高峰时产气量最大, 处理C的最高峰产气量最少, 但是随着磺胺喹噁啉钠浓度的增大, 高峰产气量慢慢回升, 处理D、E组产气量相比较处理C均有所增加, 这可能是试验前期, 磺胺喹噁啉钠的添加不均匀, 可能部分位置无磺胺喹噁啉钠, 从而对微生物没有造成抑制。从第6天开始, 各处理反应器的产气量以及产气趋势基本相同, 说明磺胺喹噁啉钠的加入对微生物有一定的抑制作用, 会减少产气高峰时的产气量, 产气高峰过去之后, 对微生物的抑制不明显。对比图1和图2可以看出, 产气高峰时的甲烷含量为最大。处理CK、A、B、C、D、E甲烷含量最大值分别为64.30%、66.15%、65.23%、53.23%、62.44%、60.43%, 平均甲烷含量分别为23.91%、16.54%、26.33%、13.99%、19.03%、13.10%。试验的第12天开始处理E就已经不再产甲烷, 说明磺胺喹噁啉钠对产甲烷菌有一定的抑制作用, 且随着浓度的增大抑制作用增强。

2.3 VFA含量的变化

从挥发性脂肪酸 (VFA) 累积程度上来说, 添加磺胺喹噁啉钠各处理累积量都比空白对照略大 (图3) , 空白对照在产甲烷细菌活性增强后VFA含量迅速下降, 说明添加磺胺喹噁啉钠抑制了产甲烷菌对酸的降解。

3 结论与讨论

试验结果表明, 添加磺胺喹噁啉钠处理的VFA累积量都比空白对照略大, 空白对照在产甲烷细菌活性增强后VFA含量迅速下降, 说明添加磺胺喹噁啉钠抑制了产甲烷菌对酸的降解。从试验的第12天开始, 添加磺胺喹噁啉钠200 mg/kg处理就已经不再产甲烷, 说明磺胺喹噁啉钠对产甲烷菌有一定的抑制作用, 且随着浓度的增大抑制作用随之增强。

摘要：以污泥为底物添加不同浓度磺胺喹噁啉钠, 研究其对高温厌氧消化过程中产气性能的影响。结果表明, 添加磺胺喹噁啉钠处理的VFA累积量均比空白对照略大, 说明磺胺喹噁啉钠对产甲烷菌有一定的抑制作用, 且随着浓度的增大抑制作用增强。试验结果可为在家禽养殖场建立固态厌氧消化联合产能工艺提供参考。

关键词：磺胺喹噁啉钠,高温厌氧消化,产气性能,VS,甲烷,VFA

参考文献

[1]汪春霞.有机固体废弃物厌氧消化与综合利用[J].中国资源综合利用, 2006, 24 (7) :25-28.

[2]王星, 王德汉, 李俊飞, 等.餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析[J].中国沼气, 2006, 24 (2) :35-39.

[3]安胜英, 刘观忠, 董修建, 等.磺胺喹噁啉钠在蛋中残留的研究[J].养禽与禽病防治, 2005 (7) :18-19.

[4]高迎春, 苏梅, 魏秀丽, 等.薄层色谱和液相色谱法鉴别中兽药散剂中掺加的磺胺喹噁啉钠[J].中国兽药杂志, 2010 (2) :29-31.

[5]KEMPER N.Veterinary antibiotics in the aquatic and terrestrial environment[J].Ecological Indicators, 2008, 8 (1) :1-7.

论厌氧菌感染用药 篇9

关键词：厌氧菌感染,药物,临床

1 拟杆菌的主要病原菌[1]

1.1 口腔杆菌 (Bacteroides oralis) 主要存在于口腔, 上呼吸道中。

1.2 黑色素拟杆菌 (B.melaninogenicus) , 主要存在于口腔、上呼吸道、泌尿生殖道和黏膜囊中。

1.3 脆弱杆菌 (B.fragilis) 主要存在消化道、泌尿生殖道和黏膜囊中。本菌常可引起严重的感染, 在厌氧菌感染中占相当重要的地位。

1.4 厌氧球菌有消化球菌、消化链球菌 (以上二者为革兰阳性菌) 、韦荣氏球菌 (革兰阴性菌) 等。

无芽胞厌氧杆菌和厌氧球菌常寄生于人体皮肤、黏膜、腔道等部位, 一般情况下对人体无害。若因: (1) 机体抵抗力低下; (2) 有其他需要氧菌或兼性需氧菌的感染存在; (3) 皮肤、黏膜损伤或因手术而微生物得以侵入机体; (4) 使用广谱抗生素 (不能抑制厌氧菌) 而致菌群失调等情况, 则可引起相应的厌氧菌感染。

2 与厌氧菌有关的感染[2]

2.1 五官系统:慢性中耳炎、窦炎、齿龈炎、扁桃体炎等。

2.2 呼吸系统:吸入性肺炎、支气管扩张、肺脓肿以及脓胸等。

2.3 腹腔与肠道:阑尾炎、憩室炎、腹膜炎、肝脓肿、腹腔脓肿等。难辨梭状芽胞杆菌则可引起伪膜性肠炎。

2.4 外伤或手术引起的创伤感染、缺氧性坏疽和坏死性肌膜炎等。

2.5 女性生殖系统:产后感染、脓性流产、盆腔或附件脓肿、子宫内膜炎、子宫积脓等。

2.6 皮肤脓疡、甲沟炎、乳房或腋下脓肿等。

2.7 厌氧菌性菌血症、脑脓肿、心内膜炎等。

上面列举的一些感染也可由其他细菌所引起, 但在外科和妇产科领域, 厌氧菌和其他细菌的混合感染极为常见, 如报道[3]在腹腔切口、腹腔脓液、腹部伤口中、厌氧菌培养的阳性率可高达80%。脑、颈、胸腔和肢体脓肿的脓液中, 厌氧菌培养的阳性率也可达46%。在子宫颈、阴道也可达9%。如果忽视了厌氧菌的存在常可导致抗感染治疗的失败。单纯的厌氧菌感染则较为少见。

3 对厌氧菌有效的药物

3.1 青霉素:

对多数的厌氧菌, 包括一些拟杆菌有良好的作用, 在某些情况下可作为首选药物来应用。氨苄青霉素和羟氨苄青霉素的作用相同。但青霉素是窄谱抗生素, 对脆弱杆菌是无效的。

3.2 抗绿脓杆菌青霉素类的抗菌药物;

包括羧苄青霉素、氧哌嗪青霉素、羧噻吩青霉素 (ticarcillin) 等, 对厌氧菌的作用类似青霉素, 并对脆弱拟杆菌也有中度的抗菌作用, 但需用大剂量方可有效。

3.3 氧头孢烯类:

化学合成的广谱抗生素, 拉氧头孢 (latamoxef) 、氟氧头孢 (flomoxef) 。特点:作用类似于第三代头孢菌素中头孢噻肟。对革兰阳性球菌、革兰阴性杆菌作用同头孢他啶, 对铜绿假单胞菌作用不如头孢他啶, 对厌氧菌尤其脆弱杆菌作用强于一、二、三代头孢菌素。

3.4 头孢菌素类:

大多数的头孢菌素对厌氧菌的作用比青霉素弱。某些第三代头孢菌素, 如头孢噻肟、头孢哌酮、头孢唑肟等对一些厌氧菌可有中度的抗菌活性, 但与其他抗菌药物相比并无特殊优点。头孢西丁和拉塔莫塞对于脆弱拟杆菌有良好的作用, 有效率可达85%～95%。头孢菌素类抗菌药物不应用于梭状芽胞杆菌所致的严重感染。

3.5 林可霉素类:

对大多数的厌氧菌有效。对产气荚膜杆菌 (气性坏疽) 、梭形杆菌、放线菌和大部分的拟杆菌也有良好作用。对一些梭状芽胞杆菌厌氧球菌只有中度的抗菌作用。本品对难辨梭状芽胞脆杆菌不但无效, 甚至可诱发该菌引起伪膜性肠炎, 应予警惕。

3.6 氯霉素:

对几乎所有的厌氧菌都有良好的抗菌作用, 但因有骨髓造血系统副作用, 临床使用宜慎用。

3.7 甲硝唑:

对放线菌作用较弱, 对其他的厌氧菌、敌虫都有良好的杀菌作用。对脆弱拟杆菌的作用是杀菌性的, 因此是一种有效抗厌氧菌药。本品在一般情况下可口服, 遇有重症则应静滴给药 (0.5g/100mL, 一日三次) , 但对3个月的妊娠期妇女禁用[4]。本品对其他细菌无效, 常需配伍其他抗菌药以解决混合感染。

3.8 万古霉素:

对厌氧球菌和产气荚膜杆菌 (气性坏疽) 有良好的作用, 但对拟杆菌和其他无芽胞厌杆菌均无效。本品对于难辨梭状芽胞杆菌有优异的抗菌作用, 常用于该菌引起的伪膜性肠炎 (口服给药, 一次0.5g, 一日四次) 。对于肠球菌 (厌氧球菌) 引起的心内膜炎, 则应静脉点滴给药。

3.9 四环素类:

在早年, 四环素类药对厌氧菌有一定作用。近年来, 抗菌药物的层出不穷, 导致了临床上抗菌药物的乱用, 因此, 多数厌氧菌均对四环素耐药。只有放线菌类对本品保持一定敏感性。但本类抗生素可引起牙釉质发育不良和牙齿着色变黄, 妊娠、乳期妇女及8岁以下儿童禁用此类抗生素[4]236。

3.1 0 氨基糖苷类抗生素;

本类抗生素对厌氧菌是无效的。值得提到的是某些厌氧菌的发生和本类抗生素有关, 由于氨基糖苷类抑制了一些有益菌, 助长了厌氧菌的发生。本类药物庆大霉素、卡那霉素与利尿药合用可加重毒性反应, 可致耳聋, 还使肾脏受损, 临床应用应实现个体化, 必要时进行TDM[4]。

3.1 1 喹诺酮类抗菌药:

克林沙星:抗厌氧菌, 比环丙沙星、司帕沙星更强;本品光敏反应率高。加替沙星:对各种呼吸道病原菌、革兰阳性菌中MASA (耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌) 、粪肠球菌、厌氧菌有良好作用.动物实验证实氟喹诺酮类药物可影响幼年动物软骨发育, 导致承重关节损伤, 因此应避免用于18岁以下的儿童及妊娠期妇女[4]。

4 临床药物的选用

4.1 口腔感染:

口腔、齿部的厌氧菌常对青霉素敏感, 一般可用青霉素 (氨苄青霉素或羟氨苄青霉素) , 并采用外科冲洗疗法。青霉素无效时, 应考虑为耐药菌, 可选用下列方案之一: (1) 青霉素加甲硝唑; (2) 林可霉素; (3) 氯霉素。

4.2 胸部感染:

上呼吸道、肺部等感染开始可用青霉素, 严重者可用林可霉素, 或者可用林可霉素加甲硝唑来治疗。

4.3 腹腔感染:

常为混合感染, 主要是大肠杆菌 (或其他肠道杆菌) 和脆弱杆菌所致。可造成腹膜炎、肝脓疡等疾病。治疗时应选择一种抗氧菌药 (林可霉素、甲硝唑、氯霉素或抗绿脓杆菌的青霉素) , 加用氨基糖苷类抗生素以控制需氧杆菌。有时还要加用氨基糖苷类和氨苄青霉素以控制肠球菌。

4.4 女性生殖器泌尿系感染:

常为混合感染, 有脆弱杆菌、厌氧链菌 (或其他厌氧菌) 与肠杆菌、需氧链球菌等参与。可用甲硝唑加抗需氧的药物, 如青霉菌素头孢菌素或氨基糖苷类等 (根据病情选用) 。如若有淋球菌或衣原体存在于混合感染中, 则用甲硝唑加四环素类抗菌药。对使用宫内避孕器者, 应考虑有放线菌存在混合感染, 应用青霉素。

4.5 软组织感染:

严重者应切开引流, 并按腹腔感染来用药。对气性坏疽, 则应用大剂量的青霉素、甲硝唑。对于严重感染除按腹腔感染来给药外, 还要考虑有无葡萄球菌的混合感染存在, 以决定是否加用新青霉素。

4.6 中枢感染:

选择可透血脑屏障的药物, 可用青霉素加甲硝唑或青霉素加氯霉素。

4.7 菌血症:

根据能引起菌血症的原因来考虑用药, 选用青霉素、甲硝唑 (静滴) 、氯霉素等。

4.8 预防用药:

在肠道、腹腔或妇科手术前除考虑用一般药物来直行预防用药外, 还应考虑用抗厌氧菌药, 如口服甲硝唑, 以预防术后厌氧菌感染。

参考文献

[1]刘秉阳.医学细菌学[M].北京:中国科学技术出版社, 1989:220-230.

[2]山东省医学科学院.实验细菌学[M].济南:山东省医学科学院, 2002:308-372.

[3]许怀瑾.腹腔人工高热灌注化疗对胃癌治疗的应用[J].国外医学外科学分册, 2003, 10 (5) :285.