MBR处理污水重金属离子方法、系统及设备与流程

本发明属于环境，具体涉及mbr处理污水重金属离子方法、系统及设备。

背景技术：

1、作为工业生产大国，我国的工业废水处理一直以来都是受到高度重视的环保工作。工业生产产生的废水污染对环境和人类健康的影响十分严重，不但会影响水资源质量，还会传播致病菌带来健康问题。mbr为膜生物反应器(membranebio-reactor)的简称，是一种将膜分离技术与生物技术有机结合的新型水处理技术，它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，省掉二沉池。

2、现有技术中，如公布号为cn219860938u的中国实用新型公开了一种工业污水mbr膜反应装置，其膜生物反应器工艺通过膜的分离技术大大强化了生物反应器的功能，其水力停留时间(hrt)和污泥停留时间(srt)可以分别控制，使活性污泥浓度大大提高，不仅省去了二沉池的建设，而且大大提高了固液分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌(特别是优势菌群)的出现，提高了生化反应速率。。采用mbr膜处理工业废水，可以有效提高处理后的出水水质，对工业废水中可能含有的cod、bod、重金属、细菌和微生物等实现分离过滤。但是，现有技术中的mbr处理污水中重金属离子装置或系统并名优明确如何控制优化经过mbr处理后的排出的再生回水中的重金属离子浓度以及酸碱度符合再生回水的国家标准。

技术实现思路

1、本发明针对上述缺陷，提供一种mbr处理污水重金属离子方法、系统及设备。本发明能够通过首先调节紫外风光光度计实时发出的波长处于最优值情况下，保证被检测的经过mbr生物降解处理后的污水中重金属离子浓度处于再生回水酸碱度标准范围内，进而有效提高了使uv分光光度计检测出的目标重金属离子浓度准确度提高，并采用误差逆传递方法不断迭代处于最优发射光波波长下检测得到的目标重金属离子浓度结果，进而进一步提高了检测的准确性。

2、本发明提供如下技术方案：mbr处理污水重金属离子方法，所述方法采用的mbr处理设备为具有mbr反洗系统和mbr加药清洗系统的污水处理设备，所述mbr加药清洗系统根据清洗需求吸取三种清洗药剂中的一种对所述mbr反应容器进行反洗，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1)、控制自吸泵开启，将经过粗格栅预处理后的污水从第一污水收集容器吸取至第一mbr污水处理池和第二mbr污水处理池内进行mbr污水处理；

4、步骤2)、控制开启第一风机和第二风机开启，向第一mbr污水处理池和第二mbr污水处理池内提供曝气所需要的氧气；

5、步骤3)、污水分别在第一mbr污水处理池和第二mbr污水处理池内进行生物降解；

6、步骤4)、经过生物降解后的浓水回流至第一污水收集容器内，生物降解后的再生回水分别通过第一出水管和第二出水管经过消毒后放出；

7、步骤5)、实时检测所述第一出水管和第二出水管放出的再生回水中的重金属离子浓度，重复步骤1)-步骤4)直至再生回水中的重金属离子浓度符合排放标准；

8、步骤6)、当需要对第一mbr污水处理池和第二mbr污水处理池进行反冲洗时，开启mbr反冲洗系统和自吸泵，将清水池内的清水引入其中，对二者进行清洗；

9、步骤7)、当第一mbr污水处理池和第二mbr污水处理池的膜单元需要化学清洗时，开启mbr加药清洗系统抽吸相应加药罐内的清洗药剂引入其中，对二者进行加药清洗。

10、进一步地，所述清洗药剂为质量分数浓度为1.5％的酸溶液，或质量分数浓度为0.1％的氢氧化钠碱溶液，或有效氯浓度为2000～5000mg/l的次氯酸钠溶液中的一种。

11、进一步地，所述步骤5)中实时检测处理后再生回水中的重金属离子浓度为采用紫外可见分光光度法实现，其特征在于，所述步骤5)包括以下步骤：

12、5.1)、实时监测指示剂酸碱色形解离离子浓度；实时监测uv分光光度计发出的初始波长λ0(t)、再生回水中的目标重金属离子接收uv分光光度计发射光后的回水初始波长λs1(t)以及uv分光光度计接收再生回水反射光的回水反射波长λs2(t)；

13、5.2)、根据所述步骤5.1)实时监测得到的指示剂酸碱色形解离离子浓度，构建指示剂酸碱电离平衡方程以及最优发射光波波长求解方程，实时调控紫外分光光度以最优发射光波波长测量再生回水酸碱度；

14、5.3)、计算再生回水中的实时目标重金属离子浓度c(t)；

15、5.4)、优化所述步骤5.3)计算得到的实时目标重金属离子浓度，得到的准确实时目标重金属离子浓度cacc(t)；

16、5.5)、判断所述步骤5.4)优化后得到的准确实时目标重金属离子浓度cacc(t)是否在回水目标重金属离子浓度标准范围cacc(t)<cmax内，若在标准范围内，则输出优化后得到的准确实时目标重金属离子浓度cacc(t)结果，其中，cmax为回水目标重金属离子浓度标准范围最高阈值；否则重复所述步骤5.1)-5.4)。

17、进一步地，所述步骤5.2)包括以下步骤：

18、5.21)、根据所述步骤1)中采集到的数据，计算uv分光光度计发出的光的初始光强i0：

19、

20、其中，φ0(ω,λ0(t))为具有初始波长λ0(t)的紫外分光功率谱密度；其中，t为重金属离子检测持续时间，a(z0)为沿紫外光发射光轴z0坐标位置处的光斑半径，r为发射出的紫外光光束腰部半径，i为虚数，σ为玻尔兹曼常数；f(ω,λ0(t))为uv分光光度计发出光的焦距，ω为uv分光光度计发射紫外光的频率，c为光速；

21、

22、5.22)、根据所述步骤5.21)中采集到的数据，计算再生回水中的目标重金属离子接收uv分光光度计发射光后的吸收光强ia(t)：

23、

24、其中，δλ(t)为再生回水目标重金属离子吸收uv分光光度计发射光后产生的波长差，δλ(t)＝2λs1(t)-λ0(t)-λs2(t)；φs(ω,δλ(t))为再生回水中的目标重金属离子的接收uv分光光度计发射光后的紫外分光功率谱密度，f(ω,δλ(t))为再生回水uv分光光度计检测再生回水时目标重金属离子uv分光光度计接收发射光后的焦距；

25、

26、其中，j＝s1或s2，a(zj)为在波长为λj(t)的uv分光光度计发射光沿紫外光发射光轴zj坐标位置处的光斑半径；

27、

28、

29、5.23)、构建再生回水中的实时目标重金属离子浓度计算模型：

30、

31、其中，朗伯比尔定律中的透光率，(i0-ia)为透光强度，i0为发射光光强；d为吸收系数，l为吸收层厚度；d＝mε；m为目标重金属离子的摩尔质量，ε为目标重金属离子的摩尔吸收系数。

32、进一步地，所述步骤5.3)包括以下步骤：

33、5.31)、构建指示剂酸碱电离平衡方程：

34、其中，h3o+为指示剂电离水合氢离子，hin为指示剂酸色形离子，in-为指示剂碱色形离子；

35、5.32)、根据所述1)步骤实时监测得到的酸碱色形解离离子浓度，计算指示剂解离平衡常数pk(hin)：

36、

37、其中，[h3o+]为所述1)步骤实时监测得到的水合氢离子浓度，[in-]为所述1)步骤实时监测得到的指示剂碱色形阴离子浓度，[hin]为所述1)步骤实时监测得到的指示剂酸色形离子浓度；

38、5.33)、构建指示剂对uv分光光度计发射光的最大吸收率求解方程：

39、

40、其中，e(t)为在波长为时指示剂对uv分光光度计发射光的实时吸收率，ci为所述1)步骤加入的指示剂初始浓度，为在波长为时的指示剂酸色形离子hin的摩尔吸收率，为在波长为时的指示剂碱色形阴离子in-的摩尔吸收率；为实时监测得到的第i个uv分光光度计发出的初始波长数据，u为t时刻实时监测得到的uv分光光度计发出的初始波长集合，其中，1＜i＜u，集合u中共有u个数据；

41、5.34)、根据所述步骤5.33)构建的方程求解得到最优发射光波波长计算最优发射光波波长下的再生回水酸碱度值ph：

42、

43、其中，r为最优发射光波波长与所述集合u中多个uv分光光度计发出的初始波长数据平均值的比值，e1为第一酸碱度计算系数，e2为第二酸碱度计算系数，e3为第三酸碱度计算系数；

44、5.35)、判断所述步骤5.34)计算得到的最优发射光波波长是否在其误差允许范围内，若是则进行步骤5.36)；否则重复所述5.31)-5.34)步骤；

45、5.36)判断所述步骤5.34)计算得到的再生回水酸碱度值ph是否处于污水处理后再生回水酸碱度标准范围phmin<ph<phmax内，其中，phmin为再生回水最低ph允许值，phmax为再生回水最高ph允许值；若是，则输出计算得到的再生回水酸碱度值ph，并进行步骤5.4)。

46、进一步地，所述步骤5.33)中所述在波长为λ0(t)时的指示剂酸色形离子hin的摩尔吸收率的计算公式如下：

47、

48、其中，mhin为指示剂酸色形离子hin的摩尔质量，c为光速；

49、所述在波长为λ0(t)时的指示剂碱色形阴离子in-的摩尔吸收率的计算公式如下：

50、

51、其中，min-指示剂碱色形阴离子in-的摩尔质量，c为光速。

52、进一步地，所述步骤5.34)中的所述第一酸碱度计算系数e1、第二酸碱度计算系数e2和第三酸碱度计算系数e3计算公式如下：

53、

54、

55、

56、其中，分别为波长为最优发射光波波长波长为实时监测得到的第i个uv分光光度计发出的初始波长数据时的指示剂酸色形离子hin的摩尔吸收率，为波长为最优发射光波波长波长为实时监测得到的第i个uv分光光度计发出的初始波长数据时的指示剂碱色形离子in-的摩尔吸收率，将波长值代入所述步骤5.31)中相应的摩尔吸收率计算公式即可计算得到。

57、进一步地，所述步骤5.4)中计算得到的实时目标重金属离子浓度，包括以下步骤：

58、5.41)、将所述步骤5.35)输出计算得到的最优发射光波波长代入至步骤所述5.3)计算再生回水中的实时目标重金属离子浓度c(t)，得到以最优发射光波波长发射出紫外光时的再生回水中的实时目标重金属离子浓度ctem(t)；

59、5.42)、采用误差逆传递方法迭代算法优化所述步骤5.41)得到的实时目标重金属离子浓度ctem(t)，将共s个所述5.41)步骤得到的实时目标重金属离子浓度ctem(t)作为输入层节点数据输入误差逆传递方法，其中为第s个输入层节点值，s＝1,2,…,s；

60、构建第p代隐藏层第h个节点输出值计算公式：

61、

62、其中，为第p代隐藏层第h个节点输出值，h＝1,2,…,h；h为误差逆传递方法隐藏层节点总数；ωsh(p)为第p代输入层第s个节点值与隐藏层第h个节点的连接权重，hh(p)为第p代隐藏层第h个节点输出值阈值；

63、5.43)、根据所述步骤5.42)计算得到的第p代隐藏层第h个节点输入值，计算误差逆传递方法的第p代输出层第k个节点真实输入值的预测输入值

64、其中，yk(p)为第p代输出层第k个节点的预测输入值阈值，ωhk(p)为第p代隐藏层第h个节点与输出层第k个节点的连接权重；k＝1,2,…,k；

65、5.44)、计算误差逆传递方法的第p代输出层第k个节点输入值误差ek(p)：

66、5.45)、根据所述步骤5.44)计算得到的误差，对隐藏层和输出层的连接权重进行更新：

67、

68、ωhk(p+1)＝ωhk(p)+η2hh(p)ek(p)；

69、其中，ωsh(p+1)为第p+1代输入层第s个节点值与隐藏层第h个节点的连接权重，η1为第一权重更新学习率，η1＝0.1～0.2；ωhk(p+1)为第p+1代隐藏层第h个节点与输出层第k个节点的连接权重，η2为第二权重更新学习率，η2＝0.15～0.25；

70、5.46)、根据所述步骤5.44)计算得到的误差，对隐藏层和输出层的更新阈值进行更新：

71、

72、yk(p+1)＝yk(p)+δ2ek(p)×k；

73、其中，hh(p+1)为第p+1代隐藏层第h个节点输出值阈值，δ1为第一阈值更新学习率，δ1＝0.4～0.5；yk(p+1)为第p+1代输出层第k个节点的预测输入值阈值，δ2＝0.5～0.6；

74、5.47)、将更新得到的第p+1代的隐藏层和输出层相应的连接权重和阈值代入至所述步骤5.42)中，并完成所述步骤5.43)，计算误差逆传递方法输出层所有节点误差值适应度v：

75、

76、5.48)、判断所述步骤5.47)计算得到的误差逆传递方法输出层所有节点误差值适应度v是否满足更新迭代停止范围0.5＜v≤0.65，若是，则停止迭代，输出对实时目标重金属离子浓度ctem(t)迭代得到的实时目标重金属离子浓度的准确值cacc(t)；否则，重复所述步骤5.41)-5.47)。

77、本发明还提供采用如上所述方法的mbr处理污水重金属离子系统，包括信号采集模块、酸碱度检测模块、重金属浓度检测模块、数据优化模块和主控制模块；

78、所述信号采集模块，用于实时监测指示剂酸碱色形解离离子浓度；实时监测uv分光光度计发出的初始波长λ0(t)、再生回水中的目标重金属离子接收uv分光光度计发射光后的回水初始波长λs1(t)以及uv分光光度计接收再生回水反射光的回水反射波长λs2(t)；

79、所述酸碱度检测模块，用于根据所述信号采集模块实时监测得到的指示剂酸碱色形解离离子浓度，构建指示剂酸碱电离平衡方程以及最优发射光波波长求解方程，实时调控紫外分光光度以最优发射光波波长测量再生回水酸碱度；

80、所述重金属浓度检测模块，用于计算再生回水中的实时目标重金属离子浓度c(t)；

81、所述数据优化模块，用于优化所述重金属浓度检测模块计算得到的实时目标重金属离子浓度，得到的准确实时目标重金属离子浓度cacc(t)；；

82、所述主控制模块，用于判断数据优化模块优化后得到的准确实时目标重金属离子浓度cacc(t)是否在回水目标重金属离子浓度标准范围cacc(t)<cmax内，并控制所述第一出水阀和所述第二出水阀开启排放再生回水。

83、本发明还提供采用如上所述方法的mbr处理污水重金属离子设备，包括自吸泵、三通阀、第一污水收集容器、清水池、第一连通管、第二连通管、第一mbr污水处理池、第二mbr污水处理池、第一风机、第二风机、曝气管、mbr反冲洗系统、mbr加药清洗系统以及内置有远程控制单片机的控制柜；所述三通阀的一侧设置有真空泵，另一个侧与第二连通管、mbr反冲洗系统以及第一连通管连通；所述第一mbr污水处理池上还设置有第一蝶阀、第一进气阀、第一回水管、第一出水阀和第一出水管；所述第二mbr污水处理池上还设置有第二蝶阀、第二进气阀、第二回水管、第二出水阀和第二出水管；

84、所述mbr反冲洗系统包括与自吸泵连通的微滤器、反冲洗泵、清水池、连通所述反冲洗泵和清水池的冲洗管；

85、所述mbr加药清洗系统包括与微滤器连通的加药管、均与加药管另一端连通的第一加药罐、第二加药罐、第三加药罐；所述第一加药罐、第二加药罐和第三加药罐分别设置有第一药洗阀、第二药洗阀和第三药洗阀。

86、本发明的有益效果为：

87、1、本发明采用mbr处理污水，具有高效的固液分离效果，且出水水质优质稳定；通过将第一mbr污水处理池以及第二mbr污水处理池中的浓水再次分别通过第一回水管和第二回水管输送至第一污水收集容器内，留作下次循环污水处理，进而整套设备产生的剩余污泥产量少；此外其占地面积小，无需二沉池，工艺设备集中。通过两个mbr污水处理池同步对经过粗格栅处理的污水进行生物降解和膜分离，可有效去除氨氮、难降解有机物并在出水管处进行实时的重金属离子浓度检测，进而有效地保证了出水的重金属离子浓度符合再生回水的排放标准。

88、2、本发明提供的mbr污水重金属离子方法克服了传统活性污泥法易发生污泥膨胀的弊端，操作管理方便，易于实现自动控制。

89、3、本发明通过在检测过程中，根据实时监测得到的指示剂酸碱色形解离离子浓度，实时控制被检测的再生回水处于再生回水排放标准范围[phmin,phmax]内，提高了污水出水中重金属离子的检测方法适用范围和广泛度，本发明提供的mbr处理污水重金属离子方法所排放出的再生回水既符合酸碱度排放标准也符合目标重金属离子排放标准。

90、4、本发明提供的mbr处理污水重金属离子方法，通过构建指示剂酸碱电离平衡方程以及指示剂对uv分光光度计发射光的最大吸收率求解方程求解得到能够使被检测的再生回水处于再生回水酸碱度排放标准范围phmin<ph<phmax内，最优发射光波波长并将其代入步骤2)中计算在uv分光光度计以最优发射光波波长发射出紫外光时的再生回水中的实时目标重金属离子浓度ctem(t)，则此时计算得到的实时目标重金属离子浓度即为再生回水始终处于酸碱度排放标准范围内的目标重金属离子浓度，对其进一步优化，获得以最优发射光波波长发射出紫外光时的再生回水中的实时目标重金属离子浓度ctem(t)的准确值cacc(t)，若检测得到的处于再生回水酸碱度排放标准范围内的实时目标重金属离子浓度的准确值cacc(t)处于国家标准中相应的重金属所规定的安全范围内时，即可控制mbr处理污水重金属离子设备控制排放再生回水的相关阀和管道排放处理后的再生回水，以数字化智能控制mbr污水重金属离子排出的再生回水中相关的重金属离子浓度均在国家规定的相应安全范围内。