一种基于微生物基因和活性酶的污水处理方法及系统技术方案

本项发明专利技术提供了一种基于微生物基因和活性酶的污水处理方法及系统，涉及待处理污水中污染物对微生物基因转录的诱导启动、基因对活性酶合成的诱导、关键活性酶对于污染物的直接降解去除以及微生物细胞活性的影响，通过模型动力学形成生物控制回路，通过悬浮物(SS)探头、溶解氧(DO)探头和氧化还原电位(ORP)探头形成在线监测和工程精准控制回路。本项发明专利技术基于微生物基因和活性酶动态变化，具有智能动态控制特点，克服了传统污水生物处理模型只能适用于稳态工况的缺点，适用于城镇生活污水处理厂处理工艺精准控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微生物基因和活性酶的污水处理方法及系统
本专利技术涉及城镇生活污水生物处理工艺过程中的智能精准控制方法和系统，具体是一种基于微生物基因和活性酶的污水处理方法及系统，根据活性污泥微生物对污染物的响应过程，即基因转录，指挥活性酶合成，进行污染物降解，酶活性抑制，能量代谢影响等等，本专利技术特别适用于城镇生活污水生物处理厂的智能控制。
技术介绍
在现代城市社会中，生活污水净化处理是非常重要的，用于保持城市水环境生态，用于城市水资源循环利用。因此，各地城市都建设和运营了各种类型的污水处理厂。据不完全统计，中国已经建设了5000多座城市污水处理厂。随着城市生态文明建设不断推进，水环境治理日益改善，水质标准不断提高，这要求城市污水处理厂运营管理水平不断改善。这使得城市污水处理厂运行管理变得越来越复杂，传统的生物处理工艺控制方法已经不能适应新形势的需要，所存在的主要问题是污水处理厂出水总氮不易稳定达标，剩余污泥数量比较多，处理处置成本比较高。目前，污水处理厂运行过程中，需要去除悬浮物SS、有机物BOD(生化需氧量)和COD(化学需氧量)、氨氮、总氮(TN)、总磷(TP)和细菌，还需要考虑碳源能量平衡，以及实现剩余污泥减量化。对于污水处理厂来说，完成所有以上这些目标，需要借助活性污泥微生物代谢数学模型，主要是莫诺特模型，即μ＝μmax(S/(K+S))，其中μ代表单位数量微生物生长速率，又称为比生长速率，μmax代表最大比生长速率，S代表污染物浓度，K代表半饱和系数，对不同类型微生物工作过程进行精准控制。实际上，国际水协会自1983年开始，专门成立任务小组，基于莫诺特模型，发布了系列活性污泥数学模型，称为ASM1、ASM2、ASM3和ADM模型，涉及异养微生物好氧生长、异养微生物缺氧生长、异养微生物死亡和溶解、自养微生物好氧生长、颗粒有机物水解、缺氧反硝化、聚磷菌除磷等，包括各种微生物细胞维持、衰减、内源呼吸、溶胞、捕食和死亡等。这些活性污泥数学模型能够比较准确地描述不同类型的生活污水生物处理工艺过程，在发达国家城市生活污水处理厂中得到比较成功的影响，对于污水厂自动化运行管理发挥了关键性的作用。但是，国际水协系列模型在中国城市污水处理厂应用并不成功；主要原因是，中国很多城市污水并不单纯是生活污水，而是混合了部分有毒有害的工业废水，这种工业废水容易使活性微生物中毒，导致国际水协模型失效。这严重影响了数学模型在中国城市污水处理厂运行管理中的实际应用。而且，国际水协活性污泥数学模型是以细胞为基础，并没有考虑细胞内部基因转录和各种活性酶组分之间的动态变化规律，所以，国际水协数学模型适用于稳定状态运行的生活污水处理厂。一旦污水处理厂运行状态发生突发性变化，或者活性污泥受到毒性物质的影响而中毒，这些国际水协数学模型就会失效，就需要进入应急恢复状态。例如，在生物曝气池中活性污泥活性如果处于100％水平，检测表明，在二沉池中活性污泥活性水平降低至80％左右，而回流到生物曝气池开端位置时，活性污泥活性水平降低至60％左右，这对于污水处理厂处理效率产生明显的影响。因此，为了提高我国城市污水处理厂智能自动化运行管理水平，有必要突破国际水协活性污泥数学模型的局限性，需要结合我国城市生活污水处理厂的实际情况，研发基于微生物细胞基因转录和活性酶代谢的数学模型，以弥补国际水协数学模型的不足，促进我国城市生活污水处理厂智能化管理水平。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于微生物基因和活性酶的污水处理方法及系统，弥补国际水协数学模型的不足，促进我国城市生活污水处理厂智能化管理水平。为此，本专利技术提出的基于微生物基因和活性酶的污水处理方法包括以下步骤：S1、将生活污水与活性污泥微生物在反应器中进行混合接触，使污染物质引发活性污泥中微生物进行基因转录，进而产生能够降解污染物的活性酶，使其最终分解成为二氧化碳或氮气；S2、采用基因转录动力学数学模型在线计算确定活性酶水平，依此修正活性污泥的活性水平；以及S3、基于活性污泥活性水平，采用活性污泥降解动力学数学模型，计算污染物降解速率，预测污染物降解所需要的电子供体或受体，由此确定并准确控制活性污泥降解作用过程中所需要的曝气量。在一些实施例中，还可以包括如下特征：还包括如下步骤：S4、将实际需要的曝气量换算成为氧气电子当量数受体，通过电子当量平衡模型，确定活性污泥微生物的能量代谢速率水平，依此修正活性污泥微生物活性水平，有效节省生活污水处理过程动力能耗。还包括如下步骤S5：采用毒性抑制动力学模型，修正污染物毒性对活性污泥微生物活性的影响程度，进而修正污染物被降解去除的速率，以及相应的曝气量参数。通过DO作为顶级电子受体而调控活性污泥的数量、活性及其与其它电子受体包括硝酸根(NO3-)、磷酸根(PO43-)、硫酸根(SO42-)和碳酸根(CO32-)等的反应顺序关系，并结合ORP探头实现在线监测和精准控制。所采用的基因转录动力学数学模型如下面公式所示：dE*/dt＝α[(1+Kin1S)/(1+Kin1S+Kin2)]。所述活性污泥降解动力学数学模型即下述活性污泥数学模型：μ＝μmaxE*(S/(K+S))，其中，E*的计算采用如下酶活性衰减数学模型：dE*/dt＝e-βt,其中，β代表酶活性衰减系数。所述毒性抑制动力学模型即如下公式所示的“酶活性抑制数学模型”：f(S)＝KI/(KI+S)，其中，KI代表毒性抑制系数。还专利技术还提出一种基于基因转录和活性酶的生活污水生物处理反应池，包括：池体，该池体上、下分别设有污水进水口和排泥水出口；在该池体内靠近底部处安装微孔曝气器，于池中充满活性污泥；在池中设置DO探头、ORP探头和SS探头，分别探测DO、ORP和X，由此根据进水负荷S和活性污泥活性水平XE*，计算并控制曝气量，实现精准控制。其中，可通过鼓风机和气动阀门调节曝气量。本专利技术还提出一种基于微生物基因和活性酶的污水处理系统，其特征在于包括上述的基于基因转录和活性酶的生活污水生物处理反应池。附图说明图1为本专利技术采用生活污水生物处理反应池示意图。具体实施方式城市生活污水处理厂中微生物细胞是一个“活”的微系统，具有自组织特征，能够自动适应周围环境的变化。本专利技术下述实施例提供了一套符合微生物细胞自组织特征的细胞数学模型，包括污染物触发基因转录、开启活性酶合成、直接对污染物进行降解、以及酶活性调控等；然后，将细胞数学模型镶嵌到国际水协会的活性污泥数学模型中，使得活性污泥数学模型能够适应污水处理厂动态工况和毒性抑制实际情况。根据上述基本思路，本专利技术下述实施例采取了以下步骤：a、将生活污水与活性污泥微生物在反应器中进行混合接触，污染物质引发活性污泥中微生物进行基因转录，进而产生各种活性酶，能够降解污染物，使其最终分解成为二氧化碳或氮气，采用基因转录动力学数学模型(即下面公式(1))在线计算确定活性酶水平，依此修正活性污泥的活性水平(以百分比表示)；b、基于活性污泥活性水平，采用活性污泥降解动力学数学模型(即下面所说的“活性污泥数学模型”)，计算污染物降解速率，预测污染物降解所需要的电子供体(包括有机物和氨氮)或受体(包括硝酸根(NO3-)、磷酸根(PO43-)、硫酸根(SO42-)和碳酸根(CO32-)等)，由此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微生物基因和活性酶的污水处理方法，其特征在于包括以下步骤：S1、将生活污水与活性污泥微生物在反应器中进行混合接触，使污染物质引发活性污泥中微生物进行基因转录，进而产生能够降解污染物的活性酶，使其最终分解成为二氧化碳或氮气；S2、采用基因转录动力学数学模型在线计算确定活性酶水平，依此修正活性污泥的活性水平；以及S3、基于活性污泥活性水平，采用活性污泥降解动力学数学模型，计算污染物降解速率，预测污染物降解所需要的电子供体或受体，由此确定并准确控制活性污泥降解作用过程中所需要的曝气量。

【技术特征摘要】
1.一种基于微生物基因和活性酶的污水处理方法，其特征在于包括以下步骤：S1、将生活污水与活性污泥微生物在反应器中进行混合接触，使污染物质引发活性污泥中微生物进行基因转录，进而产生能够降解污染物的活性酶，使其最终分解成为二氧化碳或氮气；S2、采用基因转录动力学数学模型在线计算确定活性酶水平，依此修正活性污泥的活性水平；以及S3、基于活性污泥活性水平，采用活性污泥降解动力学数学模型，计算污染物降解速率，预测污染物降解所需要的电子供体或受体，由此确定并准确控制活性污泥降解作用过程中所需要的曝气量。2.如权利要求1所述的基于微生物基因和活性酶的污水处理方法，其特征在于还包括如下步骤：S4、将实际需要的曝气量换算成为氧气电子当量数受体，通过电子当量平衡模型，确定活性污泥微生物的能量代谢速率水平，依此修正活性污泥微生物活性水平，有效节省生活污水处理过程动力能耗。3.如权利要求2所述的基于微生物基因和活性酶的污水处理方法，其特征在于还包括如下步骤S5：采用毒性抑制动力学模型，修正污染物毒性对活性污泥微生物活性的影响程度，进而修正污染物被降解去除的速率，以及相应的曝气量参数。4.如权利要求3所述的基于微生物基因和活性酶的污水处理方法，其特征在于通过DO作为顶级电子受体而调控活性污泥的数量、活性及其与其它电子受体的反应顺序关系，并结合ORP探头实现在线监测和精准控制。5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锡辉，范小江，刘楚，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，深圳市华远环境科技有限公司，张家港市华远环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44