CN100501009C

CN100501009C - 基于连续搅拌反应池的河流水质模拟实验装置

Info

Publication number: CN100501009C
Application number: CNB2007100120569A
Authority: CN
Inventors: 樊立萍; 袁德成
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: CN101092810A

Abstract

本发明涉及一种环境工程，特别是涉及一种环境工程中水质模拟实验装置。适用于水处理与控制、生化反应、流域水环境预报与监控等过程的模拟实验。基于连续搅拌反应池的河流水质模拟实验装置，采用九个级联好氧反应器模拟河流，用九个开口好氧反应器模拟河流，每个反应器有一套曝气装置，每个曝气泵相对独立，既可同步运行，也可以分别对其进行控制，级联反应器始端、即初始进水端安装远传流量计，实现在线监测与实时控制，通过梯形支架形成级联反应器的自然梯度，通过PLC控制系统实现对水流量和曝气量的实时控制。

Description

基于连续搅拌反应池的河流水质模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种环境工程，特别是涉及一种环境工程中水质模拟实验装置。适用于水处理与控制、生化反应、流域水环境预报与监控等过程的模拟实验。

背景技术

工业化进程的加快与人口的迅速增长导致水污染日趋严重。改善水体质量，保护水生态环境，成为城市环境治理的一个重点。作为城市污水的最终受纳体，河流的水质受城市污水排放量与排放质量的直接影响。

理想的城市河流应该具备运输、渔业、饮用水生产、灌溉、水生生物居住等多重功能，但这些功能必须在满足水质水量两种因素条件下才能维持，只有当充足的水量具备适宜的水质时，河流的这些功能才可以得以利用。河流是一个复杂的物理、化学和生化系统，河流水质不仅取决于其源头来水与支流进水，而且取决于河水流动中所发生的物理传输与交换过程以及生物、生化或物理转化过程等各种过程。微生物在河流水质转化过程中起着重要的作用。

河水中溶解氧的含量是反应水体污染状态的一个重要指标，受污染水体溶解氧浓度的变化过程反应了河流的自净过程。当水体中存在溶解氧时，好氧菌分解河水中的有机物，使水中溶解氧含量下降，浓度低于饱和溶解氧，而水面大气中的氧就溶解到河水中，补充消耗掉的氧。如果有机物含量较高，溶解氧消耗太快，大气中的氧来不及补充水中氧的消耗，水体中的溶解氧就会逐渐下降，乃至消耗殆尽。当河水处于严重缺氧状态后，水生物大量死亡，有机物分解从好氧分解变为厌氧发酵，水质严重恶化，出现恶臭现象。这种情况下的水生态系统已遭到严重破坏，无法自行恢复。

河水中的溶解氧主要来源于大气复氧和水生植物的光合作用，其中大气复氧是水体溶解氧的主要来源。天然大气复氧作用过程非常缓慢，当河流受到严重污染时，单纯依靠大气复氧难以实现河流自净。

充分了解河流水力特性与水质变化特性，是保护河流水质的必要条件。通过实验室模拟运行对所构造的各种监控策略进行验证，是实现河流水质实时监控进而达到改善水环境质量目标的必经阶段。

由于实际河流系统错综复杂，实验室建立准确模拟装置存在很大困难。考虑级联水池的水力特性与具有不确定流量的开式渠道的水力特性相近，故采用级联水池模拟河流水力特性与水质变化过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以级联反应器模拟河流的有效方法。在充分研究河流水力特性与生化反应特性基础上，采用级联CSTR(连续搅拌反应池)模拟河流，实现对河流水质与水力运行状况的模拟。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于连续搅拌反应池的河流水质模拟实验装置，采用九个级联开口式圆柱形好氧反应器，每个反应器有一套曝气装置，每个曝气泵相对独立，既可同步运行，也可以分别对其进行控制，级联反应器始端即初始进水端安装远传流量计，实现在线监测与实时控制，通过梯形支架形成级联反应器的自然梯度，通过可编程控制器控制系统实现对水流量和曝气量的实时控制。

如上所述的基于连续搅拌反应池的河流水质模拟实验装置，其相邻的反应器之间的连通管安装控制阀，控制污水的流量；每个曝气泵采用变频调速控制实现曝气量调节。

本发明的优点与效果是：

河流是一个开放的系统，由于大气复氧和水生植物的光合作用，河流中溶解氧的浓度能够得到一定的自我补充，在无污染情况下，有充足的氧气。因此，采用级联好氧反应池模拟河流。

为了便于实现自动控制，本发明在反应器的进水端配备了远传流量计，流量计的监测信号通过数据线采集到PLC数据输入端，一方面在终端显示器加以显示，另一方面通过控制程序构成闭环控制，实现对模拟装置内进水流量的实时控制。同时，各反应器曝气泵采用变频调速实现曝气量控制。

附图说明

本发明附图是基于管模式的河流水质模拟实验装置及根据本发明所设计的基于CSTR的河流水质模拟实验装置示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

图中：1.管模式河流水质模拟实验装置 2.远传水流量计 3.好氧反应池 4.气流量计 5.曝气头 6.控制阀 7.梯形支架 8.曝气泵

假定反应池是完全混合的。每个反应池中组分i的变化可表示为：

\frac{d C_{i}}{dt} = \frac{Q_{in}}{V} (C_{i, in} - C_{i}) + r_{i}

其中，Q_in—反应池进水流量(m³/s)；

V—反应池体积(m³)；

C_i，in—组分i进水浓度(g/m³)；

C_i—组分i出水浓度(g/m³)。

反应速率r_i可以通过河流水质模型获得，整个模型的校准尚需确定合适的CSTR个数。由于缺乏解决复杂机理模型建模与仿真所需专业软件，本发明采用仿真试验法确定能够准确模拟所建模河段的合适的级联水池个数。首先将所建模的管网的水力动态用单个反应池描述，通过仿真模拟管网运行状态，然后逐渐增加级联水池的个数，重复模拟运行。当级联水池个数增加到9以后，河水主要组分的动态变化曲线基本重合，而9池以上的运算速度却明显减慢。所以，综合考虑简化模型的准确度与运算速度，选用9个级联水池描述所建模河段的水力动态比较合适。

采用九阶级联反应池模拟河流的水力特性与生化反应过程。以好氧反应器来模拟开放式河流清洁情况下好氧条件。通过调节曝气量改变反应池内溶解氧浓度，模拟不同污染程度下的河流。采用九个级联开口式圆柱形好氧反应器，每个反应器内安装曝气头，通过曝气泵输入氧气。为方便水的自然流动，将9个反应器通过梯形支架按不同高度安置，每个反应器的进水由其上端邻近反应器流入，而其出水流入其下游邻近反应器，相邻两个反应器之间设电磁阀，用于调节上游至下游的水流量。级联反应器的始进水端设置远传水流量计，曝气进气管设远传气流量计，两种远传信号均与PLC连接，实现自动控制。

Claims

1.基于连续搅拌反应池的河流水质模拟实验装置，其特征在于采用九个级联开口式圆柱形好氧反应器，每个反应器有一套曝气装置，每个曝气泵相对独立，既可同步运行，也可以分别对其进行控制，级联反应器始端即初始进水端安装远传流量计，实现在线监测与实时控制，通过梯形支架形成级联反应器的自然梯度，通过可编程控制器控制系统实现对水流量和曝气量的实时控制。

2.根据权利要求1所述的基于连续搅拌反应池的河流水质模拟实验装置，其特征在于相邻的反应器之间的连通管安装控制阀，控制污水的流量；每个曝气泵采用变频调速控制实现曝气量调节。