CN102849851A - 一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置，包括SBR反应器，所述SBR反应器为双层夹套式结构，内层空腔为反应室，外层空腔为水浴加热室，还包括：检测SBR反应器的水浴加热温度、内部污水的pH值和溶解氧含量的检测单元；接收检测单元发出的检测信号，处理后向执行单元发出执行命令的控制单元；接收执行命令，对水浴加热温度和污水的pH值、溶解氧含量进行调节的执行单元。本发明通过实时反馈控制污水处理过程中的pH值和好氧段的溶解氧值，为微生物的生长提供了良好的环境条件，更加有利于微生物的代谢。运用本发明处理后的污水能够达到《城镇污水处理厂污水排放标准》一级A标，并且能够明显的节约运行成本。

Description

一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置

技术领域

本发明涉及污水处理装置，尤其涉及一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置。

背景技术

我国地表水体污染主要是由工业废水和城市生活污水的排放所造成的，污水处理厂的建设成为改善我国水环境的重要措施之一。城市污水处理厂担负着处理生活污水、工业生产废水及进入市政下水管道雨污水的任务。其建设和运行效果，直接决定着城市的发展水平，影响着城市景观、卫生环境和投资环境，甚至关系到饮用水安全。然而大批量的污水处理厂建成却并没有使我国水污染状况大幅度减轻。

我国建成并投产使用的污水处理厂中只有70％左右的城市污水处理厂能有效运行，导致我国大多数污水厂不能有效运行的其中一个重要原因是由于污水处理厂的设计不合理并且自动化控制技术和管理技术落后。根据调查显示，目前我国已建成的污水处理厂的排放标准能达到《城镇污水处理厂污水排放标准》(GB18918-2002)一级A标的仅占城市污水处理厂的6％左右，随着污水处理厂排放标准的提高，绝大数污水处理厂设备都需要进行技术改造。

《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》被称为“全国最严格”的环保标准，自2008年1月1日起实施，其中规定，所有新建污水处理厂的排放标准都要从一级B提高到一级A。进一步要求我们加快污水处理厂的技改步伐

我国普遍应用的污水处理工艺当中，SBR法因其自动化程度高、处理效果好、运行管理方便，被广泛的运用于中小型的污水处理厂，其中以乡镇一级居多。SBR是序列间歇式活性污泥法的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。

目前，现有的SBR处理工艺还存在许多的问题，例如时序的设置是否合理，每个周期的时间的设定，曝气阶段曝气量的大小，微生物是否在一个最佳的环境中生存等等，这些问题至今为止，都是工程师根据自身积累的经验来解决的，不具有普适性。操作不合理时，很容易造成处理系统的崩溃，处理水质不能达标，造成资源的浪费。这些问题，到目前为止还没有一个妥善的解决方法，因此亟须对现行主流的污水处理工艺的运行及控制做进一步的研究和完善，以解决目前所面临的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置，解决现有装置每个运行阶段依靠经验操作，往往因操作不合理而导致处理后的水质不能达到标准的问题。

一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置，包括SBR反应器，所述SBR反应器为双层夹套式结构，内层空腔为反应室，外层空腔为水浴加热室，还包括：

检测单元，检测SBR反应器的水浴加热温度、内部污水的pH值和溶解氧含量；

控制单元，接收检测单元发出的检测信号，处理后向执行单元发出执行命令；

执行单元，接收执行命令，对水浴加热温度和污水的pH值、溶解氧含量进行调节。

SBR法处理污水的工艺主要包括进水阶段，厌氧阶段，好氧阶段、沉淀、滗水阶段，闲置阶段以及排泥阶段。本发明通过设置检测单元、控制单元和执行单元，不同的功能单元各自发挥相应的作用，并有机的结合在一起，可以对污水处理过程中各个阶段的相关指标进行实时监测，并进行有效反馈和处理，从而实现对污水处理的自动化控制。

为了便于对SBR工艺中的参数进行控制和分析，所述智能化污水处理装置还包括与控制单元连接的显示单元和输入单元。所述的显示单元可以是显示器，用于观测反应器的运行状态和运行阶段，而输入单元实现对控制参数的调节，以适应不同种类污水的处理。

作为优选，所述显示单元为集成输入单元的触摸屏，与传统的机械式的按钮面板相比，触摸屏操作更加方便，使用灵活，输入速度快，不仅外形美观，还节省了空间。

所述检测单元包括温度传感器、pH检测仪和含氧量检测仪，温度传感器设于水浴加热室内，pH检测仪和含氧量检测仪的检测探头设于反应室内，它们分别用于反应器的水浴加热温度，污水的pH值和溶解氧含量。

所述检测单元还可以包括液位计，用于检测反应室内部的污水量，以实现自动进水和排水。

所述执行单元包括曝气装置、水浴循环装置和加酸、加碱装置，分别用于调节污水的溶解氧含量、pH值以及反应器的水浴加热温度。

所述曝气装置包括设于反应室内的微孔曝气器、连接微孔曝气器的进气管以及受控制单元控制的空气泵。

所述水浴循环装置包括与水浴加热室连通的水浴进水管、水浴出水管，受控制单元控制的水浴循环泵、水浴箱。

所述加酸、加碱装置包括与反应室连通的加酸管、加碱管，加酸管上的加酸蠕动泵，加碱管上的加碱蠕动泵。

所述污水处理装置还包括排水装置，所述排水装置由与反应室连通的排水管、排水管上受控制单元控制的电磁阀以及出水箱组成。污水处理完成后，需要将处理后的水及时排出，设置排水装置可以实现自动排水。

所述污水处理装置还包括进水装置，所述进水装置由与反应室连通的进水管、污水池以及受控制单元控制的污水泵组成，通过该装置可以实现自动进水。

所述控制单元由数据采集模块、PXI嵌入式控制器以及执行驱动模块组成。

所述SBR反应器的高径比为3～4∶1，以使搅拌器工作效率更高，液体混合更加均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过实时反馈控制污水处理过程中的pH值和好氧段的溶解氧值，能够为微生物的生长提供良好环境条件，更加有利于微生物的代谢。运用本发明处理后的污水能够达到《城镇污水处理厂污水排放标准》(GB18918-2002)一级A标，并且能够明显的节约运行成本。

附图说明

图1为本发明污水处理装置的模块框图。

图2为本发明控制单元的模块框图。

图3为本发明污水处理装置的结构示意图。

其中，1、SBR反应室；2、控制柜；3、电磁阀；4、出水箱5、排泥阀；6、温度传感器；7、水浴加热室；8、溶解氧探头；9、pH探头；10、微孔曝气器；11、进水管；12、水浴循环泵；13、水浴进水管；14、水浴箱；15、污水泵；16、污水池；17、水浴出水管；18、磁力搅拌器；19、液位计；20、空气流量计；21、空气泵；22、加碱蠕动泵；23、加酸蠕动泵；24、显示器；25、机械式键盘；26、PXI控制平台。

具体实施方式

如图1和2所示，一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置，包括SBR反应器、检测单元、控制单元、执行单元、显示单元和输入单元。

其中SBR反应器可以选用常规的SBR反应器，一般为圆柱体的双层夹套式结构，内层空腔作为反应室1，外层空腔作为水浴加热室7，内层的高径比在3～4∶1，底部设置磁力搅拌器18，内部设有液位计19。

显示单元一般为显示器24，用于显示SBR反应器的运行状态，包括水浴加热温度，污水的溶解含氧量、pH值以及运行阶段等等信息。输入单元用于输入各种控制参数，如污水处理各阶段的运行时间，各阶段污水溶解氧含量、pH值的控制范围，进水、排水时间等等，它可以是如图3所示的机械式键盘25，也可以与显示器24集成的触摸屏。

控制单元主要是接收检测单元发出的检测信号，处理后发出执行命令给执行单元，如图2所示，控制单元由PXI嵌入式控制器(PXIe 8105)、数据采集模块(PXI 6238、PXI4351)、执行驱动模块(PXI 6515)组成。它采集数据后经控制器处理、识别、判断后，输出信号给执行驱动模块，以驱动或停止相应的执行单元，整个控制单元安装在PXI机箱上，构成PXI控制平台26。

检测单元主要用于检测水浴加热温度、污水的pH值和溶解氧含量、液面高度。在本实施具体分别为温度传感器6、pH检测仪、溶解氧检测仪和液位计19。温度传感器6设置在水浴加热室的内部，将检测的温度信号实时传输给控制单元，并在显示单元上显示。pH检测仪和溶解氧检测仪仅仅是检测探头设置在反应室内，如图3所示，pH探头9和溶解氧探头8设置在反应室顶部。pH检测仪和溶解氧检测仪的机体部分设置在室外，并与控制单元连接，它们将污水的pH值和溶解氧含量实时传输给控制单元。液位计19置于反应器的底部，实时将液位信息传输给控制单元。

执行单元根据接收的执行命令，对水浴加热温度和污水的pH值、含氧量进行调节。在本实施例中，它主要包括曝气装置、水浴循环装置和加酸、加碱装置。

曝气装置由设于反应室内的微孔曝气器10、连接微孔曝气器10的进气管以及受控制单元控制的空气泵21组成。进气管上设有空气流量计20，当污水内的溶解氧含量低于设定值时，则控制单元输出执行命令，启动空气泵，及时曝气。

水浴循环装置由与水浴加热室7连通的水浴进水管13、水浴出水管17，水浴循环泵12以及水浴箱14组成。水浴进水管13的出水端与水浴加热室7的底部连通，进水端与水浴循环泵12连接，水浴出水管17的进水端与水浴加热室7的顶部连通，出水端与水浴箱连接。温度传感器6将检测的温度信号传输给控制单元，当控制单元检测水浴温度低于或高于设置的范围，则发出命令给水浴箱14，通过加热或冷却调节内部的水温，然后打入水浴加热室7。

加酸、加碱装置由与反应室连通的加酸管、加碱管，加酸管上的加酸蠕动泵23，加碱管上的加碱蠕动泵22组成。当污水的pH值超出设定值，控制单元发出执行命令给加酸蠕动泵23或加碱蠕动泵22，适时调节污水的pH值。

如图3所示，该污水处理装置还包括排水装置和进水装置，以实现自动排水和进水。排水装置由与反应室1连通的排水管、排水管上受控制单元控制的电磁阀3以及出水箱4组成，排水管两端分别连通反应室1和出水箱4。进水装置由与反应室1连通的进水管11、污水池16以及受控制单元控制的污水泵15组成。

上述基于嵌入式系统的智能化污水处理装置的运行过程如下：

当系统开始运行时，水浴循环装置开始运行，控制单元采集温度传感器的数据并进行实时处理。考虑到加热元件的时滞性以及避免加热元件短时间内重复开合，一般会设定阈值范围，比如[a，b]，当检测到的温度在该阈值范围内，则不加热；当检测到温度低于a℃时，则加热元件开始加热，一直加热到b℃停止。水浴循环装置只有在整套装置停止运行时才会停止，否则一直在循环工作。

1.进水阶段：进水时，控制单元发出命令，污水泵15、磁力搅拌器18和液位计19开始工作。污水泵15开始从污水池16中将污水泵入SBR反应器中，磁力搅拌器18开始搅拌，液位计19开始采集数据。当液位计19的数值到达设定的液位时，控制单元发送一个停止进水的命令，控制柜2中控制污水泵15的继电器断开，停止进水，系统进入下一个阶段。

2.厌氧阶段：在厌氧阶段，磁力搅拌器18持续搅拌。控制单元对反应室1中的pH值、溶解氧值进行采集。一般会设定最适宜的阈值范围[A，B]以及调节的阈值范围[C，D]，C＜A＜B＜D，如果pH值低于C，则控制柜2中控制加碱蠕动泵22的继电器闭合，加碱蠕动泵22开始工作，当pH值达到B，则停止加碱；当pH值高于D，则控制柜2中控制加酸蠕动泵23的继电器闭合，加酸蠕动泵23开始工作，当pH值达到A，停止加酸。

3.好氧阶段：磁力搅拌器18依然继续维持工作。控制柜2中控制空气泵21的继电器闭合，空气泵21开始工作。在好氧段仍然对污水的pH值进行控制，其反馈控制的方式与厌氧段完全一致，但是设定的适宜阈值范围可能不一样。

在好氧段另一个需要反馈控制的是污水中溶解氧含量。随着反应的进行，系统中的溶解氧值呈现一个由低到高的过程，并且会出现一个突变点，经过突变点之后系统中的溶解氧值呈现的是一个快速上升的过程。若系统一直在曝气则会引起不必要的浪费且还有可能引发污泥膨胀的发生，因此需要对系统中的溶解氧进行控制。

对溶解氧进行反馈控制的策略基本与温度控制的策略相同。即当系统中才溶解氧超过阈值上限时，控制柜2中控制空气泵21的继电器断开，微孔曝气器10停止曝气，当系统中的溶解氧低于阈值下限时，则继电器闭合，微孔曝气器10开始曝气。如此设置既保证了曝气泵的使用寿命，也使得系统的溶解氧能够维持在适宜的范围内，使微生物生长在良好的环境中，有助于微生物更好的完成代谢作用，提高系统的处理能力。

4.沉淀、滗水阶段：当好氧阶段结束时，控制柜2中控制搅拌和曝气的继电器同时断开，并且系统不再对pH值和溶解氧进行负反馈控制。当沉淀结束时，控制柜2中控制电磁阀3的继电器闭合，系统开始滗水，滗水的同时液位计19开始采集液位高度，当液面高度到达系统设定的高度时，控制柜2中控制电磁阀3的继电器断开，同时液位计19也不再采集液面的高度。

5.闲置阶段：当整个反应的主要过程都完成时，系统仅剩水浴循环装置仍在工作，用户可以根据需要设定闲置的时间，闲置时间结束后，又开始进入下一个循环。

6.排泥阶段：根据用户设定的污泥龄，计算出每天需要排除的泥量，通过排泥阀5排出系统中多余的泥量，该阶段在每天的最后一个周期执行。

采用本发明基于嵌入式系统的智能化SBR系统对如下污水进行处理：

待处理污水：CODcr浓度平均值为300mg/L，氨氮浓度平均值为40mg/L，总磷浓度平均值为5mg/L。

SBR反应器采用进水-厌氧-好氧-沉淀-滗水的工艺时序。各工序的反应时间分别为进水阶段10min，厌氧阶段150min，好氧阶段250min，沉淀50min，滗水10min，闲置10min。通过反馈控制将装置的温度控制在25℃，厌氧段的pH在控制在7.5左右，好氧段的pH值控制在7.2左右，含氧量控制在2.5mg/L左右。

经过处理后的出水：均值CODcr＝40mg/L，氨氮＝1mg/l，总磷＝0.3mg/L，出水指标均达到《城镇污水处理厂污水排放标准》(GB18918-2002)一级A标。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式系统的智能化污水处理装置，包括SBR反应器，所述SBR反应器为双层夹套式结构，内层空腔为反应室，外层空腔为水浴加热室，其特征在于，还包括：

检测单元，检测SBR反应器的水浴加热室的温度、内部污水的pH值和溶解氧含量；

控制单元，接收检测单元发出的检测信号，处理后向执行单元发出执行命令；

执行单元，接收执行命令，对水浴加热室的温度和污水的pH值、溶解氧含量进行调节。

2.如权利要求1所述的智能化污水处理装置，其特征在于，包括与控制单元连接的显示单元和输入单元。

3.如权利要求2所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述显示单元为集成输入单元的触摸屏。

4.如权利要求1所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述检测单元包括温度传感器、pH检测仪和溶解氧检测仪，温度传感器设于水浴加热室内，pH检测仪和含氧量检测仪的探头设于反应室内。

5.如权利要求1所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述执行单元包括曝气装置、水浴循环装置和加酸、加碱装置。

6.如权利要求5所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述曝气装置包括设于反应室内的微孔曝气器、连接微孔曝气器的进气管以及受控制单元控制的空气泵。

7.如权利要求5所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述水浴循环装置包括与水浴加热室连通的水浴进水管、水浴出水管，受控制单元控制的水浴循环泵、水浴箱。

8.如权利要求5所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述加酸、加碱装置包括与反应室连通的加酸管、加碱管，加酸管上的加酸蠕动泵，加碱管上的加碱蠕动泵。

9.如权利要求1所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述控制单元由数据采集模块、PXI嵌入式控制器以及执行驱动模块组成。

10.如权利要求1所述的智能化污水处理装置，其特征在于，所述SBR反应器的高径比为3～4∶1。

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