CN106430662B - 一种曝气控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种曝气控制系统及方法，该曝气控制系统包括：曝气池、数据采集单元、控制单元、曝气单元；所述数据采集单元包括氧转移效率测定仪、溶解氧测定仪；所述氧转移效率测定仪包括集气罩、尾气传输管；所述氧转移效率测定仪通过信号线将实时氧转移效率值传送到所述控制单元；所述尾气传输管的一端与所述集气罩顶部相连，另一端与所述氧转移效率测定仪相连；所述溶解氧测定仪与所述控制单元连接；所述氧转移效率测定仪测定的氧转换效率以及所述溶解氧测定仪测定的溶解氧浓度传输给所述控制单元；所述控制单元根据传输的所述氧转换效率和所述溶解氧浓度来调节所述鼓风机。采用本发明的曝气控制系统及方法能够精确控制曝气池内的曝气量。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，特别是涉及一种曝气控制系统及方法。
背景技术
曝气系统是污水处理行业中非常重要的一部分，其能耗很大，约占污水厂运营总电耗的一半以上，同时表明在该部分的节能空间很大。在我国由于设计或工艺的原因使得相当一部分污水处理厂曝气系统存在能耗过高的问题，主要表现为对供气量控制不准，基本处于过度曝气的状态，从而造成曝气系统的能耗增加。
我国曝气控制起步较晚，许多污水厂使用的仍然是人工操作与自动监测相结合。目前国内的曝气控制方法主要有人工曝气控制、半自动曝气控制及全自动曝气控制。人工操作主要是根据测定溶解氧浓度及出水水质调节鼓风机风量，在这种操作下，稳定性差，常常为了保证出水尽量达标，曝气量会偏大且人工劳动强度大。半自动曝气控制即便实现了数据传入控制室，同时也需要人工的频繁介入，存在延迟，无法保证出水。全自动曝气控制是污水厂曝气控制策略发展的趋势。而目前所存在的溶解氧控制法仅仅根据溶解氧(Dissolved oxygen，DO)仪器的测量值来调控曝气量，实质上只是定性的决定了需要增加曝气量还是减少曝气量，并不能定量的决定需要增加或者减少的曝气的量。
对于采用氧化还原电位(Oxidation-ReductionPotential，ORP)和pH来进行曝气控制的系统，由于ORP和pH与曝气量并没有直接的线性关系，且ORP值短期内延时严重，在实际应用中并不广泛。以水质指标作为前馈的曝气控制，基本原理是通过污染物浓度来计算需要提供的氧气量，但是污水水质指标大多依靠实验测定，测定时间需要数小时甚至数天，这对实时控制的作用不大。在线水质检测仪表也有数小时的延迟，且价格昂贵，尚未完全普及。
发明内容
本发明的目的是提供一种曝气控制系统及方法，能够实现精确曝气的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种曝气控制系统，包括：曝气池、数据采集单元、控制单元、曝气单元；
所述数据采集单元包括氧转移效率测定仪、溶解氧测定仪；
所述氧转移效率测定仪包括集气罩、尾气传输管；
所述氧转移效率测定仪通过信号线将实时氧转移效率值传送到所述控制单元；
所述尾气传输管的一端与所述集气罩顶部相连，另一端与所述氧转移效率测定仪相连；
所述溶解氧测定仪与所述控制单元连接，所述溶解氧测定仪的检测部伸入所述曝气池中；
所述控制单元包括控制柜、显示器、控制器；
所述显示器放置在控制柜上方；
所述控制器放置在控制柜内部；
所述控制器与所述显示器电连接；
所述曝气单元包括鼓风机、微孔曝气器与流量计；
所述流量计设置于所述微孔爆气器和所述鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与所述控制单元连接；
所述微孔曝气器置于所述曝气池底部；
所述氧转移效率测定仪测定的氧转换效率以及所述溶解氧测定仪测定的溶解氧浓度传输给所述控制单元；
所述控制单元根据传输的所述氧转换效率和所述溶解氧浓度来调节所述鼓风机。
可选的，具体包括：
所述的集气罩位于所述曝气池液面上，所述集气罩的集气口一部分没入混合液。
可选的，具体包括：
所述微孔曝气器上安装有多个微孔曝气头；
所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通。
可选的，还包括：在线温度探头；
所述在线温度探头与所述控制单元连接，所述在线温度探头的检测部伸入所述曝气池。
可选的，还包括：
搅拌装置，所述搅拌装置的搅拌臂伸入所述曝气池中。
一种曝气控制方法，所述方法应用于所述曝气控制系统，包括：
获取当前溶解氧浓度；
获取当前氧转换效率；
根据所述当前溶解氧浓度和所述当前氧转移效率计算得到溶解氧值的期望曝气量；所述期望曝气量为达到所述溶解氧值所需要的曝气量；
获取当前曝气量；
判断所述当前曝气量是否等于所述期望曝气量，得到第一判断结果；
当第一判断结果表示所述当前曝气量不等于所述期望曝气量，则对鼓风机进行调节，直至所述当前曝气量与所述期望曝气量相等。
可选的，所述获取当前曝气量，具体包括：
根据所述溶解氧浓度计算供氧量；
根据所述供氧量计算所述当前曝气量。
可选的，所述根据所述溶解氧浓度计算供氧量，具体包括：
根据公式OTR＝KLa(C饱和值-C实际值)·V曝气池计算所述供氧量；
其中，OTR为供氧量，KLa为20℃下的氧气转移系数，C饱和值为混合液中饱和溶解氧值，C实际值为所述溶解氧测定仪测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积。
可选的，所述根据所述供氧量计算曝气量，具体包括：
根据公式
计算所述曝气量；
其中，Q实为当前曝气量，α为氧总转移系数修正系数，T为实际污水温度，β为饱和溶解氧修正系数，C实际值为溶解氧仪器测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积，k为曝气修正系数，t控制周期为实际溶解氧值调整到设定值所需要的时间；C设定值为调控之后要达到的目标溶解氧浓度，OTE为氧转移效率，[O2air]为空气中氧气的密度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明采用氧转换效率测定仪和溶解氧测定仪实时检测的氧转换效率和溶解氧，根据所述实际测量的氧转换效率和溶解氧由控制器进行公式计算，从而能够实现实时在线精确曝气的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例曝气控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例曝气控制方法的流程图；
图3为本发明实施例在SBR池中OTE随曝气时间的变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种曝气控制系统及方法，能够实现精确曝气的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例曝气控制系统的结构示意图，如图1所示，一种曝气控制系统，包括：曝气池101、数据采集单元、控制单元103、曝气单元；
所述数据采集单元102包括氧转移效率测定仪1021、溶解氧测定仪1022；
所述氧转移效率测定仪1021包括集气罩1023、尾气传输管1024；
所述氧转移效率测定仪1021通过信号线将实时氧转移效率值传送到所述控制单元103；
所述尾气传输管1024的一端与所述集气罩1023顶部相连，另一端与所述氧转移效率测定仪1021相连；
所述溶解氧测定仪1022与所述控制单元103连接，所述溶解氧测定仪1022的检测部伸入所述曝气池101中；
所述控制单元103包括控制柜、显示器、控制器；
所述显示器放置在控制柜上方；
所述控制器放置在控制柜内部；
所述控制器与所述显示器电连接；
所述曝气单元包括鼓风机1041、微孔曝气器1042与流量计1043；
所述流量计1043设置于所述微孔爆气器1042和鼓风机1041之间的管路上，所述流量计1043和所述鼓风机1041均与所述控制单元103连接；
所述微孔曝气器1042置于所述曝气池101底部；
所述氧转移效率测定仪1021测定的氧转换效率以及所述溶解氧测定仪1022测定的溶解氧浓度传输给所述控制单元103；
所述控制单元103根据传输的所述氧转换效率和所述溶解氧浓度来调节所述鼓风机1041。
采用本发明的曝气控制系统能够实时在线监测曝气池中的氧转移效率以及混合液中溶解氧，准确计算出实际应当供给的曝气量，实现对曝气量的精确控制。
可选的，具体包括：
所述的集气罩1023位于所述曝气池101液面上，所述集气罩1023的集气口一部分没入混合液。
可选的，具体包括：
所述微孔曝气器1042上安装有多个微孔曝气头；
所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机1041连通。
通过采用微孔曝气器1042来增加空气气泡的比表面积，提高氧气的转移效率。
可选的，还包括：在线温度探头1025；
所述在线温度探头1025与所述控制单元103连接，所述在线温度探头1025的检测部伸入所述曝气池101。
可选的，还包括：
搅拌装置105，所述搅拌装置的搅拌臂伸入曝气池中，使得曝气池中的氧气分布均匀。
采用本发明的曝气控制系统，使得曝气池中的氧气分布均匀，并通过设置多个微孔曝气头，能够大大增加空气气泡的比表面积，从而提高了氧气的转移效率，最终提高整个系统的调节效率。
本发明还包括一种曝气控制方法，利用所述曝气控制系统进行了曝气量的实时监测与计算，在实际曝气控制过程中，曝气量是随着监测仪器以及上述参数的变化实时变动的，由所述控制单元103直接输出来控制所述曝气单元104的，图2为本发明实施例曝气控制方法的流程图，如图2所示，具体步骤如下：
步骤S201：获取当前溶解氧浓度；
步骤S202：获取当前氧转换效率；
步骤S203：根据所述当前溶解氧浓度和所述当前氧转移效率计算得到溶解氧值的期望曝气量；所述期望曝气量为达到所述溶解氧值所需要的曝气量；
步骤S204：获取当前曝气量；
步骤S205：判断所述当前曝气量是否等于所述期望曝气量，得到第一判断结果；
当第一判断结果表示所述当前曝气量不等于所述期望曝气量，则执行步骤S206；
当第一判断结果表示所述当前曝气量等于所述期望曝气量，则程序结束；
步骤S206：对鼓风机进行调节，直至所述当前曝气量与所述期望曝气量相等。
可选的，所述获取当前曝气量，具体包括：
根据所述溶解氧浓度计算供氧量；
根据所述供氧量计算所述当前曝气量。
可选的，所述根据所述溶解氧浓度计算供氧量，具体包括：
根据公式OTR＝KLa(C饱和值-C实际值)·V曝气池计算所述供氧量；
其中，OTR为供氧量，KLa为20℃下的氧气转移系数，C饱和值为混合液中饱和溶解氧值，C实际值为所述溶解氧测定仪测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积。
可选的，所述根据所述供氧量计算曝气量，具体包括：
根据公式
计算所述曝气量；
其中，Q实为当前曝气量，α为氧总转移系数修正系数，T为实际污水温度，β为饱和溶解氧修正系数，C实际值为溶解氧仪器测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积，k为曝气修正系数，t控制周期为实际溶解氧值调整到设定值所需要的时间；C设定值为调控之后要达到的目标溶解氧浓度，OTE为氧转移效率，[O2air]为空气中氧气的密度。
为了进一步理解本发明，下面结合具体的实施例对本发明提供的曝气控制系统与曝气控制方法进行详细说明。
实施例一
设定期望溶解氧浓度，设定的溶解氧值是通过改变曝气量使得实际曝气量与期望值尽量接近或一致；
根据氧转移效率(Oxygen transfer efficiency，OTE)的变化及DO实际值的变化来调整鼓风机风量；
根据所述的曝气量对风机进行调节。
首先将控制程序算法通过软件写入控制单元103，当曝气控制系统开始运转后，DO测定仪1022实时测定污水中DO浓度，通过Profibus通讯线发送到控制单元103，控制单元103会根据实际溶解氧与设定溶解氧的差值选择控制模式，将OTE测定仪1021和DO测定仪1022实时反馈的数据进行整合，计算出所需要的曝气量，通过Profibus通讯线控制鼓风机1041实现实时曝气量的调整。
具体的，所述OTE测定仪1021通过分析曝气时出气和进气成分，对比两者相对变化，得出OTE值，结合实时的DO值计算得到；
所述PLC控制单元103包括控制柜、显示屏等硬件及控制软件，所述控制软件具体为实现自动控制的程序，所述控制柜包括数据收集模块、命令发送模块，所述数据显示屏可以显示实时数据变化曲线及记录历史数据，通过观察实际溶解氧值的变化趋势与溶解氧设定值的偏离度来判断曝气控制系统的品质。
实施例二
以序列间歇式活性污泥处理法(Sequencing Batch ReactorActivated SludgeProcess，SBR)为例，曝气池有效体积为82.5m3，有效水深3.3m，C设定值＝2.0mg/L，t控制周期为10分钟，[O2air]为空气中氧气的密度为0.28kg/m3；
以西门子300系列的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)为例，由专用软件模块和功能模块组成。
特别地，为了提高系统传输的可靠性和灵活性，系统采用传输速率较快的Profibus通讯线将系统串联起来；
特别地，集气罩由轻质的橡胶材料与钢材料组合构成；
特别地，曝气器采用孔径50-100μm的微孔曝气器。
溶解氧的初始设定值为2mg/L，将OTE测定仪、DO测定仪与曝气系统全部接入PLC后即可开始实施曝气控制，OTE、DO及其他参数每次的变化都会通过信号传输线传给PLC控制器，并计算出实际所需要的风量，命令传输给流量控制阀，通过改变流量控制阀的开度达到命令值，并通过信号线将实际风量的数值显示在信号屏幕上。
在SBR曝气池曝气阶段，在曝气量恒定的情况下，随着污染物浓度的降解和曝气时间的增加，曝气池内的DO会有上升的趋势，而水中污染物随着曝气时间的增加逐渐被消耗，时间越长，污染物浓度越低，微生物很有可能要进行内源呼吸，耗氧速率低，又由于水中的溶解氧浓度较高，致使氧的传质推动力变低，造成OTE降低，图3为本发明实施例在SBR池中OTE随曝气时间的变化图，如图3所示。
但随着营养物质的减少，混合液中所需要的氧气也随之减少，如果仍然保持恒定风量势必会造成能源的浪费。
以下为具体给定数值的实施例：
实施例三
曝气后5min时，OTE＝0.15时，若此时DO设定值＝2.0mg/L，DO实际值＝1.0mg/L，KLa＝0.371min-1，α＝0.48，C饱和值＝8.41mg/L，β＝0.89，t控制周期＝10min，T＝24℃，空气中氧气密度为0.28kg/m3，则Q＝161.35m3/h；
实施例四
曝气后55min时，OTE＝0.11时，若此时DO设定值＝2.0mg/L，DO实际值＝2.5mg/L，KLa＝0.371min-1，α＝0.52，C饱和值＝8.41mg/L，β＝0.88，t控制周期＝10min，T＝24℃，空气中氧气密度为0.28kg/m3，则Q＝139.84m3/h；
由实施例三到实施例四体现了在不同曝气时间下的所需风量，很明显在曝气55min后由于污染物质的降解，曝气池内的DO出现上升，但仍然在设定值±0.5mg/L范围内，α值有所上升，但β值几乎不变，计算得出此时的风量有所减少，符合在曝气池反应末期混合液内氧需求有所降低的状况，由此看出OTE的变化对于风量变化影响占主导地位，此时基于OTE下曝气量在满足微生物需求的同时且不会造成电能的浪费。
由于OTE及DO值是处于实时变化的，所以风量也是处于实时调整中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种曝气控制系统，其特征在于，包括：曝气池、数据采集单元、控制单元、曝气单元；
所述数据采集单元包括氧转移效率测定仪、溶解氧测定仪；
所述氧转移效率测定仪包括集气罩、尾气传输管；
所述氧转移效率测定仪通过信号线将实时氧转移效率值传送到所述控制单元；
所述尾气传输管的一端与所述集气罩顶部相连，另一端与所述氧转移效率测定仪相连；所述的集气罩位于所述曝气池液面上，所述集气罩的集气口一部分没入混合液；
所述溶解氧测定仪与所述控制单元连接，所述溶解氧测定仪的检测部伸入所述曝气池中；
所述控制单元包括控制柜、显示器、控制器；
所述显示器放置在控制柜上方；
所述控制器放置在控制柜内部；
所述控制器与所述显示器电连接；
所述曝气单元包括鼓风机、微孔曝气器与流量计；
所述流量计设置于所述微孔曝气器和所述鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与所述控制单元连接；
所述微孔曝气器置于所述曝气池底部；
所述氧转移效率测定仪测定的氧转移效率以及所述溶解氧测定仪测定的溶解氧浓度传输给所述控制单元；
所述控制单元根据传输的所述氧转移效率和所述溶解氧浓度来调节所述鼓风机；所述控制单元进行的具体操作为：根据所述溶解氧浓度和所述氧转移效率计算得到溶解氧值的期望曝气量；所述期望曝气量为达到所述溶解氧值所需要的曝气量；获取当前曝气量；所述获取当前曝气量具体包括：根据公式OTR＝KLa(C饱和值-C实际值)·V曝气池计算供氧量；其中，OTR为供氧量，KLa为20℃下的氧转换系数，C饱和值为混合液中饱和溶解氧值，C实际值为所述溶解氧测定仪测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积；根据所述供氧量计算所述当前曝气量；根据公式
计算所述当前曝气量；其中，Q实为当前曝气量，α为氧总转移系数修正系数，T为实际污水温度，β为饱和溶解氧修正系数，C实际值为溶解氧仪器测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积，k为曝气修正系数，t控制周期为实际溶解氧值调整到设定值所需要的时间；C设定值为调控之后要达到的目标溶解氧浓度；根据所述当前曝气量和所述期望曝气量对鼓风机进行调节，OTE为氧转移效率，[O2air]为空气中氧气的密度。
2.根据权利要求1所述的曝气控制系统，其特征在于，具体包括：
所述微孔曝气器上安装有多个微孔曝气头；
所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通。
3.根据权利要求1所述的曝气控制系统，其特征在于，还包括：在线温度探头；
所述在线温度探头与所述控制单元连接，所述在线温度探头的检测部伸入所述曝气池。
4.根据权利要求1所述的曝气控制系统，其特征在于，还包括：
搅拌装置，所述搅拌装置的搅拌臂伸入所述曝气池中。
5.一种曝气控制方法，其特征在于，所述方法应用于所述曝气控制系统，包括：
获取当前溶解氧浓度；
获取当前氧转移效率；
根据所述当前溶解氧浓度和所述当前氧转移效率计算得到溶解氧值的期望曝气量；所述期望曝气量为达到所述溶解氧值所需要的曝气量；
获取当前曝气量；获取当前曝气量具体包括根据溶解氧浓度计算供氧量；根据溶解氧浓度计算供氧量具体包括：根据公式OTR＝KLa(C饱和值-C实际值)·V曝气池计算所述供氧量；其中，OTR为供氧量，KLa为20℃下的氧气转移系数，C饱和值为混合液中饱和溶解氧值，C实际值为所述溶解氧测定仪测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积；
根据所述供氧量计算所述当前曝气量；根据公式
计算所述当前曝气量；
其中，Q实为当前曝气量，α为氧总转移系数修正系数，T为实际污水温度，β为饱和溶解氧修正系数，C实际值为溶解氧仪器测定的实时值，V曝气池为曝气池有效容积，k为曝气修正系数，t控制周期为实际溶解氧值调整到设定值所需要的时间；C设定值为调控之后要达到的目标溶解氧浓度，OTE为氧转移效率，[O2air]为空气中氧气的密度，
判断所述当前曝气量是否等于所述期望曝气量，得到第一判断结果；
当第一判断结果表示所述当前曝气量不等于所述期望曝气量，则对鼓风机进行调节，直至所述当前曝气量与所述期望曝气量相等。
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