CN111333256B - 一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺 - Google Patents

一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，包括以下工艺步骤：S1：启动能源切换单元，通过逻辑控制器Ⅰ切换4条控制线的能源输出为污水生物处理单元供电；S2：启动生物污水处理单元，通过能源切换单元为提升泵和曝气泵供电，通过逻辑控制器Ⅱ控制提升泵及曝气泵的运行状态，调整出水水质；S3：启动生态处理单元，污水经过污水生物处理单元后进入生态处理单元，在此单元中通过人工搭建的生态系统，进一步处理污水，最终排向外界。本发明搭配灵活、操作方便、高度集成、可根据外界环境切换驱动能源，实现自动化运行，并且运行效果稳定，污水处理效果好。

Description

一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种以风能和太阳能驱动为主要驱动能源，以工频交流电(市电)为补充驱动能源的污水生物-生态处理工艺。
背景技术
污水处理属于能源密集型行业，污水处理过程中的曝气和提升为主要能耗过程，占总能耗的70％左右，是污水处理设施运行成本的主要组成部分。在能源危机日益严重的今天，探索清洁可再生能源驱动并且结合生态处理，以多目标出水为出水指标的污水处理系统对社会的可持续发展有着重要意义。
通常，自然界的风和太阳辐射强度是实时变化的，具有不稳定性，如遇阴雨天气难以保证其供能的持续性。现有技术中通常采用蓄电池组去储存风能和太阳能，而普通的蓄电池组也难以满足高强度的污水处理要求。例如公开号为CN205368020U的中国专利公开了一种利用风光互补为驱动能源的污水处理设施，沿用了传统的蓄电池储能方式且其自动控制系统也只是控制供电。蓄电池的使用寿命通常是2-5年，蓄电池的定期更换增加了风能和太阳能发电的成本，而废弃蓄电池的处理也增加了环境污染风险。
发明内容
本申请的目的在于提供一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，包括能源切换单元、污水生物处理单元和生态处理单元，包括以下工艺步骤：
S1：启动能源切换单元，通过逻辑控制器Ⅰ切换4条控制线的能源输出为污水生物处理单元供电，其中：
模式1：在晴天有风的情况下，通过太阳能板先为超级电容充电，待超级电容电压达到一定值时，控制风机同时为超级电容充电，通过逆变器将超级电容内的直流电转换为交流电，为污水生物处理单元供电；
模式2：在晴天而无风情况下，通过太阳能板先为超级电容充电，待超级电容电压达到一定值时，控制太阳能板进一步为超级电容充电，通过逆变器将超级电容内的直流电转换为交流电，为污水生物处理单元供电；
模式3：在阴天而有风的情况下，通过市电连接充电器，先为超级电容充电，待超级电容电压达到一定值时，控制风机为超级电容充电，通过逆变器将超级电容内的直流电转换为交流电，为污水生物处理单元供电；
模式4：在连续长时间阴天且无风的条件下，通过市电直接供电，通过逆变器进一步为污水生物处理单元供电，当天气条件好转时，切换回太阳能及风能供电模式；
S2：启动生物污水处理单元，通过能源切换单元为提升泵和曝气泵供电，通过逻辑控制器Ⅱ控制提升泵及曝气泵的运行状态，调整出水水质；
S3：启动生态处理单元，污水经过污水生物处理单元后进入生态处理单元，在此单元中通过人工搭建的生态系统，进一步处理污水，最终排向外界。
进一步地，所述S1中还包括以下模式：
保护模式1：当辐照度过高，通过逻辑控制器Ⅰ发出指令断开部分太阳能板供电线路，防止超级电容过充；
保护模式2：当风速过大时，通过逻辑控制器Ⅰ发出指令启动接触器，将风机的三相电路短接，迫使其降速，同时，通过卸荷器保护电路，防止电压过载。
进一步地，所述污水生物处理单元中的曝气泵及提升泵均通过逻辑控制器Ⅱ控制其运行状态，当曝气量为两个或两个以上等级时，控制提升泵工作以不同进水量进行分级进水。
进一步地，在所述逻辑控制Ⅱ中设定电量的第1设定值和第N设定值，所述第N设定值大于所述第1设定值，且第N设定值随着N增大而增大，若所述超级电容的实时电量达不到第1设定值，系统不启动，若所述超级电容的实时电量达到第N设定值，将启动第N级曝气强度，相应地以第N级流量进水，其中N为大等或等于2的整数。
本发明带来的有益效果有：
1、本发明利用风能和太阳能以及市电驱动的污水生物-生态处理系统运行稳定，节能环保，污水处理效率高。通过能源切换单元，实现了以风能和太阳能驱动为主要驱动能源，以工频交流电(市电)为补充驱动能源的自由切换，避免了极端天气下的运行效果波动，通过超级电容和PLC控制器控制电能的稳定输出，从而保障污水生物处理单元的稳定运行。多余电能可供给净化塘间歇曝气，防止塘内水体黑臭化，进一步提高了污水处理效率。
2、本发明中设置了辐照度检测仪、风速检测仪、接触器及卸荷器，可在线进行环境数据采集并通过PLC的逻辑运算发送指令，控制系统卸荷，有效避免设备过载，提供过载保护。
3、本发明提出的污水生物-生态处理系统，采用不同功率的曝气泵，根据能源切换单元电量的多少，通过控制功率不同的曝气泵。并且以生物反应单元内的溶解氧浓度为调控参数，使进水泵以相应的流量进水。在常规天气条件下(无连续阴雨天，或存在有效风力的情况下)当现场风速较弱并且太阳能辐射强度较低时，发电单元电量少，电量达不到设定值时，设备不启动；当现场风速较强并且太阳能辐射强度较高时，发电单元电量逐渐增加，当太阳能与风能连续长时间无法正常供电时，系统将供电模式自动切换为市电，在实现能量的最大化利用的同时，保证设备的连续稳定运行。
附图说明
图1为本发明中能源切换单元的系统结构示意图。
图2为本发明中能源切换单元与污水生物处理单元的运行控制逻辑图。
图3为本发明中反应池的结构示意图。
图4为本发明中生态处理单元的结构示意图。
图中：1-市电、2-PLCⅠ、3-继电器Ⅲ、4-继电器Ⅰ、5-接触器、6-继电器Ⅱ、7-太阳能板、8-风机、9-充电器、10-太阳能控制器、11-风机控制器、12-卸荷器、13-超级电容、14-逆变器、15-PLCⅡ、16-曝气泵Ⅰ、17-曝气泵Ⅱ、18-曝气泵Ⅲ、19-喷泉水泵、20-提升泵Ⅰ、21-提升泵Ⅱ、22提升泵Ⅲ、23-辐照度检测仪、24-风速检测仪、25-污水池、26-厌氧反应腔、27-好氧反应腔、28-导流板、29-隔板、30-反应池、31-反应池出口管道、32-净化塘、33-环状湿地池、34-过滤塘、35-生态单元出口管道。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明申请的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
请参阅图1、3、4，一种可切换驱动能源的污水生物生态处理系统，包括能源切换单元、污水生物处理单元和生态处理单元。
能源切换单元包括4条并联的且可切换的控制线，其中：
第一条控制线包括依次电连接的PLCⅠ2、继电器Ⅰ4、太阳能板7、太阳能控制器10、超级电容13及逆变器14，太阳能板7为多块独立太阳能板并联制作而成，用以收集太阳能并通过太阳能控制器10的控制为超级电容13充电，逆变器14用以将超级电容13的直流电转换为交流电输出。
第二条控制线包括同样与PLCⅠ2依次连接的风机8、风机控制器11、超级电容13及逆变器14，风机控制器11用以控制风机8向超级电容13充电。
第三条控制线包括与PLCⅠ2依次连接的市电1、继电器Ⅱ6、充电器9、超级电容13及逆变器14。
第四条控制线包括与PLCⅠ2依次连接的市电1、继电器Ⅲ3及逆变器14。
此4条控制线中市电1、PLCⅠ2、超级电容13及逆变器14均设置为一个。
逆变器14输出端连接有PLCⅡ15，PLCⅡ15连接有曝气泵Ⅰ16、曝气泵Ⅱ17、曝气泵Ⅲ18、喷泉水泵19和提升泵Ⅰ20、提升泵Ⅱ21、提升泵Ⅲ22。
污水生物处理单元包括反应池30，反应池30为长方体设计，沿其内部长度方向上交错设置有2个隔板29和3个导流板28，将反应池30分割成交错排列的3个厌氧反应腔26和3个好氧反应腔27，厌氧反应腔26顶部分别连接3个提升泵，提升泵用以将污水从污水池25中提升至反应池中，好氧反应腔27底部分别连接3个曝气泵，导流板28的高度依次降低，隔板29底部留有过水缝隙，污水依次经过各反应腔最终通过反应池出口管道31流入生态处理单元。
生态处理单元包括净化塘32，净化塘32内设有喷泉水泵19,用以间歇式曝气，净化塘32外侧一周设有人工潜流式的环状湿地池33，净化塘32内还设有过滤塘34，过滤塘34内填装有组合滤料，污水由反应池出口管道31进入生物处理单元，依次流经环状湿地池33、净化塘32及过滤塘34后通过生态单元出口管道35排入外界。
本装置中能源切换单元的工作原理：根据实时的天气条件切换供电模式，太阳能控制器10、风机电控制器11、逆变器14都有其工作电压允许范围，超级电容13的工作电压区间为0-30V，电压范围远超传统蓄电池(一般24V电池的电压区间范围为21V-27V)。太阳能板7的额定功率就是辐照度达到最大时候的功率，也就是额定功率等于最大功率，并且太阳能强弱变化过程缓慢，所以可以在太阳能控制器10不启动的情况下直接向超级电容13充电，当超级电容13电压满足太阳能控制器10工作时，太阳能控制器10启动。但风能发电具有很大的随机性，且额定功率是在9m/s的风速下达到的功率，且风能发电量是和风速的立方成正比，恶劣天气下，会产生远高于额定功率的能量，对发电系统损害极大，所以风力发电过程必须保证在风机控制器11正常工作的情况下完成，在正常情况下每天早晨太阳能板7先为超级电容13充电，超级电容13的电压很快就可以满足太阳能控制器10和风机控制器11的工作电压，进而太阳能控制线和风能控制线都能正常工作，但是在特殊情况如雨天辐照度很弱，超级电容13电压上升速度慢，如果此时风力资源较为丰富，控制线路可以用市电1为超级电容13充电，快速达到风机控制器11工作电压，由风能驱动系统运转。在极端恶劣天气条件下(连续长时间没有太阳能和风能输入)，控制线路切换至市电1供电模式，保证系统的稳定运行。
本装置中：曝气泵Ⅰ16理论功率为85W；曝气泵Ⅱ17理论功率为135W；曝气泵Ⅲ18理论功率为160W；喷泉水泵19理论功率为15W；提升泵Ⅰ20、Ⅱ21、Ⅲ22理论功率均为30W。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例还包括以下特征：
PLCⅠ2上还连接有辐照度检测仪23和风速检测仪24，用以时实监控环境中的光能和风能强度，并上传至PLCⅠ2，当太阳能过强发电功率非常大时，切断部分发电单元，如切断4块太阳能板7，只使用部分工作，保证超级电容13不被过度充电并且保护太阳能控制器10以及逆变器14。
风机8还连接有接触器5，风机控制器11还连接有卸荷器12，用以提供风能线路的过载保护。当风力过大时，将风机7短路，形成巨大负载保护发电机，当充电电压过高时，切断充电设备，保护超级电容13不会过充。
实施例3
请参阅图1-4，本实施例中的工艺步骤应用于实施例2中的设备。
一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，包括能源切换单元、污水生物处理单元和生态处理单元，包括以下工艺步骤：
S1：启动能源切换单元，通过PLCⅠ2切换4条控制线的能源输出，为污水生物处理单元供电，其中：
模式1：在晴天有风的情况下，太阳能板7先为超级电容13充电，待超级电容13电压满足太阳能控制器10及风机控制器11的工作电压时，风机8开始通过风机控制器11同时为超级电容13充电，进一步地通过逆变器14，为PLCⅡ15及负载供电，通过图2的控制逻辑程序驱动系统运行。
模式2：在晴天而无风情况下，太阳能板7先为超级电容13充电，待超级电容13电压满足太阳能控制器10工作电压时，太阳能控制器10开始监控和保护充电过程，进一步地通过逆变器14，为PLCⅡ15及负载供电，通过图2的控制逻辑程序驱动系统运行。
模式3：在阴天而有风的情况下，市电1接通PLCⅠ2控制接通继电器Ⅱ6，通过充电器9，先为超级电容13充电，待超级电容13电压满足风机控制器11的工作电压时，风机8开始通过风机控制器11同时为超级电容13充电，进一步地通过逆变器14，为PLC2Ⅱ15及负载供电，通过图2的控制逻辑程序驱动系统运行。
模式4：连续长时间阴天也无风条件下，市电1接通PLCⅠ2控制接通继电器Ⅲ3，系统由市电1供电，进一步地通过逆变器14，为PLCⅡ15及负载供电，通过图2的控制逻辑程序驱动系统运行。天气条件好转时，自动切换回太阳能及风能供电模式。
保护模式1：当辐照度过高，太阳能板7连续长时间以高功率发电时，为保证超级电容13不被过度充电并且保护太阳能控制器10，PLCⅠ2通过继电器Ⅰ4断开部分太阳能板7供电线路，起到保护电路的作用。
保护模式2：当风速过大时，风机8连续长时间以高功率发电时，为保证超级电容13不被过度充电并且保护风机控制器11，PLCⅠ2控制接触器5，将风机8的三相电路短接，迫使其降速，同时，通过卸荷器12，起到保护电路的作用。
辐照度监测仪23和风速监测仪24将相应的参数传送到PLCⅠ2中，由PLCⅠ2判断并切换以上的工作模式。
S2：将控制参数输入PLCⅡ15中，通过调控曝气泵Ⅰ16、曝气泵Ⅱ17、曝气泵Ⅲ18、喷泉水泵19及提升泵Ⅰ20、提升泵Ⅱ21、提升泵Ⅲ22的运行状态，适用图2逻辑控制，进行充氧及进水，调整出水质。
S3：污水经过污水生物处理单元处理后进入生态处理单元，启动净化塘32中的小型喷泉，为净化塘32提供一定的溶解氧，防止净化塘32发臭发黑。并且在环状湿地池33中种植植物，在净化塘32中养殖鱼类，形成一个小型的生态循环系统，并在过滤塘34中填装脱磷效果好的组合滤料，使污水进一步被净化，最终排向外界。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“底部”、“顶部”、“长度方向”，等指示的方向或位置关系为基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，包括能源切换单元、污水生物处理单元和生态处理单元，其特征在于：
包括以下工艺步骤：
S1：启动能源切换单元，通过逻辑控制器Ⅰ切换4条控制线的能源输出为污水生物处理单元供电，其中：
模式1：在晴天有风的情况下，通过太阳能板先为超级电容充电，待超级电容电压达到一定值时，风机控制器和太阳能控制器启动，控制风机同时为超级电容充电，通过逆变器将超级电容内的直流电转换为交流电，为污水生物处理单元供电；
模式2：在晴天而无风情况下，通过太阳能板先为超级电容充电，待超级电容电压达到一定值时，风机控制器和太阳能控制器启动，控制太阳能板进一步为超级电容充电，通过逆变器将超级电容内的直流电转换为交流电，为污水生物处理单元供电；
模式3：在阴天而有风的情况下，通过市电连接充电器，先为超级电容充电，待超级电容电压达到一定值时，风机控制器和太阳能控制器启动，控制风机为超级电容充电，通过逆变器将超级电容内的直流电转换为交流电，为污水生物处理单元供电；
模式4：在连续长时间阴天且无风的条件下，通过市电直接供电，通过逆变器进一步为污水生物处理单元供电，当天气条件好转时，切换回太阳能及风能供电模式；
S2：启动生物污水处理单元，通过能源切换单元为提升泵和曝气泵供电，通过逻辑控制器Ⅱ控制提升泵及曝气泵的运行状态，调整出水水质；
S3：启动生态处理单元，污水经过污水生物处理单元后进入生态处理单元，在此单元中通过人工搭建的生态系统，进一步处理污水，最终排向外界。
2.根据权利要求1所述的一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，其特征在于：所述S1中还包括以下模式：
保护模式1：当辐照度过高，通过逻辑控制器Ⅰ发出指令断开部分太阳能板供电线路，防止超级电容过充；
保护模式2：当风速过大时，通过逻辑控制器Ⅰ发出指令启动接触器，将风机的三相电路短接，迫使其降速，同时，通过卸荷器保护电路，防止电压过载。
3.根据权利要求2所述的一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，其特征在于：所述污水生物处理单元中的曝气泵及提升泵均通过逻辑控制器Ⅱ控制其运行状态，当曝气量为两个或两个以上等级时，控制提升泵工作以不同进水量进行分级进水。
4.根据权利要求3所述的一种可切换驱动能源的污水生物生态处理工艺，其特征在于：在所述逻辑控制Ⅱ中设定电量的第1设定值和第N设定值，所述第N设定值大于所述第1设定值，且第N设定值随着N增大而增大，若所述超级电容的实时电量达不到第1设定值，系统不启动，若所述超级电容的实时电量达到第N设定值，将启动第N级曝气强度，相应地以第N级流量进水，其中N为大等或等于2的整数。
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