CN112573651A - 一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，通过反硝化系统、电控系统以及控制平台共同作用，反硝化系统包括多组并联的自养反硝化生物滤池，自养反硝化生物滤池的公共进水端与公共出水端均设有硝酸盐仪，每组自养反硝化生物滤池的进水端与出水端均设有自动阀，控制平台顺序连接所述电控系统及反硝化系统，控制平台内设有上位机，反硝化系统中设置变送器，电控系统连接反硝化系统，采集并控制元件信息并实现制动，变送器包括传感器及信号转换电路，根据传感器装置的反馈信息，控制平台通过逻辑关系确定反硝化生物滤池的工作过程，实现分组式工作方案，有效的减少脱氮载体的消耗，降低运行成本，提高处理效率。

Description

一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统
技术领域
本发明实施例涉及反硝化反应装置的控制结构技术领域，具体涉及一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统。
背景技术
水资源是人类赖以生存的重要资源，但是，近年来随着人口的大量增长和经济的迅速发展，特别是农业生产过程中农药、化肥的大量使用以及生活污水和工业废水的无序排放，使得大量硝酸盐进入地表及地下水体导致水中硝酸盐污染普遍存在并呈加剧趋势。长期饮用被硝酸盐污染的水容易导致高铁血红蛋白症以及＂蓝婴症＂等，其转化物还具＂三致＂风险，而且地表水的硝酸盐污染会引起水体的富营养化，恶化水质和生态环境，水中硝酸盐污染的治理刻不容缓。
为控制水体硝酸盐含量，确保水环境健康，世界各国均对水体中硝酸盐含量进行了严格规定。世界卫生组织(WHO)和美国环保署(EPA)规定饮用水中NO3-N浓度不得超过10mg/L，即NO3 -限值为44.3mg/L。欧洲规定饮用水NO3 --N标准为11.3mg/L，即NO3 -限值为50mg/L。2007年我国开始实施的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，规定硝酸盐(以N计)最高限值为10mg/L(地下水源限制时为20mg/L)。
NO3 --N在地下水中的背景值一般小于2mg/L，超过该值则表明地下水受到了人类活动的污染。我国依据地下水水质现状、地下水的用途及人体健康需要，根据《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)将我国地下水以NO3 --N为标准(以N计、毒理学指标)划分为五类：Ⅰ类≤2.0mg/L、Ⅱ类≤5.0mg/L、Ⅲ类≤20.0mg/L、Ⅳ≤30.0mg/L、Ⅴ类＞30.0mg/L。
目前污水厂一级A标准的TN出水浓度为15mg/L，是地表水V类水体TN限值(2mg/L)的7倍多。
我国对污水处理的排放要求越来越严苛，同时，各地方也都针对性的提出了严于国标的地方排放标准，因此污水处理厂相继进行提标改造。针对TN指标的去除，目前主要采用反硝化滤池工艺。
根据反硝化细菌所利用碳源的有机、无机性，反硝化滤池分为异养和自养反硝化滤池。异养型反硝化滤池应用已久，但因其运行时需要不断投加有机碳源(如乙酸、乙酸钠、甲醇等)，所以造成此工艺运行费用高昂、出水COD易超标。而作为新兴的脱氮工艺，自养反硝化滤池因其利用无机碳(CO2、HCO3-、CO3 2-)作为碳源，以无机物(S、S2-、H2、S2O3 2-、Fe、Fe2+、NH4 +等)作为硝酸盐氮还原的电子供体完成微生物新陈代谢而脱氮。故其具有运行费用低廉、运行维护简单、出水指标优异等优点，并逐步被污水厂提标改造所采用。
自养反硝化滤池其核心设备为，采用硫/铁等无机物为主要原料做成的脱氮载体(滤料)。该载体(滤料)具有双重作用，既可以为自养微生物提供栖息繁殖的场所又可以为自养微生物提供所需的电子供体，故随着工艺运行，在TN去除的同时脱氮载体(滤料)也逐渐被消耗。
自养反硝化作为一种生物法处理工艺，受水温(气温)影响较大，水温高则反应速率高(脱氮负荷高)、水温低则反应速率低(脱氮负荷低)。故为保证污水处理厂稳定达标，在工艺设计时，均按照低温设计。此种方式虽然保证了全年达标，但因按低脱氮负荷设计，池体装填脱氮载体(滤料)较多，夏季会将TN指标去除的过低而造成脱氮载体(滤料)过度消耗、运行费用偏高(我国污水处理厂TN排放标准基本为10-15mg/L)。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，以解决现有技术中由于控制系统不能自动合理分配反硝化滤池的运行方式而导致的在受温度影响下，控制调节不及时使得脱氮载体(滤料)过度消耗、运行费用偏高的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
在本发明的实施方式的第一方面中，提供了一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，包括反硝化系统、电控系统以及控制平台，所述反硝化系统包括多组并联的自养反硝化生物滤池，所述自养反硝化生物滤池的公共进水端与公共出水端均设有硝酸盐仪，每组所述自养反硝化生物滤池的进水端与出水端均设有自动阀，所述控制平台顺序连接所述电控系统及反硝化系统，所述电控系统为控制电路模块系统，所述控制平台内设有上位机，所述反硝化系统中设置变送器，所述电控系统连接所述反硝化系统，采集并控制元件信息并实现制动，所述变送器包括传感器及信号转换电路，每个自动阀实现单独控制。
进一步地，所述上位机包含控制装置及数据编写程序，用于实现对采集所述反硝化系统的数据信息运算并实施控制指令。
进一步地，所述控制装置包括控制模块，所述控制模块分别连接电源模块、采集模块、运算模块以及执行模块。
进一步地，所述控制装置还包括与控制模块连接的计时模块，能够实现为系统中每个自养反硝化生物滤池的运行时间记录并反馈。
进一步地，所述控制装置还包括与控制模块连接的通讯模块，能够实现远程通讯监控及数据传输。
进一步地，所述反硝化系统包含流量计，所述流量计设置在进水端的硝酸盐仪的前端。
进一步地，所述运算模块的算法控制步骤为
(1)首先设置自养反硝化生物滤池的个数为N-Nn的连续数列，N≥3；
(2)用M描述为所述自养反硝化生物滤池的自动阀，F描述为流量计，通过流量计记录进水容积的大小；
(3)通过进水端与出水端设置的硝酸盐仪，能够有效地测量水溶中的水硝态氮浓度；
(4)根据流量大小及运行时间，通过设置咋反硝化系统中的传感器原件，有效的记录单组所述自养反硝化生物滤池的运行状态；
(5)运行状态数据采集后通过PLC的A/D转换模块送入PLC，上位控制计算机通过与PLC通信获得数据进行显示，控制算法在PLC里面运行；
(6)通过算法控制PLCPWM脉冲的宽度，进而控制反硝化系统的整体运行，实现控制单组自养反硝化生物滤池的自动阀的启动与暂停。
进一步地，步骤(1)中自养反硝化生物滤池的个数为六组，描述为N＝6。
进一步地，多组所述自养反硝化生物滤池构成一个整体的闭合系统，根据硝酸盐仪测得的水硝态氮浓度数值以及流量与时间变化得到下述逻辑公式：
Nn＝N*Cout/Cd (1)
U＝Nn*Qd/N2 (2)
Nn/N≥0.5 (3)
其中，Nn—实际需要运行的滤池格数(如遇小数位采用2舍3入或3舍4入的取整方式，可调)
N—设计滤池格数
Cout—设计出水硝态氮浓度(mg/L)
Cd—设计出水硝态氮浓度(mg/L)
U—实际滤速(m3/m2h),≤7(可调)
Qd—设计流量(m3/h)
根据上述逻辑，在PLC中设计ECO模式，夏季时可以手动或自动启动该模式，PLC计算出实际需要运行的滤池格数Nn，并将N-Nn格数的滤池关闭。
进一步地，在上述逻辑中，单组自养反硝化生物滤池的运行时间为8小时，且应保证U≤7(m3/m2h)。
根据本发明的实施方式，本控制系统具有如下优点：
本发明的方案中通过反硝化系统、电控系统以及控制平台共同作用，反硝化系统包括多组并联的自养反硝化生物滤池，自养反硝化生物滤池的公共进水端与公共出水端均设有硝酸盐仪，每组自养反硝化生物滤池的进水端与出水端均设有自动阀，控制平台顺序连接所述电控系统及反硝化系统，控制平台内设有上位机，反硝化系统中设置变送器，电控系统连接所述反硝化系统，采集并控制元件信息并实现制动，变送器包括传感器及信号转换电路，每个自动阀实现单独控制，根据传感器装置的反馈信息，控制平台通过逻辑关系确定反硝化生物滤池的工作过程，实现分组式工作方案，有效的减少脱氮载体的消耗，降低运行成本，提高处理效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明的一实施例提供的一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统中控制装置的控制框图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，图1示出了本发明实施例提供的一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，包括反硝化系统、电控系统以及控制平台，反硝化系统包括多组并联的自养反硝化生物滤池，自养反硝化生物滤池的公共进水端与公共出水端均设有硝酸盐仪，每组自养反硝化生物滤池的进水端与出水端均设有自动阀，控制平台顺序连接所述电控系统及反硝化系统，电控系统为控制电路模块系统，控制平台内设有上位机，反硝化系统中设置变送器，电控系统连接所述反硝化系统，采集并控制元件信息并实现制动，变送器包括传感器及信号转换电路，每个自动阀实现单独控制。
本发明的控制系统，根据传感器装置的反馈信息，控制平台通过逻辑关系确定反硝化生物滤池的工作过程，实现分组式工作方案，有效的减少脱氮载体的消耗，降低运行成本，提高处理效率。
具体的实现结构中，上位机包含控制装置及数据编写程序，用于实现对采集反硝化系统的数据信息运算并实施控制指令。
如图2所示，控制装置包括控制模块，控制模块分别连接电源模块、采集模块、运算模块以及执行模块。
在上述方案的基础上，控制装置还包括与控制模块连接的计时模块，能够实现为系统中每个自养反硝化生物滤池的运行时间记录并反馈。
其中，控制装置还包括与控制模块连接的通讯模块，能够实现远程通讯监控及数据传输。
再次参见图1所示，反硝化系统包含流量计，流量计设置在进水端的硝酸盐仪的前端，流量计能够实时记录溶液的体积，并根据体积设定处理时间，保障处理的充分，降低原料的浪费。
具体的实时中，变送器的传感器连接流量计及硝酸盐仪，电控系统的控制电路直接连接电动阀，传感器采集的信号经过信号转换电路传输至上位机，上位机通过运算、计时控制电动阀的开启与关闭，保障系统的优化控制。
上位机的运算过程中，运算模块的算法控制步骤为
(1)首先设置自养反硝化生物滤池的个数为N-Nn的连续数列，N≥3；
(2)用M描述为所述自养反硝化生物滤池的自动阀，F描述为流量计，通过流量计记录进水容积的大小；
(3)通过进水端与出水端设置的硝酸盐仪，能够有效地测量水溶中的水硝态氮浓度；
(4)根据流量大小及运行时间，通过设置咋反硝化系统中的传感器原件，有效的记录单组所述自养反硝化生物滤池的运行状态；
(5)运行状态数据采集后通过PLC的A/D转换模块送入PLC，上位控制计算机通过与PLC通信获得数据进行显示，控制算法在PLC里面运行；
(6)通过算法控制PLCPWM脉冲的宽度，进而控制反硝化系统的整体运行，实现控制单组自养反硝化生物滤池的自动阀的启动与暂停。
在运算方法的实施过程中，多组自养反硝化生物滤池构成一个整体的闭合系统，根据硝酸盐仪测得的水硝态氮浓度数值以及流量与时间变化得到下述逻辑公式：
Nn＝N*Cout/Cd (1)
U＝Nn*Qd/N2 (2)
Nn/N≥0.5 (3)
其中，Nn—实际需要运行的滤池格数(如遇小数位采用2舍3入或3舍4入的取整方式，可调)
N—设计滤池格数
Cout—设计出水硝态氮浓度(mg/L)
Cd—设计出水硝态氮浓度(mg/L)
U—实际滤速(m3/m2h),≤7(可调)
Qd—设计流量(m3/h)
根据上述逻辑，在PLC中设计ECO模式，夏季时可以手动或自动启动该模式，PLC计算出实际需要运行的滤池格数Nn，并将N-Nn格数的滤池关闭。
其中，在上述逻辑中，单组自养反硝化生物滤池的运行时间为8小时，且应保证U≤7(m3/m2h)。
实施例2
设定自养反硝化生物滤池的个数为六组，描述为N＝6。
分别为第1至第6格，经PLC计算后仅需运行4格，2格闲置。则首先停运第1、2格滤池，仅运行第3-6格滤池，第9小时开始时，如Cout＜Cd，则停运第3、4格滤池，仅运行第1、2、5、6格滤池；如Cout≥Cd，则停运第3格，其余滤池运行。
第一年度按照上述逻辑运行，同时存储累计进水硝氮浓度、水温、脱氮负荷等数据，作为第二年度运行的依据。具体如下：
qd＝24*Q*(Cin-Cout)/1000V
qd—脱氮负荷(kgNOx-N/m3d)
Cin—进水硝态氮浓度(mg/L)
V—脱氮载体(滤料)装填体积(m3)
Q—实际进水量(m3/h)
第二年，PLC判断逻辑在第一年(1)(2)(3)的逻辑上增加如下逻辑：
Nn≤24Q(Cin-Cout.de)*N/(qdV) (4)
Cout.de—出水硝态氮设计值。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，包括反硝化系统、电控系统以及控制平台，所述反硝化系统包括多组并联的自养反硝化生物滤池，所述自养反硝化生物滤池的公共进水端与公共出水端均设有硝酸盐仪，每组所述自养反硝化生物滤池的进水端与出水端均设有自动阀，所述控制平台顺序连接所述电控系统及反硝化系统，所述电控系统为控制电路模块系统，所述控制平台内设有上位机，所述反硝化系统中设置变送器，所述电控系统连接所述反硝化系统，采集并控制元件信息并实现制动，所述变送器包括传感器及信号转换电路，每个自动阀实现单独控制。
2.如权利要求1所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，所述上位机包含控制装置及数据编写程序，用于实现对采集所述反硝化系统的数据信息运算并实施控制指令。
3.如权利要求2所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，所述控制装置包括控制模块，所述控制模块分别连接电源模块、采集模块、运算模块以及执行模块。
4.如权利要求3所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，所述控制装置还包括与控制模块连接的计时模块，能够实现为系统中每个自养反硝化生物滤池的运行时间记录并反馈。
5.如权利要求4所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，所述控制装置还包括与控制模块连接的通讯模块，能够实现远程通讯监控及数据传输。
6.如权利要求4所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，所述反硝化系统包含流量计，所述流量计设置在进水端的硝酸盐仪的前端。
7.如权利要求6所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，所述运算模块的算法控制步骤为
(1)首先设置自养反硝化生物滤池的个数为N-Nn的连续数列，N≥3；
(2)用M描述为所述自养反硝化生物滤池的自动阀，F描述为流量计，通过流量计记录进水容积的大小；
(3)通过进水端与出水端设置的硝酸盐仪，能够有效地测量水溶中的水硝态氮浓度；
(4)根据流量大小及运行时间，通过设置咋反硝化系统中的传感器原件，有效的记录单组所述自养反硝化生物滤池的运行状态；
(5)运行状态数据采集后通过PLC的A/D转换模块送入PLC，上位控制计算机通过与PLC通信获得数据进行显示，控制算法在PLC里面运行；
(6)通过算法控制PLCPWM脉冲的宽度，进而控制反硝化系统的整体运行，实现控制单组自养反硝化生物滤池的自动阀的启动与暂停。
8.如权利要求7所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，步骤(1)中自养反硝化生物滤池的个数为六组，描述为N＝6。
9.如权利要求8所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，多组所述自养反硝化生物滤池构成一个整体的闭合系统，根据硝酸盐仪测得的水硝态氮浓度数值以及流量与时间变化得到下述逻辑公式：
Nn＝N*Cout/Cd (1)
U＝Nn*Qd/N2 (2)
Nn/N≥0.5 (3)
其中，Nn—实际需要运行的滤池格数(如遇小数位采用2舍3入或3舍4入的取整方式，可调)
N—设计滤池格数
Cout—设计出水硝态氮浓度(mg/L)
Cd—设计出水硝态氮浓度(mg/L)
U—实际滤速(m3/㎡h),≤7(可调)
Qd—设计流量(m3/h)
根据上述逻辑，在PLC中设计ECO模式，夏季时可以手动或自动启动该模式，PLC计算出实际需要运行的滤池格数Nn，并将N-Nn格数的滤池关闭。
10.如权利要求9所述的用于自养反硝化生物滤池的生态节能控制系统，其特征在于，在上述逻辑中，单组自养反硝化生物滤池的运行时间为8小时，且应保证U≤7(m3/㎡h)。
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