CN117110566A - 一种用于污水中氧总传质系数自动测定系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于污水中氧总传质系数自动测定系统及应用，本发明污水中氧总传质系数自动测定系统结构紧凑、组装灵活，且装置简洁易操作，便于在实际污水处理厂中推广使用。本发明的污水中氧总传质系数自动测定系统界面简洁，易于工作人员实际操作，且自动测定氧总传质系数并生成报表，便于后期的调用和查看原始数据。本发明与现有曝气系统控制技术相比，可以准确地测定出当前污水的氧总传质系数，为曝气系统的曝气控制计算模型提供准确参数，为最优曝气提供依据，可为污水厂的评估和运行提供理论支持。
Description
(一)技术领域
本发明污水处理技术领域，具体涉及一种用于污水中氧总传质系数自动测定的装置及应用。
(二)背景技术
大多数城镇污水处理厂能耗大、运行成本高，其能耗占比最高的单元为曝气系统，需要重点关注，它直接关系到污水处理厂出水质量的好坏和能耗的高低。而目前曝气系统的控制模型中采用较多的氧传质理论模型大多数为双膜理论，以双膜理论为基础，通过氧总传质系数KLa值来求取所需曝气流量。氧总传质系数KLa表征曝气器在一定测试条件下的氧总传质性能特征量，是评价曝气设备供氧能力的重要指标，也是计算其他性能指标，如氧传质速率、氧利用率、理论动力效率等的重要参数。
为了方便计算，在曝气系统控制中KLa值一般设置为固定的参数。实际上曝气池中的搅拌速率、曝气流量、混合液的密度、混合液的黏度、表面张力和微生物的生长等等诸多因素都对KLa值有复杂的影响，所以随着好氧池中水质参数的变化，实际的KLa值也会随之变化。在影响因素较多的曝气池中只单纯地使用固定KLa值对所需溶解氧进行计算较为不合适。
目前氧总传质系数往往脱离实际生产环境，在清水状态下测得，再通过系数进行修正得到污水状态下的氧总传质系数，且测定需要人工操作，步骤繁琐，涉及大量计算，较容易产生误差。因此，有必要开发一套能在实际生产环境下进行的软硬结合，自动计算，数据可靠的污水中氧总传质系数自动测定装置，有助于曝气系统控制更为精确化、节能化、环保化。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种用于污水中氧总传质系数自动测定系统及应用，所述系统能够在实际工艺条件下有效地自动实时测定污水中的氧总传质系数，用于曝气量计算中，可使污水厂的曝气系统更为精准地控制曝气量，解决了现有污水处理中难以实时测定、精确的氧总传质系数的问题。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种用于污水中氧总传质系数自动测定系统，所述系统包括区域隔离装置1、自动加药装置2、溶解氧传感器3、温度传感器4、数据采集器5和数据处理设备6；所述区域隔离装置1主体是可自由伸缩的不锈钢架构成的长方体，所述长方体顶部和四周包裹柔性防水膜构成中空长方体，长方体底部配有金属负重，用于将区域隔离装置沉入污水处理厂的曝气池中；长方体顶部设有自动加药装置2并与数据采集器5连接，用于测定前通过添加药剂降低所述区域隔离装置中试验水的溶解氧浓度；所述溶解氧传感器3的探头设置于区域隔离装置1中并与数据采集器5连接，用于获取区域隔离装置中试验水的实时溶解氧浓度；所述温度传感器4的探头设置于区域隔离装置1中并与数据采集器5连接，用于获取试验水的实时温度；所述数据采集器5与数据处理设备6相连，用于将所述溶解氧浓度和温度数据发送至数据处理设备，自动计算污水中实时氧总传质系数。
进一步，所述药剂为催化剂和脱氧剂两部分，催化剂采用氯化钴；脱氧剂采用亚硫酸钠。
进一步，所述数据处理设备6采用上位机系统，所述上位机系统基于美国NI公司的虚拟仪器技术，采用LabVIEW开发软件，设置准备界面(图2中a)、测试界面(图2中b)和结果界面(图2中c)，通过选项卡控件进行切换。其中准备界面设定基本参数：试验水体积(L)，采样率(Hz)和采样间隔(s)；测定参数：试验水溶解氧浓度(mg/L)、试验水温度(℃)；自动投加药剂量：催化剂投加量(g)、脱氧剂投加量(g)；根据实时溶解氧浓度和温度，自动计算并显示需要投加的催化剂和脱氧剂量，并自动投加；测试界面将看到实时的溶解氧浓度随时间的变化曲线及当前KLa拟合值；结果界面将显示最终测定的氧总传质系数(KLa)，并可选择word报表输出。
本发明还提供一种所述污水中氧总传质系数自动测定系统在实时检测氧总传质系数中的应用，所述应用的方法为：将区域隔离装置1置于污水处理厂的曝气池中，开启数据采集器5，数据处理设备6，进入准备界面，设置试验水体积，采样率和采样间隔的参数，点击“预测定”按钮，测得试验水的初始溶解氧浓度和温度，系统根据公式(1)和公式(2)计算出催化剂和脱氧剂投加量，并通过自动加药装置2投加到区域隔离装置1中，调整区域隔离装置1中试验水的溶解氧浓度为0mg/L，开启曝气，根据溶解氧传感器3和温度传感器4获得实时溶解氧浓度和温度，数据处理设备6收录数据后通过公式(4)计算获得实时氧总传质系数KLa(T)；每隔5min对现有溶解氧浓度变化曲线进行拟合，得到KLa’，计算4/KLa’；并与测试时间相比，若4/KLa’小于或等于测试时间，则自动停止收录，结束测试指示灯亮起；然后通过公式(5)将实时氧总传质系数KLa(T)转化为20℃下的氧总传质系数，最后根据20℃下的氧总传质系数调整曝气量；
GCatalyzer＝0.5×V×129.833/58.933/1000 (1)
GDeoxidizer＝7.875×V×C×k/1000 (2)
式(1)、(2)中，GCatalyzer为催化剂投加量，单位g；V为区域隔离装置内试验水体积，单位L；GDeoxidizer为亚硫酸钠投加量，单位g；C为测试时区域隔离装置内污水的溶解氧浓度，单位mg/L；k为安全系数，取1.1～1.5；
式(4)中，C为与曝气时间t相对应的水中溶解氧浓度值，单位mg/L；C0为试验条件下零时刻的溶解氧浓度值，单位mg/L；Cs为试验条件下水中饱和溶解氧浓度值，单位mg/L；t为曝气时间，单位s；式(4)为非线性方程，且只有KLa(T)和Cs两个未知数，通过采用非线性最小二乘法拟合该方程与实测溶解氧浓度变化曲线，便可求出在试验条件下的KLa(T)；
KLa(20)＝KLa(T)·θ20-T (5)
式(5)中，KLa(20)为20℃标准状态下的氧总传质系数，单位L/h；θ为温度修正系数，取1.024。
优选的，试验水体积、采样率、采样间隔分别设置为50L、1Hz和10s。
优选的，溶解氧浓度为0mg/L，开启曝气的流量为1L/min。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
1、本发明污水中氧总传质系数自动测定系统结构紧凑、组装灵活，且装置简洁易操作，便于在实际污水处理厂中推广使用。
2、本发明的污水中氧总传质系数自动测定系统界面简洁，易于工作人员实际操作，且自动测定氧总传质系数并生成报表，便于后期的调用和查看原始数据。
3、本发明与现有曝气系统控制技术相比，可以准确地测定出当前污水的氧总传质系数，为曝气系统的曝气控制计算模型提供准确参数，为最优曝气提供依据，可为污水厂的评估和运行提供理论支持。
(四)附图说明
图1为本发明污水中氧总传质系数自动测定系统构成示意图；1、区域隔离装置；2、自动加药装置；3、溶解氧传感器；4、温度传感器；5、数据采集；6、数据处理设备。
图2为本发明污水中氧总传质系数自动测定装置界面结构图；a准备界面，b测试界面；c结果界面。
图3为本发明实施方法流程图。
图4为本发明实施例中曲线拟合示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1、污水中氧总传质系数自动测定系统
1、污水中氧总传质系数自动测定系统的结构
如图1所示，污水中氧总传质系数自动测定系统，包括区域隔离装置1、自动加药装置2、溶解氧传感器3、温度传感器4、数据采集器5和数据处理设备6。所述区域隔离装置1主体是可自由伸缩的不锈钢架构成的长方体，所述长方体顶部和四周包裹柔性防水膜构成中空长方体，长方体底部配有金属负重，用于将区域隔离装置1沉入污水处理厂的曝气池中；长方体顶部设有自动加药装置2，用于测定前通过投加药剂降低所述区域隔离装置中的溶解氧浓度；所述溶解氧传感器3的探头设置于区域隔离装置1中并与数据采集器5连接，用于获取区域隔离装置中试验水的实时溶解氧浓度；所述温度传感器4的探头设置于区域隔离装置1中并与数据采集器5连接，用于获取试验水的实时温度；所述数据采集器5与数据处理设备6相连，用于将所述溶解氧浓度和温度数据发送至数据处理设备并自动测定运行污水中氧总传质系数。
所述药剂为催化剂和脱氧剂两部分，催化剂采用氯化钴；脱氧剂采用亚硫酸钠。
如图2所示，所述数据处理设备6采用上位机系统，所述上位机系统基于美国NI公司的虚拟仪器技术，采用LabVIEW开发软件，设置准备界面(图2中a)、测试界面(图2中b)和结果界面(图2中c)，通过选项卡控件进行切换。其中准备界面设定基本参数：试验水体积(L)，采样率(Hz)和采样间隔(s)；初始测定参数：试验水溶解氧浓度(mg/L)、试验水温度(℃)；自动投加药剂量：催化剂投加量(g)、脱氧剂投加量(g)；根据实时溶解氧浓度和温度，计算并显示需要投加的催化剂和脱氧剂量，并自动投加；测试界面将看到实时的溶解氧浓度变化曲线及当前KLa拟合值；结果界面将显示最终测定的氧总传质系数KLa，并可选择word报表输出。
2、污水中氧总传质系数自动测定系统的应用
按照图3所示的实验流程图，利用所述污水中氧总传质系数自动测定系统测定污水中氧总传质系数，具体步骤如下：
将区域隔离装置1置于污水处理厂的曝气池中；开启数据采集器5和数据处理设备6，进入“准备”界面，在“基本参数设置”面板对试验水体积、采样率、采样间隔进行设置，分别为50L、1Hz和10s，在“初始参数预测定”面板，点击“预测定”按钮，测得试验水的初始溶解氧浓度6.85mg/L和温度20℃。然后在“自动投加药剂”面板，点击“预计算”按钮，根据公式(1)和(2)通过后台程序计算并显示需要投加催化剂和脱氧剂量，分别为0.0551g和3.466g，并自动投加所需药剂使试验水的溶解氧浓度为0mg/L。
GCatalyzer＝0.5×V×129.833/58.933/1000 (1)
GDeoxidizer＝7.875×V×C×k/1000 (2)
式中，GCatalyzer为催化剂投加量，单位g；V为区域隔离装置内试验水体积，单位L；GDeoxidizer为亚硫酸钠投加量，单位g；C为测试时区域隔离装置内试验水的溶解氧浓度，单位mg/L；k为安全系数，本实验取1.3。
投加完毕上述计算所得的催化剂和脱氧剂后，进入“测试”界面，等待当前溶解氧浓度降到0mg/L时，启动曝气装置，设置曝气流量为1L/min，根据溶解氧传感器3和温度传感器4获得实时溶解氧浓度和温度，数据处理设备6将自动开始进行数据收录(溶解氧浓度和温度)，并实时显示溶解氧浓度随时间的变化曲线图(C-T图)，通过公式(4)采用非线性最小二乘法拟合该方程与实测溶解氧浓度变化曲线，计算获得实时氧总传质系数KLa(T)；每隔5min对溶解氧浓度变化曲线进行拟合，得到KLa’，计算4/KLa’值，并与测试时间相比，若4/KLa’小于或等于测试时间，则自动停止收录，结束测试指示灯亮起。自动停止收录后，收录的数据存放于默认路径下的txt格式文件中，方便后期的调用和查看原始数据。然后通过公式(5)转化为20℃下的氧总传质系数，最后根据20℃下的氧总传质系数调整曝气量。
图4是本实施例中曲线拟合的示意图，曲线拟合原理如下：
氧总传质系数基于双膜理论，氧由气相向液相传质过程中，阻力主要来自液膜，其微分方程式为：
式(3)中，为氧传质速率，单位kgO2/m3s；KLa(T)为在试验条件下氧总传质系数，单位s-1，T为试验用水水温，单位℃；Cs为试验条件下水中饱和溶解氧浓度值，单位mg/L；C为与曝气时间t相对应的水中溶解氧浓度值，单位mg/L。
将式(3)积分整理后有：
式中，C0为试验条件下零时刻的溶解氧浓度值，单位mg/L；t为曝气时间，单位s；
式(4)为非线性方程，且只有KLa(T)和Cs两个未知数，通过采用非线性最小二乘法拟合该方程与实测溶解氧浓度变化曲线，便可求出在试验条件下的KLa(T)。
将试验条件下的氧总传质系数KLa(T)转换为20℃水温时的氧总传质系数KLa(20)可根据下式计算：
KLa(20)＝KLa(T)·θ20-T (5)
式中，KLa(20)为标准状态、测量条件下的氧总传质系数，单位L/h；θ为温度修正系数，取1.024。
在“结果”界面，显示氧总传质系数KLa，并可选择Word报表进行输出。Word报表通过NI公司的Generation Report套件生成。
通过系统自动计算得到污水中实时的氧总传质系数Kla(20)为3.757L/h。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种用于污水中氧总传质系数自动测定系统，其特征在于，所述系统包括区域隔离装置(1)、自动加药装置(2)、溶解氧传感器(3)、温度传感器(4)、数据采集器(5)和数据处理设备(6)；所述区域隔离装置(1)主体是可自由伸缩的不锈钢架构成的长方体，所述长方体顶部和四周包裹柔性防水膜构成中空长方体，长方体底部配有金属负重，用于将区域隔离装置沉入污水处理厂的曝气池中；长方体顶部设有自动加药装置(2)并与数据采集器(5)连接，用于测定前通过添加药剂降低所述区域隔离装置中试验水的溶解氧浓度；所述溶解氧传感器(3)的探头设置于区域隔离装置(1)中并与数据采集器(5)连接，用于获取区域隔离装置中试验水的实时溶解氧浓度；所述温度传感器(4)的探头设置于区域隔离装置(1)中并与数据采集器(5)连接，用于获取试验水的实时温度；所述数据采集器(5)与数据处理设备(6)相连，用于将所述溶解氧浓度和温度数据发送至数据处理设备，自动计算污水的实时氧总传质系数。
2.如权利要求1所述用于污水中氧总传质系数自动测定系统，其特征在于，所述药剂为催化剂和脱氧剂两部分，催化剂采用氯化钴；脱氧剂采用亚硫酸钠。
3.如权利要求1所述用于污水中氧总传质系数自动测定系统，其特征在于，所述数据处理设备(6)采用上位机系统，所述上位机系统基于美国NI公司的虚拟仪器技术，采用LabVIEW开发软件，设置准备界面、测试界面和结果界面；其中准备界面设定基本参数：试验水体积，L、采样率，Hz和采样间隔，s；测定参数：试验水溶解氧浓度，mg/L、试验水温度，℃；自动投加药剂量：催化剂投加量，g、脱氧剂投加量，g；根据实时溶解氧浓度和温度，自动计算并显示需要投加的催化剂和脱氧剂量，自动投加；测试界面显示实时的溶解氧浓度随时间的变化曲线及实时KLa拟合值；结果界面将显示最终测定的氧总传质系数KLa，并可选择word报表输出。
4.一种权利要求1所述污水中氧总传质系数自动测定系统在实时检测氧总传质系数中的应用。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述应用的方法为：将区域隔离装置(1)置于污水处理厂的曝气池中，开启数据采集器(5)和数据处理设备(6)，进入准备界面，设置试验水体积，采样率和采样间隔的参数，测得试验水的初始溶解氧浓度和温度，系统根据公式(1)和公式(2)计算出催化剂和脱氧剂投加量，并通过自动加药装置(2)投加到区域隔离装置(1)中，调整区域隔离装置(1)中试验水的溶解氧浓度为0mg/L，开启曝气，根据溶解氧传感器(3)和温度传感器(4)获得实时溶解氧浓度和温度，数据处理设备(6)收录数据后通过公式(4)计算获得实时氧总传质系数KLa(T)；每隔5min对溶解氧浓度随时间变化的曲线进行拟合，得到KLa’，计算4/KLa’；与测试时间相比，若4/KLa’小于或等于测试时间，则自动停止收录，结束测试指示灯亮起；然后通过公式(5)将实时氧总传质系数KLa(T)转化为20℃下的氧总传质系数，最后根据20℃下的氧总传质系数调整曝气量；
GCatalyzer＝0.5×V×129.833/58.933/1000 (1)
GDeoxidizer＝7.875×V×C×k/1000 (2)
式(1)、(2)中，GCatalyzer为催化剂投加量，单位g；V为区域隔离装置内试验水体积，单位L；GDeoxidizer为脱氧剂投加量，单位g；C为测试时区域隔离装置内试验水的溶解氧浓度，单位mg/L；k为安全系数，取1.1～1.5；
式(4)中，C为与曝气时间t相对应的水中溶解氧浓度值，单位mg/L；C0为试验条件下零时刻的溶解氧浓度值，单位mg/L；Cs为试验条件下水中饱和溶解氧浓度值，单位mg/L；t为曝气时间，单位s；式(4)为非线性方程，且只有KLa(T)和Cs两个未知数，通过采用非线性最小二乘法拟合该方程与实测溶解氧浓度变化曲线，便可求出在试验条件下的KLa(T)；
KLa(20)＝KLa(T)·θ20-T (5)
式(5)中，KLa(20)为20℃标准状态下的氧总传质系数，单位L/h；θ为温度修正系数，取1.024。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，试验水体积、采样率、采样间隔分别设置为50L、1Hz和10s。
7.如权利要求5所述的应用，其特征在于，溶解氧浓度为0mg/L，开启曝气的流量为1L/min。
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| CN202311007335.1A CN117110566A (zh) | 2023-08-10 | 2023-08-10 | 一种用于污水中氧总传质系数自动测定系统及应用 |
Publications (1)
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| CN117110566A true CN117110566A (zh) | 2023-11-24 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311007335.1A Pending CN117110566A (zh) | 2023-08-10 | 2023-08-10 | 一种用于污水中氧总传质系数自动测定系统及应用 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-08-10 CN CN202311007335.1A patent/CN117110566A/zh active Pending
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