CN209602342U - 基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统，包括太阳能供电系统、控制系统和污水处理系统；太阳能供电系统的太阳能电池板通过控制器与蓄电池电连接，太阳能电池板向蓄电池供电；蓄电池通过控制器与逆变器电连接；控制系统的逆变器与变频器电连接，传感器和计算机通过cRIO控制器与变频器导线连接，变频器与污水处理系统导线连接；本实用新型通过多传感器检测和控制使CASS污水处理程序随污水成分而自动改变，出水达到设计要求，无需人工调整；实现整个系统工作过程中无人值守、污水处理的自动化和智能化；实现了居民小区污水零排放，避免污水排放污染水源，既节约用水又绿色环保。本实用新型动力来自于太阳能，节约能源。
Description
技术领域
本实用新型涉及污水处理领域，特别是涉及一种基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统。
背景技术
在城市建设改造中，特别是新型住宅小区的建设中，花园式的住宅小区越来越多，住宅小区生活污水资源化问题倍受人们的关注。由于城市住宅小区污水处理率较低，大量污水不经处理直接排入水体，对水体水质造成较严重污染，同时也加剧了城市水资源短缺，因此，住宅小区采用中水回用，不但能减少污染排放，减轻水体污染，而且又能增加水资源，可谓一举多得。由于处理工艺简单，成本较低，城市住宅小区污水处理并开发为第二水源，实施中水回用，具有广阔的发展前景。中水回用的节水方案已被世界上许多国家所采用，并被认为是具有较好经济、社会和环境效益的节水措施。所谓中水，就是指污水处理厂处理后的水，由于它有别于自来水(上水)和污水 (下水)，故称中水。实践证明，中水回用，可以解决城市水缺和水脏两大难题。
发明内容
本实用新型的目的是为了能够实现居民小区污水处理中水回用，解决小区污水排放造成的水质污染和城市水资源短缺等问题，提供一种基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统。
一种基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统，包括太阳能供电系统、控制系统和污水处理系统；
所述的太阳能供电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器和逆变器组成，太阳能电池板通过控制器与蓄电池电连接，太阳能电池板向蓄电池供电；蓄电池通过控制器与逆变器电连接；
所述的控制系统单元包括传感器、计算机、cRIO控制器和变频器；传感器包括进水COD(化学需氧量)在线自动分析仪、污水浓度(MLSS)测量仪、DO(溶氧度)测量仪、PH测量计和流量计；
逆变器与变频器电连接，传感器和计算机通过cRIO控制器与变频器导线连接，变频器与污水处理系统导线连接；
所述的污水处理系统包括机械粗格栅、集水池、第一提升泵、机械细格栅、沉砂池、CASS反应池、消毒池、第二提升泵、过滤器、中水池、曝气机、污泥回流泵、排泥泵和滗水机；第一导水管道通过机械粗格栅与集水池连通，集水池与沉砂池之间通过第二导水管道连通，第二导水管道上设置有第一提升泵和机械细格栅，沉砂池的上部与CASS反应池下部之间通过第三导水管道连通，CASS反应池中设置有曝气机、污泥回流泵、排泥泵和滗水机；CASS 反应池与消毒池之间通过导水管道连通；消毒池与中水池之间通过第四导水管道连通，第四导水管道上设置第二提升和过滤器。
太阳能供电系统能够吸收光能转化为电能给污水处理系统和模糊控制模块单元供电，所述的太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来；
所述的蓄电池是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来，给负载供电；
所述的控制器的作用是控制整个太阳能供电系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器1-3 还应具备温度补偿的功能；
所述的逆变器是将蓄电池的直流电逆变成交流电，从而供电给交流电机及其他设备。
传感器采集信号进行放大滤波处理，并通过cRIO控制器采集各传感器数据，将数据与排放标准值进行比较得出偏差数值，偏差数值作为输入变量输入到模糊神经网络控制器中，得出输出控制变量。
所述的机械粗格栅和细格栅用于去除悬浮的杂质等，减少对集水池的第一提升泵和沉砂池的第二提升泵的堵塞；
所述的集水池作为收集污水，调节污水浓度所用，其内设有第一提升泵；
所述的沉砂池目的是为了去除污水中的固体污染物，如砂石，重金属等；
所述的CASS反应池由预反应区和主反应区两个部分组成，是污水处理系统的核心部分，主反应区内设有污泥回流泵、排泥泵、曝气机和滗水机；
所述的消毒池是利用波长225-275μm的紫外线对水中微生物的强烈杀灭作用进行消毒。杀菌彻底，不改变水的物理、化学性质，不增加水的嗅味，不产生对水体有害的物质，无副作用；
所述的中水池是用于储存中水，之后用来浇花绿化等。
所述的进水COD(化学需氧量)在线自动分析仪是测量CASS反应池的 COD值；
所述的污水浓度(MLSS)测量仪是测量CASS反应池的污水浓度；
所述的DO(溶氧)测量仪是测量CASS反应池的DO值；
所述的PH计是测量CASS反应池污水的PH值。
所述的流量计是测量处理后的水流入消毒池的流量大小；
所述的变频器是为了控制污泥回流泵、曝气机、滗水机的工作状态。
本实用新型的有益效果为：
1、本实用新型的动力来自太阳能，节约能源；
2、本实用新型通过多传感器检测和控制使CASS污水处理程序随污水成分而自动改变，出水达到设计要求，无需人工调整；实现整个系统工作过程中无人值守、污水处理的自动化和智能化；
3、本实用新型实现居民小区污水零排放，避免污水排放污染水源，既节约用水又绿色环保。
4、本实用新型动力来自于太阳能，可以节约能源。
附图说明
图1为本实用新型之处理系统的结构图。
图2为本实用新型智能处理系统的污水处理系统结构图。
图3为本实用新型之智能处理系统的智能处理方法的流程图。
图4为本实用新型的智能控制框图。
图5为本实用新型的控制系统的模糊神经网络模型。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，一种基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能控系统，包括太阳能供电系统1、控制系统2和污水处理系统3；
所述的太阳能供电系统1由太阳能电池板1-1、蓄电池1-2、控制器1-3和逆变器1-4组成，太阳能电池板1-1通过控制器1-3与蓄电池1-2电连接，太阳能电池板1-1向蓄电池1-2供电；蓄电池1-2通过控制器1-3与逆变器1-4 电连接；
所述的控制系统2单元包括传感器2-5、计算机2-6、cRIO控制器2-7 和变频器2-8；传感器2-5包括进水COD(化学需氧量)在线自动分析仪、污水浓度(MLSS)测量仪、DO(溶氧度)测量仪、PH测量计和流量计；
逆变器1-4与变频器2-8电连接，传感器2-5和计算机2-6通过cRIO控制器2-7与变频器2-8导线连接，变频器2-8与污水处理系统3导线连接；
所述的污水处理系统3包括机械粗格栅3-2、集水池3-3、第一提升泵3-4、机械细格栅3-5、沉砂池3-6、CASS反应池3-7、消毒池3-8、第二提升泵3-9、过滤器3-10、中水池3-11、曝气机3-12、污泥回流泵3-13、排泥泵3-14和滗水机3-15；第一导水管道3-1通过机械粗格栅3-2与集水池3-3连通，集水池 3-3与沉砂池3-6之间通过第二导水管道3-16连通，第二导水管道3-16上设置有第一提升泵3-4和机械细格栅3-5，沉砂池3-6的上部与CASS反应池3-7下部之间通过第三导水管道3-17连通，CASS反应池3-7中设置有曝气机3-12、污泥回流泵3-13、排泥泵3-14和滗水机3-15；CASS反应池3-7与消毒池3-8 之间通过导水管道3-18连通；消毒池3-8与中水池3-11之间通过第四导水管道3-19连通，第四导水管道3-19上设置第二提升泵3-9和过滤器3-10。
太阳能供电系统1能够吸收光能转化为电能给污水处理系统和模糊控制模块单元供电，所述的太阳能电池板1-1是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池1-2中存储起来；
所述的蓄电池1-2是在有光照时将太阳能电池板1-1所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来，给负载供电；
所述的控制器1-3的作用是控制整个太阳能供电系统的工作状态，并对蓄电池1-2起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器1-3还应具备温度补偿的功能；
所述的逆变器1-4是将蓄电池1-2的直流电逆变成交流电，从而供电给交流电机及其他设备。
传感器2-5采集信号进行放大滤波处理，并通过cRIO控制器2-7采集各传感器2-5数据，将数据与排放标准值进行比较得出偏差数值，偏差数值作为输入变量输入到模糊神经网络控制器中，得出输出控制变量。
所述的机械粗格栅3-2和细格栅3-5用于去除悬浮的杂质等，减少对集水池3-3的第一提升泵3-4和沉砂池3-6第二提升泵3-9的堵塞；
所述的集水池3-3作为收集污水，调节污水浓度所用，其内设有第一提升泵3-4；
所述的沉砂池3-6目的是为了去除污水中的固体污染物，如砂石，重金属等；
所述的CASS反应池3-7由预反应区和主反应区两个部分组成，是污水处理系统的核心部分，主反应区内设有污泥回流泵3-13、排泥泵3-14、曝气机 3-12和滗水机3-15；
所述的消毒池3-8是利用波长225-275μm的紫外线对水中微生物的强烈杀灭作用进行消毒。杀菌彻底，不改变水的物理、化学性质，不增加水的嗅味，不产生对水体有害的物质，无副作用；
所述的中水池3-11是用于储存中水，之后用来浇花绿化等。
所述的进水COD(化学需氧量)在线自动分析仪是测量CASS反应池3-7 的COD值；
所述的污水浓度(MLSS)测量仪是测量CASS反应池3-7的污水浓度；
所述的DO(溶氧)测量仪是测量CASS反应池3-7的DO值；
所述的PH计是测量CASS反应池3-7污水的PH值。
所述的流量计是测量处理后的水流入消毒池3-8的流量大小；
所述的变频器2-8是为了控制污泥回流泵3-13、曝气机3-12、滗水机3-15 的工作状态。
本实用新型的工作原理如下：
如图1和图2所示，所述的太阳能供电系统包括太阳能电池板1-1、蓄电池1-2、控制器1-3和逆变器1-4四个部分。太阳能电池板1-1是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分，太阳能板1-1 安装处是否有建筑物或树木遮档。要保证太阳能板1-1最大限度能接收到阳光照射。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，送往蓄电池1-2中存储起来，蓄电池1-2的作用是在有光照时将太阳能电池板1-1所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。太阳能电池板1-1和蓄电池1-2均与控制器1-3相连，控制器1-3的主要作用是控制整个太阳能供电系统的工作状态，并对蓄电池1-2起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器1-3 还应具备温度补偿的功能。由于用电设备基本都是使用交流电，所以需将控制器1-3与逆变器1-4相连，逆变器1-4可以将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，经过逆变器1-4转化之后的交流电可以给系统的终端或负载供电了，也就是给污水处理系统3和控制系统2供电。
如图1、图2和图3所示，一种基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统的处理方法：
居民小区污水进入第一导水管道3-1后，首先流经机械粗格栅3-2，机械粗格栅3-2是由一组平行的金属材料的栅条制成的框架，倾斜或垂直至于污水流经的渠道上，用以截留较大的悬浮物或漂浮物，如纤维、碎皮、毛发、木屑、果皮、蔬菜、塑料制品等，以便减轻后续处理构筑物的处理负荷，并使提升设备等正常运行，减少对集水池3-3的第一提升泵3-4的堵塞。通过机械粗格栅3-2之后的污水流入集水池3-3，设置集水池3-3可以收集污水，调节污水的浓度大小，集水池3-3内设有第一提升泵3-4，经过集水池3-3调节后的污水被第一提升泵3-4提升，经过第二导水管道3-16流经机械细格栅3-5，机械细格栅3-5将污水中一些更小的固体悬浮物去除。经过机械粗格栅3-2和机械细格栅3-5的污水流至沉砂池3-6，在沉砂池3-6中去除颗粒较大的砂砾，防止砂粒对管道和设备造成磨损，减轻系统的压力。污水从沉砂池3-6中自流至CASS反应池3-7，CASS池3-7是处理站的中心构筑物，污水中的大部分有机污染物在微生物的作用下进行氧化分解，达到排放要求后排出处理系统。在预反应区内，微生物能通过酶的快速转移机理迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，这对进水水质、水量、pH 和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的生长起到抑制作用，可有效防止污泥膨胀：随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程。 CASS工艺集反应、沉淀、排水于一体，每一个工作周期微生物处于好氧—缺氧周期性变化之中，因此，CASS工艺具有较好的脱氮效果。
CASS反应池3-7的CASS反应操作周期分为四个阶段：
曝气阶段：由曝气机3-12向CASS反应池3-7内供氧，此时有机污染物被微生物氧化分解，同时污水中的NH3--N通过微生物的硝化作用转化为 NO3--N。
沉淀阶段：此时停止曝气，微生物利用水中剩余的DO进行氧化分解。 CASS反应池3-7逐渐由好氧状态向缺氧状态转化，开始进行反硝化反应。活性污泥逐渐沉到池底，上层水变清。
滗水阶段：沉淀结束后，置于CASS反应池3-7末段的滗水器3-15开始工作，自下而上逐层排出上清液。此时，CASS反应池3-7继续进行反硝化。
闲置阶段：闲置阶段是滗水器3-15上升到原始位置阶段。
经过滗水器3-15的污水流至消毒池3-8，消毒池3-8内设有流量计传感器，流量计传感器与计算机2-6相连，当进入消毒池3-8的污水流量达到所设定的额定值时，计算机2-6控制紫外线消毒装置启动，中水消毒后的流经过滤器流至中水池就可以用来绿化等。
如图3和图4所示，本实用新型之系统采用太阳能发电单元作为动力源，将太阳能转化为电能为整个系统供电；cRIO控制器2-7进行污水处理过程的实时采集和控制，并将数据记录并显示在计算机2-6上；智能控制系统采用 COD测定仪、悬浮性固体浓度计、DO测量仪和pH测试仪传感器获取CASS 反应池3-7中的污水信息，并将数据实时的输送到cRIO 2-7中，cRIO 2-7将采集信号处理后得到污泥浓度偏差es、CASS池COD偏差ec、CASS池溶解氧偏差eo和PH值偏差ep，并作为模糊控制神经网络的输入，经过控制器中神经网络模块的计算处理之后输出曝气量y1、回流污泥泵频率y2、进水量y3、滗水机功率y4，从而对曝气机3-12、污泥回流泵3-13、滗水机3-15和排泥泵 3-14进行控制，调整电机功率大小，实现智能控制。形成了采集数据、模糊神经网络运算、智能控制电机频率和信号反馈循环控制技术和系统。
如图5所示，所述的控制系统2为模糊神经网络模型。
标准模型的模糊神经网络是根据模糊系统的结构，决定等价神经网络。也就是使神经网络的每个层、每个节点对应模糊系统的一部分。因此神经网络在这不同于常规网络的黑箱型,它所有参数都具有物理意义。
是将污泥浓度偏差es、CASS池COD偏差ec、CASS池溶解氧偏差eo和PH值偏差ep作为输入变量输入到模糊神经网络控制模块内，通过模糊神经网络控制模块输出曝气量y1、回流污泥泵频率y2、进水量y3滗水机功率y4；
所述的模糊神经网络控制模块包括输入层I、模糊化层II、推理层III、清晰化层IV和输出层V。具体设计如下：
第一层：输入层。该层有四个确定性节点，以污泥浓度偏差es、CASS池 COD偏差ec、CASS池溶解氧偏差eo和PH指偏差ep量化后的值作为输入量。
第二层：模糊化层。该层的功能是对输入量进行模糊化，求出各输入的隶属度。根据实际情况将被控变量污泥浓度偏差es、CASS池COD偏差ec、CASS 池溶解氧偏差eo和PH指偏差ep分别分为5个模糊论域，本系统在模糊神经网络中对控制变量取{NB,NS,Z,PS,PB}5个论域，因此模糊化层共有20个节点。模糊量的隶属度函数选取可微的高斯函数来作为隶属函数进行模糊化；
第三层：模糊推理层。该层每个神经元代表一个推理规则，经过该层的计算，可以得到对于每条规则的适应度。对输入变量进行完全组合，有4096个节点。第2、3层的连接权值均为1，运算采用Mamdani法；
第四层：清晰化层。本层的作用是实现解模糊化，节点数为20个。本文采用重心法来进行清晰化，连接权值为Wkj，其中，k＝1,2，…，6；j＝1,2，…， 4096；
第五层：输出层。该层与第四层为全连，将第四层各个节点的输出，转换为输出变量的精确值。
依据样本进行自学习修正，构建基于自学习自适应的模糊神经网络控制模块，通过控制量的污泥浓度偏差es、CASS池COD偏差ec、CASS池溶解氧偏差eo和PH指偏差ep为所述的模糊神经网络控制模块提供了训练样本数据，对各输入变量模糊集合的高斯型隶属度函数的均值和标准差、清晰化运算层的连接权值Wkj进行训练调整，然后将训练好的模糊神经网络控制模块应用于实际CASS反应池3-7污水处理过程中。
Claims (1)
1.一种基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统，其特征在于：包括太阳能供电系统(1)、控制系统(2)和污水处理系统(3)；
所述的太阳能供电系统(1)由太阳能电池板(1-1)、蓄电池(1-2)、控制器(1-3)和逆变器(1-4)组成，太阳能电池板(1-1)通过控制器(1-3)与蓄电池(1-2)电连接，太阳能电池板(1-1)向蓄电池(1-2)供电；蓄电池(1-2)通过控制器(1-3)与逆变器(1-4)电连接；
所述的控制系统(2)单元包括传感器(2-5)、计算机(2-6)、cRIO控制器(2-7)和变频器(2-8)；传感器(2-5)包括进水COD在线自动分析仪、污水浓度测量仪、DO测量仪、PH测量计和流量计；
逆变器(1-4)与变频器(2-8)电连接，传感器(2-5)和计算机(2-6)通过cRIO控制器(2-7)与变频器(2-8)导线连接，变频器(2-8)与污水处理系统(3)导线连接；
所述的污水处理系统(3)包括机械粗格栅(3-2)、集水池(3-3)、第一提升泵(3-4)、机械细格栅(3-5)、沉砂池(3-6)、CASS反应池(3-7)、消毒池(3-8)、第二提升泵(3-9)、过滤器(3-10)、中水池(3-11)、曝气机(3-12)、污泥回流泵(3-13)、排泥泵(3-14)和滗水机(3-15)；第一导水管道(3-1)通过机械粗格栅(3-2)与集水池(3-3)连通，集水池(3-3)与沉砂池(3-6)之间通过第二导水管道(3-16)连通，第二导水管道(3-16)上设置有第一提升泵(3-4)和机械细格栅(3-5)，沉砂池(3-6)的上部与CASS反应池(3-7)下部之间通过第三导水管道(3-17)连通，CASS反应池(3-7)中设置有曝气机(3-12)、污泥回流泵(3-13)、排泥泵(3-14)和滗水机(3-15)；CASS反应池(3-7)与消毒池(3-8)之间通过导水管道(3-18)连通；消毒池(3-8)与中水池(3-11)之间通过第四导水管道(3-19)连通，第四导水管道(3-19)上设置第二提升泵(3-9)和过滤器(3-10)。
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| CN109626765A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-04-16 | 邯郸市自来水公司 | 基于太阳能的居民小区污水处理中水回用智能处理系统及智能处理方法 |
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