CN214174904U - 一种污水处理智能曝气量计算控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及污水处理工程技术领域，涉及一种污水处理智能曝气量计算控制系统。本实用新型提供一种污水处理智能曝气量计算控制系统，包括前馈模块、后馈模块、控制模块和底层执行模块，其中，前馈模块至少包括电磁流量计、BOD在线监测仪、NH₃‑N在线监测仪和TN在线监测仪；控制模块根据前馈模块和后馈模块的反馈信号，对底层执行模块进行控制调节。本实用新型可以避免尾水超标排放风险，同时可以使污水处理厂节约大量的电能，具有良好的经济效益且实用性较强。

Description

一种污水处理智能曝气量计算控制系统

技术领域

本实用新型涉及污水处理工程技术领域，更具体地说，涉及一种污水处理智能曝气量计算控制系统。

背景技术

曝气是当前污水处理的一种常规工艺技术手段，曝气在污水处理过程中的主要作用是为微生物的生长繁殖提供所必需的氧气，通过微生物生长繁殖过程中的新陈代谢所产生的各种生化反应削减污水中的生化需氧量(Biochemical oxygen demand，BOD)、NH₃-N(氨氮)、总氮(Total nitrogen，TN)等污染物，从而使污水得以净化。曝气量过小微生物不能获得足够的氧气进行正常的生长繁殖导致污染物削减不彻底，曝气量过大容易使微生物产生内源呼吸从而影响微生物进行脱氮除磷作用及泥水分离过程，另外也会浪费大量的电能，因此曝气量的控制在污水处理工艺中显得尤为重要。

在污水处理A²/O工艺中一般通过各种类型的鼓风机提供曝气所需的气源，空气依次通过曝气管、干管、支管、曝气器进入曝气池，由于目前常规的曝气量控制一般是根据曝气池中安装的溶解氧(Dissolved oxygen，DO)仪采集到的DO值人工或自动地对曝气量进行调节，但曝气池中的显示的DO值往往反映的是微生物进行好氧生化反应后在水中的残留含氧量，是一个结果数值，故根据曝气池中的DO值进行曝气量调节是一种反馈调节，具有一定的滞后性，发现问题时往往已造成了一些不良后果，具有一定的尾水超标排放风险，故需要开发出一种智能污水处理曝气量控制系统。

实用新型内容

1.要解决的问题

针对目前现有技术中曝气量控制方法的不足，本实用新型提供一种污水处理智能曝气量计算控制系统，包括前馈模块、后馈模块、控制模块和底层执行模块，控制模块根据前馈模块和后馈模块的反馈信号，对底层执行模块进行控制调节；本实用新型具有以前馈调节为主、反馈调节为辅的特点，采集污水处理厂的进水流量、进水BOD₅(五日生化需氧量)、进水NH₃-N浓度和进水TN浓度，输入至控制模块进行曝气量的计算，可以达到精确曝气、节能降耗、稳定达标的目的，可避免传统的反馈调节曝气量控制带来的尾水超标排放等运行风险，带来较大的工艺优化空间，具有良好的经济效益且实用性较强。

2.技术方案

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种污水处理智能曝气量计算控制系统，安装于污水处理系统中，污水处理系统包括进水单元和生化处理单元，控制系统包括前馈模块，设置于进水单元，用于监测前馈水质指标并输出前馈信号；前馈模块至少包括电磁流量计、BOD在线监测仪、NH₃-N在线监测仪和TN在线监测仪；后馈模块，设置于生化处理单元，用于监测后馈水质指标并输出后馈信号；控制模块，与前馈模块和后馈模块相连接，用于接受前馈模块输出的前馈信号和后馈模块输出的后馈信号，输出调控信号；以及底层执行模块，与控制模块相连接，用于接受控制模块输出的调控信号以及用于输出执行反馈信号至控制模块；底层执行模块包括风机。

优选地，控制模块包括曝气量计算子模块，用于接受前馈模块的前馈信号和后馈模块的DO浓度的后馈信息，计算并输出曝气量调控信号；以及PLC，用于接收后馈信号、曝气量计算子模块的曝气量调控信号和底层执行模块的执行反馈信号，输出执行信号。

优选地，生化处理单元包括曝气池和曝气管，曝气管设置于曝气池中。

优选地，底层执行模块还包括电动阀，电动阀设置于曝气管上。

优选地，后馈模块包括DO仪，设置于曝气池，用于监测污水中的DO浓度并反馈至曝气量计算子模块进行曝气量的校核；以及空气流量计和空气压力计，设置于曝气管上，用于监测曝气管的曝气风量和风压并反馈至PLC。

优选地，执行反馈信号包括电动阀开度信号和风机运行状态信号。

优选地，电动阀为电动菱形刀闸阀或电动蝶阀。

优选地，控制模块包括阀门开度控制器，用于控制阀门的开度；以及风机运行控制器，用于调整风机运行状态。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本实用新型通过前馈模块采集进水流量、进水BOD₅、进水NH₃-N与进水TN的实时指标值，结合人工设定的出水BOD₅、出水NH₃-N与出水TN指标值，再通过曝气量计算子模块计算某一时段的所需曝气量，同时根据后馈模块中的DO(溶解氧)仪采集当前曝气池中的DO指标值，与曝气池所需的最低DO指标值进行对比校核，最终根据校核判断结果将曝气量数值调节指令发送至PLC，进而调节底层执行模块，实现对曝气量的优化控制。

(2)本实用新型根据进、出水指标预测计算所需曝气量并进行有效调节，即可以避免曝气量过小微生物不能获得足够的氧气进行正常的生长繁殖导致污染物削减不彻底，又可以避免曝气量过大时，导致的微生物的内源呼吸，避免影响微生物进行脱氮除磷作用，防止产生由于污泥解絮导致的泥水难以分离的现象。

(3)本实用新型通过不断地校核当前曝气池中的DO值，可以避免单纯的前馈调节控制方法所带来的不可靠风险，同时可以使污水处理厂节约大量的电能。

附图说明

图1为本实用新型的控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的示例性实施例详细描述了本实用新型。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本实用新型的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本实用新型的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本实用新型或本申请和本实用新型的应用领域。

本实用新型提供一种污水处理智能曝气量计算控制系统，安装于污水处理系统中。本实用新型的污水处理系统包括进水单元和生化处理单元，其中，生化处理单元包括曝气池和曝气管，曝气管设置于曝气池中。

本实用新型的控制系统包括前馈模块，设置于进水单元，用于监测前馈水质指标并输出前馈信号。前馈模块至少包括用于监测进水流量的电磁流量计、用于监测进水BOD₅的BOD在线监测仪、用于监测进水NH₃-N浓度的NH₃-N在线监测仪和用于监测进水TN浓度的TN在线监测仪。

后馈模块，设置于生化处理单元，用于监测后馈水质指标并输出后馈信号；后馈模块包括DO仪，设置于曝气池，用于监测污水中的DO浓度，并将其反馈至曝气量计算子模块，根据人工设定的曝气池所需最低DO浓度进行校核。本实用新型的后馈模块还包括空气流量计和空气压力计，设置于曝气管上，用于监测曝气管的曝气风量和风压并反馈至PLC，PLC根据空气流量计与空气压力计反馈的曝气管的曝气风量指标Q_air以及风压指标调节控制底层执行模块的运行状态，使实际输出的曝气量与系统要求的曝气趋于一致。

控制模块主要用于数据设定、数据采集、曝气量计算、溶解氧校核及曝气量调节，与前馈模块和后馈模块相连接，能够接受前馈模块输出的前馈信号和后馈模块输出的后馈信号，输出调控信号。控制模块包括曝气量计算子模块，用于接受前馈模块的前馈信号和后馈模块的DO浓度的后馈信息，计算并输出曝气量调控信号；本实用新型的曝气量计算子模块根据公式计算曝气量，结合前馈模块、后馈模块和底层执行模块的反馈信号对曝气量进行校核，根据校核判断结果发出曝气量调节数值的指令。曝气量计算公式如下：

Q_air＝Q_in[a(BOD_5in-BOD_5out)+b(NH₃-N_in-NH₃-N_out)-c(TN_in-TN_out)]

其中：

Q_air——污水处理所需曝气量，m³/h，由空气流量计采集；

Q_in——进水流量，m³/h，由电磁流量计采集；

BOD_5in——进水五日生化需氧量指标，m³/h，由BOD在线监测仪采集；

BOD_5out——出水五日生化需氧量指标，mg/L，由人工设定；

NH₃-N_in——进水氨氮指标，mg/L，由NH₃-N在线监测仪采集；

NH₃-N_out——出水氨氮指标，mg/L，由人工设定；

TN_in——进水总氮指标，mg/L，由TN在线监测仪采集；

TN_out——出水总氮指标，mg/L，由人工设定；

a——系数，取0.04174；

b——系数，取0.1469；

c——系数，取0.09107。

本实用新型的控制模块还包括PLC，用于接收后馈信号、曝气量计算子模块的曝气量调控信号和底层执行模块的执行反馈信号，输出执行信号，PLC根据曝气量计算子模块发出的曝气量调节数值指令控制底层执行模块进行动作调整。

本实用新型还包括底层执行模块，与控制模块相连接，用于接受控制模块输出的调控信号以及用于输出执行反馈信号至控制模块。进一步地，执行反馈信号包括电动阀开度信号和风机运行状态信号。底层执行模块包括风机，风机可以对曝气池进行曝气操作。底层执行模块还包括电动阀，电动阀设置于曝气管上，电动阀优选为电动菱形刀闸阀或电动蝶阀。进一步地，阀门的开度受到控制模块的阀门开度控制器的控制，风机运行状态可以通过控制模块的风机运行控制器进行调整。

利用本实用新型进行曝气量控制，具体步骤如下：

1、根据污水处理厂出水执行标准，在曝气量计算子模块中人工设定出水BOD₅、NH₃-N、TN指标数值BOD_5out、NH₃-N_out、TN_out，且可根据不同的污水处理厂执行的出水标准对应的各指标值进行调整。

2、通过电磁流量、BOD在线监测仪、NH₃-N在线监测仪、TN在线监测仪以一定的频率(如1min1次，该频率可人工设置)采集一段时间内(如10min内，与执行1次该计算控制流程的周期相同，该时间段可人工设置)的进水流量、BOD₅、NH₃-N、TN指标数值Q_in、BOD_5in、NH₃-N_in、TN_in，并计算在该时间段内的平均值。

3、在曝气量计算子模块中将t时间(指标监测点至曝气池之间的水力停留时间，通过公式

计算得出，式中V为指标监测点至曝气池之间的构筑物与管道总容积)之前的一段时间内的Q_in、BOD_5in、NH₃-N_in、TN_in指标平均值与人工设定的BOD_5out、NH₃-N_out、TN_out数值代入公式，计算当前所需的曝气量Q_air。

4、根据DO仪反馈的当前曝气池中的DO监测值DO，与人工设定的曝气池所需最低DO指标值DO_min，在曝气量计算子模块中计算Q_air的同时进行校核；当DO≥DO_min时，按照计算得出的Q_air值向PLC发出曝气量调节数值指令，当DO＜DO_min时，须立即向PLC发出加大曝气量调节指令。

5、PLC接收曝气量计算子模块发出的曝气量调节数值指令后，随即通过控制电动菱形刀闸阀或电动蝶阀阀门的开度与曝气风机的运行频率、转速等，最终实现对曝气量的优化调节；同时电动菱形刀闸阀或电动蝶阀、风机将自身的运行状态数据(如阀门的开度、风机的电流、电压、频率、出口风量、出口风压等)反馈至PLC以实现对运行状态的实时监控；并根据空气流量计与空气压力计反馈的曝气管的曝气风量指标Q_air和风压指标，进一步控制电动菱形刀闸阀或电动蝶阀、风机，使实际输出的曝气量与系统要求的曝气趋于一致。

6、根据人工设定的周期(如10min，与采集数据计算平均值的时间段相同，该时间段可在曝气量计算子模块中人工设置)重复不断地执行所述的计算与控制流程。

更具体地，尽管在此已经描述了本实用新型的示例性实施例，但是本实用新型并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本实用新型的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。

Claims (8)

1.一种污水处理智能曝气量计算控制系统，安装于污水处理系统中，所述污水处理系统包括进水单元和生化处理单元，其特征在于：

所述控制系统包括前馈模块，设置于所述进水单元，用于监测前馈水质指标并输出前馈信号；所述前馈模块至少包括电磁流量计、BOD在线监测仪、NH₃-N在线监测仪和TN在线监测仪；

后馈模块，设置于所述生化处理单元，用于监测后馈水质指标并输出后馈信号；

控制模块，与所述前馈模块和所述后馈模块相连接，用于接受前馈模块输出的前馈信号和后馈模块输出的后馈信号，输出调控信号；以及

底层执行模块，与所述控制模块相连接，用于接受控制模块输出的调控信号以及用于输出执行反馈信号至控制模块；所述底层执行模块包括风机。

2.根据权利要求1所述的一种污水处理智能曝气量计算控制系统，其特征在于：所述控制模块包括

曝气量计算子模块，用于接受所述前馈模块的前馈信号和所述后馈模块的DO浓度的后馈信息，计算并输出曝气量调控信号；以及

PLC，用于接收所述后馈信号、所述曝气量计算子模块的曝气量调控信号和所述底层执行模块的执行反馈信号，输出执行信号。

3.根据权利要求2所述的一种污水处理智能曝气量计算控制系统，其特征在于：所述生化处理单元包括曝气池和曝气管，所述曝气管设置于曝气池中。

4.根据权利要求3所述的一种污水处理智能曝气量计算控制系统，其特征在于：所述底层执行模块还包括电动阀，所述电动阀设置于曝气管上。

5.根据权利要求3所述的一种污水处理智能曝气量计算控制系统，其特征在于：所述后馈模块包括DO仪，设置于所述曝气池，用于监测污水中的DO浓度并反馈至曝气量计算子模块进行曝气量的校核；以及空气流量计和空气压力计，设置于所述曝气管上，用于监测曝气管的曝气风量和风压并反馈至所述PLC。

6.根据权利要求4所述的一种污水处理智能曝气量计算控制系统，其特征在于：所述执行反馈信号包括电动阀开度信号和风机运行状态信号。

7.根据权利要求4所述的一种污水处理智能曝气量计算控制系统，其特征在于：所述电动阀为电动菱形刀闸阀或电动蝶阀。

8.根据权利要求4所述的一种污水处理智能曝气量计算控制系统，其特征在于：所述控制模块包括阀门开度控制器，用于控制阀门的开度；以及风机运行控制器，用于调整风机运行状态。

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