一种降低小规模生活污水处理能耗的控制系统及方法与流程

本发明涉及生活污水处理技术领域，尤其涉及一种用于小规模生活污水低能耗处理系统及方法。

背景技术：

目前，小规模生活污水处理主要以生物处理工艺的集中处理和分散处理为主，其系统主要由格栅井、进水池或调节池、水解池、好氧生化池或mbr、沉淀池及清水池组成。小规模生活污水处理过程中的能源消耗大且主要集中在鼓风机的运行能耗上，由于小规模生活污水流量的不均一性，使得鼓风机运行不能总是处于有效工作状态，从而提高了运行成本，迫使生活污水处理系统的运行变得不可持续，一定程度上影响了小规模污水处理系统的持续发展。基于上述原因，降低小规模生活污水处理能耗及运行成本已经成为污水处理过程中的研究热点。

溶解氧(do)作为污水生化处理过程的重要参数，其控制水平及控制方式在很大程度上影响到污水处理效率和出水水质，污水处理系统中提供溶解氧的鼓风系统是污水处理的核心单元，其能耗占污水处理系统能耗的50％～70％。目前小规模生活污水处理设施中的鼓风系统通常设定为恒量、常开模式，不依据进水池或调节池的进水水量、水质等负荷的变化而实时变化，时常导致出现溶解氧过量、溶解氧利用低，能耗浪费的现象。对于水量变化大且有规律的小规模污水处理系统，一般多采用人为定时开关鼓风机的方式实现出水稳定且节能的目的。

从小规模污水处理设施的运行上看，小规模生活污水的主要特点为水量波动较城市大型生活污水厂大，生化处理单元所需溶解氧量波动频繁。

目前小规模生活污水处理鼓风系统的节能控制主要分为三种：由操作人员实时调节鼓风机挡风板、风管阀门，此方法需要操作人员的实时操作，因为水量负荷变化频繁，上述调节过程对生化系统中的溶解氧(do)实现实时控制性较差，无明显节能效果。对于控制系统已经安装了变频器的污水鼓风机的运行，在水量负荷有规律变化情况下，由操作人员定期通过改变变频器输出频率控制鼓风机的工作状态与氧气的输出量，该方法有一定节能效果，但需要技术人员的及时、频繁的操作。对于大规模的污水处理系统，采用溶解氧仪实时反馈好氧生化池内的溶解氧检测信号，通过plc采集并经严格计算后得到一个鼓风机的运行指令，该指令反馈至鼓风机及出口管的电动调节阀调节其开度，实现有机污染负荷与水量负荷相匹配的鼓风机曝气量调节，达到节能的目的。但对于小规模生活污水处理系统而言，上述控制系统造价昂贵，并对操作人员的技术技能要求非常高。

生活污水处理设施内的鼓风系统主要以鼓风机、送风管道、各类阀门及曝气组件构成，是根据流体力学原理，空气经鼓风机吸入并压缩后推入送风管道流向各个曝气组件，最终由曝气组件将压缩空气扩散至污水好氧处理系统中的过程。在污水好氧处理系统需氧量一定的情况下，鼓风机输入频率越低，能耗也就越低，因此需要研究鼓风机的输入频率与小规模生活污水不同时期的水量变化关系，并进行优化控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种降低小规模生活污水处理能耗的控制系统及方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种降低小规模生活污水处理能耗的控制系统，包括液面测定装置、鼓风系统、调速装置和能耗控制装置，所述液面测定装置、所述能耗控制装置、所述调速装置和所述鼓风系统依次连接，所述能耗控制装置包括节能控制器、前馈控制模块、反馈控制模块和频率判断模块，

所述液面测定装置用于测定小规模生活污水进水池或调节池的液位，并将测定结果传输给所述反馈控制模块；

所述反馈控制模块根据接收到的测定结果确定鼓风系统满足不同时刻不同风量情况下均处于最佳运行状态所需要的运行频率；

所述前馈控制模块用于确定鼓风系统在全年全天候不同阶段处于最佳运行状态时所需要的运行频率；

所述频率判定模块用于实时比对所述前馈控制模块和所述反馈控制模块的频率输出结果，以二者中的最大值决策相应操作，判定并记录鼓风系统当前最佳输入频率，以便管理鼓风系统整体能耗情况；

所述调速装置通过获取所述频率判定模块中的最佳输入频率，并将该最佳输入频率用于调节鼓风系统中各个鼓风机的运行频率；

所述节能控制器用于控制所述鼓风系统根据进水池实时液面变化为小规模生活污水好氧生化池进行最佳输出供氧，从而实现能耗最优控制。

优选的，所述液面测定装置采用可输出模拟量信号的实时指示液位的液位计，包括一个或多个超声波液位计或投入式压力传感器。

优选的，所述鼓风系统包括一台或多台鼓风机，所述鼓风机选用离心式鼓风机、罗茨鼓风机、磁悬浮鼓风机和空气悬浮鼓风机中的至少一种。

一种降低小规模生活污水处理能耗的控制方法，采用所述的降低小规模生活污水处理能耗的控制系统，主要包括以下步骤：

s1，根据确定的小规模生活污水处理系统特有运行规律在前馈控制模块中设定全年水量分别处于高负荷、低负荷和节假日负荷的特征运行周期；

s2，针对所述前馈控制模块内水量分别处于高负荷模式、低负荷模式和节假日负荷模式时，鼓风系统运行频率具有的特征性，对不同负荷模式下的鼓风系统运行频率进行赋值；

s3，根据进水池或调节池水位变化率，确定好氧生化池中所需要的氧气输入量，从而确定风量需求，采用反馈控制模块进行计算后对鼓风系统运行频率进行赋值；

s4，所述频率判定模块分别接收所述前馈控制模块、所述反馈控制模块的输出频率赋值结果，以二者的最大值作为最终输出频率，并将该最终输出频率设定为鼓风系统的运行频率。

优选的，步骤s2中所述前馈控制模块按照不同的负荷模式对运行频率进行赋值，模式一为高负荷模式、模式二为低负荷模式、模式三为节假日负荷的运行模式，频率赋值范围为25～50hz并可修改；且所述节假日负荷模式按法定节假日提前1天开始计算，并维持该模式持续1～15天的运行过程。

优选的，步骤s3中根据进水池或调节池水位变化率，确定好氧生化池中所需要的氧气输入量，从而确定风量需求，设定输出频率η的过程具体为：

当进水池或调节池内液位差计算为正时，设定反馈控制模块输出频率执行高频值输出模式，频率赋值范围为35～50hz；液位差计算为负时，设定反馈控制模块输出频率执行低频值输出模式，频率赋值范围为25～40hz。

优选的，所述风量需求变化是因为耗氧量需求，其中污水处理所需要的耗氧量计算公式为：o＝ka’qlr+b’vn’，

其中，q为污水的流量，lr为污水经过该处理系统去除的有机物浓度，v是污水处理系统好氧生化池容积，n’是混合液挥发性悬浮物浓度，a’是单位有机物bod降解耗氧量，取值范围是0.42～0.53，b’是单位混合液挥发性悬浮物自身氧化耗氧量，取值范围是0.11～0.188，k是不同工艺需氧量修正系数，取值范围是0.2～1.0；

鼓风系统的流量计算过程具体为：q＝0.5kvπd2lλn

其中，d为叶轮外径，l为叶轮长度，λ为面积利用系数，取值范围是0.521～0.563、n是选用的鼓风机电机叶轮转速，kv是容积效率，取值范围为0.7～0.9；

鼓风机电机叶轮转速的计算公式为：n＝60f(1-s)/p

其中，f是电源频率，p是电机磁极对数，s是电机转差率，取值范围是1.5％～6％。

优选的，步骤s5中，所述频率判定模块分别接受前馈控制模块、反馈控制模块的输出频率结果，以二者的最大值作为最终输出频率，并与至少一台变频调速器相连。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种降低小规模生活污水处理能耗的控制系统及方法，该系统整体结构简单清晰，安装方便；采用通用的配件，更换维修方便，具有很强的推广性；

依据用水时间不同，分为高负荷、低负荷和节假日负荷计量进水周期，同时液位测定装置能够实时监测进水水位的变化情况，从而对曝气系统需氧量进行精确、及时、稳定的控制，通过反馈控制模块和前馈控制模块的精密计算配合，调整鼓风系统的最佳输出功率，有效节约鼓风系统的能耗成本和人工成本。

附图说明

图1是实施例1提供的降低小规模生活污水处理能耗的控制系统结构示意图；

图2是实施例2提供的降低小规模生活污水处理能耗的控制方法流程图；

其中，1是液位计，2是能耗控制装置，201是节能控制器，202是前馈控制模块，203是反馈控制模块，204是频率判断模块，3是调速装置，4是鼓风系统，5是进水池或调节池。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供了一种降低小规模生活污水处理能耗的控制系统，包括液面测定装置、鼓风系统、调速装置和能耗控制装置，使用该控制系统用于小规模生活污水处理工程上，小规模生活污水处理工程包括进水池和好氧生化池，有的也包括调节池和沉淀池，液面测定装置安装在进水池和/或调节池内部，所述鼓风系统用于向好氧生化池中提供足量的氧气，如图1所示，所述液面测定装置、所述能耗控制装置、所述调速装置和所述鼓风系统依次连接。本实施例中所述能耗控制装置包括节能控制器、前馈控制模块、反馈控制模块和频率判断模块，

所述液面测定装置用于测定小规模生活污水进水池或调节池的液位，并将测定结果传输给所述反馈控制模块；

所述反馈控制模块根据接收到的测定结果确定鼓风系统满足不同时刻不同风量情况下均处于最佳运行状态所需要的运行频率；

所述前馈控制模块用于确定鼓风系统在全年全天候不同阶段处于最佳运行状态时所需要的运行频率；

所述频率判定模块用于实时比对所述前馈控制模块和所述反馈控制模块的频率输出结果，以二者中的最大值决策相应操作，判定并记录鼓风系统当前最佳输入频率，以便管理鼓风系统整体能耗情况；

所述调速装置通过获取所述频率判定模块中的最佳输入频率，并将该最佳输入频率用于调节鼓风系统中各个鼓风机的运行频率；

所述节能控制器用于控制所述鼓风系统根据进水池实时液面变化为小规模生活污水好氧生化池进行最佳输出供氧，从而实现能耗最优控制。

如图1所示，本实施例中的液位测定装置采用安装在进水池或调节池中的液位计，可以选用超声波液位计或投入式压力传感器，所述液位计将测量的水位值换成电信号进行实时传输；本实施例中的鼓风系统也采用多台鼓风机，鼓风机可以选用离心式鼓风机、罗茨鼓风机、磁悬浮鼓风机和空气悬浮鼓风机中的至少一种。

实施例2

本实施例提供采用实施例1中的降低小规模生活污水处理能耗的控制系统进行降低小规模生活污水处理能耗的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

s1，根据确定的小规模生活污水处理系统特有运行规律在前馈控制模块中设定全年水量分别处于高负荷、低负荷和节假日负荷的特征运行周期；其中，对于确定的小规模污水处理系统而言，主要在于根据生活污水处理的量决定生活污水处理系统的规模，从而确定所需要的鼓风机的数量和规格。

s2，针对所述前馈控制模块内水量分别处于分别高负荷模式、低负荷模式和节假日负荷模式时，鼓风机运行频率具有的特征性，因此对不同负荷模式下的鼓风机运行频率进行赋值；

s3，根据进水池或调节池水位变化率，确定好氧生化池中所需要的氧气输入量，从而确定风量需求，采用反馈控制模块进行计算后对鼓风系统运行频率进行赋值；

s4，所述频率判定模块分别接收所述前馈控制模块、所述反馈控制模块的输出频率赋值结果，以二者的最大值作为最终输出频率，并将该最终输出频率设定为鼓风系统的运行频率。

本实施例中将全年进水量分为高负荷、低负荷和节假日负荷三种模式，具体为：节假日负荷模式：超过三天的法定节假日前一天开始持续15天；

高负荷模式：4月1日～10月31日中不含处于节假日负荷模式的时间；

低负荷模式：11月1日～3月31日中不含处于节假日负荷模式的时间；

根据每个模式设定前馈控制模块的输出频率赋值，高负荷模式输出频率赋值范围为35～50hz默认值；设定低负荷模式输出频率赋值范围为25～40hz默认值；设定节假日模式输出频率赋值范围为35～50hz默认值。

对于反馈控制模块的输出频率赋值过程，具体为：反馈控制模块接受进水池或调节池超声波液位计此时刻与上一时刻的液位数据差，当液位差计算为正时，设定反馈控制模块输出频率执行高频值输出模式，此模式赋值范围为25～50hz；液位差计算为负时，设定反馈控制模块输出频率执低频值输出模式，此模式赋值范围为25～40hz。上述的赋值范围均可根据实际的需要进行修改，主要是考虑是否因水量、水质、出水要求的变化而采取重新赋值的修改；根据水位差值的变化量乘以此时段污水浓度计算出此时段的污染物总量，继而计算出氧气的需要量，由此推导出应给予鼓风机赋值的频率值。

具体的，对于污水处理所需要的耗氧量计算公式为：o＝ka’qlr+b’vn’，

其中，q为污水的流量、lr为污水经过该处理系统去除的有机物浓度、v是污水处理系统生化池容积、n’是混合液挥发性悬浮物浓度、a’是单位有机物bod降解耗氧量，取值范围是0.42～0.53、b’是单位混合液挥发性悬浮物自身氧化耗氧量，取值范围是0.11～0.188、k是不同工艺需氧量修正系数，取值范围是0.2～1.0；

鼓风机的流量计算过程具体为：q＝0.5kvπd2lλn

d为叶轮外径、l为叶轮长度、λ为面积利用系数，取值范围是0.521～0.563、n是鼓风机电机叶轮转速、kv是容积效率，取值范围为0.7～0.9；

鼓风机电机叶轮转速的计算公式为：n＝60f(1-s)/p

其中，f是电源频率、p是电机磁极对数、s是电机转差率，取值范围是1.5％～6％。

当所述能耗判定模块进行判断时，判定时间步长为1～60分钟中某个时长，比如十分钟，持续判定前馈控制模块、反馈控制模块的输出频率数值，并以二者最大值决策变频调速器执行鼓风机最佳输入频率。

当能耗判定模块判定前馈控制模块输出频率数值等于反馈控制模式的输出频率数值时，设定以前馈控制模块输出频率数值进行决策操作。

频率判定模块每间隔1～60分钟中的某个时长，具体可根据规模不同或需求不同而定，从而进行不同的数据存储、频率选择。比如本实施例中的频率判定间隔为十分钟存储一次最优输出频率、鼓风机最优输出风量、鼓风机运行功率数值，以便管理鼓风机运转状况。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明公开了一种降低小规模生活污水处理能耗的控制系统及方法，该系统整体结构简单清晰，安装方便；采用通用的配件，更换维修方便，具有很强的推广性；

依据用水时间不同，分为高负荷、低负荷和节假日负荷计量进水周期，同时液位测定装置能够实时监测进水水位的变化情况，从而对曝气系统需氧量进行精确、及时、稳定的控制，通过反馈控制模块和前馈控制模块的精密计算配合，调整鼓风系统的最佳输出功率，有效节约鼓风系统的能耗成本和人工成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。