一种高原地区曝气系统及曝气方法与流程

本发明涉及一种高原地区曝气系统及方法，尤其涉及一种可自动检测高原地区外部气压、气温和污水中溶氧并实时调控的曝气系统及方法，属于污水处理技术领域。

背景技术：

在传统的活性污泥法污水处理工艺过程当中，曝气系统不但是影响污泥中微生物生长的关键单元，也是高能耗单元，占污水处理厂日常运行的电耗的50％-70％，因此曝气系统的科学合理运行成为了污水处理厂高效运行的重要因子。常用的曝气方式分为机械曝气和鼓风曝气，机械曝气通过安装在曝气池内的叶轮快速转动，剧烈搅动水面，产生剧烈水跃，从而将空气中的氧气转移至水体中；鼓风曝气是将压缩空气通过管道系统输送至池底的空气扩散装置，以气泡的形式扩散到水体中，使气泡中包含的氧气迅速转移到水体中，供活性污泥中各种微生物的需求。如今污水处理厂的曝气控制系统大多采用ica技术(instrumentation，controlandautomation，即仪表-控制-自动化)，根据大量的运行经验参数对曝气环节进行自动、精确、科学合理的调节，使出水水质稳定达标、节约能耗、减少人工予预。

高原地区与内陆平原地区不同，高原地区海拔高、大气压和空气中氧含量低，且年平均气温较低，在高原地区的污水处理厂运行时经常会出现曝气装置曝气量过大或不足的情况，严重影响污水处理厂的处理效果及能量使用，因此高原地区的污水处理厂鼓风曝气量的选择不能再参考内陆平原地区，需根据高原地区“三低”的外部环境来合理调整曝气系统。

现有的高原地区污水处理厂曝气系统绝大多数存在以下问题：

1、大部分污水处理厂曝气系统仍遵循平原地区的曝气经验数据，导致生物处理阶段效率低，污泥量大；

2、在气温较低或气压不稳定时一味的增大曝气量，以及频繁的调整曝气设备，造成能耗增加，设备使用寿命降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供提供一种高原地区曝气系统及方法，具有自动检测高原地区外部气压、气温和污水中曝气池溶氧并实时合理调控的曝气装置的系统，大幅度的节省了电力消耗及运行成本，主要应用在污水处理技术领域。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高原地区曝气系统，包括曝气装置以及曝气池，其特征是，还包括用于控制曝气装置曝气量的控制系统以及传感器模块，所述控制系统包括下位机和变频器，所述传感器模块包括气压传感器、温度传感器和溶氧传感器；

所述气压传感器、温度传感器和溶氧传感器分别与下位机连接，下位机再依次连接变频器与曝气装置，所述温度传感器和溶氧传感器用于采集曝气池内的污水温度t和溶氧数据，所述气压传感器用于采集现场实际的大气压力p。

进一步的，所述下位机内嵌有高原地区曝气模型。

一种高原地区曝气系统的曝气方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一，采集实际大气压力p和污水温度t，输送给下位机；

步骤二，下位机通过高原地区曝气模型进行计算，得到污水处理厂曝气标准充氧量，并向变频器发出指令，调节污水处理厂原有曝气装置的曝气量；

步骤三，曝气池中的溶氧传感器将曝气后污水中实际溶氧数据反馈到上位机，进行实时监控。

进一步的，所述高原地区曝气模型，设置模型中两组临界值温度tmax＝30℃，tmin＝5℃，pmax＝0.80×10⁵pa，pmin＝0.55×10⁵pa；

第一步，由理论公式csw＝p/1.013×(477.8/t+32.26)，计算得到污水表面饱和溶解氧浓度csw，单位为mg/l；其中，p为采集到的实际大气压力，单位为hpa，t为采集到的污水温度，单位为k；

第二步，由理论公式csm＝csw(ot/42+(p+0.1h)/2.068)，计算得到曝气装置在水下深度处平均溶解氧浓度csm，单位为mg/l；其中，h为曝气设备具水面距离，单位为m，ot为从曝气池一处气体中含氧量百分率，ot＝21(1-ea)/79+21(1-ea)，ea为氧转移效率，取20-35％；

第三步，由理论公式n0＝0.8n(0.9csm-c0)/cs×1.024^(t-20)，计算得到标准氧转移速率n0，其中n为实际氧转移速率，单位为kgo2/h，即污水处理厂曝气系统所需的实际氧气量，依据污水处理厂具体工艺参数计算得出，n0为标准氧转移速率，单位为kgo2/h，c0为混合液剩余溶解氧值，取得2mg/l，cs为标准条件下清水中饱和溶解氧，取9.17mg/l；

第四步，由理论公式a＝p×m/r×(273.15+t)/1.22计算得到空气含氧量a，其中m为空气分子量，取28.95，r为气体常数，取0.082；

第五步，b＝n0/a计算得到高原地区标准充氧量，分别在tmax和pmin及tmin和pmax两个极限值范围下计算得到bmax和bmin。

进一步的，将所述高原地区标准充氧量分为三个级别，参考污水处理厂生化处理组分数和曝气设备数，设置变频器的三个不同的曝气级别，等级越高曝气量越大，分别为一级曝气量，即0至(bmax+bmin)/3，二级曝气量，即(bmax+bmin)/3至2(bmax+bmin)/3，三级曝气量，即大于2(bmax+bmin)/3。

进一步的，所述压力传感器、温度传感器每间隔2小时传输一次数据，若模型计算得到的标准充氧量仍在最大最小临界值等值划分的等级内，则保持变频器的频率大小不变，若升级或降级则对应改变变频器频率；溶氧传感器每隔半小时反馈曝气池内溶氧数据。

一种高原地区曝气系统及曝气方法应用在污水处理技术领域。

本发明所达到的有益效果：

1、本发明设计的曝气系统无需额外购置曝气装备，只需在污水处理厂原有曝气设备上进行一定的优化改良即可适应高原地区气压低且不稳的外部环境，达到良好的曝气效果；

2、解决了曝气过程中高耗能的问题，三级曝气量设置，起到了良好的调节作用，解决了常规污水处理厂溶氧控制系统的滞后性，无需频繁调节鼓风机等曝气装置，同时在满足完全硝化的条件下，最大程度上降低了能耗，进而减少工艺运行成本，延长了设备的使用寿命；

3、维护以及成本费用低，占地面积少。

附图说明

图1为曝气系统工作模块流程图；

图2为曝气系统结构图；

图3为曝气系统逻辑计算框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-3所示，一种高原地区曝气系统，包括曝气装置以及曝气池，其特征是，还包括用于控制曝气装置曝气量的控制系统以及传感器模块，所述控制系统包括下位机和变频器，所述传感器模块包括气压传感器、温度传感器和溶氧传感器；

所述气压传感器、温度传感器和溶氧传感器分别与下位机连接，下位机再依次连接变频器与曝气装置，所述温度传感器和溶氧传感器用于采集曝气池内的污水温度t和溶氧数据，所述气压传感器用于采集现场实际的大气压力p。

本实施例中，所述下位机内嵌有高原地区曝气模型。

一种高原地区曝气系统的曝气方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一，采集实际大气压力p和污水温度t，输送给下位机；

步骤二，下位机通过高原地区曝气模型进行计算，得到污水处理厂曝气标准充氧量，并向变频器发出指令，调节污水处理厂原有曝气装置的曝气量；

步骤三，曝气池中的溶氧传感器将曝气后污水中实际溶氧数据反馈到上位机，进行实时监控。

本实施例中，所述高原地区曝气模型，设置模型中两组临界值温度tmax＝30℃，tmin＝5℃，pmax＝0.80×10⁵pa，pmin＝0.55×10⁵pa；

第一步，由理论公式csw＝p/1.013×(477.8/t+32.26)，计算得到污水表面饱和溶解氧浓度csw(mg/l)；其中，p为采集到的实际大气压力(hpa)，t为采集到的污水温度(k)；

第二步，由理论公式csm＝csw(ot/42+(p+0.1h)/2.068)，计算得到曝气装置在水下深度处平均溶解氧浓度csm(mg/l)；其中，h为曝气设备具水面距离(m)，ot为从曝气池一处气体中含氧量百分率％，ot＝21(1-ea)/79+21(1-ea)，ea为氧转移效率，一般取20-35％；

第三步，由理论公式n0＝0.8n(0.9csm-c0)/cs×1.024^(t-20)，计算得到标准氧转移速率n0，其中n为实际氧转移速率(kgo2/h)，即污水处理厂曝气系统所需的实际氧气量，依据污水处理厂具体工艺参数计算得出，n0为标准氧转移速率(kgo2/h)，c0为混合液剩余溶解氧值，取得2mg/l，cs为标准条件下清水中饱和溶解氧，取9.17mg/l；

第四步，由理论公式a＝p×m/r×(273.15+t)/1.22计算得到空气含氧量a，其中m为空气分子量，取28.95，r为气体常数，取0.082(无单位纲量)；

第四步，b＝n0/a计算得到高原地区标准充氧量，分别在tmax和pmin及tmin和pmax两个极限值范围下计算得到bmax和bmin；

本实施例中，将所述高原地区标准充氧量分为三个级别，参考污水处理厂生化处理组分数和曝气设备数，设置变频器的三个不同的曝气级别，等级越高曝气量越大，分别为一级曝气量，即0至(bmax+bmin)/3，二级曝气量，即(bmax+bmin)/3至2(bmax+bmin)/3，三级曝气量，即大于2(bmax+bmin)/3。

本实施例中，所述压力传感器、温度传感器每间隔2小时传输一次数据，若模型计算得到的标准充氧量仍在最大最小临界值等值划分的等级内，则保持变频器的频率大小不变，若升级或降级则对应改变变频器频率；溶氧传感器每隔半小时反馈曝气池内溶氧数据。

一种高原地区曝气系统及曝气方法应用在污水处理技术领域。

实施案例：

该曝气系统由气压传感器、温度传感器、溶氧传感器、控制系统等构成，控制系统主要包括下位机、变频器等，并与污水处理厂原曝气装置相连接；运行时，首先将气压、气温传感器监测到的实际大气压力和温度，输入到控制系统内的下位机，根据嵌套在下位机中的高原地区曝气模型得到标准充氧量，并将等分为三个级别，参考污水处理厂生化处理组分数和曝气设备数，设置变频器的三个不同的曝气级别，等级越高曝气量越大，分别为一级曝气量，即0至(bmax+bmin)/3，二级曝气量，即(bmax+bmin)/3至2(bmax+bmin)/3，三级曝气量即大于2(bmax+bmin)/3；

随后，下位机向变频器发出指令，根据划分的等级来调控污水处理厂曝气器的曝气量，运行一段时间后，曝气池中的溶氧传感器对调控后污水中实际溶氧数据进行实时监测并反馈到上位机；压力、温度传感器每间隔2小时传输一次数据，若模型计算得到的标准充氧量仍在最大最小临界值等值划分的等级内，则保持变频器的频率大小不变，若升级或降级则对应改变变频器频率；溶氧传感器每隔半小时反馈曝气池内溶氧数据。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。