专利名称：用于污水处理系统的双参数曝气控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种与污水处理系统配套使用，控制污水处理工艺的控制系统。
背景技术：
循环式活性污泥处理(CyclicActivated Sludge Technology，简称 CAST)工艺 属于序批式活性污泥法处理工艺(SBR)的一种变型，该工艺的核心设备为间歇式反应器，在 此反应器中曝气与不曝气交替运行，将生物反应过程与泥水分离过程集中在一个处理池中 完成。如图1所示，CAST反应池系统包括处理池，处理池内分为生物选择区29、和主反应 区30。生物选择区29内安装有潜水搅拌机6，并连通进水系统。进水系统包括进水管路、 安装在该进水管路上的进水泵1、止回阀2、手动碟阀3、进水电磁流量计4、手动碟阀5 ；潜 水搅拌器6用以实现进水与回流至生物选择区29的污泥充分混合。在主反应区30内设有 鼓风系统、微孔曝气系统、滗水系统、回流(排泥)系统。鼓风系统包括鼓风管路、安装在该鼓 风管路上的变频器7、鼓风机8、手动蝶阀9、气体流量计10。微孔曝气系统包括若干根设置 在主反应区30底部并与鼓风管路连通的曝气管，每根曝气管上安装有若干个微孔曝气头 11，微孔曝气头11可实现高效传氧及满足泥、水、气三相紊流混合均勻；滗水系统包括浮筒 式滗水器17及其排水管路以及安装在该排水管路上的排水电动阀19，在该排水管路上连 通有注水管，注水管与主反应区30连通，注水管上安装有注水电动阀18。回流(排泥)系统 包括与主反应区30连通的回流管路、安装在该回流管路上的回流总阀21、回流泵22、止回 阀23、污泥流量计24，经过污泥流量计24的污泥分为两路，一路经排泥电动阀26排出，另 一路经回流污泥电动阀25回流至处理池的生物选择区29。CAST反应池系统在其配套的控制系统并结合人工控制下运行，进水、曝气、沉淀、 滗水、闲置为一个处理周期。CAST的成功运行可将废水中的含碳有机物和包括氮、磷的污染 物去除，出水总氮浓度小于5mg/L。CAST反应池投资和运行费用低、处理性能高，已广泛应 用于城市污水和各种工业废水的处理中。工程实际中，对CAST工艺过程的控制方式一般仅限于人工对曝气时间的控制，同 时采用定频控制鼓风机曝气供氧方式，即曝气时段内的鼓风机运转频率固定，此方式具有 很大局限性，无法确保CAST反应池系统内微生物适宜的DO水平，若曝气不足则抑制异氧 菌、硝化菌的生长；若曝气过量则造成不必要的能耗浪费，且影响污泥絮体结构及同步硝化 反硝化(SND)作用效果，从而降低脱氮效果。随着污水排放标准的日益提高，尤其对氮磷控 制要求的提高，该种传统的控制方式已很难达到排放标准的要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于污水处理系统中的控制系统，以解决现有的 污水处理系统中无法确保微生物适宜的DO水平的技术问题。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案[0008]本实用新型的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，包括可编程逻辑控制 器和分别与所述可编程逻辑控制器相连的溶解氧传感器和变频鼓风机，其中，所述溶解氧 传感器包括溶解氧探头及其溶解氧变送器，所述溶解氧探头安装在污水处理系统的主反应 区，用于采集所述主反应区的溶解氧数据，并经所述溶解氧变送器传给可编程逻辑控制器； 所述变频鼓风机包括鼓风机及其鼓风机变频器，所述鼓风机用于向污水处理系统的主反应 区提供氧气；所述可编程逻辑控制器，用于接收所述溶解氧探头采集的溶解氧数据，并根据 该溶解氧数据控制所述变频鼓风机的频率，进而控制所述变频鼓风机的供氧量。所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的输入单元，用于输入或者修 改所述可编程逻辑控制器中设定的参数值。所述可编程逻辑控制器还包括进水泵控制单元，用于控制污水处理系统中的进水 泵的开启和关闭；搅拌器控制单元，用于控制污水处理系统中的潜水搅拌器的开启和关闭； 污泥控制单元，用于控制污水处理系统中的回流污泥电动阀以及排泥电动阀的开启和关 闭。所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的显示器，用于显示控制系统 的运行状态。所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的进水电磁流量计，该进水电 磁流量计用于测量污水处理系统的进水流量数据，所述可编程逻辑控制器接收该进水电磁 流量计测得的流量数据，并发送到所述显示器上显示。所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的静压液位计，该静压液位计 用于测量污水处理系统的主反应区的液位数据，所述可编程逻辑控制器接收所述静压液位 计测得的液位数据，并根据该液位数据控制所述污水处理系统的进水泵是否停止进水。所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的气体流量计，用于测量所述 变频鼓风机的流量数据，所述可编程逻辑控制器接收该气体流量计测得的流量数据，并发 送到所述显示器上显示。所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的污泥流量计，用于测量所述 污水处理系统排出污泥的流量数据，所述可编程逻辑控制器接收该污泥流量计测得的流量 数据，并发送到所述显示器上显示。所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的滗水控制单元，用于控制安 装所述污水处理系统的滗水管路上的注水电动阀和排水电动阀的启闭。由上述技术方案可 知，本实用新型的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统的优点和积极效果在于本实 用新型采用变频鼓风机，通过频率的变化可以改变鼓风机的风量大小，从而可以改变提供 氧气量的大小；同时本实用新型在污水处理系统的主反应区设置溶解氧传感器，溶解氧传 感器能够采集主反应区中溶解氧DO的含量，PLC能够根据接收的DO数据时时控制变频鼓 风机风量的大小，从而确保了主反应内的DO能够维持在微生物适宜的水平，因此，使用本 实用新型的控制系统处理效果好。另外，ORP传感器可以采集污泥控制系统的主反应区内的ORP数据，PLC对DO数 据及ORP数据的综合分析、判断、处理后，可进一步精确控制变频鼓风机的供氧量，不但能 够将DO数据维持在精确的数值上，而且有利于减小能源浪费。通过以下参照附图对优选实施例的说明，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
图1表示现有的污水处理系统以及安装有本实用新型的用于污水处理系统的双 参数曝气控制系统的示意图；图2表示污水处理系统中ORP随DO变化的示意图；图3表示本实用新型的控制系统的方框原理图；图4表示本实用新型的控制系统中的显示器的其中一个界面的示意图；图5表示本实用新型的控制系统的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本实用新型的具体实施例。应当注意，这里描述的实施 例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。溶解氧DO、氧化还原电位ORP等参数对于污染物去除及系统运行等具有重要影 响。DO在整个生物处理过程中都具有重要的作用，其变化对生物除碳及营养物去除的 进程产生影响，故可以通过污水处理过程中DO的变化，预测反应区内有机物及氮磷的去除 情况，进而控制曝气强度和曝气时间，因此DO作为控制参数在理论上是可行的。对于ORP参数，生物处理系统是多种氧化物质与还原物质进行氧化还原反应的综 合结果，来自污水和细菌代谢作用产生的各种氧化还原态物质均对ORP有影响。如硝化进 程(氧化态的硝酸盐生成)使ORP逐渐增大，而随着反硝化的进行(氧化态物质的耗尽)ORP 逐渐减少，故ORP是一个较好的参数指标，其与整个生化反应进程具有良好的相关关系。同 时ORP又受系统DO、pH值、水温等多个参数影响，因此其在污水过程中的变化规律，能够反 映出微生物降解污染物的情况，可作为控制的参数。通过对DO、ORP参数相关性回归分析， 确定了二者存在正向对数关联，如图2所示。这表明ORP可间接反映活性污泥系统的供耗 氧平衡度，此外，ORP在基质浓度(如C0D、TN等)变化时相应维持在一定的绝对值水平，因此 确定了 ORP作为控制参数的可行性。如图1和图3所示，本实用新型的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，包括 可编程逻辑控制器和分别与可编程逻辑控制器相连的溶解氧DO传感器、变频鼓风机、氧化 还原电位ORP传感器、进水电磁流量计4、静压液位计14、气体流量计10、污泥流量计24、输 入单元以及显示器28。其中变频鼓风机包括鼓风机8及其鼓风机变频器7，鼓风机8用于向污水处理系统的主 反应区30提供氧气；本实用新型中的变频鼓风机可采用罗茨鼓风机，也可以采用其他类型 的变频鼓风机。DO传感器包括DO探头12及其DO变送器15，DO探头12安装在污水处理系统的主 反应区30，用于采集主反应区30的DO数据，并经DO变送器15传给可编程逻辑控制器。ORP传感器包括ORP探头13及其ORP变送器16，ORP探头13安装在污水处理系 统的主反应区30，用于采集主反应区30的ORP数据，并经ORP变送器16传给可编程逻辑控 制器。[0032]可编程逻辑控制器，用于接收DO探头12采集的DO数据和ORP探头13采集的ORP 数据，并对所接收的ORP数据、DO数据进行分析、判断、处理，再根据处理后的数据控制变频 鼓风机的频率，进而控制变频鼓风机的供氧量。输入单元用于输入或者修改可编程逻辑控制器中设定的参数值。显示器28用于显示控制系统的运行状态。进水电磁流量计4用于测量污水处理系统的进水流量数据，安装在污水处理系统 的进水管路上，可编程逻辑控制器接收进水电磁流量计4测得的流量数据，并发送到显示 器28上显示。根据流量大小，可手动调整手动碟阀3，将进水流量控制在设计范围，保证均 勻进水。静压液位计14用于测量污水处理系统的主反应区30的液位数据，安装在污水处 理系统的主反应区30，可编程逻辑控制器接收静压液位计14测得的液位数据，并根据该液 位数据控制污水处理系统的进水泵1是否停止进水。气体流量计10用于测量变频鼓风机的流量数据，安装在污水处理系统的鼓风机 管路上，可编程逻辑控制器接收气体流量计10测得的流量数据，并发送到显示器28上显 示。气体流量计10可采用气体涡街流量计，也可以采用其他类型的气体流量计。污泥流量计24，用于测量污水处理系统排出污泥的流量数据，安装在污水处理系 统的排泥管路上，可编程逻辑控制器接收污泥流量计24测得的流量数据，并发送到显示器 28上显示。另外，可编程逻辑控制器还可以包括进水泵控制单元、搅拌器控制单元和污泥器 控制单元。进水泵控制单元用于控制污水处理系统中的进水泵1的开启和关闭；搅拌器控 制单元用于控制污水处理系统中的潜水搅拌器6的开启和关闭；污泥器控制单元用于控制 污水处理系统中的回流污泥电动阀25以及排泥电动阀26的开启和关闭。本实用新型中，可以将PLC及其他控制部分集中设置在控制柜27内，显示器28及 输入单元可以单独设置，也可以设置在控制柜27内。本实用新型首先以DO作为控制曝气的参数，即在曝气不同时段设置三个相应DO 水平，例如，在120min曝气时间内，前30min、中60min、后30min分别维持D01、D02、D03水 平。通过对比DO设定值与实际信号值的变化，相应调整鼓风机的运转频率，使频率随DO正 向变化，从而强化系统污染物去除效果。通过ORP控制曝气稳定运行期间的数据分析结果 显示，ORP控制曝气方式同样实现了较好的脱氮除磷，且通过优化ORP设置参数范围，一定 程度上实现了鼓风机供氧耗能的节约。综合处理效果与能耗考虑，优先选择工况(-70mV、9mV、20mV) ORP控制水平，通过 维持曝气阶段系统ORP在此适宜范围，可实现系统脱氮相对最优控制，并且有利于降低变 频鼓风机的能耗。工程中，可采用周期为4天，即T=4h的典型运行周期，按照进水/曝气2h、沉淀lh、 滗水/排泥及闲置Ih四阶段依次进行，每天工作6个周期。通过PLC的设计，以DO变化实 时控制鼓风机运行，实现变频调节风量，通过在输入单元参数设置界面上预先设置好相应 工序时长及设备运行频次。为便于根据DO水平控制鼓风机运转频率，将曝气时段分为三个 界点，包括曝气初期设定时段，如图4中tl-tO ；曝气中期设定时段，如图4中t2-tl ；曝气后 期设定时段，如图4中t3-t2，通常情况下，tl-tO为0. 5小时，t2-tl为1小时，t3_t2为0. 5小时，根据不同水质、水量情况，可对不同时段的时间设定进行调整，均可在PLC中设定。控 制系统将根据预设好的参数命令自行完成整个周期循环过程。此外，显示器实行全天候显 示系统运行、设备运转良好情况、DO、ORP等参数变化趋势，以便随时掌握系统运行情况。工艺控制程序上将周期划分为两步长进行，总循环时段可根据实际进水水质、水 量波动进行相应调整，具体说明如下(1)进水，曝气进水的执行元件是一台进水泵1。在PLC的控制下，该进水泵1定时自动启动，到 达设定的工作时间后自动停泵。同时还可以用静压液位计14进行联锁控制，即当主反应区 30内液位达到设定高度时，进水泵1停止进水。实际操作中可以根据进水电磁流量计4的 读数相应调节进水管路手动蝶阀3的开度。供气的执行元件是罗茨鼓风机8，在PLC的控制下，可通过变频器7改变运转频率， 优化调控供风量，曝气时间可以按设定时段进行。在充气时，根据可设置的三个阶段的含氧 量，可以选用D0/0RP作为现场反馈，来控制鼓风机工作，实现不同的曝气强度。(2)沉淀和滗水滗水开始时间按设定值在沉淀结束后进行。在滗水前，由于上周期排水管内的水 已经排空，在浮力作用下，浮筒式滗水器17的滗水堰口浮于液面以上，可有效避免非排水 阶段浮渣及混合液进入排水管内。到了设定滗水时间时，则在PLC的控制下，注水电动阀18 自动打开，首先向浮筒式滗水器17的滗水堰桶内补满水，通过重力作用使堰口低于液面， 此后排水电动阀19自动打开，注水电动阀18关闭，启动浮筒式滗水器17开始工作。工作 结束时间由设定最低液位决定。同时还可以利用静压液位计14对浮筒式滗水器17进行控 制，即当主反应区30内液面降至最低液位时，浮筒式滗水器17即停止工作。需要说明的是，浮筒式滗水器17适用于中小型污水处理中的排水装置，大型工程 则可改用旋转式滗水器。 (3)回流及剩余污泥排放回流时段在PLC中预先设置，需要回流时，PLC控制启动回流污泥电动阀25及回 流泵22，根据污泥流量计24的读数相应地手动调节回流总阀21，以满足工艺运行所需回流 污泥量的大小。排泥定时通过输入单元设置，一般在滗水前进行。排泥时，则启动排泥电动阀26 及回流泵22，根据污泥流量计24的读数相应地手动调节回流总阀21，按照相应泥龄长短确 定每天的排泥量。如图4所示，在DO控制模式基础上，通过对DO、ORP数据进行分析处理，确定ORP 控制方式的可行性。当点击“选择ORP模式”时，要求在曝气设定的3个时段，控制鼓风机 变频以分别维持ORP在设定的3个水平波动(按照ORP信号反馈调控鼓风机频率)。DO单参数控制模式如下(tl-tO)时段内，控制DO在xl水平；(t2_tl)时段内，控制DO在x2水平；(t3_t2) 时段内，控制DO在x3水平。xl，x2，x3为DO值，单位为mg/1，通常情况下xl为0. 5 1. Omg/1, x2为1. 0 1. 5mg/l, x3为1. 5 2. 5mg/l。根据不同水质、水量情况，可修改设定值。ORP单参数控制模式如下[0058](tl-tO)时段内，控制ORP在yl水平；(t2_tl)时段内，控制ORP在y2水平； (t3-t2)时段内，控制ORP在y3水平。yl，y2，y3为ORP值，单位为mV，通常情况下yl 为-70mV，y2为9mV，y3为20mV。根据不同水质、水量情况，可修改设定值。DO, ORP双参数联动控制模式如下(tl-tO)时段内，控制ORP在yl水平；(t2_tl)时段内，控制ORP在y2水平； (t3-t2)时段内，控制DO在x3水平。在此阶段将DO纳入控制参数，主要是考虑到循环活性 污泥工艺主反应区30曝气结束时的DO水平要求。另外还可以选择如下组合(tl-t0)时 段内，控制DO在Xl水平，在此阶段将DO纳入控制参数，主要是考虑到循环活性污泥工艺主 反应区30曝气初始时段的DO水平要求；(t2-tl)时段内，控制ORP在y2水平；(t3-t2)时 段内，控制ORP在y3水平。在同一时段，DO、ORP参数可根据情况任意选择其一，以保持最 佳工况运行。同理，在D0，0RP双参数联动控制模式下，还可以有其他参数选择的组合，其中 xl、x2、x3、yl、y2、y3数值与单参数控制模式下相同，根据不同水质水量情况，可修改以上 xl、x2、x3、yl、y2、y3 的设定值。如图5所示，DO、ORP与变频鼓风机通过PLC控制程序如下在激活DO (或0RP)控制模式后，在每个维持时间段的DO或0RP，当仪表反馈的实 际DO (或0RP)数据在设定的允许偏差区间内时，鼓风机则仅通过PLC内的PID回路控制。如果主反应区30内的DO浓度值或ORP浓度值增加到偏差上限界点时，变频鼓风 机转速将降至最低转速并维持运行，若在延时时间内DO或ORP值仍未降到其偏差极限区间 时，变频鼓风机将停止，直到DO浓度(或ORP值)再次回落到偏差范围，此时PLC内的PID控 制回路被激活并启动鼓风机。如果主反应区30内的DO浓度值或ORP浓度值降低到偏差下限时，变频鼓风机将 以满转速运转，当DO浓度值或ORP浓度值上升到偏差范围后，程序将再次激活PLC内的PID 控制回路以调整变频鼓风机的频率。随着设备自动化程度的提高、在线分析仪表在工程中的应用，循环活性污泥工艺 受到广泛关注，通过DO、ORP联动参数控制，改变了传统曝气运行方式上的局限性和不足， 在今后脱氮除磷工艺优化及运行成本节约等方面将发挥巨大潜力和独特优势。虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明 和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新 型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求 所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型 都应为随附权利要求所涵盖。
权利要求一种用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于包括可编程逻辑控制器和分别与所述可编程逻辑控制器相连的溶解氧传感器和变频鼓风机，其中，所述溶解氧传感器包括溶解氧探头(12)及其溶解氧变送器(15)，所述溶解氧探头(12)安装在污水处理系统的主反应区(30)，用于采集所述主反应区(30)的溶解氧数据，并经所述溶解氧变送器(15)传给可编程逻辑控制器；所述变频鼓风机包括鼓风机(8)及其鼓风机变频器(7)，所述鼓风机(8)用于向污水处理系统的主反应区(30)提供氧气；所述可编程逻辑控制器，用于接收所述溶解氧探头(12)采集的溶解氧数据，并根据该溶解氧数据控制所述变频鼓风机的频率，进而控制所述变频鼓风机的供氧量。
2.如权利要求1所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述 控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的氧化还原电位传感器，所述氧化还原电位 传感器包括氧化还原电位探头(13 )及其氧化还原电位变送器(16 )，所述氧化还原电位探 头(13)安装在污水处理系统的主反应区(30)，用于采集所述主反应区(30)的氧化还原电 位数据，并经所述氧化还原电位变送器(16)传给可编程逻辑控制器；所述可编程逻辑控制 器用于接收所述氧化还原电位探头(13 )采集的氧化还原电位数据，并对所述氧化还原电位 数据、溶解氧数据进行分析、判断、处理，再根据处理后的数据控制所述变频鼓风机的频率， 进而控制所述变频鼓风机的供氧量。
3.如权利要求2所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述 控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的输入单元，用于输入或者修改所述可编程 逻辑控制器中设定的参数值。
4.如权利要求3所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述 可编程逻辑控制器还包括进水泵控制单元，用于控制污水处理系统中的进水泵(1)的开启和关闭；搅拌器控制单元，用于控制污水处理系统中的潜水搅拌器(6)的开启和关闭；污泥控制单元，用于控制污水处理系统中的回流污泥电动阀(25)以及排泥电动阀 (26)的开启和关闭。
5.如权利要求1-4之任一项所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征 在于所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的显示器(28)，用于显示控制系 统的运行状态。
6.如权利要求5所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述 控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的进水电磁流量计(4)，该进水电磁流量计 (4)用于测量污水处理系统的进水流量数据，所述可编程逻辑控制器接收该进水电磁流量 计(4 )测得的流量数据，并发送到所述显示器(28 )上显示。
7.如权利要求6所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述 控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的静压液位计(14)，该静压液位计(14)用 于测量污水处理系统的主反应区(30)的液位数据，所述可编程逻辑控制器接收所述静压液 位计(14)测得的液位数据，并根据该液位数据控制所述污水处理系统的进水泵(1)是否停 止进水。
8.如权利要求7所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的气体流量计(10)，用于测量所述变频鼓风 机的流量数据，所述可编程逻辑控制器接收该气体流量计(10)测得的流量数据，并发送到 所述显示器(28)上显示。
9.如权利要求8所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述 控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的污泥流量计(24)，用于测量所述污水处理 系统排出污泥的流量数据，所述可编程逻辑控制器接收该污泥流量计(24)测得的流量数 据，并发送到所述显示器(28 )上显示。
10.如权利要求9所述的用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，其特征在于所述 控制系统还包括与所述可编程逻辑控制器相连的滗水控制单元，用于控制安装所述污水处 理系统的滗水管路上的注水电动阀(18)和排水电动阀(19)的启闭。
专利摘要本实用新型提供了用于污水处理系统的双参数曝气控制系统，包括可编程逻辑控制器和分别与可编程逻辑控制器相连的溶解氧传感器和变频鼓风机。溶解氧传感器包括溶解氧探头及其变送器，溶解氧探头安装在污水处理系统的主反应区，用于采集主反应区的溶解氧数据，并经其变送器传给可编程逻辑控制器；变频鼓风机包括鼓风机及其变频器，鼓风机用于向污水处理系统的主反应区提供氧气；可编程逻辑控制器，用于接收溶解氧探头采集的溶解氧数据，控制变频鼓风机的供氧量。由于本实用新型中，PLC能够根据接收的DO数据时时控制变频鼓风机风量的大小，从而确保了主反应内的DO能够维持在微生物适宜的水平，因此，使用本实用新型的控制系统处理效果好。
文档编号C02F3/30GK201662710SQ20102029769
公开日2010年12月1日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者孙召强, 李彩斌, 蒋富海 申请人:中持(北京)环保发展有限公司;中持盈佰利(北京)环境工程有限公司