一种污水处理用发酵装置及发酵方法与流程

本发明属于污水处理相关污水处理相关，具体为一种污水处理用发酵装置及发酵方法。

背景技术：

1、污水处理是指将污水中的有害物质去除或降低到一定程度，使其达到规定的排放标准或者回用要求的过程。污水处理的目的是保护水资源和环境，防止水污染和水短缺，促进循环经济和可持续发展。

2、污水处理的方法主要分为物理法、化学法和生物法三大类。其中，生物法是利用微生物的代谢活动来降解污水中的有机物和无机物，将其转化为无害或低毒的物质，从而净化污水的方法。生物法具有处理效果好、运行费用低、能源消耗少、不产生二次污染等优点。

3、生物法中常用的一种方法是发酵法，即利用厌氧微生物在无氧条件下对污水中的有机物进行分解，产生沼气等产物的过程。发酵法不仅可以有效地去除污水中的有机物，还可以利用沼气作为可再生能源，实现资源化和能源化。

4、目前，已有多种污水处理用发酵装置和方法被提出，例如：

5、专利cn112093983a公开了一种污水处理装置。上述污水处理装置包括顺次连通的初沉池、筛分池、厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池和消毒池；初沉池和筛分池之间设有第一隔板，第一隔板的顶部设有用于阻挡大颗粒杂质的第一格栅，筛分池和厌氧池之间设有第二隔板，第二隔板的顶部设有用于阻挡中等颗粒杂质的第二格栅，第一格栅的栅条间距大于第二格栅的栅条间距；筛分池与发酵罐通过输送泵连通，以使被阻挡在筛分池中的中等颗粒杂质可被输送到发酵罐中进行发酵；发酵罐与缺氧池通过输送泵连通，以使发酵产物可被输送到缺氧池。本发明的目的在于提供一种可以向缺氧池补充碳源的污水处理装置。本发明还提供了一种污水处理方法。

6、专利cn115784471b一种微生物发酵污水处理装置及处理方法。一种微生物发酵污水处理装置包括u型管和安装在u型管上的投放装置。利用微生物发酵的技术结合u型管的设计，能够对生活中的污水进行处理，既可以有效防止气溶胶和臭气的传播，也可以对污水进行处理。一种微生物发酵污水处理方法将工作模式分成两种，根据每种工作模式的特点选择相应的微生物的投放量，使微生物发酵对污水的处理均能达到比较好的效果。

7、然而，上述现有技术仍存在以下不足：

8、一方面，上述现有技术中的发酵装置和方法都需要设置多个子系统和步骤，使得结构复杂、占地面积大、运行成本高；另一方面，上述现有技术中的发酵装置和方法都需要人工或半自动地对发酵过程进行控制和调节，使得操作繁琐、效率低、稳定性差。

9、因此，针对上述不足，本发明提供了一种污水处理用发酵装置及发酵方法，旨在解决现有技术中的结构复杂、占地面积大、运行成本高、操作繁琐、效率低、稳定性差等问题。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明涉及一种污水处理用发酵装置，该装置能够有效地降解污水中的有机物，并产生沼气作为可再生能源。

2、本发明所采用的技术方案为：一种污水处理用发酵装置，包括：进水管、出水管、发酵罐、控制器和传感器，其中，进水管与发酵罐的上部相连，出水管与发酵罐的下部相连，传感器分别设置在进水管、出水管和发酵罐内，控制器与传感器、进水管和出水管电连接，控制器根据传感器检测到的污水的温度、ph值、溶解氧量等参数，通

3、过调节进水管和出水管的开关和流量，控制发酵罐内的污水的水位、温度、ph值和溶解氧量等条件，使发酵罐内的微生物能够有效地降解污水中的有机物，并产生沼气；其中，控制器采用高级的算法能够实现整个过程的自动化控制。

4、本发明所产生的有益效果为：该装置能够实现污水处理过程的智能化和优化，提高污水处理效率和沼气产量，减少能源消耗和环境污染。

5、本发明所采用的工作原理为：该装置利用微生物在无氧条件下对污水中的有机物进行分解，产生沼气和降解后的污水；控制器根据传感器检测到的污水参数，通过高级算法计算出最佳的发酵条件，并通过调节进出水管和搅拌装置来实现该条件；沼气通过储存罐收集，并通过燃气发电机组转化为电能；降解后的污水通过出水管排出。

6、在较佳实施例中，该装置能够更加精确地控制发酵过程中的各项参数，提高系统性能和稳定性。

7、本发明在较佳实施例中所采用的技术方案为：所述控制器采用神经网络模型作为高级算法，该神经网络模型由输入层、隐藏层和输出层组成，输入层接收传感器检测到的污水的温度t、ph值p、溶解氧量o等参数作为输入信号x＝(t,p,o)t，输出层输出调节进水管和出水管的开关和流量作为输出信号y＝(s1,f1,s2,f2)t，其中s1,s2∈0,1分别表示进水管和出水管的开关状态，f1,f2∈[0,1]分别表示进水管和出水管的流量大小，隐藏层由n个神经元组成，每个神经元之间通过权重矩阵w和v连接，并具有激活函数σ(·)和偏置项b和c，隐藏层对输入信号进行非线性变换，并将变换后的信号传递给输出层；神经网络模型的数学表达式为：y＝vσ(wx+b)+c；

8、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该装置能够利用神经网络模型的自学习和自适应能力，根据不同的污水参数和发酵条件，动态地调整控制策略，提高控制精度和响应速度，避免过度或不足的控制。

9、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该装置利用反向传播算法对神经网络模型进行训练，根据已知的数据集，通过反复更新权重矩阵和偏置项，使误差函数达到最小值或满足收敛条件，从而使神经网络模型能够拟合出最佳的输入输出关系。

10、在较佳实施例中，该装置能够更加灵活地控制发酵过程中的各项参数，提高系统适应性。

11、本发明在较佳实施例中所采用的技术方案为：

12、(a)随机初始化神经网络模型中每个神经元之间的权重矩阵w和v以及偏置项b和c；

13、(b)从已知数据集中选取一组数据作为训练样本，将训练样本中的污水参数作为输入信号x输入到神经网络模型中，并得到输出信号y；

14、(c)将输出信号y与训练样本中的期望输出信号d进行比较，计算误差函数

15、(d)根据误差函数e对神经网络模型中每个神经元之间的权重矩阵w和v以及偏置项b和c进行反向更新，更新规则为：

16、

17、

18、

19、其中，η为学习率，σ′(·)为激活函数的导数，⊙为哈达玛积(逐元素相乘)；

20、(e)重复步骤(b)-(d)，直到误差函数e达到最小值或满足预设的收敛条件。

21、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该装置能够利用模糊控制方法的模糊逻辑和不确定性处理能力，根据不同的污水参数和发酵条件，动态地调整控制策略，提高控制灵活性，适应复杂和变化的发酵环境。

22、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该装置利用模糊控制方法对污水参数和驱动电机的转速和方向进行模糊化、模糊推理和反模糊化处理，根据已建立的模糊控制规则库，通过重心法计算出最佳的转速和方向，并将其输出给驱动电机。

23、在较佳实施例中，该装置能够更加均匀地混合发酵罐内的污水，并提高污水中的溶解氧量，促进微生物的生长和活性。

24、在较佳实施例中所采用的技术方案为：所述发酵罐内设置有搅拌装置，搅拌装置由搅拌桨和驱动电机组成，搅拌桨设置在发酵罐的底部，驱动电机设置在发酵罐的外部，驱动电机与控制器电连接，控制器根据传感器检测到的污水的温度、ph值、溶解氧量等参数，通过调节驱动电机的转速和方向，控制搅拌桨的旋转速度和方向。

25、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该装置能够使发酵罐内的污水在搅拌桨的作用下形成强烈的紊流和剪切力，打破污水中的团聚物和气泡，增加污水中有机物和微生物之间的接触面积和传质效率，同时提高污水中的溶解氧量，满足微生物对氧气的需求。

26、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该装置利用控制器根据所选用的高级算法计算出最佳的转速和方向，并将其输出给驱动电机，驱动电机带动搅拌桨旋转，搅拌桨在发酵罐内产生强大的搅拌力，使污水充分混合。

27、在较佳实施例中，该装置能够更加灵活地控制发酵过程中的各项参数，提高系统适应性。

28、较佳实施例中所采用的技术方案为：所述控制器采用模糊控制方法作为高级算法，该模糊控制方法包括以下步骤：

29、(a)将传感器检测到的污水的温度t、ph值p、溶解氧量o等参数以及驱动电机的转速ω和方向θ作为模糊控制系统的输入变量和输出变量，并为每个变量定义相应的模糊集合和隶属度函数；

30、(b)根据专家知识或经验规则建立模糊控制规则库，每条模糊控制规则描述了输入变量和输出变量之间的模糊逻辑关系；

31、(c)根据传感器检测到的污水参数，对输入变量进行模糊化处理，得到每个输入变量对应的模糊集合的隶属度；

32、(d)根据模糊化处理后的输入变量和模糊控制规则库，进行模糊推理，得到每个输出变量对应的模糊集合的隶属度；

33、(e)根据模糊推理后的输出变量，进行反模糊化处理，得到驱动电机的转速ω和方向θ，并将其输出给驱动电机。反模糊化处理的方法为重心法，即：

34、

35、

36、其中，m和n分别为转速ω和方向θ的模糊集合的元素个数，ωi和θi分别为转速ω和方向θ的模糊集合的元素值，μω(·)和μθ(·)分别为转速ω和方向θ的隶属度函数。

37、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该装置能够利用模糊控制方法的模糊逻辑和不确定性处理能力，根据不同的污水参数和发酵条件，动态地调整控制策略，提高控制灵活性和鲁棒性，适应复杂和变化的发酵环境。

38、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该装置利用模糊控制方法对污水参数和驱动电机的转速和方向进行模糊化、模糊推理和反模糊化处理，根据已建立的模糊控制规则库，通过重心法计算出最佳的转速和方向，并将其输出给驱动电机。

39、在较佳实施例中，该方法能够有效地降解污水中的有机物，并产生沼气作为可再生能源。

40、本发明所采用的技术方案为：一项所述的污水处理用发酵装置进行污水处理的发酵方法，包括以下步骤：

41、(a)将待处理的污水通过进水管输送到发酵罐内，并在发酵罐内添加适量的微生物菌种；

42、(b)启动控制器，并根据所选用的高级算法对发酵罐内的污水进行自动化控制，使发酵罐内的污水达到最佳发酵条件；

43、在发酵过程中，持续监测传感器检测到的污水参数，并根据所选用的高级算法对进水管、出水管和驱动电机进行实时调节；

44、(d)在发酵结束后，将发酵罐内降解后的污水通过出水管排出，并收集沼气作为可再生能源。

45、本发明所产生的有益效果为：该方法能够实现污水处理过程的智能化和优化，提高污水处理效率和沼气产量，减少能源消耗和环境污染。

46、本发明所采用的工作原理为：该方法利用微生物在无氧条件下对污水中的有机物进行分解，产生沼气和降解后的污水；控制器根据传感器检测到的污水参数，通过高级算法计算出最佳的发酵条件，并通过调节进出水管和搅拌装置来实现该条件；沼气通过储存罐收集，并通过燃气发电机组转化为电能；降解后的污水通过出水管排出。

47、在较佳实施例中，该方法能够更加精确地确定最佳发酵条件，提高系统性能和稳定性。

48、本发明在较佳实施例中所采用的技术方案为：在步骤(b)中，所述最佳发酵条件为：污水的温度为35℃左右，ph值为6.8-7.2，溶解氧量为2-4mg/l；

49、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该方法能够根据已知的最佳发酵条件，对发酵罐内的污水进行精确控制，使微生物能够在最适宜的环境下进行有机物的降解，提高降解效率和沼气质量。

50、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该方法利用控制器根据所选用的高级算法计算出最佳发酵条件，并通过调节进出水管和搅拌装置来实现该条件。

51、在较佳实施例中，该方法能够更加灵活地调节发酵过程中的各项参数，提高系统适应性。本发明在较佳实施例中所采用的技术方案为：在步骤c中，所述实时调节的频率为每5分钟一次；

52、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该方法能够根据不同的污水参数和发酵条件，动态地调整控制策略，提高控制灵活性和响应速度，避免过度或不足的控制。

53、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该方法利用控制器根据所选用的高级算法计算出最佳的调节频率，并每隔5分钟对进出水管和驱动电机进行一次调节。

54、在较佳实施例中，该方法能够更加方便地收集和利用沼气作为可再生能源，提高资源利用率和环境友好性。

55、本发明在较佳实施例中所采用的技术方案为：在步骤(d)中，所述沼气的收集方式为：在发酵罐的顶部设置有沼气储存罐，沼气储存罐与发酵罐通过阀门连接，控制器根据传感器检测到的沼气压力，通过调节阀门的开关，控制沼气从发酵罐流入沼气储存罐；

56、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该方法能够利用沼气储存罐和阀门实现沼气的有效收集和储存，避免沼气的浪费和泄漏，同时利用燃气发电机组实现沼气的高效利用，减少对化石能源的依赖和对大气的排放。

57、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该方法利用控制器根据传感器检测到的沼气压力，通过高级算法计算出最佳的阀门开关状态，并将其输出给阀门，使沼气在一定的压力下从发酵罐流入沼气储存罐；同时利用控制器根据电网或自身用电的需求，通过高级算法计算出最佳的燃气发电机组运行状态，并将其输出给燃气发电机组，使燃气发电机组将沼气转化为电能，并将电能输送到电网或用于自身用电。

58、在较佳实施例中，该方法能够更加方便地收集和利用沼气作为可再生能源，提高资源利用率和环境友好性。

59、本发明在较佳实施例中所采用的技术方案为：在步骤(d)中，所述可再生能源的利用方式为：将沼气储存罐与燃气发电机组连接，燃气发电机组将沼气转化为电能，并将电能输送到电网或用于自身用电。

60、本发明在较佳实施例中所产生的有益效果为：该方法能够利用燃气发电机组实现沼气的高效利用，减少对化石能源的依赖和对大气的排放，同时提供稳定和清洁的电力供应，满足不同的用电需求。

61、本发明在较佳实施例中所采用的工作原理为：该方法利用沼气储存罐和阀门实现沼气的有效收集和储存，然后将沼气通过管道输送到燃气发电机组，燃气发电机组将沼气与空气混合后进行燃烧，产生高温高压的燃气，驱动涡轮机旋转，涡轮机带动发电机旋转，发电机将机械能转化为电能，并将电能输送到电网或用于自身用电。