一种污水处理二沉池的自动化监控系统和控制方法与流程

1.本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种污水处理二沉池的自动化监控系统和控制方法。


背景技术：

2.随着信息技术、互联网技术的飞跃，污水厂和管网在向智慧化管理方向发展，趋向于全自动无人值守，即平时监控定期巡检，通过智慧管理手段可以实现污水厂的“关灯”运行。
3.二沉池是传统城镇污水处理厂的重要组成部分，其主要原理为通过重力沉淀实现污泥浓缩与泥水分离，为活性污泥系统持续提供回流污泥，是保障城镇生活污水处理厂出水达标的关键单元。二沉池目前运行状态主要依赖巡检人员目测观察泥水分离情况、出水状态及池面浮泥状态等来判断，以及运用有限仪表和效率较低的化验方法，存在简单粗放、延迟滞后、效率低下等问题，且暂时无法实现无人值守的运行状态。
4.cn104090488a公开了一种污水厂自动实时控制溶解氧、污泥负荷和污泥龄的方法，包括以下步骤：数据设定步骤，对系统中的好氧池溶解氧、好氧池比耗氧速率、污泥龄和二沉池泥位进行参数设定；数据采集步骤，通过系统中安装在各处的仪表来采集系统参数；数据处理步骤，根据采集到的系统参数，计算出好氧池溶解氧、比耗氧速率、污泥龄、二沉池泥位的实际值；系统调节步骤，根据处理后的实际值与设定的参数值进行比较，并根据比较结果系统进行自动反馈调节。但是该方法未能提供如何实时监控二沉池有无异常表现。
5.cn112807759a公开了一种污水处理厂二沉池均匀排泥系统及其控制方法，该排泥系统包括污泥回流池和至少两个二沉池，每个二沉池和污泥回流池之间通过排泥管连接，污泥回流池内安装有回流泵；排泥管包括排泥主管以及与排泥主管连接的至少两组排泥支管，排泥支管上安装有限流阀和控制阀。该方法主要是通过设置限流阀使不同二沉池通过排泥管进入污泥回流池的流量相同，但是无法做到对二沉池运行状态的实时监控。
6.cn113788540a公开了一种浸没式主动红外自清洗二沉池污泥层感应装置及方法，包括上下连接且形成相连通内腔的上套筒和下套筒、位于上套筒内壁且相对设置的一组红外发射器和红外接收器、环贴于红外发射器和红外接收器前侧的透明硬质环以及可在内腔中上下活动且用于清洗透明硬质环的推杆组件。该方法虽然关注了二沉池的泥位控制，但是没有提及如何实时监测和控制二沉池表面的方法。
7.因此，提供一种污水处理二沉池的自动化监控系统和控制方法具有重要意义。


技术实现要素：

8.针对以上问题，本发明的目的在于提供一种污水处理二沉池的自动化监控系统和控制方法，与现有技术相比，本发明提供的自动化监控系统和控制方法可实时监测二沉池液面的异常情况，代替人工巡检，填补二沉池实时监测技术方法的空缺。
9.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供一种污水处理二沉池的自动化监控系统，所述自动化监控系统包括：图像采集系统、图像模型数据库、智慧决策系统、在线仪表系统、电气控制设备系统和运维移动终端；
11.所述图像采集系统的输出端与图像模型数据库连接；
12.所述图像模型数据库的输出端与智慧决策系统连接；
13.所述在线仪表系统的输出端与智慧决策系统连接；
14.所述智慧决策系统的输出端分别与电气控制设备系统和运维移动终端连接。
15.本发明提供的自动化监控系统通过图像采集系统进行图像信息采集，采集后的图像信息经过图像模型数据库识别得到监控信息，在线仪表系统采集二沉池的运行参数，监控信息和运行参数经输出进入智慧决策系统，智慧决策系统的输出端分别与电气控制设备系统和运维移动终端连接。本发明提供的自动化监控系统通过图像采集系统、图像模型数据库、智慧决策系统、在线仪表系统、电气控制设备系统和运维移动终端相互配合，可以实时监测二沉池液面的异常情况，代替人工巡检，有效解决传统方法存在的弊端。
16.本发明中，所述智慧决策系统包括含有污水厂所有数据的数据库，包括各个水处理单体的运行参数、进出水的水量、水质和状态数据，以及各个设备、阀门的控制数据等。在线仪表系统和图像采集系统得到的运行参数或图像信息可以在智慧决策系统中与数据库的设定值进行对比，并将在线仪表系统得到运行参数和图像采集系统采集的图像信息耦合判断，得到二沉池的运行状态。如有异常，判定异常等级，根据事故原因调控对应的电气控制设备系统中的设备，如需要人员到现场操作则将调控信息发送至运维人员的运维移动终端中，所述运维移动终端可以是手机、平板或其它终端设备。
17.优选地，所述图像采集系统包括摄像头。
18.优选地，所述摄像头设置于二沉池的上方。
19.本发明中，摄像头位于可自动移动的滑轨上，实时拍摄二沉池清水区域。
20.优选地，所述在线仪表系统包括流量计、泥位计、在线浊度计或污泥浓度计中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括流量计、泥位计、在线浊度计和污泥浓度计的组合。本发明通过设置上述在线仪表系统，可以采集泥位、流量、出水ss等运行参数。
21.本发明中，在二沉池内多点设置泥位计。
22.优选地，所述流量计设置于二沉池的进水渠。
23.优选地，所述泥位计设置于二沉池内或二沉池的污泥斗内。
24.优选地，所述在线浊度计设置于二沉池的出水渠。
25.优选地，所述污泥浓度计设置于二沉池的污泥回流管内。
26.优选地，所述电气控制设备系统包括泵、风机、阀门、刮泥机、浮渣机或洒水器中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括泵、风机、阀门、刮泥机、浮渣机和洒水器的组合。
27.优选地，所述阀门包括进水阀门、出水阀门或排空阀中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括进水阀门、出水阀门和排空阀的组合。
28.优选地，所述自动化监控系统还包括区域监控显示中心。
29.优选地，所述智慧决策系统的输出端与区域监控显示中心连接。
30.本发明中，智慧决策系统可以在区域监控显示中心实时显示运行状态、报警、异常处理进度等。
31.优选地，所述运维移动终端包括运维手机。
32.第二方面，本发明提供一种污水处理二沉池的控制方法，所述控制方法采用本发明第一方面所述的自动化监控系统，所述控制方法包括以下步骤：
33.(1)采用图像采集系统对二沉池的图像进行采集，得到二沉池的图像信息，将所述图像信息输出至图像模型数据库采用ai自动识别技术进行识别，得到监控信息，将所述监控信息输送至智慧决策系统；
34.(2)采用在线仪表系统对二沉池的运行参数进行采集，得到二沉池的运行参数，将所述运行参数输送至智慧决策系统；
35.(3)将步骤(1)得到的所述监控信息和步骤(2)得到的所述运行参数在智慧决策系统中进行分析，判断二沉池的运行状态；
36.若二沉池处于正常运行状态，则继续通过步骤(1)至步骤(3)的控制方法进行监控，若二沉池处于异常状态，则智慧决策系统进行调控，所述调控的方法包括：
37.若监控信息异常，则调取步骤(1)所述图像信息，若图像信息无异常，则通过计算判定问题归属，报警并采用智慧决策系统进行调控；
38.若监控信息异常，则调取运行参数，若运行参数异常，则通过计算判定问题归属，报警并采用智慧决策系统进行调控；
39.若运行参数异常，监控信息正常，则通过计算判定问题归属，报警并采用智慧决策系统进行调控。
40.本发明提供的控制方法能够实时监测二沉池的运行情况，实现无人值守自动监控及调控的功能，极大地提高了污水厂的运行维护效率，降低了人工巡检的工作量，增加了系统自动运行的可靠性，缩减了污水厂的人力需求。
41.优选地，步骤(1)所述图像采集系统采用摄像头对二沉池的图像进行采集。
42.优选地，所述ai自动识别技术采用卷积神经网络结构。
43.本发明中，优选采用卷积神经网络结构，是因为卷积神经网络的各层中的神经元是3维排列的(宽度、高度和深度)，卷积神经网络的每一层都将3d的输入数据变化为神经元3d的激活数据并输出。卷积层所用的权重和偏置的参数较少，且具有平移不变性，相较于普通的神经网络对输入层与隐藏层采用全连接的方式进行特征提取而言，本发明采用的卷积神经网络结构处理速度大大提升。
44.优选地，所述卷积神经网络结构的训练方法包括正反强化训练学习法。
45.本发明中，采用正反强化训练学习法指的是在深度学习过程中提供正向照片和反向照片，比如提供二沉池浮泥的照片贴上标记为真标签，同时提供与浮泥相近的粪便的照片，标记为伪标签，通过正反向的学习，提高学习的准确性，从而训练获得识别精度较高的模型，以实现二沉池异常情况ai智能识别。
46.优选地，步骤(3)所述异常状态为污泥上浮时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：计算二沉池内aao法的污泥龄并记为θ。所述θ的正常范围一般为10-22天。
47.本发明中，aao法的污泥龄的计算方法包括：
48.49.δx＝yq(s
0-se)-kdvxv+fq[(ss)
0-(ss)e]；
[0050]
其中，δx表示二沉池进泥量；v表示二沉池容积；x表示混合液悬浮固体浓度(kg/m3)；y表示污泥产率系数(20
°
时0.3-0.8)；q表示污水流量(m3/d)；s0表示进水bod浓度(mg/l)；se表示出水bod浓度(mg/l)；kd表示衰减系数；f表示ss污泥的转化率(0.5-0.7)；xv表示挥发悬浮物污泥浓度。
[0051]
若θ＞22天，可判定为污泥龄过长导致，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的刮泥机，清理二沉池底部进行排泥，调节生化系统内的污泥龄，防止再次出现污泥上浮的情况。
[0052]
若10≤θ≤22天，若同时运行参数中的污泥液位参数＞设定值，判定可能是由于二沉池排泥不畅，排泥不彻底，污泥在底部时间过长导致污泥上浮，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的刮泥机，清理二沉池底部进行排泥，增加污泥排放量，直至二沉池的污泥液位参数达到设定值以下。
[0053]
若10≤θ≤22天，且运行参数中的污泥液位参数≤设定值，调取生化池曝气风机参数计算得到生化池曝气量，判断是否由曝气过度导致的污泥上浮，若所述生化池曝气量＞1.5倍的设定值，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的风机，降低风机的供气量，直至二沉池的污泥液位参数达到设定值以下。
[0054]
所述生化池曝气量的计算方法包括：
[0055]
r＝0.001aq(s
0-se)-cδxv+b[0.001q(n
k-n
ke
)-0.12δxv]-0.62b[0.001q(n
t-n
ke-n
oe
)-0.12δxv；
[0056]
r0＝1.33-1.61r
[0057]
其中，r表示生化池需氧量；a表示碳的氧当量，当含碳物质以bod5计时取1.47；q表示生物反应池的进水流量(m3/d)；so表示生物反应池进水五日生化需氧量浓度(mg/l)；se表示生物反应池出水五日生化需氧量浓度(mg/l)；c表示细菌细胞的氧当量取1.42；δxv表示排出生物反应池系统的微生物量(kg/d)；b表示氧化每公斤氨氮；nk表示生物反应池进水总凯氏氮浓度(mg/l)；n
ke
表示生物反应池出水总凯氏氮浓度(mg/l)；nt表示生物反应池进水总氮(mg/l)；noe表示生物反应池出水硝态氮浓度(mg/l)；r0表示在标准状况下转移到曝气生物反应池混合液的总氧量(kg/h)；gs表示供气量(m3/h)；ea表示空气扩散装置氧转移效率(带入％号前数值)。
[0058]
上述公式计算中，所用的数据均采用出现异常状态近5天内的数据的平均值。
[0059]
若10≤θ≤22天，且运行参数中的污泥液位参数≤设定值，生化池曝气量≤1.5倍的设定值，则智慧决策系统将调控指令输送运维移动终端，通知运维人员进行排查。
[0060]
优选地，步骤(3)所述异常状态为泡沫增多时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：计算二沉池内泡沫覆盖面积占二沉池液面面积的百分比并记为a；若a＞30％，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的洒水器进行喷洒，通过喷洒水流或水珠打碎漂浮在水面的泡沫。
[0061]
若喷洒后计算a且a≤30％，则停止喷洒；若喷洒后计算a且a＞30％，说明喷洒不能达到良好的消泡作用，则智慧决策系统报警，提示可能是丝状菌膨胀，且将调控信息输送至运维移动终端，取污泥化验svi值，由结果决定是否投加杀菌剂。
[0062]
优选地，步骤(3)所述异常状态为异常漂浮物时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：根据监控信息进行判定，若异常漂浮物为已知漂浮物，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的浮渣机和/或刮泥机，将漂浮物去除；若异常漂浮物为未知漂浮物，则智慧决策系统将调控信息输送至运维移动终端，由运维人员决定是否采取特殊措施。
[0063]
本发明中，所述已知漂浮物包括手套、树枝、树叶、小动物(鱼、鸟、鼠)，或塑料袋等。
[0064]
优选地，步骤(3)所述异常状态为青苔增多时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：计算二沉池进水的nh
3-n值，若所述nh
3-n值＞2倍的设定值，判定为二沉池出水nh
3-n硝化不完全，需将好氧段曝气量提升至所需范围，智慧决策系统报警示意生化段需要加强曝气以保证硝化完成，经人员复核同意后将调控指令输送至电气控制设备系统的风机，增加生化池风机的供气量，同时将二沉池需要清洗青苔的调控信息输送至运维移动终端，实现运维调配人员的调配。
[0065]
优选地，步骤(3)所述异常状态为溢流时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：若运行参数中二沉池的液位参数＞设定值(一般指最高液位)，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的进水阀门和出水阀门，调节进水阀门的开度减小30％且出水阀门全开，直至液面恢复正常；若液面无法恢复正常，可判定为二沉池出水管堵塞，则智慧决策系统报警且将调控指令输送至电气控制设备系统的排空阀，打开排空阀并将调控信息输送至运维移动终端。
[0066]
优选地，步骤(3)所述异常状态为堰上水头时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：通过监控信息判定液位与出水堰的位置关系，识别堰上水头，计算二沉池单池液面负荷和单池固体负荷，分别记为q和q；若q＞4.5m/h和/或q＞150m/h，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的进水阀门，调节多个二沉池之间的水量，直至每个二沉池的单池液面负荷和单池固体负荷相等，避免单池过高的状态出现。
[0067]
本发明中，所述二沉池单池液面负荷和单池固体负荷的计算方法包括：
[0068]
单池液面负荷：
[0069]
单池固体负荷：
[0070]
其中，f表示单池二沉池面积(m2)；g表示固体负荷(kg/m2·
d)；x表示悬浮污泥浓度(kg/m3)；r
回流
表示回流污泥比；n表示二沉池个数；q的设定值在1.5-4.5m/h；q的设定值≤150m/h。
[0071]
作为本发明的优选技术方案，所述控制方法包括以下步骤：
[0072]
(1)采用图像采集系统中的摄像头对二沉池的图像进行采集，得到二沉池的图像信息，将所述图像信息输出至图像模型数据库采用ai自动识别技术进行识别，得到监控信息，将所述监控信息输送至智慧决策系统；所述ai自动识别技术采用卷积神经网络结构；所述卷积神经网络结构的训练方法包括正反强化训练学习法；
[0073]
(2)采用在线仪表系统对二沉池的运行参数进行采集，得到二沉池的运行参数，将所述运行参数输送至智慧决策系统；
[0074]
(3)将步骤(1)得到的所述监控信息和步骤(2)得到的所述运行参数在智慧决策系
统中进行分析，判断二沉池的运行状态；
[0075]
若二沉池处于正常运行状态，则继续通过步骤(1)至步骤(3)的控制方法进行监控，若二沉池处于异常状态，则智慧决策系统进行调控，所述调控的方法包括：若监控信息异常，则调取步骤(1)所述图像信息，若图像信息无异常，则通过计算判定问题归属，报警并采用智慧决策系统进行调控；若监控信息异常，则调取运行参数，若运行参数异常，则通过计算判定问题归属，报警并采用智慧决策系统进行调控；若运行参数异常，监控信息正常，则通过计算判定问题归属，报警并采用智慧决策系统进行调控；
[0076]
所述异常状态为污泥上浮时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：计算二沉池内aao法的污泥龄并记为θ；若θ＞22天，可判定为污泥龄过长导致，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的刮泥机，加大排泥量；若10≤θ≤22天，且运行参数中的污泥液位参数＞设定值，判定为污泥排放不及时底部发生硝化导致的污泥上浮，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的刮泥机，清理二沉池底部进行排泥，直至二沉池的污泥液位参数达到设定值以下；若10≤θ≤22天，且运行参数中的污泥液位参数≤设定值，调取生化池曝气风机参数计算得到生化池曝气量，若所述生化池曝气量＞1.5倍的设定值，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的风机，降低风机的供气量，直至二沉池的污泥液位参数达到设定值以下，若10≤θ≤22天，且运行参数中的污泥液位参数≤设定值，生化池曝气量≤1.5倍的设定值，则智慧决策系统将调控指令输送运维移动终端；
[0077]
所述异常状态为泡沫增多时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：计算二沉池内泡沫覆盖面积占二沉池液面面积的百分比并记为a；若a＞30％，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的洒水器进行喷洒；若喷洒后计算a且a≤30％，则停止喷洒；若喷洒后计算a且a＞30％，则智慧决策系统报警且将调控信息输送至运维移动终端；
[0078]
所述异常状态为异常漂浮物时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：根据监控信息进行判定，若异常漂浮物为已知漂浮物，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的浮渣机和/或刮泥机，将漂浮物去除；若异常漂浮物为未知漂浮物，则智慧决策系统将调控信息输送至运维移动终端；
[0079]
所述异常状态为青苔增多时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：计算二沉池进水的nh
3-n值，若所述nh
3-n值＞2倍的设定值，则智慧决策系统报警并将调控指令输送至电气控制设备系统的风机，增加生化池风机的供气量，并将调控信息输送至运维移动终端；
[0080]
所述异常状态为溢流时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：若运行参数中二沉池的液位参数＞设定值，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的进水阀门和出水阀门，调节进水阀门的开度减小30％且出水阀门全开，直至液面恢复正常；若液面无法恢复正常，则智慧决策系统报警且将调控指令输送至电气控制设备系统的排空阀，打开排空阀并将调控信息输送至运维移动终端；
[0081]
所述异常状态为堰上水头时，所述智慧决策系统进行调控的方法包括：通过监控信息判定液位与出水堰的位置关系，识别堰上水头，计算二沉池单池液面负荷和单池固体负荷，分别记为q和q；若q＞4.5m/h和/或q＞150m/h，则智慧决策系统将调控指令输送至电气控制设备系统的进水阀门，调节多个二沉池之间的水量，直至每个二沉池的单池液面负
荷和单池固体负荷相等。
[0082]
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0083]
本发明提供的自动化监控系统和控制方法能够实时监测二沉池的运行情况，实现无人值守自动监控及调控的功能，极大地提高了污水厂的运行维护效率，降低了人工巡检的工作量，增加了系统自动运行的可靠性，缩减了污水厂的人力需求。
附图说明
[0084]
图1是本发明实施例1所述自动化监控系统的结构示意图；
[0085]
其中，1-图像采集系统；2-图像模型数据库；3-在线仪表系统；4-智慧决策系统；5-电气控制设备系统；6-运维手机；7-区域监控显示中心；
[0086]
图2是本发明实施例1所述控制方法的流程示意图。
具体实施方式
[0087]
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0088]
实施例1
[0089]
本实施例提供一种污水处理二沉池的自动化监控系统，如图1所示，所述自动化监控系统包括：图像采集系统1、图像模型数据库2、智慧决策系统4、在线仪表系统3、电气控制设备系统5和运维手机6，所述图像采集系统1的输出端与图像模型数据库2连接，所述图像模型数据库2的输出端与智慧决策系统4连接，所述在线仪表系统3的输出端与智慧决策系统4连接，所述智慧决策系统4的输出端分别与电气控制设备系统5和运维手机6连接，所述自动化监控系统还包括区域监控显示中心7，所述智慧决策系统4的输出端与区域监控显示中心7连接；
[0090]
所述图像采集系统1包括摄像头，所述摄像头设置于二沉池的上方，所述在线仪表系统3包括流量计、泥位计、在线浊度计和污泥浓度计，所述电气控制设备系统5包括泵、风机、阀门、刮泥机、浮渣机和洒水器。
[0091]
本实施例还提供一种污水处理二沉池的控制方法，所述控制方法采用上述自动化监控系统，以异常状态为污泥上浮为例，所述控制方法如图2所示，包括以下步骤：
[0092]
(1)采用图像采集系统1对二沉池的图像进行采集，得到二沉池的图像信息，将所述图像信息输出至图像模型数据库2采用ai自动识别技术进行识别，得到监控信息，所述监控信息包括清水区浊度增高，液面漂浮块状污泥上浮，将所述监控信息输送至智慧决策系统4；
[0093]
(2)采用在线仪表系统3对二沉池的运行参数进行采集，得到二沉池的运行参数，将所述运行参数输送至智慧决策系统4；
[0094]
(3)将步骤(1)得到的所述监控信息和步骤(2)得到的所述运行参数在智慧决策系统4中进行分析，判断二沉池的运行状态为异常状态，且异常状态为污泥上浮，报警并采用智慧决策系统4进行调控，同时智慧决策系统4还将问题以及处理进度在区域监控显示中心7显示，调控方法如下：
[0095]
计算二沉池内aao法的污泥龄并记为θ，若θ＞22天，可判定为污泥龄过长导致，则
智慧决策系统4将调控指令输送至电气控制设备系统5的刮泥机，清理二沉池底部进行排泥，增加排泥量，调整污泥龄；
[0096]
若10≤θ≤22天，则同时调取运行参数中的污泥液位参数，若污泥液位参数＞设定值(即缓冲区最高线)，判定为污泥排放不及时底部发生硝化导致的污泥上浮，则智慧决策系统4将调控指令输送至电气控制设备系统5的刮泥机，清理二沉池底部进行排泥，增加排泥量，调整污泥龄，直至二沉池的污泥液位参数达到缓冲区最高线以下；
[0097]
若10≤θ≤22天，且运行参数中的污泥液位参数≤设定值，调取生化池曝气风机参数计算得到生化池曝气量，判断是否由于曝气过度导致的污泥上浮，若所述生化池曝气量＞1.5倍的设定值，则智慧决策系统4将调控指令输送至电气控制设备系统5的风机，降低风机的供气量，调整曝气量，直至二沉池的污泥液位参数达到缓冲区最高线以下；
[0098]
若10≤θ≤22天，且运行参数中的污泥液位参数≤设定值，生化池曝气量≤1.5倍的设定值，则智慧决策系统4将调控指令输送运维手机6，由运维人员排查。
[0099]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。