申请日2014.06.12
公开(公告)日2016.04.27
IPC分类号C02F3/00; G05B13/02; C02F3/26
摘要
用于控制废水生物处理成套设备的方法，包括以下步骤：接收待处理水的氧合作用特性(210;310;410)的检测，所述氧合作用特性(210;310;410)的检测基于指示待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度的至少一个值，B.接收溶解于所述待处理水中的氧气(O2)浓度的检测，D.控制一个或多个电气装置(140)，一个或多个电气装置控制向一个或多个相应的电动机供电，相应的电动机用于驱动相应的泵(150)，泵配置为激励向所述待处理水中进行空气或氧气供给，从而使得检测的氧气浓度趋向于氧气浓度设定点(200;300;400)，所述方法的特征在于，包括在步骤B与步骤D之间的以下步骤：C.动态地生成作为氧合作用特性(210;310;410)的检测的函数的氧气浓度设定点(200;300;400)。
摘要附图
权利要求书
1.用于控制废水生物处理成套设备的方法，包括以下步骤：
A.接收待处理水的氧合作用特性(210;310;410)的检测，所述氧合作用特性(210;310;410)的检测基于指示待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度的至少一个值，
B.接收溶解于所述待处理水中的氧气(O2)浓度的检测，
D.控制一个或多个电气装置(140)，所述一个或多个电气装置控制向一个或多个相应的电动机供电，所述相应的电动机用于驱动相应的泵(150)，所述泵配置为激励向所述待处理水中进行空气或氧气供给，从而使得检测的氧气浓度趋向于氧气浓度设定点(200;300;400)，
所述方法的特征在于，包括在步骤B与步骤D之间的以下步骤：
C.动态地生成作为氧合作用特性(210;310;410)的检测的函数的氧气浓度设定点(200;300;400)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C根据以下操作模式中的至少一种操作模式来生成氧气浓度设定点(200;300;400)：
-第一操作模式，其中，当检测的氧合作用特性(210)高于第一调节阈值(211)时，所述氧气浓度设定点(200)等于第一最小值(201)，而当检测的氧合作用特性(210)低于所述第一调节阈值(211)时，所述氧气浓度设定点(200)根据第一关系随着检测的氧合作用特性(210)减小而增加，在所述第一关系中，所述氧气浓度设定点(200)任选地不大于第一最大值(202)，其更任选地可调，所述第一调节阈值(211)和所述第一最小值(201)之间至少之一任选地可调;
-第二操作模式，其中，当检测的氧合作用特性(310)高于第二可调阈值(311)时，所述设定点(300)根据第一时间间隔(303)内的第二最小值(301)与第二时间间隔(304)内的第二最大值(302)之间的周期方波而生成，其中所述第二可调阈值(311)任选地等于所述第一调节阈值(211)，所述第二最小值(301)任选地低于所述第一最小值(201)，更任选地等于零，所述第二最大值(302)任选地等于所述第一最大值(202)， 所述第二时间间隔(304)任选地比所述第一时间间隔(303)短，而当检测的氧合作用特性(310)低于所述第二调节阈值(311)时，所述氧气浓度设定点(300)根据第二关系随着检测的氧合作用特性(310)减小而增加，所述第二关系任选地等于所述第一关系，其中所述氧气浓度设定点(300)任选地不高于第三最大值，所述第三最大值更任选地等于所述第二最大值(302)，再更任选地可调，所述第二调节阈值(311)与所述第二最小值(301)之间至少之一任选地可调，所述第一时间间隔(303)和所述第二时间间隔(304)之间至少之一任选地可调;
-第三操作模式，其中，当检测的氧合作用特性(410)高于中断阈值(411)时，所述氧气浓度设定点(400)等于第三最小值(401)，所述中断阈值(411)任选地等于所述第一或第二可调阈值(211;311)，所述第三最小值(401)任选地低于所述第一最小值(201)，更任选地等于零，而当检测的氧合作用特性(410)低于激励阈值(411)时，所述氧气浓度设定点(400)根据第三关系随着检测的氧合作用特性(410)减小而增加，所述激励阈值(411)任选地低于所述中断阈值(411)，更任选地低于所述第一调节阈值(211)和/或第二调节阈值(311)，所述第三关系任选地等于所述第一关系或第二关系，其中所述氧气浓度设定点(400)任选地不大于第四最大值(402)，所述第四最大值(402)更任选地等于所述第一最大值(202)或第二最大值(302)或第三最大值，再更任选地可调，所述中断阈值(411)和所述第三最小值(401)之间至少之一可调。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤C以可选择方式根据所述三种操作模式中的两种或三种操作模式来生成所述氧气浓度设定点(200;300;400)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一关系、所述第二关系和所述第三关系中的至少一个关系能够从包括如下的群组中选择：氧气浓度设定点(200;300;400)与检测的氧合作用特性(210;310;410)之间的反比关系。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述氧合作用特性(210;310;410)的检测基于所述待处理水中的铵离子(NH4+)的 浓度或所述待处理水中的硝酸根离子(NO3-)的浓度。
6.控制废水生物处理成套设备的装置，包括电子控制单元(130)，所述电子控制单元(130)配置为连接到第一检测器件(110)且连接到第二检测器件(120)，所述第一检测器件(110)配置为检测待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中的至少一个的浓度，所述第二检测器件配置为检测溶解于所述待处理水中的氧气(O2)的浓度，所述电子控制单元(130)配置为连接到一个或多个电气装置(140)且控制一个或多个电气装置(140)，所述电气装置(140)控制向一个或多个相应的电动机供电，所述相应的电动机用于驱动相应的泵(150)，所述泵配置为激励所述待处理水中空气或氧气供给，所述装置的特征在于，所述电子控制单元(130)配置为执行根据权利要求1至5中的任一权利要求所述的用于控制废水生物处理成套设备的方法。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电子控制单元(130)配置为从所述第一检测器件(110)接收所述待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度的光学检测和所述待处理水的温度的检测，所述电子控制单元(130)配置为根据所述待处理水的温度的检测来补偿所述光学检测。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述装置设有一个或多个传感器，所述传感器连接到所述电子控制单元(130)，配置为检测所述第一检测器件(110)特性的可能的故障和/或劣化和/或所述第二检测器件(120)的特性的劣化，所述电子控制单元(130)配置为在所述一个或多个传感器检测到异常的情况下生成警报和/或发信号信息。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述电子控制单元(130)配置为将所述第一检测器件(110)和/或所述第二检测器件(120)所检测到的数据和与所述装置的操作参数有关的数据存储在存储器中。
10.废水生物处理成套设备，其包括配置为收容待处理水的氧化罐(100)，所述罐设有第一检测器件(110)和第二检测器件(120)，所述第一检测器件(110)用于检测待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子 (NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度，所述第二检测器件(120)用于检测溶解于所述待处理水中的氧气(O2)的浓度，所述成套设备进一步包括一个或多个电气装置(140)，所述电气装置(140)控制向一个或多个相应的电动机供电，所述相应的电动机用于驱动相应的泵(150)，所述泵配置为激励所述待处理水中的空气或氧气供给，所述成套设备的特征在于其包括根据权利要求6至9中任一项所述的控制装置，所述控制装置的所述电子控制单元(130)连接到所述第一检测器件(110)和所述第二检测器件(120)，所述电子控制单元(130)连接到所述一个或多个电气装置(140)且控制所述一个或多个电气装置(140)。
说明书
用于控制民用源废水的生物处理过程的方法及装置
技术领域
本发明涉及用于控制废水生物处理成套设备的方法及装置，以及设有这种装置的成套设备，允许以简单、可靠、高效且廉价的方式来使得用于净化和处理废水尤其是民用源废水的成套设备中的生物氧化过程自动化且优化，最小化其电能消耗，结果，最小化管理成本，该方法和装置能够应用于甚至现有的任何尺寸，甚至是小型的成套设备，因此尤其是对于仪器测量差和/或自动化程度差和/或不由人类操作者参与方面差的成套设备有益。特别地，根据本发明的装置还制造、安装和维护简单，从而也降低了相关成本。
背景技术
已知的是，在适合的民用成套设备中实施的净化过程中，氧化是废水生物处理过程中极其重要的一个步骤。事实上，在该步骤中，连同有机负荷的减少一起，存在于废水中的铵离子(NH4+)和亚硝酸盐离子(NO2-)转换成硝酸根离子(NO3-)，对于环境害处较小且且对水从净化成套设备中被倾倒的接收提的生命形式的害处较小。对于进行中的生物动力学，在同一氧化作用期间氧化罐的水中铵离子(NH4+)的浓度和亚硝酸根离子(NO2-)的浓度具有与硝酸根离子(NO3-)的浓度相反的模式。
在适合的氧化罐中通过好氧细菌来实施转换(也称为硝化作用)，其中寄主在于待处理废水中保持悬浮的浆料中的细菌利用通过空气或氧气(O2)配送器持续地供给罐的氧气来氧化铵离子和亚硝酸根离子离子，空气或氧气配送器任选地布置在氧化罐近处或底部。因此，在罐溶解的氧气的控制是为细菌确保适当的生命条件且因此确保化学物种的高效转换的基础。
类似于硝化作用，为了去除或消除氮气的离子物种，使用不同的生物处理步骤，称为反硝化作用，其中起作用的细菌是在厌氧条件下的活性菌株，其从氧化形式的氮获得它们的生命循环所需的氧气，同时将其还原成气态氮，气态氮消失在大气中。当存在时，该步骤主要置于适合罐中的氧化之前(预反硝化作用)，和/或，在其他情况下，在适合罐中的氧化之后，主要取决于现有细菌生存可用的有机负荷。其他配置包括在设有用于保持生物浆料悬浮的适合的搅拌器的单一罐中使得氧化(硝化作用)的步骤和还原(反硝化作用)的步骤交替。
现有技术的成套设备通常设有测量系统，测量系统具有氧气探针，氧气探针浸入氧化罐中，用于检查氧气的存在以及通过泵(由相应的电动机来驱动)来控制罐的氧合作用，泵激励从配送器向罐吹送空气或氧气。
然而，现有技术的成套设备由于罐中溶解的氧气的抵消管理而存在一些缺陷。
事实上，通过向罐中吹送空气或氧气而进行的氧合作用通常以适当的方式控制，通常是提供比与真实负荷条件无关的氧化步骤在某个瞬间真正上所需的氧气量大的氧气量。这必然伴有电能的不合理消耗，因此必然伴有管理成本的增加。
为了克服这些缺陷，在现有技术中已经开发了一些解决方案，提出了用于控制氧合作用从而降低电能消耗的方法和装置，如文献DE4330569C1、EP1376276A1、EP1598712A1、JPH1085752A和WO03035554A2中公开的。
但是，这些解决方案特别复杂，必然伴有高的制造成本，高的安装与管理成本，因此仅在大型成套设备中才可能经济合理。
发明概述
因此，本发明的一个目的是允许通过简单、可靠、高效且廉价的方式来使得用于净化和处理废水尤其是民用源废水的成套设备中的氧化过程自动化和优化，从而最小化其电能消耗且因此最小化管理成本。
本发明的另一目的是允许甚至在现有的任何尺寸以及小型的成套设备中以及甚至是仪器测量差和/或自动化程度差和/或不由人类操作者参与方面差的成套设备中也能实现这种电能消耗的最小化。
本发明的具体主题是，用于控制废水生物处理成套设备的方法，包括以下步骤：
A.接收待处理水的氧合作用特性的检测，所述氧合作用特性的检测基于指示待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度的至少一个值，
B.接收溶解于所述待处理水中的氧气(O2)浓度的检测，
D.控制一个或多个电气装置，所述一个或多个电气装置控制向一个或多个相应的电动机供电，所述相应的电动机用于驱动相应的泵，所述泵配置为激励向所述待处理水中进行空气或氧气供给，从而使得检测的氧气浓度趋向于氧气浓度设定点，
所述方法的特征在于，包括在步骤B与步骤D之间的以下步骤：
C.动态地生成作为氧合作用特性的检测的函数的氧气浓度设定点。
根据本发明的另一方案，步骤C可以根据以下操作模式中的至少一种操作模式来生成氧气浓度设定点：
-第一操作模式，其中，当检测的氧合作用特性高于第一调节阈值时，所述氧气浓度设定点等于第一最小值，而当检测的氧合作用特性低于所述第一调节阈值时，所述氧气浓度设定点根据第一关系随着检测的氧合作用特性减小而增加，在所述第一关系中，所述氧气浓度设定点任选地不大于第一最大值，其更任选地可调，所述第一调节阈值和所述第一最小值之间至少之一任选地可调;
-第二操作模式，其中，当检测的氧合作用特性高于第二可调阈值时，所述设定点根据第一时间间隔内的第二最小值与第二时间间隔内的第二最大值之间的周期方波而生成，其中所述第二可调阈值任选地等于所述第一调节阈值，所述第二最小值任选地低于所述第一最小值，更任选地等于零，所述第二最大值任选地等于所述第一最大值，所述第二时间间隔任选地比所述第一时间间隔短，而当检测的氧合作用特性低于所述第二调节阈值时，所述氧气浓度设定点根据第二关系随着检测的氧合作用特性减小而增加，所述第二关系任选地等于所述第一关系，其中所述氧气浓度设定点任选地不高于第三最大值，所述第三最大值更任选地等于所述第二最大值，再更任选地可调，所述第二调节阈值与所述第二最小值之间至少之一任选地可调，所述第一时间间隔和所述第二时间间隔之间至少之一任选地可调;
-第三操作模式，其中，当检测的氧合作用特性高于中断阈值时，所述氧气浓度设定点等于第三最小值，所述中断阈值任选地等于所述第一或第二可调阈值，所述第三最小值任选地低于所述第一最小值，更任选地等于零，而当检测的氧合作用特性低于激励阈值时，所述氧气浓度设定点根据第三关系随着检测的氧合作用特性减小而增加，所述激励阈值任选地低于所述中断阈值，更任选地低于所述第一调节阈值和/或第二调节阈值，所述第三关系任选地等于所述第一或第二关系，其中所述氧气浓度设定点任选地不大于第四最大值，所述第四最大值更任选地等于所述第一最大值或第二最大值或第三最大值，再更任选地可调，所述中断阈值和所述第三最小值之间至少之一可调。
根据本发明的进一步的方案，步骤C可以以可选择方式根据所述三种操作模式中的两种或三种操作模式来生成所述氧气浓度设定点。
根据本发明的又一方案，所述第一关系、所述第二关系和所述第三关系中的至少一个关系能够从包括如下的群组中选择：氧气浓度设定点与检测的氧合作用特性之间的反比关系。
本发明的另一方案，所述氧合作用特性的检测基于所述待处理水中的铵离子(NH4+)的浓度或所述待处理水中的硝酸根离子(NO3-)的浓度。
在本发明的再一具体主题中，用于废水生物处理成套设备的装置包括电子控制单元，该电子控制单元配置为连接到第一检测器件且连接到第二检测器件，所述第一检测器件配置为检测待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中的至少一个的浓度，所述第二检测器件配置为检测溶解于所述待处理水中的氧气(O2)的浓度，所述电子控制单元配置为连接到一个或多个电气装置且控制一个或多个电气装置，所述电气装置控制向一个或多个相应的电动机供电，所述相应的电动机用于驱动相应的泵，所述泵配置为激励所述待处理水中空气或氧气供给，所述装置的特征在于，所述电子控制单元配置为执行上述的用于控制废水生物处理成套设备的方法。
根据本发明的另一方案，该电子控制单元可配置为从所述第一检测器件接收所述待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度的光学检测和所述待处理水的温度的检测，所述电子控制单元配置为根据所述待处理水的温度的检测来补偿所述光学检测。
根据本发明的进一步的方案，该装置可设有一个或多个传感器，所述传感器连接到所述电子控制单元，配置为检测所述第一检测器件特性的可能的故障和/或劣化和/或所述第二检测器件的特性的劣化，所述电子控制单元配置为在所述一个或多个传感器检测到异常的情况下生成警报和/或发信号信息。
根据本发明的再一方案，所述电子控制单元可配置为将所述第一检测器件和/或所述第二检测器件所检测到的数据和与所述装置的操作参数有关的数据存储在存储器中。
本发明的又一个具体主题是废水生物处理成套设备，包括配置为收容待处理水的氧化罐，所述罐设有第一检测器件和第二检测器件，所述第一检测器件用于检测待处理水中的铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度，所述第二检测器件用于检测溶解于所述待处理水中的氧气(O2)的浓度，所述成套设备进一步包括一个或多个电气装置，所述电气装置控制向一个或多个相应的电动机供电，所述相应的电动机用于驱动相应的泵，所述泵配置为激励所述待处理水中的空气或氧气供给，所述成套设备的特征在于其包括根据上述的控制装置，所述控制装置的所述电子控制单元连接到所述第一检测器件和所述第二检测器件，所述电子控制单元连接到所述一个或多个电气装置且控制所述一个或多个电气装置。
通过根据本发明的装置的电子控制单元实施的方法基于氧合作用特性的检测，以及基于指示氧气浓度(O2)的值，所述氧合作用特性由指示氧化罐的水中铵离子(NH4+)、亚硝酸根离子(NO2-)和硝酸根离子(NO3-)中至少一个的浓度的至少一个值来提供。这样，根据本发明的方法能够通过一个或多个(电驱动)泵的优化激励来控制罐的同一氧合作用，泵激励配送器向罐中吹送空气或氧气，使耗电最小化。
换言之，根据本发明的装置的操作逻辑在第一近似中将负荷的实际变化的检测(即，减少物质的浓度)指定为铵离子(NH4+)(和/或亚硝酸根离子NO2-和/或硝酸根离子NO3-)的变化的检测。在第一近似中，这种情况发生于民用源废水。
通过根据本发明的该方法、装置和成套设备提供的优点是明显的。
首先，显著降低了电能的消耗。
而且，本发明还允许甚至是已经存在的小型废水净化与处理成套设备中以及甚至是仪器测量差和/或自动化程度差和/或不由人类操作者参与方面差的成套设备中的氧化过程的自动化和优化。
此外，根据本发明的方法容许以智能的方式来管理氧合作用过程，通过空气或氧气吹送，以高效的方式(通过非模糊的，甚至不根据任何其他人工智能算法，而是通过确定性算法)来优化罐中存在的氧气量，因此减少了电能的消耗，因此降低了成本。
而且，根据本发明的装置制造、安装和管理简单，降低了相关成本。
