公布日：2024.12.27
申请日：2023.12.29
分类号：C02F3/30(2023.01)I;C02F3/02(2023.01)I;C02F3/00(2023.01)I;G05D23/20(2006.01)I;F25D17/02(2006.01)I;F28D21/00(2006.01)I;C02F103/06(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种废水处理生化系统自动降温控制方法及装置，控制方法先根据生化系统进水热效应、水泵热效应、生化反应放热量和鼓风曝气热传导热量得到生化系统降温至目标温度所需的换热量，再根据所需换热量得到换热时所需生化污水循环流量和所需冷却水循环流量；最后根据所需生化污水循环流量调节生化污水循环泵流量，根据所需冷却水循环流量调节冷却水循环泵流量。本发明的控制方法综合了生化系统的诸多影响因素，控制精准可靠，且能自动控制，减少了人为误差导致的能源损耗，也降低了人工成本。基于本发明废水处理生化系统自动降温控制方法的控制装置，操作简单、自动化程度高，可以自动化精确调控生化池温度参数。
权利要求书
1.一种废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取生化系统的进水热效应Q1、水泵热效应Q2、生化反应放热量Q3和鼓风曝气热传导热量Q4；S2、根据进水热效应Q1、水泵热效应Q2、生化反应放热量Q3和鼓风曝气热传导热量Q4得到生化系统降温所需换热量Qsum；S3、根据所需换热量Qsum得到换热时所需生化污水循环流量QH和所需冷却水循环流量QC；S4、根据所需生化污水循环流量QH调节生化污水循环泵流量QH1，根据所需冷却水循环流量QC调节冷却水循环泵流量QC1。
2.根据权利要求1所述的废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于：步骤S4中，调节的终点为：所需生化污水循环流量QH与生化污水循环泵流量QH1的比值为0.95～1.05；和/或，所需冷却水循环流量QC与冷却水循环泵流量QC1的比值为0.95～1.05。
3.根据权利要求2所述的废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于：步骤S1中，所述进水热效应Q1、水泵热效应Q2、生化反应放热量Q3和鼓风曝气热传导热量Q4根据生化系统的进水参数、曝气的进气参数、运行参数和其它相关参数得到；所述进水参数包括进水温度和进水流量，还包括进水COD值或进水BOD值中至少一种，进水氨氮值或进水总氮值中至少一种；所述进气参数包括进气流量，所述运行参数包括生化池内生化污水的温度。
4.根据权利要求3所述的废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于：步骤S1中，所述其它相关参数包括所在地区的大气压力、生化系统反硝化速率、生化污水的控制目标温度范围、水的比热容、生化池附属水泵轴功率、硝化反应热效应系数，反硝化反应热效应系数、COD氧化反应热效应系数、环境空气含水量、风机鼓风温度、水垢系数、换热器传热系数、换热器换热面积、修正系数；所述生化系统反硝化速率为0.02～0.13NO3-N/kgMLSS/d，所述生化污水的控制目标温度范围32℃～36℃，所述生化池附属水泵轴功率总和的50%～99%转化为热能，所述生化池附属水泵包括进水泵、生化污水循环泵、射流泵、消泡泵、硝酸盐回流泵及超滤回流泵；所述风机鼓风温度为40℃～150℃。
5.根据权利要求1～4任一项所述的废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于：步骤S2中，得到生化系统降温所需换热量的公式为：Qsum=Q1+Q2+Q3+Q4（1）其中，Q1为进水热效应，Q2为水泵热效应，Q3为生化反应放热量，Q4为鼓风曝气热传导热量。
6.根据权利要求5所述的废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于：步骤S3中，得到所需生化污水循环流量的公式为：QH=（Qsum/1.16）/Δt（2）其中，QH为所需生化污水循环流量；Qsum为所需换热量；Δt为冷却塔降温幅度。
7.根据权利要求6所述的废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于：得到进水热效应的公式为：Q1=Q×C水×（T1-T2）（1-1）其中，Q为进水流量；C水为水的比热容；T1为进水温度；T2为生化污水温度；得到水泵热效应的公式为：Q2=(P1+P2+P3+P4)×β（1-2）其中，P1为进水泵轴功率；P2为射流泵轴功率；P3为硝酸盐回流泵和超滤回流泵的轴功率；P4为生化污水循环泵轴功率；β为热量转换系数；得到生化反应放热量的公式为：Q3=Rl+R2+R3（1-3）其中，Rl为硝化反应放热量；R2为反硝化反应放热量；R3为COD氧化反应放热量；得到硝化反应放热量的公式为：Rl=a×Q×Na（1-3-1）其中，a为硝化反应热效应；Na为进水氨氮浓度；得到反硝化反应放热量的公式为：R2=b×Q×Na×γ（1-3-2）其中，b为反硝化反应热效应；γ为反硝化率；得到COD氧化反应放热量的公式为：R3=c×Q×（S1-S2-S3）（1-3-3）其中，c为COD氧化反应热效应；S1为进水COD浓度；S2为出水COD浓度；S3为进水BOD浓度；得到鼓风曝气热传导热量的公式为：Q4=（h1-h2）×q×r0（1-4）h1=T5+X（2500+1.86×T5）/1000h2=0.0023×T23-0.078×T22+3.6857×T2-3.1143r0=-0.0046×T0+1.2714其中，q为鼓风风量；T5为风机鼓风温度；X为环境空气含水量；T0为环境温度。
8.根据权利要求1所述的废水处理生化系统自动降温控制方法，其特征在于：所述其它相关参数还包括冷却循环水的电导率最高阈值σmax和最低阈值σmin；所述步骤还包括：获取冷却循环水的电导率值σ，将σ与预设的电导率最高阈值σmax和最低阈值σmin进行比较；当σ≥σmax时，控制冷却塔排水，同时补充新鲜水；当σ≤σmin时，停止冷却塔排水，同时停止补充新鲜水。
9.一种废水处理生化系统自动降温装置，包括进水单元（1）、生化单元（2）、冷却单元（3）和控制单元（4），其特征在于：所述进水单元（1）包括进水泵（11）、进水管（12）和进水参数检测仪，所述进水参数检测仪位于进水管（12）上，包括进水温度传感器（121）、进水流量计（122）、COD在线检测仪（123）和氨氮在线检测仪（124）；所述生化单元（2）包括生化池（21）、曝气风机（22）、曝气管（23）和进气参数检测仪，所述曝气管（23）用于将曝气风机（22）与生化池（21）连通，所述进气参数检测仪位于曝气管（23）上，包括进风流量计（231），生化池（21）内还设有生化污水温度传感器（211），所述进水管（12）的出口与生化池（21）连通；所述冷却单元（3）包括生化污水循环泵（31）、换热器（32）、生化污水循环管（33）、冷却塔（34）、冷却水循环泵（35）和冷却水循环管（36），所述生化污水循环管（33）将生化池（21）、生化污水循环泵（31）与换热器（32）的热侧管道连通，所述生化污水循环管（33）上设有生化污水循环流量计（331），所述冷却水循环管（36）将冷却塔（34）、冷却水循环泵（35）与换热器（32）的冷侧管道连通，冷却水循环管（36）上设有冷却水循环流量计（361）；所述进水参数检测仪、进气参数检测仪、生化污水循环泵（31）、冷却水循环泵（35）分别与控制单元（4）连接，所述控制单元（4）编写有控制程序，所述控制程序用于执行权利要求1～8任一项所述的废水处理生化系统自动降温控制方法。
10.根据权利要求9所述的废水处理生化系统自动降温装置，其特征在于：所述冷却单元（3）还包括电导率检测仪（37）、补水泵（38）、补水管（39）和排污管（30），所述电导率检测仪（37）用于检测循环冷却水的电导率，所述补水管将冷却塔（34）、补水泵（38）与外部水源连通，所述排污管（30）位于冷却塔（34）的集水池底部，排污管（30）上设有排污阀（301）；所述电导率检测仪（37）、补水泵（38）、排污阀（301）分别与控制单元（4）或一另设的控制器（5）连接。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种控制精准、自动化程度高的废水处理生化系统自动降温控制方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种废水处理生化系统自动降温控制方法，包括以下步骤：S1、获取生化系统的进水热效应Q1、水泵热效应Q2、生化反应放热量Q3和鼓风曝气热传导热量Q4；S2、根据进水热效应Q1、水泵热效应Q2、生化反应放热量Q3和鼓风曝气热传导热量Q4得到生化系统降温所需换热量Qsum；S3、根据所需换热量Qsum得到换热时所需生化污水循环流量QH和所需冷却水循环流量QC；S4、根据所需生化污水循环流量QH调节生化污水循环泵流量QH1，根据所需冷却水循环流量QC调节冷却水循环泵流量QC1。
进一步改进的：步骤S4中，调节的终点为：所需生化污水循环流量QH与生化污水循环泵流量QH1的比值为0.95～1.05；和/或，所需冷却水循环流量QC与冷却水循环泵流量QC1的比值为0.95～1.05。
进一步改进的：步骤S1中，所述进水热效应Q1、水泵热效应Q2、生化反应放热量Q3和鼓风曝气热传导热量Q4根据生化系统的进水参数、曝气的进气参数、运行参数和其它相关参数得到；所述进水参数包括进水温度和进水流量，还包括进水COD值或进水BOD值中至少一种，进水氨氮值或进水总氮值中至少一种；所述进气参数包括进气流量，所述运行参数包括生化池内生化污水的温度。
进一步改进的：步骤S1中，所述其它相关参数包括所在地区的大气压力、生化系统反硝化速率、生化污水的控制目标温度范围、水的比热容、生化池附属水泵轴功率、硝化反应热效应系数，反硝化反应热效应系数、COD氧化反应热效应系数、环境空气含水量、风机鼓风温度、水垢系数、换热器传热系数、换热器换热面积、修正系数。
进一步改进的：所述生化系统反硝化速率为0.02～0.13NO3-N/kgMLSS/d；所述生化污水的控制目标温度范围32℃～36℃，所述生化池附属水泵轴功率总和的50%～99%转化为热能，所述生化池附属水泵包括进水泵、生化污水循环泵、射流泵、消泡泵、硝酸盐回流泵及超滤回流泵；所述风机鼓风温度为40℃～150℃。
进一步改进的：步骤S2中，得到生化系统降温所需换热量的公式为：Qsum=Q1+Q2+Q3+Q4（1）其中，Q1为进水热效应，Q2为水泵热效应，Q3为生化反应放热量，Q4为鼓风曝气热传导热量。
进一步改进的：步骤S3中，得到所需生化污水循环流量的公式为：QH=（Qsum/1.16）/Δt（2）其中，QH为所需生化污水循环流量；Qsum为所需换热量；Δt为冷却塔降温幅度。
进一步改进的：得到进水热效应的公式为：Q1=Q×C水×（T1-T2）（1-1）其中，Q为进水流量；C水为水的比热容；T1为进水温度；T2为生化污水温度。
进一步改进的：得到水泵热效应的公式为：Q2=(P1+P2+P3+P4)×β（1-2）其中，P1为进水泵轴功率；P2为射流泵轴功率；P3为硝酸盐回流泵和超滤回流泵的轴功率；P4为生化污水循环泵轴功率；β为热量转换系数。
进一步改进的：得到生化反应放热量的公式为：Q3=Rl+R2+R3（1-3）其中，Rl为硝化反应放热量；R2为反硝化反应放热量；R3为COD氧化反应放热量。
进一步改进的：得到硝化反应放热量的公式为：Rl=a×Q×Na（1-3-1）其中，a为硝化反应热效应；Na为进水氨氮浓度。
进一步改进的：得到反硝化反应放热量的公式为：R2=b×Q×Na×γ（1-3-2）其中，b为反硝化反应热效应；γ为反硝化率。
进一步改进的：得到COD氧化反应放热量的公式为：R3=c×Q×（S1-S2-S3）（1-3-3）其中，c为COD氧化反应热效应；S1为进水COD浓度；S2为出水COD浓度；S3为进水BOD浓度。
进一步改进的：得到鼓风曝气热传导热量的公式为：Q4=（h1-h2）×q×r0（1-4）h1=T5+X（2500+1.86×T5）/1000h2=0.0023×T23-0.078×T22+3.6857×T2-3.1143r0=-0.0046×T0+1.2714其中，q为鼓风风量；T5为风机鼓风温度；X为环境空气含水量；T0为环境温度。
进一步改进的：所述其它相关参数还包括冷却循环水的电导率最高阈值σmax和最低阈值σmin；所述步骤还包括：获取冷却循环水的电导率值σ，将σ与预设的电导率最高阈值σmax和最低阈值σmin进行比较；当σ≥σmax时，控制冷却塔排水，同时补充新鲜水；当σ≤σmin时，停止冷却塔排水，同时停止补充新鲜水。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种废水处理生化系统自动降温装置，包括进水单元、生化单元、冷却单元和控制单元，所述进水单元包括进水泵、进水管和进水参数检测仪，所述进水参数检测仪位于进水管上，包括进水温度传感器、进水流量计、COD在线检测仪和氨氮在线检测仪；所述生化单元包括生化池、曝气风机、曝气管和进气参数检测仪，所述曝气管用于将曝气风机与生化池连通，所述进气参数检测仪位于曝气管上，包括进风流量计，生化池内还设有生化污水温度传感器，所述进水管的出口与生化池连通；所述冷却单元包括生化污水循环泵、换热器、生化污水循环管、冷却塔、冷却水循环泵和冷却水循环管，所述生化污水循环管将生化池、生化污水循环泵与换热器的热侧管道连通，所述生化污水循环管上设有生化污水循环流量计，所述冷却水循环管将冷却塔、冷却水循环泵与换热器的冷侧管道连通，冷却水循环管上设有冷却水循环流量计；所述进水参数检测仪、进气参数检测仪、生化污水循环泵、冷却水循环泵分别与控制单元连接，所述控制单元编写有控制程序，所述控制程序用于执行上述的废水处理生化系统自动降温控制方法。
进一步改进的：所述冷却单元还包括电导率检测仪、补水泵、补水管和排污管，所述电导率检测仪用于检测循环冷却水的电导率，所述补水管将冷却塔、补水泵与外部水源连通，所述排污管位于冷却塔的集水池底部，排污管上设有排污阀；所述电导率检测仪、补水泵、排污阀分别与控制单元或一另设的控制器连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明废水处理生化系统自动降温控制方法，先根据生化系统进水热效应、水泵热效应、生化反应放热量和鼓风曝气热传导热量得到生化系统降温至目标温度所需的换热量，再根据所需换热量得到换热时所需生化污水循环流量和所需冷却水循环流量；最后根据所需生化污水循环流量调节生化污水循环泵流量，根据所需冷却水循环流量调节冷却水循环泵流量。本发明的控制方法综合影响生化系统热效应的多个关键因素，得到降至目标温度所需的目标换热量，根据热平衡等量关系，换热时生化系统释放的热量等于冷却水吸收的热量，得出换热器的热侧介质和冷侧介质的目标循环流量，根据目标循环流量来调节控制实际循环流量。相比传统方式通过生化池单一的温度反馈控制，本发明的控制方法克服了现有技术由于池容过大，短时间内难以混合均匀，导致反馈参数与实际参数存在较大偏差，无法准确调控的技术缺陷。本发明通过换热目标循环流量调节实际循环流量的控制方法，由于综合了诸多影响因素，控制更精准可靠，可以确保生化池内的温度处于一个相对稳定的工况，使生化池内的温度波动幅度基本不超过1℃。
（2）本发明的控制方法通过关键参数信号、逻辑运算的方式控制生化池内降温时生化污水循环流量和冷却水循环流量，进而达到控制生化池内温度指标的目的，可完全自动化运行，操作简单，减少了因操作人员的技术能力差异引起的不必要的能源损耗及其它不确定性因素的影响，也因此降低了人工成本。
（3）本发明的控制方法通过电导率反馈控制方式，对冷却循环水进行及时换新，实时监测调控冷却循环水的电导率在适当的范围，避免冷却水因循环蒸发引起水中钙镁离子和氯离子富集导致设备内部结垢及腐蚀问题。
（4）本发明废水处理生化系统自动降温装置，在现有设施的基础上增设了多种进水参数检测仪、进气参数检测仪，电气元件及控制单元，用于实现本发明的控制方法，以达到精准调控生化池内温度参数的效果。本发明的装置可以实现自动化精确调控生化池温度参数，让微生物处于一个相对恒定的温度工况，提高微生物的活性及降解污染物速率，同时操作简单，可减少因操作人员技术能力的差异引起的能源损耗和减少不确定性因素的影响。
（5）本发明的装置在冷却单元增设了电导率检测仪、排污部件、补水部件及控制连接部件，通过实时监测控制冷却循环水的电导率指标，及时排出冷却塔浓水，补充新鲜水，使电导率控制在适当的范围，达到防止钙镁离子在换热器结垢及氯离子腐蚀冷却塔的问题，因为冷却水在循环过程中会逐渐蒸发，会导致水中的钙镁离子和氯离子富集，当富集到一定浓度后，钙镁离子将在换热器内壁结垢，氯离子将对冷却塔有一定的腐蚀作用。
（发明人：田黎黎;肖冬杰;高新;戴宇霆）
