公布日：2024.12.27

申請日：2023.12.29

分類號：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

本發明公開了一種廢水處理生化系統自動降溫控制方法及裝置，控制方法先根據生化系統進水熱效應、水泵熱效應、生化反應放熱量和鼓風曝氣熱傳導熱量得到生化系統降溫至目標溫度所需的換熱量，再根據所需換熱量得到換熱時所需生化污水循環流量和所需冷卻水循環流量；最后根據所需生化污水循環流量調節生化污水循環泵流量，根據所需冷卻水循環流量調節冷卻水循環泵流量。本發明的控制方法綜合了生化系統的諸多影響因素，控制精準可靠，且能自動控制，減少了人為誤差導致的能源損耗，也降低了人工成本。基于本發明廢水處理生化系統自動降溫控制方法的控制裝置，操作簡單、自動化程度高，可以自動化精確調控生化池溫度參數。

權利要求書

1.一種廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、獲取生化系統的進水熱效應Q1、水泵熱效應Q2、生化反應放熱量Q3和鼓風曝氣熱傳導熱量Q4；S2、根據進水熱效應Q1、水泵熱效應Q2、生化反應放熱量Q3和鼓風曝氣熱傳導熱量Q4得到生化系統降溫所需換熱量Qsum；S3、根據所需換熱量Qsum得到換熱時所需生化污水循環流量QH和所需冷卻水循環流量QC；S4、根據所需生化污水循環流量QH調節生化污水循環泵流量QH1，根據所需冷卻水循環流量QC調節冷卻水循環泵流量QC1。

2.根據權利要求1所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于：步驟S4中，調節的終點為：所需生化污水循環流量QH與生化污水循環泵流量QH1的比值為0.95～1.05；和/或，所需冷卻水循環流量QC與冷卻水循環泵流量QC1的比值為0.95～1.05。

3.根據權利要求2所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于：步驟S1中，所述進水熱效應Q1、水泵熱效應Q2、生化反應放熱量Q3和鼓風曝氣熱傳導熱量Q4根據生化系統的進水參數、曝氣的進氣參數、運行參數和其它相關參數得到；所述進水參數包括進水溫度和進水流量，還包括進水COD值或進水BOD值中至少一種，進水氨氮值或進水總氮值中至少一種；所述進氣參數包括進氣流量，所述運行參數包括生化池內生化污水的溫度。

4.根據權利要求3所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于：步驟S1中，所述其它相關參數包括所在地區的大氣壓力、生化系統反硝化速率、生化污水的控制目標溫度范圍、水的比熱容、生化池附屬水泵軸功率、硝化反應熱效應系數，反硝化反應熱效應系數、COD氧化反應熱效應系數、環境空氣含水量、風機鼓風溫度、水垢系數、換熱器傳熱系數、換熱器換熱面積、修正系數；所述生化系統反硝化速率為0.02～0.13NO3-N/kgMLSS/d，所述生化污水的控制目標溫度范圍32℃～36℃，所述生化池附屬水泵軸功率總和的50%～99%轉化為熱能，所述生化池附屬水泵包括進水泵、生化污水循環泵、射流泵、消泡泵、硝酸鹽回流泵及超濾回流泵；所述風機鼓風溫度為40℃～150℃。

5.根據權利要求1～4任一項所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于：步驟S2中，得到生化系統降溫所需換熱量的公式為：Qsum=Q1+Q2+Q3+Q4（1）其中，Q1為進水熱效應，Q2為水泵熱效應，Q3為生化反應放熱量，Q4為鼓風曝氣熱傳導熱量。

6.根據權利要求5所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于：步驟S3中，得到所需生化污水循環流量的公式為：QH=（Qsum/1.16）/Δt（2）其中，QH為所需生化污水循環流量；Qsum為所需換熱量；Δt為冷卻塔降溫幅度。

7.根據權利要求6所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于：得到進水熱效應的公式為：Q1=Q×C水×（T1-T2）（1-1）其中，Q為進水流量；C水為水的比熱容；T1為進水溫度；T2為生化污水溫度；得到水泵熱效應的公式為：Q2=(P1+P2+P3+P4)×β（1-2）其中，P1為進水泵軸功率；P2為射流泵軸功率；P3為硝酸鹽回流泵和超濾回流泵的軸功率；P4為生化污水循環泵軸功率；β為熱量轉換系數；得到生化反應放熱量的公式為：Q3=Rl+R2+R3（1-3）其中，Rl為硝化反應放熱量；R2為反硝化反應放熱量；R3為COD氧化反應放熱量；得到硝化反應放熱量的公式為：Rl=a×Q×Na（1-3-1）其中，a為硝化反應熱效應；Na為進水氨氮濃度；得到反硝化反應放熱量的公式為：R2=b×Q×Na×γ（1-3-2）其中，b為反硝化反應熱效應；γ為反硝化率；得到COD氧化反應放熱量的公式為：R3=c×Q×（S1-S2-S3）（1-3-3）其中，c為COD氧化反應熱效應；S1為進水COD濃度；S2為出水COD濃度；S3為進水BOD濃度；得到鼓風曝氣熱傳導熱量的公式為：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為鼓風風量；T5為風機鼓風溫度；X為環境空氣含水量；T0為環境溫度。

8.根據權利要求1所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法，其特征在于：所述其它相關參數還包括冷卻循環水的電導率最高閾值σmax和最低閾值σmin；所述步驟還包括：獲取冷卻循環水的電導率值σ，將σ與預設的電導率最高閾值σmax和最低閾值σmin進行比較；當σ≥σmax時，控制冷卻塔排水，同時補充新鮮水；當σ≤σmin時，停止冷卻塔排水，同時停止補充新鮮水。

9.一種廢水處理生化系統自動降溫裝置，包括進水單元（1）、生化單元（2）、冷卻單元（3）和控制單元（4），其特征在于：所述進水單元（1）包括進水泵（11）、進水管（12）和進水參數檢測儀，所述進水參數檢測儀位于進水管（12）上，包括進水溫度傳感器（121）、進水流量計（122）、COD在線檢測儀（123）和氨氮在線檢測儀（124）；所述生化單元（2）包括生化池（21）、曝氣風機（22）、曝氣管（23）和進氣參數檢測儀，所述曝氣管（23）用于將曝氣風機（22）與生化池（21）連通，所述進氣參數檢測儀位于曝氣管（23）上，包括進風流量計（231），生化池（21）內還設有生化污水溫度傳感器（211），所述進水管（12）的出口與生化池（21）連通；所述冷卻單元（3）包括生化污水循環泵（31）、換熱器（32）、生化污水循環管（33）、冷卻塔（34）、冷卻水循環泵（35）和冷卻水循環管（36），所述生化污水循環管（33）將生化池（21）、生化污水循環泵（31）與換熱器（32）的熱側管道連通，所述生化污水循環管（33）上設有生化污水循環流量計（331），所述冷卻水循環管（36）將冷卻塔（34）、冷卻水循環泵（35）與換熱器（32）的冷側管道連通，冷卻水循環管（36）上設有冷卻水循環流量計（361）；所述進水參數檢測儀、進氣參數檢測儀、生化污水循環泵（31）、冷卻水循環泵（35）分別與控制單元（4）連接，所述控制單元（4）編寫有控制程序，所述控制程序用于執行權利要求1～8任一項所述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法。

10.根據權利要求9所述的廢水處理生化系統自動降溫裝置，其特征在于：所述冷卻單元（3）還包括電導率檢測儀（37）、補水泵（38）、補水管（39）和排污管（30），所述電導率檢測儀（37）用于檢測循環冷卻水的電導率，所述補水管將冷卻塔（34）、補水泵（38）與外部水源連通，所述排污管（30）位于冷卻塔（34）的集水池底部，排污管（30）上設有排污閥（301）；所述電導率檢測儀（37）、補水泵（38）、排污閥（301）分別與控制單元（4）或一另設的控制器（5）連接。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種控制精準、自動化程度高的廢水處理生化系統自動降溫控制方法及裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：一種廢水處理生化系統自動降溫控制方法，包括以下步驟：S1、獲取生化系統的進水熱效應Q1、水泵熱效應Q2、生化反應放熱量Q3和鼓風曝氣熱傳導熱量Q4；S2、根據進水熱效應Q1、水泵熱效應Q2、生化反應放熱量Q3和鼓風曝氣熱傳導熱量Q4得到生化系統降溫所需換熱量Qsum；S3、根據所需換熱量Qsum得到換熱時所需生化污水循環流量QH和所需冷卻水循環流量QC；S4、根據所需生化污水循環流量QH調節生化污水循環泵流量QH1，根據所需冷卻水循環流量QC調節冷卻水循環泵流量QC1。

進一步改進的：步驟S4中，調節的終點為：所需生化污水循環流量QH與生化污水循環泵流量QH1的比值為0.95～1.05；和/或，所需冷卻水循環流量QC與冷卻水循環泵流量QC1的比值為0.95～1.05。

進一步改進的：步驟S1中，所述進水熱效應Q1、水泵熱效應Q2、生化反應放熱量Q3和鼓風曝氣熱傳導熱量Q4根據生化系統的進水參數、曝氣的進氣參數、運行參數和其它相關參數得到；所述進水參數包括進水溫度和進水流量，還包括進水COD值或進水BOD值中至少一種，進水氨氮值或進水總氮值中至少一種；所述進氣參數包括進氣流量，所述運行參數包括生化池內生化污水的溫度。

進一步改進的：步驟S1中，所述其它相關參數包括所在地區的大氣壓力、生化系統反硝化速率、生化污水的控制目標溫度范圍、水的比熱容、生化池附屬水泵軸功率、硝化反應熱效應系數，反硝化反應熱效應系數、COD氧化反應熱效應系數、環境空氣含水量、風機鼓風溫度、水垢系數、換熱器傳熱系數、換熱器換熱面積、修正系數。

進一步改進的：所述生化系統反硝化速率為0.02～0.13NO3-N/kgMLSS/d；所述生化污水的控制目標溫度范圍32℃～36℃，所述生化池附屬水泵軸功率總和的50%～99%轉化為熱能，所述生化池附屬水泵包括進水泵、生化污水循環泵、射流泵、消泡泵、硝酸鹽回流泵及超濾回流泵；所述風機鼓風溫度為40℃～150℃。

進一步改進的：步驟S2中，得到生化系統降溫所需換熱量的公式為：Qsum=Q1+Q2+Q3+Q4（1）其中，Q1為進水熱效應，Q2為水泵熱效應，Q3為生化反應放熱量，Q4為鼓風曝氣熱傳導熱量。

進一步改進的：步驟S3中，得到所需生化污水循環流量的公式為：QH=（Qsum/1.16）/Δt（2）其中，QH為所需生化污水循環流量；Qsum為所需換熱量；Δt為冷卻塔降溫幅度。

進一步改進的：得到進水熱效應的公式為：Q1=Q×C水×（T1-T2）（1-1）其中，Q為進水流量；C水為水的比熱容；T1為進水溫度；T2為生化污水溫度。

進一步改進的：得到水泵熱效應的公式為：Q2=(P1+P2+P3+P4)×β（1-2）其中，P1為進水泵軸功率；P2為射流泵軸功率；P3為硝酸鹽回流泵和超濾回流泵的軸功率；P4為生化污水循環泵軸功率；β為熱量轉換系數。

進一步改進的：得到生化反應放熱量的公式為：Q3=Rl+R2+R3（1-3）其中，Rl為硝化反應放熱量；R2為反硝化反應放熱量；R3為COD氧化反應放熱量。

進一步改進的：得到硝化反應放熱量的公式為：Rl=a×Q×Na（1-3-1）其中，a為硝化反應熱效應；Na為進水氨氮濃度。

進一步改進的：得到反硝化反應放熱量的公式為：R2=b×Q×Na×γ（1-3-2）其中，b為反硝化反應熱效應；γ為反硝化率。

進一步改進的：得到COD氧化反應放熱量的公式為：R3=c×Q×（S1-S2-S3）（1-3-3）其中，c為COD氧化反應熱效應；S1為進水COD濃度；S2為出水COD濃度；S3為進水BOD濃度。

進一步改進的：得到鼓風曝氣熱傳導熱量的公式為：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為鼓風風量；T5為風機鼓風溫度；X為環境空氣含水量；T0為環境溫度。

進一步改進的：所述其它相關參數還包括冷卻循環水的電導率最高閾值σmax和最低閾值σmin；所述步驟還包括：獲取冷卻循環水的電導率值σ，將σ與預設的電導率最高閾值σmax和最低閾值σmin進行比較；當σ≥σmax時，控制冷卻塔排水，同時補充新鮮水；當σ≤σmin時，停止冷卻塔排水，同時停止補充新鮮水。

作為一個總的發明構思，本發明還提供了一種廢水處理生化系統自動降溫裝置，包括進水單元、生化單元、冷卻單元和控制單元，所述進水單元包括進水泵、進水管和進水參數檢測儀，所述進水參數檢測儀位于進水管上，包括進水溫度傳感器、進水流量計、COD在線檢測儀和氨氮在線檢測儀；所述生化單元包括生化池、曝氣風機、曝氣管和進氣參數檢測儀，所述曝氣管用于將曝氣風機與生化池連通，所述進氣參數檢測儀位于曝氣管上，包括進風流量計，生化池內還設有生化污水溫度傳感器，所述進水管的出口與生化池連通；所述冷卻單元包括生化污水循環泵、換熱器、生化污水循環管、冷卻塔、冷卻水循環泵和冷卻水循環管，所述生化污水循環管將生化池、生化污水循環泵與換熱器的熱側管道連通，所述生化污水循環管上設有生化污水循環流量計，所述冷卻水循環管將冷卻塔、冷卻水循環泵與換熱器的冷側管道連通，冷卻水循環管上設有冷卻水循環流量計；所述進水參數檢測儀、進氣參數檢測儀、生化污水循環泵、冷卻水循環泵分別與控制單元連接，所述控制單元編寫有控制程序，所述控制程序用于執行上述的廢水處理生化系統自動降溫控制方法。

進一步改進的：所述冷卻單元還包括電導率檢測儀、補水泵、補水管和排污管，所述電導率檢測儀用于檢測循環冷卻水的電導率，所述補水管將冷卻塔、補水泵與外部水源連通，所述排污管位于冷卻塔的集水池底部，排污管上設有排污閥；所述電導率檢測儀、補水泵、排污閥分別與控制單元或一另設的控制器連接。

與現有技術相比，本發明的優點在于：（1）本發明廢水處理生化系統自動降溫控制方法，先根據生化系統進水熱效應、水泵熱效應、生化反應放熱量和鼓風曝氣熱傳導熱量得到生化系統降溫至目標溫度所需的換熱量，再根據所需換熱量得到換熱時所需生化污水循環流量和所需冷卻水循環流量；最后根據所需生化污水循環流量調節生化污水循環泵流量，根據所需冷卻水循環流量調節冷卻水循環泵流量。本發明的控制方法綜合影響生化系統熱效應的多個關鍵因素，得到降至目標溫度所需的目標換熱量，根據熱平衡等量關系，換熱時生化系統釋放的熱量等于冷卻水吸收的熱量，得出換熱器的熱側介質和冷側介質的目標循環流量，根據目標循環流量來調節控制實際循環流量。相比傳統方式通過生化池單一的溫度反饋控制，本發明的控制方法克服了現有技術由于池容過大，短時間內難以混合均勻，導致反饋參數與實際參數存在較大偏差，無法準確調控的技術缺陷。本發明通過換熱目標循環流量調節實際循環流量的控制方法，由于綜合了諸多影響因素，控制更精準可靠，可以確保生化池內的溫度處于一個相對穩定的工況，使生化池內的溫度波動幅度基本不超過1℃。

（2）本發明的控制方法通過關鍵參數信號、邏輯運算的方式控制生化池內降溫時生化污水循環流量和冷卻水循環流量，進而達到控制生化池內溫度指標的目的，可完全自動化運行，操作簡單，減少了因操作人員的技術能力差異引起的不必要的能源損耗及其它不確定性因素的影響，也因此降低了人工成本。

（3）本發明的控制方法通過電導率反饋控制方式，對冷卻循環水進行及時換新，實時監測調控冷卻循環水的電導率在適當的范圍，避免冷卻水因循環蒸發引起水中鈣鎂離子和氯離子富集導致設備內部結垢及腐蝕問題。

（4）本發明廢水處理生化系統自動降溫裝置，在現有設施的基礎上增設了多種進水參數檢測儀、進氣參數檢測儀，電氣元件及控制單元，用于實現本發明的控制方法，以達到精準調控生化池內溫度參數的效果。本發明的裝置可以實現自動化精確調控生化池溫度參數，讓微生物處于一個相對恒定的溫度工況，提高微生物的活性及降解污染物速率，同時操作簡單，可減少因操作人員技術能力的差異引起的能源損耗和減少不確定性因素的影響。

（5）本發明的裝置在冷卻單元增設了電導率檢測儀、排污部件、補水部件及控制連接部件，通過實時監測控制冷卻循環水的電導率指標，及時排出冷卻塔濃水，補充新鮮水，使電導率控制在適當的范圍，達到防止鈣鎂離子在換熱器結垢及氯離子腐蝕冷卻塔的問題，因為冷卻水在循環過程中會逐漸蒸發，會導致水中的鈣鎂離子和氯離子富集，當富集到一定濃度后，鈣鎂離子將在換熱器內壁結垢，氯離子將對冷卻塔有一定的腐蝕作用。

（發明人：田黎黎;肖冬杰;高新;戴宇霆）