专利名称：污泥脱水自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于污水处理过程中污泥脱水的自动控制系统。
污泥是污水处理过程中的固体废弃物，集中了水体中的大量细菌、病源体、有害有毒物质，处理不当，会造成严重的二次污染，使水处理效果付之东流。因此，污泥处理和处置是污水处理过程中十分重要的环节。目前，仅我国每年排放的干污泥近20万吨，湿污泥380～500万吨，而我国现有的污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到四分之一，处理工艺和配套设备较为完善的不到十分之一。从而使大量未经处理的污泥没有正常出路，既成为污水处理厂的严重负担，又造成了严重的二次污染。
污泥的无害化资源化是污泥处理的发展方向，而污泥脱水又是污泥处理的前提。因此，找到一种简单、有效、对污泥脱水过程能进行实时自动控制的方法，是国内外专家共同关心的问题。由于市政污泥有机物含量高，一般为50～60%，脱水过程极为困难，在脱水前需进行化学调节，即向污泥中投加价格昂贵的有机高分子絮凝剂。在进行化学絮凝的实际过程中，即使筛选好的最佳絮凝剂，由于污泥中固体含量的不同，絮凝剂的最佳投药量会有很大变化。投药量低于最佳量，用于机械脱水的带式压滤机不能正常运转，出现网带跑泥现象;投药量高于最佳量时，压滤机压出的滤饼发粘，含水率增加，使絮体中包裹的水不易脱除，并造成网带滤孔堵塞，不易清洗，进而使压滤机不能正常连续运转。因此，严格控制最佳投药量是带式压滤机正常运转的基本条件。另外，由于化学调节占整个污水处理过程运转费的30%左右，成本很高，所以，对投药量进行有效控制，是降低污泥处理过程费用的有效途径。
加拿大废水技术中心在80年代设计、采用了污泥脱水自动控制器，该控制器利用污泥投加絮凝药剂前后流变态的变化，使用旋转粘度计，测定加药前后污泥的剪切应力，利用剪切应力的变化，实现污泥脱水自动控制。利用该自动控制技术，平均节约用药量13%。但是，该自动控制技术主要用于消化污泥的脱水，尚未用于难脱水的未消化污泥的脱水自动控制上，并且需要精密的旋转粘度计进行剪切应力的测定，而这种粘度计至今只有美国、日本的能满足使用要求。
在我国，目前在这方面尚属空白。
本发明的目的就是在全面考虑影响最佳投药量因素，如污泥的种类、污泥的浓度和污泥中总固体流量，并由此建立最佳投药量数学模型的基础上，提供一种结构简单，实用性强的对最佳投药量进行实时控制的污泥脱水自动控制系统。
本发明所说的污泥脱水自动控制系统包括(1)污泥贮罐;
(2)与污泥贮罐相连、用于输送污泥的污泥定量泵;
(3)用于将固体絮凝药剂进行溶解的絮凝剂速溶机;
(4)与絮凝剂速溶机相连、用于调节絮凝剂供给量V2的药剂定量泵;
(5)与污泥定量泵和絮凝剂稀释器相连，用于污泥和絮凝剂进行絮凝反应的絮凝反应器;
(6)与絮凝反应器相连、对絮凝后污泥进行机械脱水的带式压榨过滤机;
本发明的特征在于，它还包括
(7)位于药剂定量泵和絮凝反应器之间的用于稀释絮凝药剂的絮凝剂稀释器;
(8)与污泥贮罐相连、用于实时测量污泥流量V1的电磁流量计;
(9)与电磁流量计相连、用于实时测量污泥浓度C1的污泥浓度计;
(10)分别与电磁流量计、污泥浓度计和药剂定量泵相连，利用实时测得的V1和C1值及给定的药剂浓度值C2对药剂流量值V2进行实时运算，并由此对药剂流量泵的药剂供给量V2进行实时控制的投药控制器，该控制器主要由以下各部分组成(a)、用于启动或复位监控程序的watchdog电路;
(b)、对给定值A、B、K、C2进行赋值的赋值器;
(c)、将测得的污泥流量V1和污泥浓度C1两个模拟量转换成数字量的模数转换器ADC;
(d)、与模数转换器ADC相匹配，用于保证测得的V1和C1值不受电场干扰的隔离放大器M和N;
(e)、利用最佳投药量与污泥浓度C1变化关系的数学模型对给定的数字量A、B、K、C2和测量转换成数字量V1、C1进行运算求出药剂流量值V2的微处理器CPU，所说的最佳投药量数学模型为式中，A为0.1～1.0;B为-0.1～+1.0;K为1.0～8.0;C2为0～2%;
(f)、将V2的数字量转换成模拟量;用以实时控制药剂定量泵流量的数模转换器DAC。
由此构成的污泥脱水自动控制系统，不仅对浓度较高的污泥具有良好的实时投药控制和脱水作用，而且对浓度较低未消化、难于脱水的污泥仍具良好的实时投药控制和脱水作用，利用本发明，污泥脱水过程安全可靠，平均节约用药量高于15%，而且整个自动控制系统构成简单，成本低、易于实施，具有很好的社会效益和经济效益。
以下结合附图对本发明的数学模型的建立、自动控制程序和自动控制系统的应用作详细描述。
图1本发明数学模型的曲线图。
图2本发明控制程序框图。
图3本发明自动控制系统示意图。
本发明中数学模型的建立基于如下原理污泥脱水化学调节过程中絮凝剂的投加量主要取决于污泥的种类、污泥的浓度(%)和污泥中的总固体流量。浓度不同的污泥具有不同的最佳投药量数值(mg药/g干泥)。随着污泥浓度的增加，最佳投药量数值相应降低。污泥种类不同，最佳投药量值也不同。针对某种特定污泥，进行模拟工艺试验来建立数学模型，是实现系统自动控制的基础。
对某种特定浓度的污泥，当最佳投药量mg药/g干泥通过试验确定后，投药量则取决于某时间间隔内污泥中的总固体流量。设总固体流量为Q，由污泥浓度和污泥流量得Q＝C1×W1×d (1)C1污泥浓度(%);
W1污泥质量流量(kg/s);
d污泥比重(kg/l)。
d在C1为0～5%时可近似为1。精确测量瞬时污泥的浓度和流量，对实现投药的自动控制是非常重要的。
当配制浓度为C2的药液后，投药量和污泥的关系式如下C2W2＝QY (2)式中，Y最佳投药量W2药液质量流量。
将(1)式代入(2)式得C2W2＝C1W1Y (3)设V1为污泥流量(l/s)，V2为药剂流量(l/s)，由于药液比重约等于1，则W2＝V2(4)W1＝V1(5)本发明通过工艺试验获得的最佳投药量Y与污泥浓度的关系曲线如图1所示，试验结果见表1。
表1
<p>根据表1的两组试验数据对最佳投药量Y按Y＝AEBX进行回归，最终求得最佳投药量方程如下Y＝4.53.e-0.26x(6)将(3)式与(6)式合并，并将W1＝V1、W2＝V2代入整理后得V2=KV1C1C2(e-AC1+B)---(7)]]>(7)式即为实际系统的最佳投药量与污泥浓度C1变化关系的自动控制数学模型。
为使该数学模型能用于污泥脱水的投药控制中，本发明根据该数学模型设计了计算机控制程序，控制程序的框图如图2所示。
本发明是通过图3所示的自动控制系统利用图2所示的控制程序对污泥的投药和脱水过程实行实时控制的。控制原理如下贮存于污泥贮罐中的污泥由与其相连的污泥定量泵送入絮凝反应器，在污泥贮罐和污泥定量泵之间串接电磁流量计和污泥浓度计，用于实时测量污泥的流量V1和污泥浓度C1，并将V1和C1值输入由计算机控制的投药控制器;与絮凝反应器相连的还有絮凝剂稀释器和絮凝剂速溶机，在絮凝反应器和絮凝剂速溶机之间接有调节药剂供给量V2的药剂定量泵，该泵通过电路与投药控制器相连。在实际控制中，药剂浓度C2是给定的，当污泥的种类、污泥处理的环境条件以及控制系统的硬件等因素确定后，上述数学模型中的A、B、K值也是确定的，将C2、A、B、K四个常量通过赋值器输入由计算机程序控制的投药控制器，该控制器就会按照图2框图所示的程序利用上述数学模型运算出药剂定量泵应向絮凝反应器输送的药剂量V2，由此确定药剂定量泵的给药量。随着污泥处理过程中V1和C1的变化，药剂定量泵的给药量V2也会随之相应地改变，从而实现了污泥处理过程中最佳投药量的实时控制。由药剂定量泵输出的药剂浓度较高，而要求参与絮凝器絮凝反应的药剂浓度则应较低，因此，在药剂定量泵和絮凝反应器之间设置了絮凝剂稀释器，以便向絮凝反应器输送低浓度的药剂。絮凝剂稀释器是一种接有自来水管和药剂定量泵药管的管状腔体结构，在稀释器腔体中，来自定时泵的药剂与自来水在腔体内充分混合后被稀释，然后输送给絮凝反应器。由于药剂定量泵向絮凝反应器输送的药剂量每时每刻都能保证是最佳投药量，所以絮凝反应器中污泥的絮凝反应总能保证处于最佳状态，因此，由絮凝反应器输送给带式压滤机的污泥絮凝状况好，絮体中的水易于脱除，不会出现压滤机网带堵塞的现象，更不会有网带跑泥的情况产生，在整个污泥脱水过程中，带式压滤机会保持良好的连续运转状态。脱水处理后的滤饼含水率低，可直接进入污泥堆肥工序进行好氧堆肥。
本发明的自动控制系统中，所用的电磁流量计是通用的流体流量计，药剂定量泵也是通用件，均为市售产品，很容易购得。所用的药剂速溶机根据固体药剂的难溶解特点研制而成，它采用三台推进式搅拌器进行搅拌，可实现全自动运转。所用的污泥浓度计是国际上采用较多的超声波浓度计。所用的絮凝反应器为低速搅拌式反应器，由于加入有机高分子絮凝剂是不可逆过程，过速搅拌会破坏絮体，只有低速搅拌才能产生适于带式压滤机脱水要求的絮体。本发明所用的带式压滤机为已有市售产品。
在本发明的投药控制器中，由于投药控制参数不多，微处理器CPU采用8051单片机。所用的watchdog电路、ADC和DAC转换器也均为市售产品。此外，为使污泥流量计和污泥浓度计的测量不受电场干扰，在ADC上配置了隔离放大器M和N，以保证C1和V1值的准确性。所说的赋值器可以是标准拔动开关，也可以标准输入键盘，以完成对给定值赋值。本发明投药控制器在运算完V2值后，会自动返回，进行下一个周期的V2值运算，运算过程如此往复进行，实时控制则不断进行下去。
权利要求
1.一种用于污水处理的污泥脱水自动控制系统，包括(1)、污泥贮罐；(2)、与污泥贮罐相连、用于输送污泥的污泥定量泵；(3)、用于将固体絮凝药剂进行溶解的絮凝剂速溶机；(4)、与絮凝剂速溶机相连、用于调节絮凝剂供给量V2的药剂定量泵；(5)、与污泥定量泵和絮凝剂稀释器相连，用于污泥和絮凝剂进行絮凝反应的絮凝反应器；(6)、与絮凝反应器相连、对絮凝后的污泥进行机械脱水的带式压榨过滤机；本发明的特征在于，它还包括(7)、位于药剂定量泵和絮凝反应器之间的用于稀释絮凝药剂的絮凝剂稀释器；(8)、与污泥贮罐相连、用于实时测量污泥流量V1的电磁流量计；(9)、与电磁流量计相连、用于实时测量污泥浓度C1的污泥浓度计；(10)、分别与电磁流量计、污泥浓度计和药剂定量泵相连、利用实时测得的V1和C1值及给定的药剂浓度值C2对药剂流量值V2进行实时运算、并由此对药剂流量泵的药剂供给量V2进行实时控制的投药控制器，该控制器主要由以下各部分组成(a)、用于启动或复位监控程序的Watchdog电路；(b)、对给定值A、B、K、C2进行赋值的赋值器；(c)、将测得的污泥流量V1和污泥浓度C1两个模拟量转换成数字量的模数转换器ADC；(d)、与模数转换器ADC相匹配，用于保证测得的V1和C1不受电场干扰的隔离放大器M和N；(e)、利用最佳投药量与污泥浓度C1变化关系的数学模型对给定的数字量A、B、C2、K和测量转换成的数字量V1、C1进行运算求出药剂流量值V2的微处理器CPU，所说的最佳投药量数学模型为 V2=k (V1C1)/(C2) (e-AC1+B)式中，A为0.1～1.0，B为-1.0～+1.0，C2为0～2%，K为1.0～8.0；(f)、将V2的数字量转换成模拟量，用以实时控制药剂定量泵流量的数模转换器DAC。
全文摘要
本发明涉及一种用于污水处理过程中污泥脱水的自动控制系统，它主要由污泥贮罐、污泥流量计、药剂速溶机、药剂定量泵、投药控制器以及带式压滤机组成，本发明通过投药控制器利用最佳投药量与污泥浓度变化关系的数学模型对污泥脱水的投药过程进行计算机实时控制。本发明自动控制系统构成简单，成本低，它可使脱水过程中的投药量节省15％以上，而且控制性能准确、稳定，能保证脱水过程连续正常运转，具有很好的社会效益和经济效益。
文档编号C02F11/14GK1107444SQ9410143
公开日1995年8月30日 申请日期1994年2月23日 优先权日1994年2月23日
发明者田秀敏, 刘开连, 楼上游, 马殿旗, 黎琦, 胡仕铭 申请人:机械电子工业部机械工业环境保护技术研究所