高新基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统及技术与流程

高新基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统及技术与流程

1.本发明涉及水质净化技术领域,具体涉及到一种基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统及方法。

背景技术:

2.伴随着城市化和工业化进程,全球饮用水水源水质逐年下降已经是一个不争的事实。在国内很多居民不得不饮用纯净水。由此可见,提高城市和工业污水厂的排放标准和革新饮用水净化技术已迫在眉睫。在工程技术领域,高级氧化技术应运而生,以此来分解那些持久性有机污染物(persistentorganic pollutants,pops),以实现水资源可持续利用,保障水生态系统良性循环。
3.臭氧间接氧化(标准氧化还原电位2.8v)和臭氧的直接氧化(臭氧氧化和臭氧消毒等,标准氧化还原电位2.07v)有非常大的不同。臭氧的间接氧化就是向水中溶入臭氧,在催化剂的作用下通过链式反应产生羟基自由基。因为羟基自由基的氧化能力仅次于单质氟,因此可利用羟基自由基来分解水中持久性有机物。在臭氧的间接氧化中臭氧只是一种原料不直接参与氧化过程。
4.因为羟基自由基的氧化能力远远高于臭氧本身的氧化能力,不但可以应用于难降解废水的处理,也可以应用于自来水净化领域。以此斩断持久性污染物在水生态系统中的循环与积累。随着人们对水环境质量的重视,近年来臭氧间接氧化技术的应用逐渐广泛。
5.对多种水的臭氧间接氧化处理过程的研究表明,因为臭氧的间接氧化过程中涉及到一系列复杂的链式反应,所以反应器中的臭氧浓度与臭氧投加量之间不是一个简单的线性关系,如图2所示。从中我们可以看出,在臭氧浓度上升区反应器中的臭氧浓度随着臭氧投加量的增加而提高。而在臭氧浓度平台区臭氧浓度提高趋势变缓。在臭氧浓度上升区和臭氧平台区之间存在一个临界区,当臭氧投加量位于临界区时,净化效率接近最大值。这就意味着临界区后臭氧投加量将不是臭氧间接氧化过程的主要限制性因素(包括水力停留时间、催化剂类型等等)。因此以臭氧浓度为控制变量,以临界区(最佳工况区)臭氧浓度为控制依据即可实现臭氧间接氧化水质净化过程的臭氧投加自动控制。

技术实现要素:

6.本发明的目的是提供一种基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统及方法,可以在水质和水量发生变化时,自动调节臭氧投入量,来响应水质和水量的变化。
7.为达上述目的,本发明提供了一种基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统,包括依次连接的反应器、臭氧浓度变送器、plc控制器、逆变电源、臭氧发生器和混合器,以及两端分别与plc控制器和臭氧发生器连接的流量调节阀,逆变电源包括电性连接的供电系统和变频器。
8.采用上述方案的有益效果是:在反应器末端安装有臭氧浓度变送器,可以将测定的臭氧的浓度值以数字信号输送给plc控制器,plc控制器再来调整逆变电源的频率和脉宽
进而调整电源的输出功率,从而控制臭氧发生器中的臭氧产率,再将臭氧发生器中产生的臭氧输送到混合器中,与水混合后进入反应器中发生反应。其中,流量调节阀与plc控制器电性连接,通过plc控制器可以调节富氧气体的流量,以稳定臭氧发生器产气的臭氧浓度。其中,plc控制器的型号可以是欧姆龙cp1h

x40dt

d型plc控制器。
9.优选地,混合器设置有进水口;流量调节阀连接有进气口。
10.采用上述方案的有益效果是:进水口投入需要净化的水,在混合器中先与来自于臭氧发生器中的臭氧混合,混合均匀后再进入反应器中发生反应,可以提高反应效率;通过流量调节阀连接进气口,将富氧气体可控制的输送到臭氧发生器中,避免富氧气体流量过大而造成浪费,也防止流量过小而不能满足净化过程的需要。
11.优选地,反应器包括由下至上依次设置的布水区、催化区、检测区以及气液分离区,布水区设置有均匀的布水管道,检测区与臭氧浓度变送器连接。
12.采用上述方案的有益效果是:在混合器中混合过的含有臭氧的水流进入布水区,在均匀的布水管道的调控下,进入催化区,在催化剂的作用下臭氧分解产生羟基自由基,而羟基自由基与有机污染物分子中的活泼结构单元,如苯环、

oh、

nh2等发生反应,会引发自由基链反应,即可以将水中的有机污染物分解;分解后的水流进入检测区,通过臭氧浓度变送器检测到臭氧浓度的数字信号,再传输给plc控制器;经过检测区后在气液分离区出水,完成净化过程。
13.优选地,气液分离区还设置有出水口和尾气处置端口,出水口与集水槽连接,尾气处置端口位于反应器顶端。
14.采用上述方案的有益效果是:经过检验的水流在气液分离区进行气液分离,而后通过出水口流出反应器,而分离的气体则进入尾气处置端口进行集中回收或处理。
15.优选地,臭氧发生器的数量为一台或并联的多台。
16.采用上述方案的有益效果是:在臭氧投加量较大的情况下可以采用多台臭氧发生器并联工作,并在部分臭氧发生器装配臭氧投加控制系统,就可以达到节能降耗的目的。
17.采用臭氧间接氧化臭氧投加自控系统进行臭氧投加,包括以下步骤:
18.(1)使用plc控制器控制逆变电源,使臭氧发生器按照设定的臭氧初始投加量制取臭氧,然后通过混合器投放到反应器中;
19.(2)、使用pid比例调节法调整臭氧发生器逆变电源的输出功率,同时调节流量调节阀;
20.(3)、再通过臭氧浓度变送器测定反应器中臭氧浓度,并将数字信号输送给plc控制器构建臭氧浓度变化曲线,设定信号滞后时间;
21.(4)、稳定运行过程中以步骤(3)构建的曲线中臭氧浓度上升区与平台区之间的临界区作为最佳工况区,确定臭氧投加量;
22.(5)、进入稳定运行后系统会自动跟踪最佳工况区漂移,跟踪的动作周期为1

4h;
23.(6)、通过步骤(5)核准的最佳工况区臭氧浓度来调控臭氧投加量。
24.采用上述方案的有益效果是:首先通过小试,得到一个初始的臭氧投加量。通过plc控制器调整逆变电源的输出功率,来控制臭氧发生器按照初始值制取臭氧,并通过混合器投放到反应器中;其次,通过pid即比例

积分

微分控制器比例调节法,构建臭氧浓度曲线,即以臭氧浓度为控制变量,以其他参数诸如反应时间、催化剂类型、废水水质为不变量,
调节臭氧发生器逆变电源的输出功率和流量调节阀的大小进而控制臭氧的产率和浓度,得到一条包括臭氧浓度上升区与平台区的臭氧浓度曲线,以这条臭氧浓度曲线中臭氧浓度上升区和平台区之间的临界区,作为最佳工况区,根据最佳工况区的臭氧浓度来调控臭氧投加量;另外,从臭氧投加量改变到臭氧浓度变送器检测到臭氧浓度变化存在响应滞后的问题,可根据反应器的类型人为设定滞后时间,采用数据滞后采集处理的方法来解决控制变量响应滞后的问题;当水质发生波动,最佳工况区出现漂移,系统会自动跟踪最佳工况区的漂移,跟踪的动作周期在1

4h之间,水质比较稳定取高值,水质波动频繁取低值。
25.优选地,步骤(2)中输出功率调整幅度为逆变电源可调幅度的2%

5%。
26.优选地,步骤(3)中的信号滞后时间≥v1/q,其中v1代表催化剂堆体体积,q代表设计流量;如果采用均相催化,则滞后时间≥v2/q,v2代表反应器的有效容积。
27.采用上述方案的有益效果是:合理设定逆变电源的调整幅度可以构建一条比较准确的臭氧浓度曲线,同时数据采集、处理的工作量也有所降低。跟据反应器的类型设定滞后时间可以解决数据变量响应滞后的问题。
28.综上所述,本发明具有以下优点:
29.1、以臭氧浓度为控制变量,以临界区即最佳工况区的臭氧浓度来控制臭氧投加量,不需要人为干预,方法科学简单;
30.2、通过plc控制器对流量调节阀和逆变电源的同步控制,进而控制臭氧产率和臭氧浓度,方法简单,而且可靠性好;
31.3、以最佳工况区的臭氧浓度来控制臭氧投加量其净化效率接近最大值,臭氧的利用效率较高,经济技术可行性较好。
附图说明
32.图1为臭氧间接氧化臭氧投加控制系统图;
33.图2为臭氧浓度变化曲线;
34.图3为农药生产废水臭氧间接氧化预处理控制过程示意图;
35.图4为地下水臭氧间接氧化预处理控制过程示意图;
36.图5为生物制药废水臭氧间接氧化处理控制过程示意图;
37.其中,1、反应器;2、臭氧浓度变送器;3、plc控制器;4、逆变电源;5、臭氧发生器;6、混合器;7、流量调节阀;8、尾气处置系统;9、布水管道;10、催化区;11、检测区;12、气液分离区;13、出水口;14、液位测定仪。
具体实施方式
38.本发明提供了一种臭氧间接氧化臭氧投加控制系统及方法,下面参照具体的实施例做出详细的解释说明。
39.实施例1
40.本发明提供了一种农药生产废水的臭氧间接氧化臭氧投加控制系统,如图3所示:包括通过管道依次连接的制氧机、臭氧发生器5、混合器6以及反应器1,其中混合器6外接有水泵,制氧机外接有冷却水管,反应器1连接有臭氧浓度变送器2、出水口13以及尾气处置系统8;其中,制氧机、臭氧发生器5、混合器6、水泵、反应器1以及出水口13均与plc控制器3电
性连接。
41.利用农药生产废水臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统进行臭氧投加,包括以下步骤:
42.(1)、根据进水化学的需氧量为2900

3125mg/l和臭氧投量的经验值设定臭氧初始投加量,选用制氧源臭氧发生器,其制取的混合气体中臭氧浓度为160mg/l;
43.(2)、使用plc控制器3控制臭氧发生器上的配置的逆变电源4输出功率,使臭氧发生器5按照步骤(1)设定的投加量制取臭氧,通过混合器6投放到反应器1中,反应器1中的催化剂类型为均相催化;
44.(3)、使用pid比例调节法,首先调整臭氧发生器5内置的逆变电源4的输出功率,调整幅度为逆变电源可调范围值的2%,以调整臭氧发生器的臭氧的产率(提高或者降低),相应地调节制氧机的产率;
45.(4)、再通过臭氧浓度变送器2测定反应器1中臭氧浓度,数字信号输送给plc控制器3构建臭氧浓度变化曲线,其中滞后时间设定为30min;
46.(5)、稳定运行过程中以步骤(4)所构建的曲线中的臭氧浓度上升区与平台区之间的临界区作为最佳工况区,确定臭氧投加量;
47.(6)、进入稳定运行后系统会自动跟踪最佳工况区漂移,跟踪的动作周期设定为1.2h;
48.(7)、根据步骤(6)以核准后的最佳工况区臭氧浓度来调控臭氧投加量。
49.通过上述方法对农药生产废水臭氧间接氧化,化学需氧量去除率在35

40%,解除了农药生产废水的毒性,并提高了可生化性。
50.实施例2
51.本发明提供了一种饮用水的臭氧间接氧化臭氧投加控制系统,如图4所示:以臭氧间接氧化为地下水净化预处理单元,以去除地下水中的高锰酸钾需氧量。地下水净化处理工艺流程包括地下水取水、臭氧的间接氧化、混凝沉淀、过滤、储水池储水。
52.该系统包括通过管道依次连接的臭氧发生器5、混合器6以及反应器1,其中,臭氧发生器5内置有逆变电源,外接有冷却水管道和冷却水阀门,反应器1顶端设置有尾气处置系统8,底部设置有出水口13,顶部设置有液位测定仪14,靠近出水的一侧的上部设置有臭氧浓度变送器2,并且冷却水阀门、臭氧发生器5、反应器1、尾气处置系统8、臭氧浓度变送器2以及出水口13均与plc控制器3电性连接。
53.利用饮用水臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统进行臭氧投加,包括以下步骤:
54.(1)、根据进水高锰酸钾平均需氧量为3.6mg/l,以及经验值确定臭氧初始投加量,选购空气源臭氧发生器5,其制取的混合气体中臭氧浓度为20mg/l;
55.(2)、使用plc控制器3控制臭氧发生器内置逆变电源,使臭氧发生器5按照步骤(1)设定的投加量制取臭氧,通过混合器6投放到反应器1中,反应器1中的催化剂类型为均相催化;
56.(3)、使用pid比例调节法调整臭氧发生器5内置逆变电源的输出功率,每次整幅度为逆变电源可调范围值的2%;
57.(4)、再通过臭氧浓度变送器2测定反应器1中臭氧浓度,并将数字信号输送给plc控制器3构建臭氧浓度变化曲线,其中滞后传送时间为20min;
58.(5)、稳定运行过程中以步骤(4)所构建的的曲线中臭氧浓度上升区与平台区之间的临界区作为最佳工况区,确定臭氧投加量;
59.(6)、进入稳定运行后系统会自动跟踪最佳工况区漂移,因为地下水水质比较稳定,所以跟踪的动作周期设为8.0h;
60.(7)、通过步骤(6)以核准后的最佳工况区臭氧浓度来调控臭氧投加量。
61.通过上述方法对地下水臭氧间接氧化预处理,处理后的高锰酸钾需氧量≤1mg/l。
62.实施例3
63.本发明提供了一种生物制药厂废水处理的臭氧间接氧化臭氧投加控制系统,如图5所示:以臭氧间接氧化为生化处理的后续流程。生物制药废水处理工艺流程包括预处理、生化处理、臭氧间接氧化、曝气生物滤池、消毒以及排放六个单元。
64.该系统包括通过管道连接的制氧机、臭氧发生器5、混合器6以及反应器1。其中,制氧机外接有冷却水管道和冷却水阀门,混合器6外接有进水管道、管道泵以及催化剂投加系统,反应器1底部设置有排空管道,反应器尾端设置有出水口,顶部还连接有尾气处置系统,且冷却水阀门、催化剂投加系统、臭氧发生器5、管道泵、反应器1上装配的臭氧浓度变送器2以及尾气处置系统8均与plc控制器3电性连接。
65.利用臭氧间接氧化对生物制药废水进行处理其臭氧投加自控系统进行臭氧投加,包括以下步骤:
66.(1)、测得进水cod含量为200mg/l,进水色度为120,进水nh
x

n=50mg/l,根据进水水质和经验值确定臭氧初始投加量,选定制氧源臭氧发生器,其混合气体中臭氧浓度为160mg/l;
67.(2)、使用plc控制器3控制臭氧发生器上配制的逆变电源4,按照步骤(1)设定的投加值制取臭氧,通过混合器6投放到反应器1中,反应器1中的催化剂类型为均相催化;
68.(3)、使用pid比例调节法调整臭氧发生器5上配置的逆变电源4的输出功率,每次整幅度为逆变电源可调范围值的2%,相应地调节制氧机的产率;
69.(4)、再通过臭氧浓度变送器2测定反应器1中臭氧浓度,将数字信号输送给plc控制器3构建臭氧浓度变化曲线,滞后时间设定为60min;
70.(5)、稳定运行过程中以步骤(4)得到的曲线中臭氧浓度上升区与平台区的之间的临界区作为最佳工况区,确定臭氧投加量;
71.(6)、进入稳定运行后系统会自动跟踪最佳工况区漂移,漂移跟踪的动作周期为1.5h;
72.(7)、通过步骤(6)核准后的最佳工况区臭氧浓度来调控臭氧投加量。
73.通过上述方法对生物制药废水臭氧间接氧化处理,处理后的化学需氧量≤70mg/l,出水色度小于30,出水no
x

n=55mg/l。
74.虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

技术特征:
1.一种基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统,其特征在于,包括依次连接的反应器(1)、臭氧浓度变送器(2)、plc控制器(3)、逆变电源(4)、臭氧发生器(5)和混合器(6),以及两端分别与plc控制器(3)和臭氧发生器(5)连接的流量调节阀(7),所述逆变电源(4)包括电性连接的供电系统和变频器。2.如权利要求1所述的基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统,其特征在于,所述反应器(1)包括由下至上依次设置的布水区、催化区(10)、检测区(11)以及气液分离区(12),所述布水区设置有均匀的布水管道(9),所述检测区(11)与臭氧浓度变送器(2)连接。3.如权利要求2所述的臭氧间接氧化臭氧投加控制系统,其特征在于,所述气液分离区(12)还设置出水口(13)和尾气处置端口,所述出水口(13)与集水槽连接,尾气处置端口位于反应器(1)顶端。4.如权利要求1所述的基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统,其特征在于,所述臭氧发生器(5)的台数为单台或多台并联。5.利用权利要求1

4任一项所述的基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统进行臭氧投加的方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)使用plc控制器(3)控制逆变电源,使臭氧发生器(5)按照设定的臭氧初始投加量制取臭氧,然后通过混合器(6)投放到反应器(1)中;(2)、使用pid比例调节法调整臭氧发生器(5)逆变电源的输出功率,同时调节流量调节阀(7);(3)、再通过臭氧浓度变送器(2)测定反应器(1)中臭氧浓度,并将数字信号输送给plc控制器(3)构建臭氧浓度变化曲线,并设定信号滞后时间;(4)、稳定运行过程中以步骤(3)所构建的曲线中臭氧浓度上升区与平台区之间的临界区作为最佳工况区,确定臭氧投加量;(5)、进入稳定运行后系统会自动跟踪最佳工况区漂移,跟踪的动作周期为1

4h;(6)、通过步骤(5)核准的最佳工况区,调控臭氧投加量。6.如权利要求5所述的臭氧投加的方法,其特征在于,所述步骤(2)中输出功率调整幅度为逆变电源(4)可调幅度的2%

5%。7.如权利要求5所述的臭氧投加的方法,其特征在于,所述步骤(3)中的信号滞后时间≥v1/q,其中v1代表催化剂堆体体积,q代表设计流量;如果采用均相催化,则滞后时间≥v2/q,v2代表反应器的有效容积。
技术总结
本发明公开了一种基于臭氧间接氧化的臭氧投加自控系统及方法,其控制系统包括依次连接的反应器、臭氧浓度变送器、PLC控制器、逆变电源、臭氧发生器和混合器,以及两端分别与PLC控制器和臭氧发生器连接的流量调节阀,逆变电源包括电性连接的供电系统和变频器。通过这套控制系统,以臭氧浓度为控制变量,以臭氧浓度的变化规律为控制依据,以此调整逆变电源的输出功率进而调控臭氧的产率,将臭氧的投加控制在最佳工况区内,既可以实现系统的自控功能,也可以达到节能降耗的目的。也可以达到节能降耗的目的。也可以达到节能降耗的目的。

技术开发人、权利持有人:胡明成 郭建勋 付李秋 张进 朱继伟

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