污水厂管道式外回流污泥浓度和流量在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及城市污水厂建设运行技术领域，特别涉及污水厂管道式外回流污泥浓度和流量在线监测装置及方法。

背景技术

污水厂处理过程中的流量检测比较单一。在检测位置方面，水线流量检测一般仅局限在预处理之前，暨细格栅井及沉砂池之后的进水流量计量，尾水排放渠(井)位置的出水流量计量，以及泥线流量检测多为二沉池剩余污泥排泥量。检测手段多采用管道式电磁流量计。

在污水厂的最重要单元—生化池部位，影响除碳、生物脱氮和除磷、设备运行能耗的关键参数，生化池单体进水量(总进水量分配到各个生化池单体的进水量)、混合液外回流量(影响生物脱氮除磷效果)、污泥外回流量很少进行尽量。参与控制时，流量获得方式多为人为推算，通过水泵电机转速或工作功率电流数进行推演，无法做到数据精准。安装数量、位置比较单一，类型多采用电磁流量计。电磁流量计由于现场污水环境的复杂和恶劣,在长期的使用过程中电磁流量计准确度还是无法得到保障。

鉴于上述原因，如何解决现有技术中无法获得准确的生化池回流数据的缺陷成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供污水厂管道式外回流污泥浓度和流量在线监测装置及方法，实现的目的是解决现有技术中无法获得准确的生化池回流数据的缺陷，不但能够快速准确的获得流量数据，还能够实现可快速拆卸维护、适配于多种污水处理工艺的水线和泥线流量检测。

为实现上述目的，本发明公开了污水厂管道式外回流污泥浓度和流量在线监测装置，包括生化池和二沉池；所述二沉池设有辐流式全桥刮吸泥机，外共壁的设有外回流污泥及剩余污泥泵井，通过所述辐流式全桥刮吸泥机将池底沉淀污泥刮除，并将所述沉淀污泥排到所述外回流污泥及剩余污泥泵井；所述外回流污泥及剩余污泥泵井内设有污泥外回流泵和剩余污泥泵；所述污泥外回流泵通过污泥外回流管将所述外回流污泥及剩余污泥泵井内的污泥回流至所述生化池；所述剩余污泥泵通过剩余污泥管将所述外回流污泥及剩余污泥泵井内的所述污泥排出。

其中，所述污泥外回流管的管道，以及所述剩余污泥管的管道均设有管道式在线监测装置；

每一所述管道式在线监测装置内均设有楔形超声波传感器；

两个所述楔形超声波传感器分别对通过所述污泥外回流管回流的所述污泥，以及通过所述剩余污泥管排出的所述污泥进行扫描，并将扫描结果转化为电信号上传至污水厂中控室。

优选的，所述楔形超声波传感器以内置式结构设置在所述管道式在线监测装置的不锈钢管体内，具体如下：

所述不锈钢管体下部内管壁内通过焊接方式固定有长条形不锈钢固定板；

所述长条形不锈钢固定板上设有不锈钢锚固螺栓，通过所述不锈钢锚固螺栓固定所述楔形超声波传感器；

所述楔形超声波传感器的接线端子通过电源及控制电缆与仪表控制柜连接，通过所述仪表控制柜将所述电信号传上传至所述污水厂中控室；

所述电源及控制电缆一端位于所述不锈钢管体内部，另一端从所述不锈钢管体的管壁上的通孔穿出，接入所述仪表控制柜。

更优选的，所述电源及控制电缆位于所述不锈钢管体内的部分通过管内不锈钢管卡固定。

优选的，任一所述楔形超声波传感器以插入式结构设置在所述管道式在线监测装置的不锈钢管体内，具体如下：

在所述不锈钢管体包括一端不小于1m的平直段；

所述平直段设置一个通孔；

所述楔形超声波传感器的接线端子设置在所述通孔对应所述不锈钢管体内壁的位置，并设有电源及控制电缆，通过电源及控制电缆与仪表控制柜连接；

所述电源及控制电缆另一端从所述通孔穿出，接入所述仪表控制柜。

更优选的，每一所述不锈钢管体的两端均通过法兰串接在相应的所述管道。

上述结构使设有所述楔形超声波传感器的所述不锈钢管体能够作为独立的流量检测组件进行拆卸和更换。

更优选的，所述不锈钢管体的外壁上设有吊环。

更优选的，每一所述管道式在线监测装置的输入端均沿流向依次设有污泥止回阀和出泥管检修闸阀，输出端均设有出泥管检修闸阀；

所述污泥外回流管和所述剩余污泥管均设有用于短接相应的所述管道式在线监测装置的短接旁路管；

每一所述短接旁路管均设有闸阀。

更优选的，所述通孔设聚四氟乙烯双层压盖防水垫。

本发明还提供污水厂管道式外回流污泥浓度和流量在线监测装置的检测方法，所述楔形超声波传感器每间隔1至10毫秒发射固定角度范围的超声波脉冲，对所述管道式在线监测装置的所述污泥进行扫描，采集所述污泥中的16层微小颗粒反射物的位置，并将得到的回波保存为图像或回波模式的电信号上传至污水厂中控室；

污水厂中控室通过比较按时间先后排序的多个所述图像或回波模式之间的相互关系，根据识别到的16层微小颗粒反射物的位置来检测和计算流速及浓度。

本发明的有益效果：

本发明不但能够快速准确的获得流量数据，还能够实现可快速拆卸维护、适配于多种污水处理工艺的水线和泥线流量检测。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明一实施例的结构示意图。

图2示出本发明一实施例中外回流污泥及剩余污泥泵井的结构示意图。

图3示出本发明一实施例中楔形超声波传感器以内置式结构设置在污泥外回流管的管道，以及剩余污泥管的管道的局部放大结构示意图。

图4示出本发明一实施例中楔形超声波传感器以插入式结构设置在污泥外回流管的管道，以及剩余污泥管的管道的局部放大结构示意图。

具体实施方式

实施例

如图1至图4所示，污水厂管道式外回流污泥浓度和流量在线监测装置，包括生化池1和二沉池2；二沉池2设有辐流式全桥刮吸泥机，外共壁的设有外回流污泥及剩余污泥泵井3，通过辐流式全桥刮吸泥机将池底沉淀污泥刮除，并将沉淀污泥排到外回流污泥及剩余污泥泵井3；外回流污泥及剩余污泥泵井3内设有污泥外回流泵3.4和剩余污泥泵3.3；污泥外回流泵3.4通过污泥外回流管3.2将外回流污泥及剩余污泥泵井3内的污泥3.4.3.12回流至生化池1；剩余污泥泵3.3通过剩余污泥管3.1将外回流污泥及剩余污泥泵井3内的污泥3.4.3.12排出。

其中，污泥外回流管3.2的管道3.4.3.8，以及剩余污泥管3.1的管道3.4.3.8均设有管道式在线监测装置3.4.3；

每一管道式在线监测装置3.4.3内均设有楔形超声波传感器3.4.3.1；

两个楔形超声波传感器3.4.3.1分别对通过污泥外回流管3.2回流的污泥3.4.3.12，以及通过剩余污泥管3.1排出的污泥3.4.3.12进行扫描，并将扫描结果转化为电信号上传至污水厂中控室。

在实际应用中，楔形超声波传感器3.4.3.1外壳为防水聚丙烯或工程塑料材质，绝缘、方式等级不低于IP68。

本发明既适用于新建工程，也适用于已建工程。在管道嵌入式安装高频连续脉冲超声波互相关法流量检测设备，可实现快速安装、精准检测。

本发明包括法兰式一体化管件安装，即内置式结构，或者插入式管壁安装，即插入式结构。

可适用于封闭管道的满流、半满流、压力流和重力流等各种工况。管道安装时，设有超越管阀门，互相关法流量检测设备维护清洗超声波传感器时，可实现不断水维护。

内置式结构或插入式结构，区别在于接入方式不同；两种类型的内部构成分述如下：

如图2和图3所示，在某些实施例中，楔形超声波传感器3.4.3.1以内置式结构设置在管道式在线监测装置3.4.3的不锈钢管体3.4.3.6内，具体如下：

不锈钢管体3.4.3.6下部内管壁内通过焊接方式固定有长条形不锈钢固定板3.4.3.2；

长条形不锈钢固定板3.4.3.2上设有不锈钢锚固螺栓，通过不锈钢锚固螺栓固定楔形超声波传感器3.4.3.1；

楔形超声波传感器3.4.3.1的接线端子3.4.3.9通过电源及控制电缆3.4.5与仪表控制柜3.5连接，通过仪表控制柜3.5将电信号传上传至污水厂中控室；

电源及控制电缆3.4.5一端位于不锈钢管体3.4.3.6内部，另一端从不锈钢管体3.4.3.6的管壁上的通孔3.4.3.10穿出，接入仪表控制柜3.5。

在实际应用中，长条形不锈钢固定板3.4.3.2的宽度为10cm，长度为20cm。

在某些实施例中，电源及控制电缆3.4.5位于不锈钢管体3.4.3.6内的部分通过管内不锈钢管卡3.4.3.3固定。

在实际应用中，通孔3.4.3.10的尺寸为φ5cm，电源及控制电缆3.4.5位于不锈钢管体3.4.3.6内的部分的深度为10cm。

如图4所示，在某些实施例中，任一楔形超声波传感器3.4.3.1以插入式结构设置在管道式在线监测装置3.4.3的不锈钢管体3.4.3.6内，具体如下：

在不锈钢管体3.4.3.6包括一端不小于1m的平直段；

平直段设置一个通孔3.4.3.10；

楔形超声波传感器3.4.3.1的接线端子3.4.3.9设置在通孔3.4.3.10对应不锈钢管体3.4.3.6内壁的位置，并设有电源及控制电缆3.4.5，通过电源及控制电缆3.4.5与仪表控制柜3.5连接；

电源及控制电缆3.4.5另一端从通孔3.4.3.10穿出，接入仪表控制柜3.5。

在实际应用中，若楔形超声波传感器3.4.3.1以插入式结构设置在管道式在线监测装置3.4.3内，则仅需在不锈钢管体3.4.3.6找出一长度不小于1m的平直段，并在平直段开φ5cm的通孔3.4.3.10，再将通过接线端子3.4.3.9连接好电源及控制电缆3.4.5的楔形超声波传感器3.4.3.1从通孔3.4.3.10插入即可，插入式结构更加适合于改造工程。

在某些实施例中，每一不锈钢管体3.4.3.6的两端均通过法兰3.4.3.7串接在相应的管道3.4.3.8。

上述结构使设有楔形超声波传感器3.4.3.1的不锈钢管体3.4.3.6能够作为独立的流量检测组件1.7.2进行拆卸和更换。

在某些实施例中，不锈钢管体3.4.3.6的外壁上设有吊环3.4.3.5。

在某些实施例中，每一管道式在线监测装置3.4.3的输入端均沿流向依次设有污泥止回阀3.4.2和出泥管检修闸阀3.4.1，输出端均设有出泥管检修闸阀3.4.1；

污泥外回流管3.2和剩余污泥管3.1均设有用于短接相应的管道式在线监测装置3.4.3的短接旁路管；

每一短接旁路管均设有闸阀3.4.4。

在实际应用中，上述结构能够保持污泥外回流泵3.4和剩余污泥泵3.3工作时为单向流动，不发生反向倒流。

通常情况下，不锈钢管体3.4.3.6为长度1米的SS316不锈钢管，管壁厚度≮3mm，内压等级不低于10kg/cm

在某些实施例中，通孔3.4.3.10设聚四氟乙烯双层压盖防水垫。

本发明还提供污水厂管道式外回流污泥浓度和流量在线监测装置的检测方法，楔形超声波传感器3.4.3.1每间隔1至10毫秒发射固定角度范围的超声波脉冲3.4.3.11，对管道式在线监测装置3.4.3的污泥3.4.3.12进行扫描，采集污泥3.4.3.12中的16层微小颗粒反射物的位置，并将得到的回波保存为图像或回波模式的电信号上传至污水厂中控室；

污水厂中控室通过比较按时间先后排序的多个图像或回波模式之间的相互关系，根据识别到的16层微小颗粒反射物的位置来检测和计算流速及浓度。

本发明不同于传统管道安装电磁流量计的电磁原理，或者文丘里流量计的静压差原理，采用高频连续脉冲超声波互相关法流量检测技术，同时对过流断面16个分层中的悬浮颗粒(气泡、胶体等)进行捕捉，利用各个分层中悬浮颗粒的回波模式，通过相关反演算法得出各层的分层流量，然后根据过流断面的几何性质和尺寸，将各层过流计量流量进行数模叠加，进而获得整个过流断面的真实流量。

上述测原理类似于高分雷达主动式遥感测量技术，不同之处是本专利采用连续脉冲高频超声波，而雷达遥感采用的是脉冲电磁波。

雷达脉冲电磁波发射距离远，易受电磁噪声影响，需要进行噪声均衡处理，过程复杂。并且反射物分辨率目前精度最高也即是5nm，测量精度已做到极限。本专利采用流量检测方式为近距离超声波发射，不受传输过程中任何电磁波干扰，信噪比高，检测精度高。

本发明采用高频连续脉冲超声波互相关法流量检测技术，对污水厂生化池单元所有水线、泥线在线流量检测系统进行了合理布置，对检测设备安装和维保方式进行了说明，能够获得的精准流量检测结果可作为污水厂高效节能运行大数据底座，经济节约助力污水厂数字化转型和绿色低碳发展。

采用本发明的对回流污泥和排出污泥进行检测，当管道流速＜1m/s时，测量不准确性为测量值的±0.5％+5mm/s；当管道或明渠流速＞1m/s时，测量不准确性为测量值的±1％。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。