包含pH调节的富氧曝气系统及方法

技术领域

本发明涉及一种曝气系统及方法；更具体而言，本发明涉及一种用于废水曝气的包含pH调节的富氧曝气系统及方法。

背景技术

城市废水处理已经成为越来越受关注的环保主题。城市产生的废水，包括生活废水、工业废水等，需要被处理为对环境水域不产生危害的排放物。城市废水中的生活废水和工业废水存在水力波动以及有机负荷不稳定的情况。

一种已知的城市废水处理方法是好氧生物处理法，其中，“曝气”是重要的工艺环节，其作用是向好氧池内充入氧气，从而使活性污泥中微生物发生生化作用；同时还要保证好氧池内活性污泥与污染物的充分混合，为微生物降解有机物提供有利的生化反应条件。

已经开发出了多种不同的曝气方法，包括空气曝气、纯氧曝气以及富氧曝气等。空气曝气法向曝气池注入空气；但该方法的水体饱和溶解氧浓度不高，氧气传质系数低，当污泥浓度较高时难以满足微生物对氧气的需求，从而制约反应器的处理能力和效率。纯氧曝气法向曝气池供入高纯度的氧，但纯氧曝气系统运行成本很高。因此，更为经济的曝气方法是富氧曝气法，该方法将纯氧与空气的混合物供应至曝气池，使得富氧气体中氧气分压大大高于空气中氧气的分压，显著提高氧气的转移速率，同时与纯氧曝气相比较，成本又大幅降低。

例如，现有技术CN203187457U公开了一种富氧曝气系统，其包括插入曝气池中的空气管路，气态氧通过空气输送管路连接到空气管路，第一在线仪表用于在线实时测量、收集鼓风系统空气管路内氧百分数数据，第二在线仪表用于在线实时测量、收集曝气池内溶解氧数据，第一、第二在线仪表分别连接逻辑运算器输入端，逻辑运算器输出端连接流量控制阀组及鼓风系统，所述逻辑运算器根据第一、第二在线仪表反馈的氧百分数和溶解氧信号调节流量控制阀组的开度。通过氧百分数和溶解氧双参数在线测量，实现了精确控制曝气系统内不同富氧率工况。

在曝气过程中，微生物分解水体中的有机物，从而释放出二氧化碳。与空气曝气相比，在富氧曝气中，进入水中的不溶解气体减少，导致所产生的二氧化碳向外排出的量降低，更大比例被溶解在水里，从而使得曝气池中的pH值平衡被破坏。

此外，现有富氧曝气系统仅考虑了将氧气和空气混合后注入曝气池中的情况，使用微气泡装置注入富氧混合气时，氧气在水中的传质效率提高，但是相较于空气曝气由于鼓风气量减少，曝气池中会存在混合不均匀的问题。

另外，不同生化工艺设计的曝气池存在流态差异，在非完全混合式曝气池中，可能仅有局部区域存在溶氧不足的问题。

因此，需要一种针对上述现有技术问题中的一个或多个有所改进的富氧曝气系统。

发明内容

本发明提供了一种包含pH调节的富氧曝气系统，其包括曝气池，供气系统和控制系统。供气系统包括：气源，包括空气源和氧气源；和设置在所述曝气池中的注入装置，来自气源的气体通过该注入装置而注入到曝气池中。控制系统包括中心控制器与pH监测和调节系统，其中pH监测和调节系统包括：与中心控制器联接的pH传感器，该pH传感器配置为检测曝气池中的pH水平；以及pH调节器；其中，中心控制器根据来自pH传感器的pH水平测量值指示pH调节器对曝气池中的pH水平进行调节。 

这样的富氧曝气系统能够实时监测曝气池的pH值波动并及时响应进行调节，从而更精确及时地更新曝气池中的环境。

在一种优选的方案中，控制系统还包括：

与中心控制器联接的溶解氧传感器，其配置成实时测量曝气池中的溶解氧水平，并将测得的溶解氧水平发送至中心控制器；和

与氧气源连接的氧气流量控制阀组，用于调节来自氧气源的氧气流量；

其中，中心控制器根据来自溶解氧传感器的溶解氧水平调节氧气流量控制阀组。

在一种进一步优选的方案中，中心控制器能够基于以下两个参数调节来自氧气源的氧气流量：

来自溶解氧传感器的溶解氧水平；和

来自pH传感器的pH水平测量值。

通过这样的设计，中心控制器能够根据曝气池中需要的pH值水平以及溶解氧水平需求，获得同时满足这两个条件所需的富氧气体氧气分压，并据此调节氧气流量控制阀组来控制氧气流量。

在一种优选的方案中，供气系统还包括与空气源和氧气源连通的混合室，来自空气源的空气和来自氧气源的氧气在混合室内混合，形成富氧气体，富氧气体通过注入装置注入曝气池中。

这样的混合室同时起到混合和缓冲的作用，使富氧曝气系统结构紧凑。

在一种进一步优选的方案中，控制系统还包括在供气系统中设置在混合室下游、注入装置上游，且与中心控制器联接的氧含量测量装置，其配置为实时测量来自混合室的富氧气体中的氧含量，并将测得氧含量发送至中心控制器；中心控制器能够进一步根据氧含量来调节氧气流量控制阀组。

通过同时对曝气池中的溶解氧与富氧气体中的氧含量进行实时测量，并基于这两个参数调节氧气流量，该系统实现对不同富氧率的精确控制，从而最大限度地提高富氧气体混合效率以及向废水中的氧气转移效率，提高富氧曝气系统对水力负荷和有机负荷波动的响应能力。

在另一种进一步优选的方案中，注入装置是设置在曝气池底部的微气泡装置，其构造为将来自混合室的富氧气体注入曝气池中。

在一种优选的方案中，注入装置包括与空气源流体连通的第一微气泡装置和与氧气源流体连通的第二微气泡装置，第一微气泡装置和第二微气泡装置设置在曝气池的底部，分别将空气和氧气注入曝气池中。

通过将空气源和氧气源分别通过注入装置而注入曝气池中，该方案更加具有针对性和灵活性，可解决局部区域存在溶氧不足的问题，可以在提高曝气系统处理负荷的同时优化氧气的使用成本。

在一种优选的方案中，控制系统包括设置在曝气池中的搅拌器，中心控制器控制搅拌器的操作。

与位于曝气池底部的微气泡装置协作，搅拌器可以增加曝气动力，降低微气泡装置可能的堵塞带来的不利影响。中心控制器可以基于各种实时参数对搅拌器的操作进行控制，例如曝气池中的溶解氧水平、曝气池中的pH值水平以及富氧气体中的氧含量等。在搅拌器的辅助下，该方案进一步提升了氧气在水中的传质效率和充氧能力，解决了常规的富氧曝气系统由于鼓风气量减少在曝气池中可能存在的混合不均匀问题，从而提高富氧曝气系统的处理负荷。

在一种优选的方案中，注入装置包括：

与空气源流体连通的第一微气泡装置，其设置在曝气池的底部，用于将空气注入曝气池中；

喷嘴，其与所述氧气源流体连通，且通过循环混合装置与所述曝气池流体连通，来自所述氧气源的氧气与通过循环混合装置从曝气池抽入的加压液体在喷嘴中充分混合，所得的混合液被注入所述曝气池中。

通过使用这样的喷嘴和循环混合装置，曝气动力显著增加，氧气的注入的溶解效率更高，并且降低堵塞的风险。

循环混合装置、喷嘴以及曝气池底部的空气微气泡装置的组合将显著增加曝气池中的曝气动力，提高曝气池中的氧气混合效率。

在一种优选的方案中，供气系统中使用的所有富氧或纯氧管路都遵循氧气管道安全标准。

所有管路都遵循氧气管道安全标准能够降低富氧曝气系统的安全风险，例如因管路中存在油污引起燃烧的风险大大降低。

本发明还提供了一种利用如上所述的富氧曝气系统进行曝气的方法，包括如下步骤：

在曝气过程中，利用pH传感器检测曝气池中的pH水平；以及

中心控制器根据来自pH传感器的pH水平测量值指示pH调节器对曝气池中的pH水平进行调节。

本发明的实施例的示例在附图中示出并且在下面更详细地描述。

附图说明

为了更好地理解本发明的特征和方案，现对附图做简要说明；为了说明而非限制的目的，附图描绘了如下内容：

图1描绘了根据本发明的实施例的富氧曝气系统，其中富氧曝气系统包括从氧气和空气形成富氧气体的混合室；

图2描绘了根据本发明的实施例的富氧曝气系统，其中富氧曝气系统包括分别将氧气和空气注入曝气池的分开的氧气微气泡装置和空气微气泡装置；

图3描绘了根据本发明的实施例的富氧曝气系统，其中富氧曝气系统包括将空气注入曝气池的微气泡装置和将氧气注入曝气池的喷嘴。

附图仅用于针对本发明的若干具体实施例进行图示说明，其并非本发明方案的所有可行实施例的穷举。

具体实施方式

出于简洁和说明性目的，本文主要参考其示范实施例来描述本发明的富氧曝气系统。但是，要注意的是，该示范实施例并非排他性的，所有本领域技术人员在阅读本公开后能够构想到的相同或者等效技术方案都在本发明的真实精神和范围。在要求保护的方案的精神和范围内，在一个实施例的描述中出现的特征可与其它实施例中出现的特征组合使用。

本发明提供了一种包含pH调节的富氧曝气系统100，其包括曝气池200，供气系统300和控制系统400。供气系统300包括：气源，包括空气源302和氧气源301；和设置在所述曝气池中的注入装置303，来自气源的气体通过该注入装置303而注入到曝气池中。控制系统400包括中心控制器401与pH监测和调节系统402，其中pH监测和调节系统402包括：与中心控制器401联接的pH传感器4021，该pH传感器4021配置为检测曝气池200中的pH水平；以及pH调节器（未示出）；其中，中心控制器401根据来自pH传感器4021的pH水平测量值指示pH调节器对曝气池200中的pH水平进行调节。

pH传感器可以是本领域已知的各种现有pH传感器。曝气池中可设置一个pH传感器。备选地，曝气池中可在多个代表性的位置设置多个pH传感器。因为曝气池中曝气可能存在的不均匀性，设置多个pH传感器可以获得不同位置的多个不同pH水平测量值，控制器可对该多个pH水平测量值进行处理，从而获得理论pH水平测量指。

pH调节器可以是本领域已知的各种pH调节器，例如可以包括各种pH调节剂的施用装置。

空气源302可以是能够提供供气的任何合适的已知装置，例如鼓风机。氧气源301可以是能够提供纯氧的任何合适的装置，例如纯氧罐。

在富氧曝气中，进入水中不溶解气体减少，导致所产生的二氧化碳向外排出的量降低，所产生的二氧化碳会有更大比例被溶解在水里，从而使得曝气池中的pH值平衡被破坏。

通过包括这样的pH监测和调节系统402，本发明的富氧曝气系统100能够实时地监测曝气池200中的pH值变化或波动，并及时地作出响应进行调节，从而能够更精确及时地更新曝气池中的pH环境。

如图1所示，本发明的富氧曝气系统100的控制系统400可以进一步包括：与中心控制器401联接的溶解氧传感器403，其配置成实时地测量曝气池200中的溶解氧水平，并将测得的溶解氧水平发送至中心控制器401；和与氧气源301连接的氧气流量控制阀组404，该氧气流量控制阀组404用于调节来自氧气源301的氧气流量。其中，中心控制器401根据来自溶解氧传感器403的溶解氧水平调节氧气流量控制阀组404。

在控制系统400同时包括pH传感器4021与溶解氧传感器403的情况下，中心控制器401能够基于来自pH传感器4021的pH水平测量值和来自溶解氧传感器403的溶解氧水平这两个参数进行控制。例如，中心控制器401能够基于以上两个参数来控制氧气流量控制阀组404，从而调节来自氧气源的氧气流量，氧气流量又能够影响曝气池200中的pH水平和溶解氧水平，从而形成针对这两个参数的反馈控制系统。另外，中心控制器401能够根据曝气池200中需要的pH值水平以及溶解氧水平需求，获得同时满足这两个条件所需的富氧气体氧气分压，并据此调节氧气流量控制阀组来控制氧气流量。

在这种富氧曝气方案中，供气系统300另外还可以包括与空气源302和氧气源301连通的混合室304，来自空气源302的空气和来自氧气源301的氧气在该混合室304内混合，形成富氧气体，该富氧气体通过注入装置303注入曝气池200中。

该混合室304构造为同时起到混合和缓冲的作用，使得从其离开的富氧气体能够直接供应到注入装置303中。与分别使用混合器及其下游的缓冲器来实现混合与缓冲的富氧曝气系统相比，使用这样的混合室304使曝气系统结构更为紧凑。

在一种进一步优选的实施方案中，控制系统400还包括氧含量测量装置405，其设置成在供气系统300中的混合室304下游、注入装置303上游的点处实时地测量来自混合室304的富氧气体中的氧含量，并且将测得的氧含量发送至中心控制器401。在该方案中，中心控制器401能够进一步根据来自该氧含量测量装置405的氧含量来调节氧气流量控制阀组404。

在一种具体实施方式中，氧含量测量装置405测量来自混合室304的富氧气体中的氧气重量百分比。

通过同时对曝气池200中的溶解氧与富氧气体中的氧含量进行实时测量，并基于这两个参数调节来自氧气源301的氧气流量，该系统能够实现对不同富氧率的精确控制，从而最大限度地提高富氧气体混合效率以及向废水中的氧气转移效率，提高富氧曝气系统100对城市废水的水力负荷波动和有机负荷不稳定性的响应能力。

在一种优选的实施方案中，注入装置303是设置在曝气池200底部的微气泡装置3031，其构造为将来自混合室304的富氧气体直接注入曝气池中。

在另一种优选的实施方案中，如图2所示，供气系统300不包括混合室304。相反，注入装置303包括与空气源302流体连通的第一微气泡装置3031和与氧气源301流体连通的第二微气泡装置3031，第一微气泡装置和第二微气泡装置都设置在曝气池200的底部，但两者互不连通，而是分别将来自空气源302的空气和来自氧气源301的氧气注入曝气池200中。

在上述使用微气泡装置3031的各种实施方案中，控制系统400还可以包括设置在曝气池200中的搅拌器406，用于调节曝气池200中的曝气动力。该搅拌器406的操作由中心控制器401控制。具体而言，在多种具体实施例中，中心控制器401可以基于其所获得的各种参数来改变搅拌器406的位置或者朝向、控制搅拌器406的旋转速度以及工作时间等，从而根据实际需要调节曝气池200的不同位置或者不同方向上的曝气动力；这些参数包括例如：来自pH传感器4021的pH水平测量值，来自溶解氧传感器403的溶解氧水平，和/或来自氧含量测量装置405的富氧气体氧含量。

通过与位于曝气池200底部的微气泡装置3031协作，搅拌器406可以通过增加曝气动力降低微气泡装置3031可能的堵塞带来的不利影响。

图3示出了关于供气系统300的另一种具体实施方式。供气系统300的注入装置303包括与空气源302流体连通的微气泡装置3031，该微气泡装置3031设置在曝气池200的底部，用于将来自空气源302的空气注入曝气池200中。该注入装置303还包括用于喷嘴供应的喷嘴3032，喷嘴3032与氧气源301流体连通，且通过循环混合装置3033与曝气池200流体连通；来自氧气源301的氧气与通过循环混合装置3033从曝气池200抽入的加压液体在喷嘴3032中充分混合，所得的混合液被重新注入回到曝气池200中。

同样，微气泡装置3031和喷嘴3032并未连通，供气系统300也并不包括任何混合室。空气和氧气以不同方式分别单独地注入到曝气池200中。通过使用喷嘴3032及与其关联的循环混合装置3033，与使用微气泡装置注入氧气相比，曝气动力显著增加，氧气的注入的溶解效率更高，并且降低注入装置堵塞的风险。

另外，由于喷嘴3032和循环混合装置3033产生的更大的动力，在曝气池200可以省略搅拌器406。

在一种更具体的实施方式中，喷嘴3032可在竖直方向上设置在微气泡装置3031上方。

通过利用喷嘴3032和循环混合装置3033，而非设置在曝气池200底部的微气泡装置，氧气源301、喷嘴3032和循环混合装置3033以及它们之间的连接管路可以非常方便地集成到现成的空气曝气系统中；换言之，可以通过对现有的空气曝气安装进行更少的投资和改造即实现本申请的富氧曝气系统。

循环混合装置3033、喷嘴3032以及曝气池底部的空气微气泡装置3031的组合将显著增加曝气池200中的曝气动力，提高曝气池中的氧气混合效率。

在一种优选的实施方案中，供气系统300中所使用的用于氧气及富氧气体的所有管路都遵循氧气管道安全标准。所有管路都遵循氧气管道安全标准能够降低曝气系统的安全风险，例如因管路中存在油污等而引起燃烧的风险大大降低。

基于上述各种富氧曝气系统，本发明还提供了一种利用该富氧曝气系统进行曝气的方法，包括如下步骤：在曝气过程中，利用pH传感器4021检测曝气池200中的pH水平；以及中心控制器401根据来自pH传感器4021的pH水平测量值指示pH调节器对曝气池200中的pH水平进行调节。

说明书中的以上描述仅是出于使得本领域技术人员能够实施本发明的目的，而并不意图详细描述本领域技术人员在阅读该说明书后能够想到的所有可能的变形和修改。所有这样的修改和变形都包括在本发明的要求保护的方案的范围内。要求保护的方案意图覆盖有效地满足本发明预期的目的的、处于任何布置或顺序的所指示的元件和/或步骤，除非上下文明确给出了相反说明或者教导。