[0001] 本实用新型涉及污水处理领域，具体涉及一种基于低碳型智能控制技术的高效气浮装置。

[0002] 气浮技术具有水力负荷高、池体紧凑、除磷效果好等优点。随着我国对污水处理出水TP指标要求的不断提高，其在污水处理领域应用越来越广泛。但近几年，在双碳大背景下气浮装置高能耗的缺点越来越受到诟病，严重制约其发展。目前，相关领域的实用新型主要围绕气浮结构设计、改进溶气方式和能源再利用等方面，而没有利用水质反馈进行精细化调控，从源头实现节能降耗的实用新型。

[0003] 此外，气浮工艺在实际运行过程中存在一些缺陷。分离区末端浮渣易沉降，影响出水水质；排渣机的刮板容易对泥造成扰动，导致颗粒下沉；出水SS虽然达标，但往往会带有少量肉眼可见的颗粒物；产泥含气，导致脱水机工况不稳定，效率低。这些问题极大地影响了气浮工艺在污水处理领域的推广应用。

[0004] 本实用新型采用一系列创新手段，结合智能控制技术、颗粒捕集技术、无扰动推泥技术、产泥消泡技术，研发了一种完全有别于传统气浮设施的新型高效低碳气浮装置。实用新型内容

[0005] 本实用新型的目的在于提供一种基于低碳型智能控制技术的高效气浮装置，主要解决背景技术中的一系列问题。

[0006] 为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种基于低碳型智能控制技术的高效气浮装置，所述高效气浮装置包括气浮处理模块、颗粒捕集模块、无扰动刮泥模块、产泥消泡模块、实时反馈模块和智能控制模块。所述气浮处理模块沿水流方向分为进水管、混凝区、絮凝区、入流区、分离区、产水区、排泥区和回流溶气单元；所述颗粒捕集模块在分离区设置颗粒捕集板和排出管；所述无扰动刮泥模块优化设置分离区排渣机的刮板与机体夹角为45°‑75°；所述产泥消泡模块在排泥区设有消泡搅拌装置，同时将排泥泵居中放置于末端；所述实时反馈模块分别在进、出水管设置TP

[0007] 检测装置；所述智能控制模块通过传输电缆，一端连接TP检测装置，另一端控制混凝剂加药泵和产水回流泵，系统内置控制模型和多种节能工况。所述控制模型具有分级控制模式、自适应精细控制模式和大数据智能控制模式。

[0008] 进一步地，所述颗粒捕集板长度为800‑1200mm，与墙体夹角为45°‑65°，底部位置高于产水收集管500‑800mm。

[0009] 进一步地，所述排出管采用开孔圆管，管径为DN300‑DN500mm，材质为金属或高强度塑料。顶部向上开两孔，孔径为DN50‑DN75，一孔向左偏移22.5°，另一孔向右偏移45°。通体非均匀开孔，开孔密度沿排泥方向逐渐减小。所述排出管长度为两侧墙面的距离，水平放置于颗粒捕集板上，末端墙面开孔排泥。

[0010] 进一步地，所述消泡搅拌装置采用2套框式搅拌器，对称放置。搅拌器转速为10‑50r/min，桨板间距为20‑40cm，长度为80‑100cm。

[0011] 进一步地，所述混凝剂加药泵和产水回流泵均采用变频泵，变频范围为0‑50Hz。

[0012] 进一步地，所述TP检测装置采用2套相同型号的设备，TP检测范围0‑1.5mg/L。一套安装于进水管输出前反馈信号，一套安装于出水管输出后反馈信号。反馈信号通过传输电缆传递至智能控制模块，作为数据输入项。

[0013] 进一步地，所述智能控制模块包括控制器、服务器、操作站计算机、数据库及控制模型。对前、后反馈数据进行均化处理，前反馈用于加药量、回流比基准值确定，后反馈用于加药量、回流比动态调整，通过控制模型进行闭环控制，以达到精细化、低碳运行的管控目的。

[0014] 进一步地，所述控制模型通过量化反馈实际出水TP和设计出水TP之间的差值空间，执行针对性的开泵工况，在保证出水水质达标的前提下，最大程度利用系统的处理能力，达到节能节药的目的。

[0015] 进一步地，所述控制模型具有分级控制控制模式、自适应精细控制模式和大数据智能控制模式，分级控制模式根据后反馈将气浮池工况分档，每档制定相应的加药量、产水回流比控制策略；自适应精细控制模式根据前后反馈现值及趋势，建立模型算法，对加药量、产水回流比进行自适应的精细化控制；大数据智能控制模式通过建立气浮池控制数据库及模型，利用遗传算法及大数据分析，实现气浮池的智能化控制。

[0016] 进一步地，所述控制模型可分周期T进行控制，每一周期T内根据实时前后反馈及历史数据计算一次加药量和产水回流比，并进行执行。周期T可选5‑120min。

[0017] 进一步地，所述分级控制模式包含以下流程：

[0018] S1：系统输入进水总磷浓度值TPin和实时流量Q，作为基础数据；

[0019] S2：基于S1的基础数据，计算加药量、回流比的设计基准值。可根据投加药剂的种类和浓度，预先更新计算过程和参数；

[0020] S3：系统输入出水总磷浓度均值TPout和设计出水总磷浓度TPs，作为判定数据。通过量化TPout和TPs之间的差值空间，选择对应的开泵工况，最大程度减小加药量和系统能耗；

[0021] S4：基于S3的参数值，判定混凝剂加药泵和产水回流泵的运行工况。分级控制模式设定四种执行工况：(1)当0≤TPout≤1/4TPs时，加药过量系数取1.0，产水回流比取6.0％；

[0022] (2)当1/4TPs＜TPout≤1/2TPs时，加药过量系数取1.3，产水回流比取6.7％；(3)当1/2TPs＜TPout≤3/4TPs时，加药过量系数取1.6，产水回流比取8.3％；(4)当3/4TPs＜TPout≤TPs时，加药过量系数取2.0，产水回流比取10％；

[0023] S5：基于S4判定的执行工况，制定相应的混凝剂加药量、产水回流比控制策略，并形成对应的调控指令；

[0024] S6：通过控制器，将调控指令自动发送至混凝剂加药泵和产水回流泵，实现对加药量和产水回流泵的精准调控；

[0025] S7：管理人员可根据策略的实际运行状况和出水水质情况，对工况参数进行人为调整。

[0026] 进一步地，所述自适应精细控制模式设定了混凝剂加药量控制算法：

[0027]

[0028] 公式中，m为控制加药量，mg/L；

[0029] m0为根据当前进水量、进水TP计算得到的设计混凝剂加药量，与药剂种类和浓度有关；

[0030] TPs为设计出水目标值，mg/L；

[0031] TPn为当前后反馈TP检测值，mg/L；

[0032] TPn‑1为前一阶段后反馈TP检测值，mg/L；

[0033] 2.0为加药基准过量系数，为实际加药量/理论加药量

[0034] k为人工修正系统，可手动输入，默认取1；

[0035] 为后反馈TP与目标差值矫正系数；

[0036] 为后反馈TP趋势矫正系。

[0037] 进一步地，所述自适应精细控制模式设定了产水回流比控制算法：

[0038]

[0039] 公式中，n为产水回流比，％；

[0040] TPs为设计出水目标值，mg/L；

[0041] TPn为当前后反馈TP检测值，mg/L；

[0042] TPn‑1为前一阶段后反馈TP检测值，mg/L；

[0043] 10％为产水回流比基准系数；

[0044] k为人工修正系统，可手动输入，默认取1；

[0045] 为后反馈TP与目标差值矫正系数；

[0046] 为后反馈TP趋势矫正系数。

[0047] 进一步地，所述大数据智能控制模式包含建立标准数据库的方式：

[0048] S1：设定参数Fn为某一时刻t的进水流量，TP’n为某一时刻t的进水TP检测值，TPn为某一时刻t的出水TP检测值，TPn+1为t+1时刻的出水TP检测值(t+1与t时刻的时间差可调，一般为控制策略的效果实现时间)，mn为某一时刻t的控制加药量，nn为某一时刻t的控制产水回流比；

[0049] S2：将Fn、TP’n、TPn、TPn+1、mn、nn及时间t组成数据对象进行存储，建立基础数据库；

[0050] S3：设定校验模型，对基础数据库进行模型校验，将校验合格的数据对象存入标准数据库。校验模型如下：

[0051]

[0052] 公式中，TPtar为设计出水TP，mg/L；

[0053] j％为校验模型判别下限值，可调；

[0054] i％为校验模型判别上限值，可调；

[0055] S4：可对标准数据库中的加药量、产水回流比进行人工修正、调整并储存，进一步完善标准数据库。

[0056] 进一步地，所述大数据智能控制模式包含以下操作流程：

[0057] S1：采集实时工况P的进水流量Fp、进水总磷浓度TP’p和出水总磷浓度TPp；

[0058] S2：在标准数据库中进行搜索，若Fp、TP’p、TPp的值与标准数据库中某一数据对象O的Fo、TP’o、TPo的值误差均在±y％内，则认为当前工况与标准数据库中O的工况相同，否则继续搜索；其中，±y％为工况相似度，推荐取值范围±5％‑±10％。

[0059] S3：当搜索到与工况P相同的O工况，则对应执行对象O的控制策略；

[0060] S4：若遍历标准数据库，仍未找到与工况P相同的工况，可设置自动执行分级控制模式、自适应精细控制模式或人工添加控制策略；

[0061] S5：工况P的数据信息自动存入基础数据库，并进行模型校验，符合标准则存入标准数据库，供后续参考。

[0062] 相比同领域现有技术，本实用新型具有以下创新性和显著优势：

[0063] 1、本实用新型提出了颗粒捕集技术、无扰动排泥技术和产泥消泡技术，可解决现有气浮设施在实际运行过程中出现的典型问题，进一步提升水质泥质。

[0064] 2、本实用新型利用智能控制技术对加药量、回流比进行精准调控，实现低碳运行的目的。

[0065] 3、本实用新型首次提出通过量化反馈实际出水TP和设计出水TP之间的差值空间，判定加药的过量程度，制定对应的调控策略，最大程度挖掘系统的处理能力，从源头实现节能节药的目的。

[0066] 4、本实用新型建立基于水质反馈的实时控制模型，同时提供三种控制模式，具有自适应、自学习的功能，可广泛应用于污水处理领域的气浮工艺。

[0067] 5、本实用新型可根据实际需要人工或自动切换运行工况，同时基于实时水质数据自动调整参数，进一步提高智慧化管理水平。

[0079] 下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例是本实用新型一部分实施，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

[0080] 本实用新型公开一种基于低碳型智能控制技术的高效气浮装置，其可以根据实时TP反馈自动调控加药泵、产水回流泵的运行工况，同时进一步提升水质泥质，实现低碳运行、节能节药的目的。图1所示为本实用新型所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图，由气浮处理模块、颗粒捕集模块、无扰动刮泥模块、产泥消泡模块、实时反馈模块和智能控制模块组成。

[0081] 所述气浮处理模块包括进水管1、混凝区2、絮凝区3、入流区4、分离区5、产水区6、出水管7、排泥区8、回流溶气单元。混凝区2设置搅拌器11，通过混凝剂加药泵12和加药管13投加PAC等混凝剂；絮凝区3设置搅拌器11，通过絮凝剂加药泵14和加药管13投加PAM等絮凝剂；入流区4利用气液输送管路16转输溶气水加压罐15中的溶气水，并通过溶气释放器17和稳流均匀布水系统18完成气泡释放过程；分离区5进行气浮分离过程，产水通过产水收集管20流向产水区6，浮渣通过排渣机19输送至排泥区8；排泥区8中的产泥通过排泥泵24排出；
回流溶气单元通过产水回流管路25和产水回流泵26将部分产水提升至溶气水加压罐15，同时利用空压机27和通气管道28向产水中溶解高压空气，形成溶气水。

[0082] 如图2、3所示，所述颗粒捕集模块包括颗粒捕集板21和排出管22。分离区5末端在运行过程中常常出现浮渣下沉的情况，导致产水中带有少量肉眼可见的颗粒。通过在末端墙体上增设颗粒捕集板21，有效拦截下沉浮渣，同时利用排出管22将浮渣收集排除，进一步提升出水水质。排出管22管径为DN300‑DN500mm，材质为金属或高强度塑料。顶部向上开两孔，孔径为DN50‑DN75，一孔向左偏移22.5°，另一孔向右偏移45°。通体非均匀开孔，开孔密度沿排渣方向逐渐减小。通过以上设计，实现对下沉浮渣的有效收集和排除。

[0083] 如图4所示，所述无扰动刮泥模块优化设置分离区排渣机的刮板与机体夹角为45°‑75°。传统排渣机的刮板与机体的夹角为90°，在推泥过程中部分浮渣随水流向下、向后移动，导致除渣不彻底，影响出水水质。本实用新型通过调整刮板与机体夹角为45°‑75°，利用水力流动将浮渣聚集于夹角空间内，避免浮渣分散下沉。

[0084] 如图5、6所示，所述产泥消泡模块采用2套框式搅拌器，对称放置。搅拌器转速为10‑50r/min，桨板间距为20‑40cm，长度为80‑100cm。实际运行中，气浮产泥常常含有一定量的气泡，导致后续脱水工况不稳定、效率低。本实用新型采用框式搅拌将产泥中多余的气泡排出，进一步提升产泥质量。

[0085] 所述实时反馈模块包括TP检测装置9、10及配套传输电缆29。TP检测装置9、10分别安装于进水管1和出水管7，通过传输电缆29将信号传输至智能控制模块30，用于实时反馈进、出水端的水质波动情况。TP检测装置9形成前反馈信号，用于加药量、回流比基准值确定，TP检测装置10形成后反馈信号，用于加药量、回流比动态调整。实际运行过程中常出现药剂投加过量，出水水质远低于设计标准的情况，造成了能耗、药剂的浪费。本实用新型通过设置前、后反馈，精准计算适宜的药剂用量：首先，基于进水TP确定加药量、回流比的基准值，保证药剂用量的最低限；然后，根据量化实际出水TP和设计出水TP之间的差值空间，判断投加药剂的过量程度，制定对应的控制策略，在保证出水达标的前提上，充分利用系统处理能力，实现节能节药的目的。

[0086] 所述智能控制策略基于进水总磷浓度自动计算药剂的实际投加量，计算模型与投加药剂的种类和浓度有关。假定以PAC溶液作为混凝剂，实际加药量的计算模型为：

[0087]

[0088] 公式中，m为药剂的实际投加量，mg/L；

[0089] k为加药过量系数，由智能控制策略赋值；

[0090] ΔTP为总磷去除量，mg/L；

[0091] 为Al2O3摩尔质量，取102g/mol；

[0092] c为PAC溶液中Al2O3的含量，mg/L；

[0093] MP为磷摩尔质量，取31g/mol。

[0094] 如图7所示，所述智能控制模块30包括控制器303、服务器302、操作站计算机301、数据库304及控制模型305。服务器302接收TP检测装置9、10的反馈信号和进水流量数据，并对数据进行均化处理，作为控制模型305的输入项；控制模型305具有分级控制控制模式、自适应精细控制模式和大数据智能控制模式，可供管理人员选择。控制模型305根据输入的实时数据，计算最佳加药量、回流比，输出对应的调控指令；控制器303根据指令控制混凝剂加药泵和产水回流泵的运行工况，实现闭环控制。数据库304用于模型数据积累、机器学习，强化PID数据控制精度，使节能降耗效果更佳。

[0095] 对应用节能、节药效果作进一步说明：

[0096] 工况进水流量为10万m3/d，气浮池进水TP为1.5mg/L，设计出水TP为0.3mg/L，混凝剂选用PAC溶液，其中Al2O3含量为10％，价格1000元/吨。年运行天数365天，日运行24小时，电费0.8元/度。

[0097] 1、运行工况对比

[0098] 传统气浮装置：全程按照工况4运行，即加药过量系数取2.0，产水回流比取3
10.0％。PAC溶液加药量约为162.4kg/h，产水回流泵均流量为416.7m/h，功率110kW/h。

[0099] 本实用新型装置：全程按照4种工况循环运行，即药剂过量系数均值为1.5，产水回3
流比均值为7.8％。PAC溶液加药量为121.8kg/h，产水回流泵均流量为325.0m /h，功率
86kW/h。

[0100] 2、经济效益估算

[0101]

[0102] 据运行工况计算：

[0103] 年节省药剂：365×24×(162.4‑121.8)/1000＝356吨；

[0104] 回流泵年节省能耗：365×24×(110‑75)/10000＝30.7万度；

[0105] 空压机年节省能耗：365×24×(22.5‑17.5)/10000＝4.4万度；

[0106] 年节省费用：356×1000×10‑4+(30.7+4.4)×0.8＝64万元，占总费用的27％，即从平均尺度讲，也可节约四分之一的运行成本，同时实现全年减少CO2排放305吨。

[0107] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。同时，其中单独任意一项创新内容均处于本实用新型创造的保护范围之中，专利中提到的任何一个参数的所有合理取值均为本实用新型创造的保护范围。