ОПРЕДЕЛЕНИЕ МУТНОСТИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ МНОГОФАЗНЫХ СТОЧНЫХ ВОД
DETERMINING LIQUID PHASE TURBIDITY OF MULTIPHASE WASTEWATER

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Приоритет настоящей заявки испрашивается на основании находящейся одновременно на рассмотрении предварительной заявки US 61/726637, поданной 15 ноября 2012 г., под названием "System and methods of determining liquid phase turbidity of multiphase wastewater", содержание которой во всей полноте в порядке ссылки включено в настоящую заявку.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к очистке сточных вод, более точно, к системе и способам очистки сточных вод путем определения мутности жидкой фазы многофазных сточных вод и регулирования, исходя из этого, количества химикатов, добавляемых в сточные воды.
Уровень техники
Химическая очистка сточных вод с целью уменьшения количества загрязняющих веществ применяется во многих производственных процессах, чтобы иметь возможность повторно использовать сточные воды и гарантировать соответствие сброса сточных вод нормам качества окружающей среды. Тип применяемой очистки зависит от источника сточных вод, типа загрязняющих веществ в сточных водах и предполагаемого использования очищенной воды. В сточных водах часто содержатся взвешенные вещества, представляющие собой частицы размером менее около 0,1 мкм, которые не только с трудом поддаются фильтрации, но также имеют тенденцию бесконечно оставаться во взвешенном состоянии из-за эффекта взаимного отталкивания электростатических зарядов частиц. Чтобы снизить степень загрязнения мелкими частицами или мутность в системах очистки обычно применяют коагулянты и/или флокулянты, которые вводят в сточные воды. Коагулянт нейтрализует электростатический заряд частиц, что позволяет частицам входить в контакт друг с другом и образовывать более крупные частицы. Флокулянт может ускорять процесс агломерации, вызывая агрегацию коллоидов и других взвешенных частиц в сточных водах и тем самым образование крупных частиц, обычно известных как флокулированные частицы или флокулят. Затем флокулят может извлекаться из очищенной воды, например, путем осаждения и/или флотации.
Коагулянты и флокулянты обычно добавляют в сточные воды в смесительном или реакционном баке. На этой стадии также могут добавляться дополнительные химикаты, такие как кислоты или основания, с целью регулирования рН воды и повышении эффективности коагулянта или химикатов, которые вступают в реакцию с другими загрязняющими веществами и нейтрализуют их. Количество веществ, которые должны добавляться, зависит от степени загрязнения и объема очищаемой воды. Например, если добавлено недостаточно коагулянта, мутность сточных вод может быть уменьшена в недостаточной степени. С другой стороны, при добавлении в сточные воды избыточных количеств химикатов они непроизводительно расходуются и могут сами становиться нежелательными загрязняющими вещества в очищенных сточных водах.
Чтобы определять, достаточно ли добавляется в сточные воды веществ для химической очистки, могут браться образцы очищенных сточных вод и анализироваться путем измерения мутности, рН и/или химического состава. Обычно образцы сточных вод должны отстояться до измерения мутности, чтобы флокулированные частицы не влияли на отбор образцов. По этой причине образцы обычно берут после стадий осаждения и/или флотации процесса очистки. Тем не менее, содержание химических веществ в образцах воды, взятых на этой стадии очистки, может соответствовать содержанию за несколько часов до этого. Соответственно, к моменту обнаружения увеличения мутности или химического состава сточных вод количество очищающих веществ, присутствующих в реакционном баке, может значительно отличаться от оптимального уровня. Кроме того, поскольку степень загрязнения притекающих сточных вод может изменяться с течением времени, анализ образцов сточных вод, поступивших в реакционный бак на несколько часов раньше, может не обеспечивать точное указание того, сколько очищающих веществ требуется добавить в данный момент в реакционный бак. Соответственно, анализ образцов сточных вод после стадий осаждения и/или флотации может давать неточное указание того, сколько очищающих веществ требуется добавить в поступающие сточные воды.
Следовательно, существует потребность в усовершенствованных системах и способах определения мутности сточных вод, а также оптимального количества химикатов для добавления в сточные воды в системах очистки сточных вод.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предложен способ определения мутности жидкой фазы многофазных сточных вод. В общих словах, способ включает прием сигнала, указывающего количество света, рассеиваемого сточными водами, и выборку сигнала с целью получения множества выборочных значений сигнала.
Эти выборочные значения сравнивают с порогом, и идентифицируют выборочные значения, находящиеся в пределах (ниже) порога (определяемые далее также, как соответствующие порогу значения). Способ дополнительно включает определение мутности сточных вод на основании выборочных значений, находящихся ниже порога.
Более конкретно, в настоящем изобретении предлагается способ определения мутности жидкой фазы многофазных сточных вод, включающий:
размещение датчика мутности, состоящего из корпуса, содержащего излучатель света и светочувствительный датчик, в многофазной сточной воде до какого-либо блока флотации растворенного воздуха или осветлителя;
излучение светового сигнала и прием светочувствительным датчиком этого светового сигнала, отображающего количество света, рассеиваемого или пропускаемого сточными водами;
осуществление выборки сигнала для получения множества выборочных значений сигнала от жидкой фазы сточных вод при отсутствии флокулированных частиц, получая один набор выборочных значений, и когда флокулированные частицы находятся на траектории сигнала, получая второй набор выборочных значений;
сравнение выборочных значений с порогом, основанным на плотности распределения вероятностей, полученной из набора выборочных значений, полученных при рассеянии света жидкой фазой без дополнительного рассеяния или отражения от флокулированных частиц;
установление указанного порога, так что по меньшей мере часть выборочных значений лежит ниже него;
идентификацию выборочных значений, находящихся ниже порога, и
определение мутности жидкой фазы сточных вод на основании идентифицированных выборочных значений.
В настоящем изобретении также предложено устройство для определения мутности жидкой фазы многофазных сточных вод, которое можно использовать в процессе очистки сточных вод. Устройство содержит процессор и память, в которой хранится программный код. Программный код сконфигурирован таким образом, что при его выполнении процессором он побуждает устройство принимать сигнал, отображающий количество света, рассеиваемого жидкой фазой сточных вод или флокулированными частицами, и осуществлять выборку сигнала с целью получения множества выборочных значений сигнала. Код дополнительно сконфигурирован на то, чтобы побуждать устройство сравнивать выборочные значения с порогом, идентифицировать выборочные значения ниже порога, и определять мутность сточных вод на основании выборочных значений, находящихся в пределах порога. При этом указанный порог основан на плотности распределения вероятностей, полученной из набора выборочных значений, полученных при рассеянии света жидкой фазой без дополнительного рассеяния или отражения от флокулированных частиц.
В некоторых вариантах осуществления изобретения сигнал, отображающий количество света, рассеиваемого сточными водами, может генерироваться путем обнаружения количества света, рассеиваемого сточными водами из пучка света, при этом в случае мутной воды сигнал может иметь большую величину (т.е. будет обнаружено большее количество света), чем в случае прозрачной воды. В других вариантах осуществления этот сигнал может генерироваться путем обнаружения количества света, пропускаемого сточными водами, при этом в случае мутной воды сигнал может иметь меньшую величину (т.е. будет обнаружено меньшее количество света), чем в случае прозрачной воды.
Плотность распределения вероятностей в случае выборочных значений для многофазных сточных вод может иметь два выраженных пика. Один из этих пиков может соответствовать выборочным значениям, полученным при рассеянии света жидкой фазой или массой воды без дополнительного рассеяния или отражения от флокулята. Иными словами, один пик может являться результатом рассеяния света сточными водами до того, как флокулированные частицы оказалась на траектории пучка света. Другой пик может являться результатом рассеяния света сточными водами, когда флокулированные частицы находятся на траектории пучка света, в результате чего количество рассеиваемого света может увеличиваться. На уровне между этими двумя пиками может быть установлен порог с целью отнесения выборочных значений к значениям, отображающим мутность сточных вод, или значениям, отображающим рассеяние флокулята. Поскольку пороги, установленные таким способом, основаны на поступающих от датчиков данных, порог может корректироваться или сдвигаться в зависимости от состояния сточных вод с целью оптимальной классификации выборочных значений.
Как отмечено выше, выборочные значения, которые отнесены к значениям, полученным в массе воды при отсутствии флокулята, могут использоваться для генерирования сигнала или значения, отображающего мутность сточных вод. Затем это значение может использоваться в качестве обратной связи с контроллером с целью управления какой-либо операцией, связанной с очисткой сточных вод, такой как определение количества очищающих химикатов, добавляемых в реакционный бак. Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые являются частью описания, иллюстрируют различные варианты осуществления изобретения и вместе с приведенным выше кратким изложением сущности изобретения и следующим далее подробным описанием вариантов осуществления имеют целью пояснение принципов изобретения.
На фиг. 1 показан схематический вид системы очистки сточных вод, которая содержит реакционный бак и контроллер.
На фиг. 2 - схематический вид части проиллюстрированной на фиг. 1 системы очистки сточных вод и дополнительные подробности реакционного бака и контроллера.
На фиг. 3А - схематический вид образца многофазных сточных вод с первым уровнем мутности.
На фиг. 3Б - график, иллюстрирующий выборочные выходные сигналы датчика мутности, соответствующие образцу, проиллюстрированному на фиг. 3А.
На фиг. 4А - схематический вид образца многофазных сточных вод со вторым уровнем мутности, более низким, чем первый уровень мутности.
На фиг. 4Б - график, иллюстрирующий выборочные выходные сигналы датчика мутности, соответствующие образцу, проиллюстрированному на фиг. 4А.
На фиг. 5 - блок-схема процесса выборки выходного сигнала датчика мутности и регулирования добавления коагулянта в реакционный бак, проиллюстрированный на фиг. 2.
На фиг. 6 - блок-схема процесса анализа взятых на фиг. 5 образцов с целью определения порогового сигнала.
На фиг. 7 - диаграмма, иллюстрирующая распределение вероятностей для образцов, проиллюстрированных на фиг. 4.
Осуществление изобретения
В вариантах осуществления изобретения предложены системы и способы измерения мутности сточных вод в очистном баке системы очистки сточных вод до флотации или осаждения. Это может достигаться путем различения рассеяния света жидкой фазой или "массой воды" и рассеяние света, включающего рассеяние твердофазными частицами или флокулятом. В свою очередь эти измерения могут использоваться для регулирования количества химикатов, добавляемых в сточные воды. Сточные воды в очистном баке могут содержать флокулированные частицы, которые являются причиной ошибочных показаний датчика мутности. Система содержит контроллер, сконфигурированный на выборку выходного сигнала датчика мутности и обработку выборочных значений выходного сигнала с целью идентификации выборочных значений, который соответствуют рассеянию света массой воды в очистном баке. Затем контроллер может определять мутность сточных вод на основании идентифицированных выборочных значений. Контроллер также может быть сконфигурирован на корректировку количества одного или нескольких химикатов, добавляемых в очистной бак или выше или ниже по потоку, чем очистной бак, на основании измеренной мутности.
На фиг. 1 показана система 10 очистки сточных вод, которая содержит основной реакционный бак 12, в котором содержатся втекающие сточные воды 14, контроллер 16 и блок 18 флотации растворенного воздуха (DAF). Блок 18 DAF содержит поплавковую камеру 20 хранения, отделитель 22, камеру 24 нагнетания осадка для накопления тяжелого осадка и его перемещения с помощью шнека 26 и камеру 28 для вытекающего потока 30. Шламовый нанос 32, связанный с поплавковой камерой 20 хранения и камерой 24 нагнетания осадка, подает твердые отходы, которые всплыли наверх или выпали в осадок на дно блока 18 DAF, в один или несколько баков 34 для переработки шлама. С целью добавления растворенного воздуха в сточные воды часть осветленного вытекающего потока 30 может удаляться из камеры 28 для вытекающего потока и с помощь рециркуляционного насоса 38 нагнетается в напорный бак 40, в котором часть осветленного вытекающего потока 30 смешивается со сжатым воздухом 42. С этой целью в напорный бак 40 может распыляться повторно используемый разбавитель под давлением несколько атмосфер. Мелкие капли воды, образующиеся при распылении, могут насыщаться сжатым воздухом и накапливаться на дне бака 40, создавая аэрированный рециркуляционный поток 44.
Аэрированный рециркуляционный поток 44 может вводиться в химически очищенные сточные воды 46, вытекающие из реакционного бака 12, с целью подачи растворенного воздуха в сточные воды 46 до их поступления в блок 18 DAF. При введении аэрированного рециркуляционного потока 44 в химически очищенные сточные воды 46 из раствора может выходить воздух, образующий очень мелкие пузырьки воздуха, которые сцепляются с флоккулированными частицами в химически очищенных сточных водах 46. Для регулирования количества аэрированного рециркуляционного потока 44, вводимого в химически очищенные сточные воды 46, и поддержания давления в напорном баке 40 путем ограничения потока аэрированного рециркуляционного потока 44 из напорного бака 40 может использоваться клапан 48. Вытекающий поток 30, который должен выпускаться из системы 10, может удаляться из камеры 28 для вытекающего потока с помощью откачивающего насоса 50.
Контроллер 16 может быть связан с одним или несколькими дозаторами 52, 54, 56 химикатов, которые избирательно дозируют химикаты в реакционный бак 12 в ответ на сигнал контроллера 16. В одном из вариантов осуществления изобретения один дозатор 52 химикатов может дозировать коагулянт 60 в коагуляционную камеру 62 реакционного бака 12. Применимые коагулянты могут включать неорганические коагулянты, такие как железо или алюминий, соли, включая сульфат железа или гидрохлорид алюминия в качестве лишь нескольких примеров. Применимые коагулянты также могут включать комбинированные неорганические/органические коагулянты, такие как Ashland ChargePac™60, ChargePac™7, ChargePac™10 или ChargePac™47, предлагаемые компанией Ashland Inc. (Ковингтон, шт. Кентукки, США). Аналогичным образом, другой дозатор 54 химикатов может дозировать кислоту или каустическую соду 64 в камеру 66 регулировки рН реакционного бака 12 с целью регулировки рН сточных вод. Тем самым рН сточных вод может поддерживаться на определенном уровне, при котором оптимизируется эффективность коагулянта. Наконец, дополнительный дозатор 56 химикатов может дозировать флокулянт 68 во флокуляционную камеру 70 реакционного бака 12. Применимые флокулянты могут включать анионные флокулянты, такие как Ashland DF2205, DF2220, DF2270 и/или катионные флокулянты, такие как DF2405, DF2428, DF2445, также предлагаемые компанией Ashland Inc.
Каждая камера 62, 66, 70 реакционного бака 12 может содержать мешалку 72, 74, 76 для обеспечения равномерного распределения добавляемых химикатов в сточных водах. Работа мешалок может регулироваться с целью оптимизации реакций в этой части основного реакционного бака. Например, мешалка 72 коагуляционной камеры 62 может действовать с более высокой скоростью, чем мешалка 76 флокуляционной камеры 70 с целью оптимизации образования флокулята.
На фиг. 2 схематически проиллюстрированы дополнительные подробности контроллера 16, дозаторов 52, 54, 56 химикатов и датчика 58 мутности. Каждый дозатор 52, 54, 56 химикатов может содержать дозирующий насос 78, 80, 82 для химикатов, связанный с соответствующей емкостью 84, 86, 88 для химикатов. Каждый дозирующий насос 78, 80, 82 для химикатов рассчитан на подачу регулируемого количества химиката из соответствующей емкости 84, 86, 88 для химикатов в соответствующую камеру 62, 66, 70 реакционного бака 12 в ответ на сигналы контроллера 16. В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения соответствующие химикаты могут подаваться самотеком в реакционный бак 12, и в этом случае насосы 78, 80, 82 могут быть заменены клапанами (не показанными), которые приводятся в действие сигналами контроллера 16.
Контроллером 16 может являться предлагаемый на рынке контроллер, такой как OnGuardiController™ компании Ashland Inc., или любое другое устройство, применимое для управления дозаторами 52, 54, 56 химикатов и контроля работы датчика 58 мутности. Контроллер 16 содержит процессор 90, память 92, интерфейс 94 ввода-ввода и пользовательский интерфейс 96. Процессор 90 может содержать одно или несколько устройств, выбранных из микропроцессоров, микроконтроллеров, цифровых процессоров сигналов, микрокомпьютеров, центральных процессоров, программируемых пользователем вентильных матриц, программируемых логических устройств, конечных автоматов, логических схем, аналоговых схем, цифровых схем или любого другого устройства, которое манипулирует сигналами (аналоговыми или цифровыми) на основании операционных команд, которые хранятся в памяти 92.
Памятью 92 может являться одно запоминающее устройство или множество запоминающих устройств, включая без ограничения постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), энергозависимое запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство, статическое оперативное запоминающее устройство (статическое ОЗУ), динамическое оперативное запоминающее устройство (динамическое ОЗУ), флэш-память, кэш-память или любое другое устройство, в котором могут храниться данные в цифровой форме. Память 92 также может содержать запоминающее устройство большой емкости (не показанное), такое как накопитель на жестких дисках, накопитель на оптических дисках, накопитель на магнитной ленте, энергонезависимый твердотельный элемент или любое другое устройство, в котором могут храниться данные в цифровой форме.
Процессор 90 может действовать под управлением операционной системы 98, которая постоянно хранится в памяти 92. Операционная система 98 может управлять ресурсами контроллера таким образом, чтобы компьютерный программный код, воплощенный в форме одного или нескольких приложений компьютерного программного обеспечения, такого как приложение 100 контроллера, постоянно хранящееся в памяти 92, мог обеспечивать выполнение команд процессором 90. В одном из альтернативных вариантов осуществления процессор 90 может непосредственно выполнять приложения 100, и в этом случае операционная система 98 может отсутствовать. В памяти 92 также может храниться одна или несколько структур 102 данных, которые могут использоваться процессором 90, операционной системой 98 и/или приложением 100 контроллера для хранения данных.
Интерфейс 94 ввода-ввода оперативно связывает процессор 90 с другими компонентами системы 10 очистки, такими как датчик 58 мутности, дозирующий насос 78 для коагулянта, дозирующий насос 80 для каустика и дозирующий насос 82 для флокулянта. Интерфейс 94 ввода-ввода может содержать схемы обработки сигналов, которые преобразуют входящие и исходящие сигналы таким образом, чтобы они были совместимы как с процессором 90, так и с компонентами, с которыми связан процессор 90. Для этого интерфейс 94 ввода-ввода может содержать аналого-цифровые (A/D) и/или цифро-аналоговые (D/A) преобразователи, схемы уровня напряжения и/или частотной манипуляции, схемы оптической развязки и/или возбуждающие схемы, и/или любые другие аналоговые или цифровые схемы для связывания процессора 90 с остальными компонентами системы 10 очистки.
Пользовательский интерфейс 96 может быть известным способом оперативно связан с процессором 90 контроллера 16, позволяя оператору системы взаимодействовать с контроллером 16. Пользовательский интерфейс 96 может содержать дисплей, такой как видеомонитор, буквенно-цифровые дисплеи, сенсорный экран, громкоговоритель и любые другие применимые звуковые и обычные индикаторы, способные обеспечивать информацией оператора системы. Пользовательский интерфейс 96 также может содержать устройства ввода и средства управления, такие как буквенно-цифровая клавиатура, координатно-указательное устройство, вспомогательные клавиатуры, кнопки, ручки управления, микрофоны и т.д., способные принимать команды или данные от оператора и передавать введенные данные процессору 90. Этим способом пользовательский интерфейс 96 может обеспечивать ручной запуск или выбор функций системы, например, во время настройки, калибровки и загрузки химикатов в систему.
В проиллюстрированном варианте осуществления датчиком 58 мутности является датчик света с углом рассеяния 90 градусов, расположенный во флокуляционной камере 70 реакционного бака 12. Одним из примеров применимого датчика света с углом рассеяния 90 градусов является датчик мутности Chemitec S461/T производства компании Liquid Analytical Resource, LLC (Ширли, шт. Массачусетс, США). Датчик 58 мутности может находиться во флокуляционной камере 70 и может содержать корпус 103, в котором помещается источник 104 света и светочувствительный датчик 105. Источник 104 света может содержать лазерный диод или другое применимое светоизлучающее устройство, которое направляет пучок света 106 в сточные воды. Части пучка света 106 могут отражаться и/или рассеиваться крупными и мелкими твердыми частицами, содержащимися в сточных водах во флокуляционной камере 70. Часть этого рассеянного света 107 может детектироваться и измеряться светочувствительным датчиком 105, который может быть рассчитан на детектирование света, который рассеивается из пучка света 106 под определенным углом (например, под углом 90 градусов). Обычно сточные воды представляют собой многофазные сточные воды, содержащие жидкую фазу в виде массы воды и твердую фазу в виде флокулированных частиц. Сточные воды также могут содержать газообразную фазу в виде пузырьков. При прохождении пучка света 106 через сточные воды свет может отражаться или рассеиваться частицами, содержащимися в сточных водах, и часть этого рассеянного света 107 может восприниматься светочувствительным датчиком 105.
Для этого в корпусе 103 может быть предусмотрено одно или несколько окон 108, 109 для предотвращения поступления сточных вод в датчик 58 мутности. Через окна 108, 109 из корпуса 103 также может выходить пучок света 106, и рассеянный свет 107 может достигать светочувствительного датчика 105. После того, как светочувствительный датчик 105 воспринимает рассеянный свет 107, он может генерировать выходной сигнал 122 (фиг. 3), которым может являться напряжение или ток, пропорциональный количеству рассеянного света 107, падающего на светочувствительный датчик 105. Этот выходной сигнал 122 может в свою очередь поступать в процессор 90 посредством интерфейса 94 ввода-вывода контроллера 16.
Хотя показано, что светочувствительный датчик 105 находится во флокуляционной камере 70, специалисты в данной области техники поймут, что он может размещаться в других частях системы 10 очистки с целью измерения мутности сточных вод, содержащих флокулированные частицы. Например, датчик 58 мутности может находиться в коагуляционной камере 62 или камере 66 регулировки рН или между флокуляционной камерой 70 и блоком 18 DAF. Специалисты в данной области техники поймут, что вместо проиллюстрированного датчика рассеянного света может использоваться датчик проходящего света. В вариантах осуществления с использованием датчика проходящего света светочувствительный датчик 105 может быть размещен на пути пучка света 106. Соответственно, сигнал, передаваемый светочувствительным датчиком 105, ослабляется присутствием флокулята и/или мутной воды, а не усиливается в результате рассеяния света. Таким образом, сигнал, передаваемый датчиком проходящего света, находится обратной зависимости от степени мутности и/или количества флокулята в отличие от сигнала, передаваемого датчиком рассеянного света.
Рассмотрим фиг. 3А-4Б, в частности, фиг. 3А и 4А, на которых схематически показаны примеры образцов 114, 128 сточных вод из флокуляционной камеры 70, которые содержат массу воды 116, 130 и флокулированные частицы 118, 132. На фиг. 3Б и 4Б соответствующие образцы 114, 128 представлены в виде графиков 120, 134 обнаруженной мутности 122, 136 на основании множества выборочных значений 124, 138 выходного сигнала датчика 58 мутности. Мутность на графиках 120, 134 указана в нефелометрических единицах мутности (NTU), хотя также может использоваться любая применимая единица измерения мутности или даже уровень напряжения или тока.
По мере перемешивания и циркуляции сточных вод из флокуляционной камеры 70 пучок света 106, проходящий измерительное расстояние датчика 58 мутности, может иногда сталкиваться только с массой воды 116, 130. В эти моменты выборочные значения 124, 138 выходного сигнала датчика мутности могут группироваться или сосредотачиваться в области, которая отображает мутность массы воды 116, 130. Например, на фиг. 3А и 3Б масса воды имеет относительно высокий уровень мутности, представленный частью выборочных значений 124, окруженных пунктирной линией, в результате чего в области 250-350 NTU сосредоточено подмножество 126 выборочных значений 124. Иными словами, подмножество 126 выборочных значений 124 находится в области в пределах 50 NTU от центрального значения 300 NTU. В отличие от этого, на фиг. 4А и 4 В показан образец массы воды 130 с более низкой мутностью, в результате чего часть или подмножество 140 выборочных значений 138 находится в области 80-120 NTU или в области в пределах 20 NTU от центрального значения 100 NTU. В каждом случае подмножество выборочных значений 126, 140 находится в области, которая коррелирует с мутностью сточных вод.
В другие моменты через пучок света 106 может проходить одна или несколько флокулированных частиц 118, 132 и/или пузырьков воздуха. В эти моменты из-за света, отражаемого флокулированными частицами 118, 132, может увеличиваться количество света, падающего на светочувствительный датчик 105, в результате чего светочувствительный датчик 105 генерирует значительно более сильный выходной сигнал 122, 136. Соответственно, в эти моменты выборочные значения 124, 138 выходного сигнала датчика мутности обычно находятся за пределами области, в которой находятся подмножества 126, 140, отображающие мутность массы воды. Кроме того, выборочные значения могут находиться в области с центральным значением (например, 1000 NTU), значительно превышающим центральное значение мутности массы воды. Область выборочных значений 124, 138, отображающих флокулят, может являться относительно независимой от мутности массы воды, в результате чего корреляция между выборочными значениями 124, 138, полученными в тот момент, когда флокулированная частица 118, 132 отражает пучок света 106, и мутностью сточных вод является низкой. Соответственно, эти данные могут идентифицироваться и отбрасываться, в результате чего для определения мутности используются только образцы, на которые не повлияли флокулированные частицы. Количества света, отражаемого флокулированными частицами 118, 132, может быть достаточно, чтобы светочувствительный датчик 105 указывал максимальную мутность или генерировал выходной сигнал на уровне насыщения, что в примере осуществления соответствует показанию 1000 NTU. Тем не менее, специалисты в данной области техники поймут, что этот уровень может варьировать в зависимости от типа используемого датчика, а также характеристик флокулята. Соответственно, варианты осуществления изобретения не ограничены какой-либо конкретной областью выборочных значений, связанных с детектированием флокулята.
Было обнаружено, что при использовании множества выборочных значений и вычислении распределения вероятностей номинальной мутности могут быть получены точные результаты измерений мутности массы воды в образцах, содержащих флокулят. Это позволяет выгодно определять мутность сточных вод во флокуляционной камере 70 в реальном или почти реальном времени. За счет размещения датчика 58 мутности во флокуляционной камере 70, а не где-либо после блока 18 DAF или другого применимого устройства удаления флокулята, такого как осветлитель-отстойник (т.е. после того, как из сточных вод удаляют флокулят), в вариантах осуществления изобретения контроллер 16 может реагировать на изменения мутности сточных вод быстрее, чем контроллеры традиционных систем. За счет этого меньшего времени реакции может повышаться точность регулировки уровней содержаний коагулянта, уменьшаться непроизводительный расход химикатов, а также снижаться уровень содержания загрязнителей в вытекающем потоке 30.
На фиг. 5 показана блок-схема 150 одного из вариантов осуществления изобретения, иллюстрирующая последовательность операций, выполняемых приложением 100 контроллера, которое может использоваться для определения мутности сточных вод во флокуляционной камере 70. На шаге 152 приложение 100 контроллера осуществляет выборку выходного сигнала датчика 58 мутности. Полученной величине может быть присвоено значение, соответствующее уровню мутности согласно выходному сигналу датчика 58 мутности, и оно может храниться в виде структуры 102 данных в памяти 92.
На шаге 154 приложение 100 устанавливает порог, который может использоваться для классификации выборочного значения. Установление порога может включать выбор определенной величины из справочной таблицы на основании одного или нескольких выборочных значений выходного сигнала, хранящихся в памяти 92, или может включать статистический анализ множества выборочных значений из группы ранее полученных выборочных значений. В одном из альтернативных вариантов осуществления изобретения в качестве порога может быть установлена заданная величина на основании эмпирических данных или ожидаемого уровня мутности во флокуляционной камере 70, и в этом случае шаг 154 может быть опущен. В любом случае порог может содержать одну или несколько величин для разделения выборочных значений на множество наборов или групп выборочных значений. Например, порог может иметь большую или меньшую величину, которая определяет диапазон сигналов, отображающих показания, полученные в массе воды, или порог может иметь единственную величину, которая отображает уровень сигнала, ниже которого показания считаются показаниями, полученными в массе воды.
На шаге 156 приложение 100 сравнивает выборочное значение выходного сигнала, полученное на шаге 152, с порогом, установленным на шаге 154, до перехода к шагу 158 принятия решения. Если выборочное значение выходного сигнала не соответствует порогу (например, превышает порог) (ветвь "Да" шага 158 принятия решения), на шаге 160 приложение снабжает выборочное значение признаком несоответствия порогу (выход за пределы порога), а затем возвращается к шагу 152, чтобы получить другое выборочное значение. Если выборочное значение соответствует порогу (например, является меньшим, чем порог, или равным порогу) (ветвь "Нет" шага 158 принятия решения), приложение 100 переходит шагу 162 и снабжает выборочное значение признаком соответствия порогу (нахождения в пределах порога). Выборочные значения с признаком несоответствия порогу могут отбрасываться или сохраняться в памяти 92 для использования при установлении уровней порога в будущем. Выборочные значения с признаком соответствия порогу могут добавляться к множеству или подмножеству выборочных значений, отображающих мутность сточных вод.
На шаге 164 приложение 100 определяет мутность сточных вод на основании подмножества выборочных значений, снабженных признаком соответствия порогу. Мутность сточных вод может определяться на основании статистического показателя выборочных значений. Этим статистическим показателем может являться среднее значение выборочных значений, находящихся в пределах порога, срединное значение выборочных значений, находящихся в пределах порога, фильтрованное значение выборочных значений, находящихся в пределах порога (например, основанное на показаниях фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ) или бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) или просто на последнем полученном выборочном значении, которое было снабжено признаком соответствия порогу). Подмножество выборочных значений, снабженных признаком соответствия порогу, может содержать фиксированное число выборочных значений, выбранных методом в порядке поступления (FIFO), определенное число выборочных значений, полученных в течение заданного временного окна или любым другим применимым способом формирования подмножества.
На шаге 1666 приложение 100 сравнивает измеренную мутность с эталонным уровнем или значением, которое может отображать целевой уровень мутности сточных вод, вытекающих из флокуляционной камеры 70. Различие между измеренным уровнем мутности и эталонным значением может обеспечивать сигнал ошибки для алгоритма управления в приложении 100 контроллера. Например, сигнал ошибки может обрабатываться посредством пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) алгоритма управления, позволяющего определять, сколько химиката, такого как коагулянт, следует добавлять в реакционный бак 12. В одном из вариантов осуществления изобретения эталонное значение может представлять собой интервал приемлемой мутности. Поскольку значения мутности, входящие в этот интервал, не создают сигнал ошибки, они входят в зону нечувствительности или нейтральную зону показаний контроллера.
Соответственно, если на шаге 168 принятия решения установлено, что измеренная мутность превышает желаемый интервал или эталонное значение (ветвь "Да" шага 168 принятия решения), приложение 100 контроллера может перейти к шагу 170. На шаге 170 увеличивают количество коагулянта, добавляемого в реакционный бак 12. Это увеличение может, например, сопровождаться передачей дозирующему насосу 78 сигнала увеличения подачи коагулянта 60 в коагуляционную камеру 62. Если измеренная мутность не превышает желаемый интервал (ветвь "Нет" шага 168 принятия решения), приложение 100 переходит к шагу 172 принятия решения.
Если измеренная мутность находится ниже желаемого интервала или эталонного значения (ветвь "Да" шага 172 принятия решения), приложение 100 может перейти к шагу 174. На шаге 174 приложение 100 уменьшает количество коагулянта, добавляемого в реакционный бак 12. Например, приложение 100 может передать дозирующему насосу 78, связанному с емкостью 84 для коагулянта, сигнал снизить скорость потока коагулянт 60, подаваемого в коагуляционную камеру 62, или вообще перекрыть поток коагулянта 60. Если измеренная мутность не находится ниже желаемого интервала (ветвь "Нет" шага 172 принятия решения), приложение 100 вернуться к шагу 152, чтобы получить другое выборочное значение выходного сигнала датчика мутности.
Соответственно, приложение 100 контроллера может быть сконфигурировано на определение мутности массы воды 116, 130 и избирательное приведение в действие одного или нескольких из дозирующих насосов 78, 80, 82 в ответ на сигналы датчика 58 мутности, в результате чего оптимизируются количества химикатов, добавляемых во втекающие сточные воды. В одном из вариантов осуществления изобретения определение мутности также может включать определение плотности распределения вероятностей выборочных значений на основании выборочных значений выходного сигнала датчика мутности. Эта плотность распределения вероятностей может считаться ожидаемым распределением большой популяции выборочных значений, при этом случайной выборкой этой ожидаемой популяции служит группа выборочных значений, полученных приложением 100 контроллера.
На фиг. 6 показана блок-схема 180 одного из вариантов осуществления изобретения. На блок-схеме 180 проиллюстрирована последовательность операций, которые могут выполняться для установления порога, используемого для классификации или идентификации выборочных значений выходного сигнала датчика мутности, отображающих мутность сточных вод. На шаге 182 приложение 100 осуществляет выборку выходного сигнала датчика 58 мутности. На шаге 184 это выборочное значение добавляется к группе выборочных значений. Группа выборочных значений может представлять собой набор из фиксированного числа выборочных значений, набор выборочных значений, полученных на протяжении подвижного временного окна, заканчивающегося последним выборочным значением, или набор выборочных значений, полученных любым другим применимым методом группирования выборочных значений.
На шаге 186 приложение 100 определяет плотность распределения вероятностей на основании группы выборочных значений. С этой целью выборочные значения из группы выборочных значений могут рассматриваться как случайная выборка более крупной совокупности выборочных значений, отображающих ожидаемый выходной сигнал датчика 58 мутности. В качестве дополнительной иллюстрации этого, на фиг. 7 приведен пример графика 190 плотности распределения вероятностей в виде кривой 192 для выборочных значений 138, проиллюстрированных на фиг. 4Б. В проиллюстрированном варианте осуществления по горизонтальной оси 194 графика 190 отложен номинальный уровень мутности в NTU, а по вертикальной оси 196 отложена вероятность получения выборочного значения с таким показателем мутности. Приложение 100 контроллера может использовать любой применимый способ определения плотности 192 распределения вероятностей, такой как окно Парзена, кластеризация данных, такая как векторное квантование, или генерирование перемасштабированной гистограммы выборочных значений из группы выборочных значений. После того, как определена плотность 192 распределения вероятностей для выборочных значений из группы выборочных значений, приложение 100 контроллера перейти к шагу 198.
На шаге 198 приложение 100 контроллера может идентифицировать один или несколько пиков 200-204 плотности 192 распределения вероятностей. Хотя показано, что каждый из одного или нескольких пиков 200-204 имеет четко определенный максимум на графике 190, в вариантах осуществления изобретении один или несколько из пиков 200-204 могут представлять собой сглаженные пики или могут не иметь четко определенного максимума. Например, если большое число выборочных значений 124, 138 сгруппировано вблизи величины 300 NTU, выборочные значения 124, 138 могут иметь другие величины (например, 1000, 5000 или 10000 NTU), которые не образуют легко идентифицируемый пик. В любом случае пики 200-204 могут отображать величины номинальной мутности, которые вероятнее всего соответствуют показаниям датчика 58 мутности. Эти ожидаемые показания датчика мутности могут быть сосредоточены в двух пиках 200, 204, при этом пик 200 соответствует отложенному по горизонтальной оси меньшему показателю 205 мутности сточных вод (т.е. показателю мутности массы воды при отсутствии рассеяния света флокулятом), а пик 204 соответствует отложенному по горизонтальной оси большему ошибочному показателю 206, полученному в присутствии флокулята в сточных водах.
На шаге 207 приложение 100 может идентифицировать пик 200 с отложенным по горизонтальной оси наименьшим показателем 205 (например, наименьшим номинальным уровнем в NTU), имеющий местоположение 208. Затем приложение 100 может перейти к шагу 210 и установить порог 212 на основании местоположения 208 идентифицированного пика 200. В качестве этого порога 212 может, например, устанавливаться величина, которая обеспечивает желаемое расстояние 214 от местоположения 208 пика. Этим расстоянием 214 может, например, являться заданное расстояние (например, 100 NTU) или заданное число стандартных отклонений (например, 2хс), вычисленное для группы выборочных значений. Приложение 100 также может устанавливать нижний порог 216 в качестве нижней границы для выборочных значений, включаемых в группу выборочных значений. Иными словами, приложение может определять интервал с порогами 212, 216 для идентификации выборочных значений, включаемых в группу группа выборочных значений.
Используемая в описании терминология имеет целью лишь описание конкретных вариантов осуществления, а не ограничение изобретения. Используемые формы единственного числа также подразумевают формы множественного числа, если контекстом ясно на указано иное. Кроме того, подразумевается, что используемые в описании термины "содержит" и/или "содержащий" означают присутствие указываемых признаков, чисел, шагов, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или нескольких других признаков, чисел, шагов, элементов, компонентов и/или их групп. Помимо этого, такие термины, как "вертикальный, "горизонтальный" и т.д., используются в качеств примера, а не ограничения с целью установления абсолютной системы координат.
Подразумевается, что, если указано, что какой-либо элемент "соединен" или "связан" с другим элементом, он может быть непосредственно соединен или связан с другим элементом, или вместо этого может быть предусмотрен один или несколько промежуточных элементов. В отличие от этого, когда указано, что какой-либо элемент "непосредственно соединен" или "непосредственно связан" с другим элементом, промежуточные элементы отсутствуют. Когда указано, что когда указано, что какой-либо элемент "опосредованно соединен" или "опосредованно связан" с другим элементом, предусмотрен по меньшей мере один промежуточный элемент.
Используемый термин "в ответ на" означает "в качестве реакции на" и/или "после" какого-либо первого события. Соответственно, второе событие, происходящее "в ответ на" первое событие, может иметь место сразу после первого события, или первое событие и второе событие могут быть разделены определенным промежутком времени. Кроме того, второе событие может иметь причиной первое событие или может просто происходить после первого события без какой-либо причинной связи.
Хотя изобретение проиллюстрировано путем описания одного или нескольких вариантов его осуществления, а варианты осуществления описаны очень подробно, такие подробности не имеют целью каким-либо образом ограничить объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, специалистам в данной области техники хорошо известны различные преимущества и модификации. Например, хотя изобретение описано применительно к датчику 58 мутности, сконфигурированному на угол 90 градусов между источником 104 света и светочувствительным датчиком 105, специалисты в данной области техники поймут, что могут использоваться датчики других типов. Например, может использоваться датчик, который обнаруживает ослабление источника света, или датчик, расположенный не под углом 90 градусов к источнику света. В этих альтернативных вариантах осуществления выходной сигнал датчика мутности может быть инвертирован относительно описанного датчика, расположенного под углом 90 градусов. Иными словами, более высокий уровень сигнала может являться признаков более низкого уровня мутности. Таким образом, изобретение в наиболее широком смысле не ограничено конкретными подробностями, типичными устройствами и способами, и проиллюстрированными и описанными наглядными примерами. Соответственно, возможны отступления от таких подробностей в пределах существа и объема общего изобретательского замысла.