Система определения концентрации веществ в аэротенке
SYSTEM FOR DETERMINATION OF SUBSTANCE CONCENTRATION IN AEROTANK

Система относится к области водоотведения, а также системам (устройствам) определения параметров процесса обработки сточных вод.
К недостатку существующих способов расчета и определения концентраций при биологической очистке сточных вод, например, по СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения», относится то, что расчет аэротенка осуществляется по параметрам очищенной сточной воды на его границах. Определяемые параметры при реализации таких способов являются в значительной степени усредненными величинами и не учитывают процессы, происходящие внутри. В тоже время изменение концентраций веществ в ходе процессов обработки сточных вод оказывает существенное влияние на скорости протекания реакций, а их учет в указанном способе выполняется условно, по усредненным показателям. Поэтому применение известных способов и систем определять концентрации веществ в объеме аэротенка и как следствие не позволяет прогнозировать течение процесса очистки сточных вод.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению служит Способ и система для обработки водных потоков (см. патент на изобретение RU 2627874 С2, опубл. 14.08.2017), включающая:
- аэрационный реактор для нагревания и аэрирования стоков анаэробного ферментера, где нагревание и аэрирование стоков преобразует растворимый аммоний в газообразный аммиак;
- первую дегазационную колонну для смешения регулируемого количества кислоты с газообразным аммиаком из аэрационного реактора;
- вторую дегазационную колонну для смешения регулируемого количества кислоты с непрореагировавшим газообразным аммиаком из первой дегазационной колонны;
- резервуар для сбора аммониевой соли, получаемой в результате реакции кислоты с газообразным аммиаком, в дегазационной колонне.
Кроме того:
- аэрационный реактор включает микроаэраторы для аэрирования стоков;
- дополнительно включает анаэробный ферментер для переработки отработанного волокнистого материала, где стоки от переработанного материала являются подаваемыми в аэрационный реактор;
- дополнительно включает отстойную систему для осадка твердого вещества из стоков аэрационного реактора;
- дегазационная колонна включает двухбашенную систему.
Для указанной системы характерна ограниченная область применения, т.к. она рассчитана на решение только одной задачи извлечение получаемой аммониевой соли. А биологическая очистка сточных вод подразумевает удаление из сточных вод не только соединений аммония, но и удаление других вредных веществ, в том числе и продуктов окисления соединений аммония, таких как нитраты и нитриты. Удаление вредных веществ возможно различными способами, например с помощью реагентов, в тоже время наибольшее распространение получили биологические, а также комбинированные способы. Но применение указанных способов вызывает ряд сложностей в их осуществлении, таких как прогнозирование и современное реагирование на изменение условий обработки воды. С применением этой системы не представляется возможным определение содержания веществ и их концентраций в объеме аэротенка/аэротенков.
По этим причине решение важной задачи по определению концентраций веществ в объеме аэротенка невозможно.
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения известной системы, поскольку совместное применение отличительных признаков позволит использовать новые функциональные возможности, а именно, повысить качество и надежность биологической очистки сточных вод за счет определения и прогнозирования таких параметров процесса в системе биологической очистки, как концентрации веществ в сточной воде и их изменение в процессе ее очистки.
Новым применением является определение и прогнозирование параметров процесса в системе биологической очистки, за счет чего достигается повышение качества и надежности биологической очистки сточных вод за счет определения концентраций веществ в системе биологической очистки.
Поставленная задача решена так, что в известной системе, включающей по меньшей мере:
аэрационный реактор для аэрирования стоков;
микроаэраторы для аэрирования стоков;
отстойную систему для осадка твердого вещества из стоков аэрационного реактора;
в соответствии с настоящим изобретением:
в качестве аэрационного реактора для аэрирования стоков, принимают аэротенк/аэротенки, имеющий входные и выходной потоки;
в качестве стоков, принимают сточную воду;
в качестве твердого вещества, осаждаемого из стоков, принимают ил;
в качестве отстойной системы для осадка твердого вещества из стоков аэрационного реактора принимают вторичный отстойник/отстойники имеющий входной и выходные потоки;
в качестве микроаэраторов для аэрирования стоков, принимают аэрационную установку.
Кроме того, система дополнительно снабжена:
модулем ввода характеристик аэротенка/аэротенков, включающим в себя блок ввода характеристик аэротенка/аэротенков и блок декомпозиции аэротенка/аэротенков;
модулем анализа диагностируемых параметров, включающим в себя блок ввода параметров первого входного потока, выполненный с возможностью ввода фактических значений концентраций веществ и расходов сточных вод, поступающих на очистку и блок ввода параметров второго входного потока, выполненный с возможностью ввода фактических значений концентраций веществ и расходов рециркуляционного ила;
блоком определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков;
блоком ввода фактических значений расхода кислорода подаваемого в аэрационной установкой, выполненного с возможностью ввода фактических значений расхода кислорода, подаваемого аэрационной установкой в аэротенк/аэротенки;
блоком определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков;
блоком вывода результатов.
При этом,
в качестве концентраций веществ принимают концентрации растворенных и нерастворенных веществ;
выход блока ввода характеристик аэротенка/аэротенков со входом блока декомпозиции аэротенка/аэротенков;
выход блока ввода характеристик аэротенка/аэротенков и выход блока декомпозиции аэротенка/аэротенков соединены с выходом модуля ввода характеристик аэротенка/аэротенков;
выход блока ввода параметров первого входного потока и выход блока ввода параметров второго входного потока соединены с выходом модуля анализа диагностируемых параметров;
выход модуля ввода характеристик аэротенка/аэротенков и выход модуля анализа диагностируемых параметров соединены со входом блока определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков;
выход блока определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков, выход модуля анализа диагностируемых параметров и выход блока ввода фактических значений расхода кислорода подаваемого в аэрационной установкой соединен со входом блока определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/ аэротенков;
выход блока определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков соединен со входом блока вывода результатов.
Отличительными признаками заявляемой Системы определения концентрации веществ в аэрационной установке являются:
1. Выбор в качестве аэрационного реактора для аэрирования стоков, аэротенка/аэротенков, имеющих входные и выходной потоки;
2. Выбор в качестве стоков, сточной воды;
3. Выбор в качестве твердого вещества, осаждаемого из стоков, ила;
4. Выбор в качестве отстойной системы для осадка твердого вещества из стоков аэрационного реактора вторичного отстойника/отстойников имеющего входной и выходные потоки;
5. Выбор в качестве микроаэраторов для аэрирования стоков, аэрационной установки;
6. Дополнительное снабжение модулем ввода характеристик аэротенка/аэротенков;
7. Включение в состав модуля ввода характеристик аэротенка/аэротенков блока ввода характеристик аэротенка/аэротенков;
8. Включение в состав модуля ввода характеристик аэротенка/аэротенков блока декомпозиции аэротенка/аэротенков;
9. Дополнительное снабжение модулем анализа диагностируемых параметров;
10. Включение в состав модуля анализа диагностируемых параметров блока ввода параметров первого входного потока, выполненного с возможностью ввода фактических значений концентраций веществ и расходов сточных вод поступающих на очистку;
11. Включение в состав модуля анализа диагностируемых параметров блок ввода параметров второго входного потока, выполненного с возможностью ввода фактических значений концентраций веществ и расходов рециркуляционного ила;
12. Дополнительное снабжение блоком определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков;
13. Дополнительное снабжение блоком ввода фактических значений расхода кислорода подаваемого в аэрационной установкой, выполненного с возможностью ввода фактических значений расхода кислорода, подаваемого аэрационной установкой в аэротенк/аэротенки;
14. Дополнительное снабжение блоком определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков;
15. Дополнительное снабжение блоком вывода результатов;
16. Выбор в качестве концентраций веществ, концентрации растворенных и нерастворенных веществ;
17. Соединение выхода блока ввода характеристик аэротенка/аэротенков со входом блока декомпозиции аэротенка/аэротенков;
18. Соединение выхода блока ввода характеристик аэротенка/аэротенков с выходом модуля ввода характеристик аэротенка/аэротенков;
19. Соединение выхода блока декомпозиции аэротенка/аэротенков с выходом модуля ввода характеристик аэротенка/аэротенков;
20. Соединение выхода блока ввода параметров первого входного потока с выходом модуля анализа диагностируемых параметров;
21. Соединение выхода блока ввода параметров второго входного потока с выходом модуля анализа диагностируемых параметров;
22. Соединение выхода модуля ввода характеристик аэротенка/аэротенков со входом блока определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков;
23. Соединение выхода модуля анализа диагностируемых параметров соединены со входом блока определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков;
24. Соединение выхода блока определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков со входом блока определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков;
25. Соединение выхода модуля анализа диагностируемых параметров со входом блоком определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков;
26. Соединение выхода блока ввода фактических значений расхода кислорода подаваемого аэрационной установкой со входом блока определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков;
27. Соединение выхода блока определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков со входом блока вывода результатов.
По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки №1, 2, 3, 4, 5 и 16 в технической литературе известны, а остальные - нет, что отвечает условию патентоспособности «новизна».
Совместное применение в заявляемом устройстве указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, который заключается в новом применении системы. Т.к. определение концентраций в приточной сточной воде и в объеме аэротенка, с учетом времени нахождения воды в нем позволяет определять, прогнозировать и, как следствие, управлять процессом биологической очистки сточных вод. За счет этого повышается качество и надежность очистки сточных вод. Это достигается благодаря наличию отличительных признаков №1-27, т.к.:
Предлагаемая авторами система отличается от прототипа конструктивно.
На фиг. 1 представлен вариант схема Системы определения концентрации веществ в аэрационной установке.
На фиг. 2 представлен вариант определения скоростей окисления растворенных соединений аммония.
На фиг. 3 представлен пример варианта результатов определения концентрации веществ в аэротенке/аэротенках.
Система содержит (см. фиг. 1) аэротенк/аэротенки 1, имеющий первый входной поток 2, по которому поступает сточная вода, второй входной поток 3, по которому поступает рециркуляционный ил и выходной поток 4, по которому движется сточная вода, прошедшая обработку в аэротенке/аэротенках.
Модуль 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков, содержащий:
блок 6 ввода характеристик аэротенка/аэротенков, в который вводятся характеристики аэротенка/аэротенков, как минимум его конструкция и габаритные размеры;
блок 7 декомпозиции аэротенка/аэротенков.
Выход блока 6 ввода характеристик аэротенка/аэротенков по каналу связи 8 соединен с блоком 7 декомпозиции аэротенка/аэротенков.
Выход блока 6 ввода характеристик аэротенка/аэротенков соединен по каналу связи 9 и выход блока 7 декомпозиции аэротенка/аэротенков соединен по каналу связи 10 с выходом модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков.
Выход модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков по каналу связи 11 соединен со входом блока 12 определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков.
Выход блока 12 определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков по каналу связи 13 соединен со входом блока 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков.
Модуль 15 анализа диагностируемых параметров, содержащий:
блок 16 ввода параметров первого входного потока 2, в который вводятся, как минимум фактические значения концентраций веществ и расходов сточных вод, поступающих на очистку;
блок 17 ввода параметров второго входного потока 3, в который вводятся, как минимум фактические значения концентраций веществ и расходов рециркуляционного ила.
Выходы блока 16 ввода параметров первого входного потока по каналу связи 18 и блока 17 ввода параметров второго входного потока по каналу связи 19 соединены с выходом модуля 15 анализа диагностируемых параметров.
Выход модуля 15 анализа диагностируемых параметров по каналу связи 202 соединен со входом блока 12 определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков.
Выход модуля 15 анализа диагностируемых параметров по каналу связи 201 соединен со входом блока 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков.
Аэрационная установка 21.
Блок 22 ввода фактических значений расхода кислорода подаваемого в аэрационной установкой, выполненного с возможностью ввода фактических значений расхода кислорода, подаваемого аэрационной установкой в аэротенк/аэротенки.
Выход блока 22 ввода фактических значений расхода кислорода по каналу связи 23 соединен со входом блока 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков.
Выход блока 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков по каналу связи 24 соединен со входом блока 25 вывода результатов.
Вторичный отстойник/отстойники 26, имеющие входной и выходные потоки. При этом выходной поток 4 из аэротенка/аэротенков 1, является входным потоком вторичного отстойника/отстойников 26, а один из выходных потоков из вторичного отстойника/отстойников 26, по которому движется рециркуляционный ил, является вторым входным потоком 3 аэротенка/аэротенков 1.
Настоящим изобретением допускаются различные варианты исполнения каналов связи 8, 9, 10, 11, 13, 18, 19, 20, 23, 24 по беспроводным сетям, по сетям Internet и т.п.
Предлагаемая Система определения концентрации веществ в аэрационной установке работает следующим образом.
В блок 6 ввода характеристик аэротенка/аэротенков модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков вводятся характеристики аэротенка/аэротенков 7, как минимум его конструкция и габаритные размеры, например длина L=30 м, ширина В=6 м, глубина Н=4 м.
i
a
1
2
3
n
3
Из блока 6 ввода характеристик аэротенка/аэротенков в блок 7 декомпозиции аэротенка/аэротенков модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков по каналу связи 8 передаются характеристики аэротенка/аэротенков 7, как минимум его/их конструкция и габаритные размеры. В блоке 7 декомпозиции аэротенка/аэротенков модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков осуществляется декомпозиция аэротенка/аэротенков 7 на совокупность последовательно расположенных n компонентов (стр. 27, фиг. 3) аэротенка/аэротенков, n≥1, имеющих входной и выходной потоки и расположенных по ходу движения сточных вод от первого входного потока 2 до выходного потока 4. Например, n=10. А также определяются объемы i-ых компонент аэротенка V, i=1, 2, 3, …, n, при этом  где V объем аэротенка. При этом выходной поток i-1-ой компоненты является входным потоком для i-ой компоненты, а выходной поток i=n компоненты является выходным потоком 4 из аэротенка/аэротенков. Для примера V=V=V=…=V=72 м (стр. 25, фиг. 3).
Из выхода блока 6 ввода характеристик аэротенка/аэротенков по каналу связи 9 к выходу модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков передаются характеристики аэротенка/аэротенков 7, как минимум его/их конструкция и габаритные размеры.
i
Из выхода блока 7 декомпозиции аэротенка/аэротенков по каналу связи 10 к выходу модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков передаются характеристики компонент аэротенка/аэротенков 7, как минимум количество компонент n и объемы i-ых компонент аэротенка V.
i
Из выхода модуля 5 ввода характеристик аэротенка/аэротенков по каналу связи 11 в блок 12 определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков передаются конструкция, габаритные размеры, объемы i-ых компонент аэротенка V и количество компонент n аэротенка/аэротенков 1.
II
II
II
3
В блок 16 ввода параметров первого входного потока 2 модуля 15 анализа диагностируемых параметров вводятся параметры первого входного потока 2, как минимум фактические значения концентраций веществ и расходов сточных вод, поступающих на очистку. Которые могут быть определены любым известным способом, например по результатам лабораторных исследований, или при помощи датчиков и т.п. Для примера, Q=187,5 м/ч, X=120 мг/л,  Где X - концентрация взвешенных веществ,  - концентрация растворенных соединений аммония. Для примера здесь и далее под концентрацией взвешенных веществ X понимается концентрация активного ила, под растворенных веществ S концентрация растворенных соединений аммония.
III
III
III
3
Параметры, как минимум фактические значения концентраций веществ и расходов рециркуляционного ила, второго входного потока 3 являющегося выходным потоком вторичного отстойника/отстойников 26, по которому отводится рециркуляционный ил, вводятся в блок 17 ввода параметров второго входного потока 3 модуля 15 анализа диагностируемых параметров. Параметры второго входного потока 3 могут быть определены любым известным способом, например по результатам лабораторных исследований, или при помощи датчиков и т.п. Для примера, Q=190 м/ч, X=5000 мг/л,  Где X - концентрация взвешенных веществ,  - концентрация растворенных веществ.
Из выхода блока 16 ввода параметров первого входного потока 2 по каналу связи 18 к выходу модуля 15 анализа диагностируемых параметров передаются параметры первого входного потока 2, как минимум фактические значения концентраций веществ и расходов сточных вод, поступающих на очистку.
Из выхода блока 17 ввода параметров второго входного потока 3 по каналу связи 19 к выходу модуля 15 анализа диагностируемых параметров передаются параметры второго входного потока 3, как минимум фактические значения концентраций веществ и расходов рециркуляционного ила.
Из выхода модуля 15 анализа диагностируемых параметров по каналу связи 202 ко входу блока 12 определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков передаются фактические расходов первого входного потока 2 и второго входного потока 3.
i
В блоке 12 определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков, осуществляется определение времени t (стр. 29, фиг. 3) нахождения сточной воды в i-ой компоненте аэротенка/аэротенков, при этом i=1, 2, 3,
При этом,
II
III
i
Из выхода блока 12 определения времени нахождения сточной воды в компонентах аэротенка/аэротенков по каналу связи по каналу связи 13 ко входу блока 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков, передаются значения расходов Q, Q, Q и времени t, нахождения сточной воды в i-ой компоненте аэротенка/аэротенков.
Из выхода модуля 75 анализа диагностируемых параметров по каналу связи 201 ко входу блока 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков передаются как минимум фактические значения концентраций веществ первого входного потока 2 и второго входного потока 3.
2
В блок 22 вводятся фактические значения расхода кислорода LO, подаваемого аэрационной установкой 27 в аэротенк/аэротенки, которые смогут быть определены любым известным способом, например с помощью датчиков расхода воздуха, с учетом концентрации кислорода.
Из выхода блока 22 ввода фактических значений расхода кислорода по каналу связи 23 ко входу блока 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков передаются фактические значения расхода кислорода, подаваемого аэрационной установкой в аэротенк/аэротенки.
В блоке 14 определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков, осуществляется:
- определение концентрации веществ в первой компоненте аэрротенка
2
- определение концентрации кислорода CO в аэротенке/аэротенках
- определение изменения концентраций j-го растворенного вещества в сточной воде в компонентах i
нерастворенных веществ
1
где  - объемная скорость изменения концентраций растворенных и нерастворенных веществ в результате биохимических реакций, является многопараметрической величиной, зависящей от состава сточных воды, ее температуры, концентрации кислорода в воде и т.д. Которая может быть определена любым известным способом, например в результате лабораторных исследований или прогнозирования по известным моделям (стр. 30, 31, фиг. 3). Приведена скорость изменения концентрации соединений аммония в сточной воде при температуре сточной воды +18°С, для фактической суммарной концентрации активного ила в первом 2 и втором 3 входном потоке Х=2576,2 мг/л.
Например, для первой компоненты изменение концентраций растворенных соединений аммония (стр. 32, фиг. 3)
нерастворенных веществ (стр. 33 фиг. 3)
- определение концентраций в i-ой компоненте аэротенка/аэротенков j-го растворенного (стр. 34, фиг. 3)
нерастворенных веществ (стр. 35, фиг. 3)
Для рассматриваемого примера растворенных соединений аммония
Из выхода блока 14 по определения концентраций веществ в сточной воде в компонентах аэротенка/аэротенков по кагалу связи 24 ко входу блока 25 вывода результатов передаются значения концентраций веществ в компонентах аэротенка/аэротенков.
Технический эффект заключается в новом применении известной системы, применение настоящего изобретения позволит повысить качество и надежность биологической очистки сточных вод за счет определения параметров и прогнозирования хода процесса при изменении входных параметров.