（机械设计及理论专业论文）废水生物处理搅拌装置的动态设计与仿真研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 t t z 2j 7 口3 3 ( 随着本世纪环保问题的且益突出和生物技术的发展，生物废水处理技术必将 - 成为环保技术的发展方向。夕本文针对生物降解过程的特殊性，分析该过程需要检 测的参数。针对这些参数，选择符合生化反应过程要求的传感器，给出了适合该 过程的控制方法，为解决生物降解过程的参数检测和控制问题提供了一定的参考。 在环保设备的机械系统的设计中，节能可靠是很重要的。本文针对这个要求， 在传动系统的设计中引入了谐波齿轮。由于柔轮壁厚不仅影响减速装置的体积， 而且也影响着系统效率，因此有必要研究它。通常用于计算壁厚的经验公式和精 确公式( 仅由于塑料谐波齿轮) 存在种种不足，本文考虑到谐波传动中柔轮的载 荷和变形情况，引入了经过实验验证的应力修正系数，推导出了一种通用的柔轮 壁厚的半经验计算公式，较好地解决了这个问题。 在搅拌器的多目标优化设计中，权重的选择是很重要的，但目前所用的多目 标优化方法存在着凭人的经验来确定权重的问题。本文利用模糊学来处理权系数， 较好地解决了这个问题。 本文从求解颗粒的自由沉降速度出发，模拟求解了沉淀池在不同的参数条件 下的沉淀效率，为沉淀池的计算机辅助设计提供了一种有效的手段。 针对手工整定控制器参数的不足，本文提出了一种控制器参数的仿真整定方 l 法，提高了整定效率。尸7 4 ， 关键词：生物降解谐波齿轮多目标优化设计砷渗废水处理 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ee x a c e r b a t i o no ft h ei s s u eo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h et e c h n o l o g yo f w a s t e d e a l i n g o f u s i n gb i o l o g y w i l lb e c o m et h eo r i e n t a t i o no fe v o l u t i o ni nt h e t e c h n o l o g y o fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n w i t h o m f a i l ，b a s i n g o nt h e b i o l o g i c a l t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h ep a p e ra n a l y s e st h ep a r a m e t e r , w h i c h m u s tb ed e t e c t e di n t h ep r o c e s so fb i o d e g r a d a t i o na i m i n ga tt h es p e c i f i c i t yi nt h ep r o c e s s s o m es e n s o r sa r e。， s e l e c t e dw h i c hc a nm e e tt h en e e do ft 1 eb i o d e g r a d a t i o n a n ds o m ec o n t r o la l g o r i t h m s a r ea l s op r o p o s e df o rt h et u n eo fp a r a m e t e r t h e r e f o r e t 1 1 ep a r a m e t e r d e t e c t i o na n d c o n t r o lp r o b l e m sa r es o l v e di nt h ep r o c e s so f b i o d e g r a d a t i o n a sf a ra st h ee q u i p m e n to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sc o n c e m e d g r e e na n d r e l i a b i l i t ya r ev e r yi m p o r t a n ti n t h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls y s t e m h a r m o n i cg e a ri s e m p l o y e d i nt h e d e s i g n o fd r i v e s y s t e m i no r d e rt oo b t a i n h i g hp e r f o r m a n c e w a l l 一t h i c k n e s so ft h ef l e x i b l ew h e e l i nh a m o n i cg e a r sa f f e c t sn o to n l yt h ev o l u m eo f s p e e dr e d u c e rg e a r b u ta l s ot h ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e m ，s oi tm u s tb ed i s c u s s e d s e v e r a l c o m p u t i n gf c l r m u l a eo nt h ew a l l - t h i c k n e s sh a v es o m ef l a w s ，i n c l u d i n ge m p i r i c a lo n e s a n dp r e c i s eo n e f o ri n s t a n c e t h el a t t e ri so n l yu s e dt oc a l c u l a t et l l ew a l l - t h i c k n e s so f t h ef l e x i b l ew h e e li np l a s t i ch a r m o n i cg e a r c o n s i d e r i n gt h el o a da n dt h ed e f o r m a t i o no f t h ef l e x i b l ew h e e l i nh a r m o n i ct r a n s m i s s i o n ，ak i n do fu n i v e r s a l c o m p u t i n g m e t h o do f t h ew a l l t h i c k n e s si sd e d u c e da f t e rt h es t r e s sr e v i s i n gc o e 蚯c i e n t sa r ei n t r o d u c e d w h i c h s o l v e st h ep r o b l e m p r e f e r a b l y t h es e l e c t i o no ft h ew e i g h t si sv e r yi m p o r t a n ti nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f m u l t i o b j e c t i v eo f t h eb e a t e r , b u tt h ep r o b l e mt h a tt h ew e i g h t sd e t e r m i n e do n l yb yt h e e x p e r i e n c eo fo p e r a t o re x i s t s i nt h em e a s u r e st h a ta r ee m p l o y e di nt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no fm u l t i o b j e c t i v ea tp r e s e n t i nt h i sp a p e r ，t h ep r o b l e m o ft h ew e i g h t sc h o o s i n g b ym e a n s o f t h et h e o r yo f f u z z yi sh a n d l e dp r e f e r a b l y i nt h i sp a p e r ，血ee f f i c i e n c yo fd e s i l t e ru n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f i e r e n tp a r a m e t e r s i ss i m u l a t e da n dc o m p u t e db ym e a n so fs o l v i n gt h es p e e do ff r e e d e p r e s s i o no f p a r t i c l e i na d d i t i o n ，w eo f f e ra ne r i e c t i v em e t h o dt ot h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g no fd e s i l t e r am e t h o dt h a ts i m u l a t e sa n dd e t e r m i n e st h ep a r a m e t e ro fc o n t r o l l e ri so f f e r e dt o s o l v et h ep r o b l e mo f d e f i c i e n c y 血a tt 1 1 ep a r a m e t e r so f c o n t r o l l e ra r ed e t e r m i n e db yh a n d i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：b i o d e g r a d a t i o n h a r m o n i cg e a r m u l t i o b j e c t i v eo p t i m a ld e s i g n e m u l a t i o n w a s t e d e a l i n g i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 本课题的来源、意义 1绪论 1 1 1 课题来源 本课题是我校机械学院机械设计系、生命科学与技术学院和武汉翼展公司的 预研项目。 1 1 2 课题意义 伴随着工农业生产的发展，城镇的增加以及规模的扩大，对水的需求日益增 加。同时，由于排水中含有某些有害物质进入水体，引起天然水体发生物理和化 学上的变化，使水质变坏。水的污染有两类：一类是自然污染，另一类是人为污 染，而后者是主要的。自然污染主要是由自然原因所造成的，如特殊的地质条件 使某些地区某种化学元素大量富积，天然植物在腐烂过程中产生某种毒物，以及 降雨淋洗大气和地面后携带各种物质流入水体等都会影响当地的水质。人为污染 是人类的生活和生产活动中产生的污水对水的污染，它们包括生活污水、工业废 水和农田排水等。其中，又以工业废水带来的污染为最甚。每一滴污水又将污染 数倍乃至数十倍的水体。美国一年向海洋排放废水达2 0 0 亿吨，日本排放废水也 有1 3 0 亿吨。现在全世界有7 0 左右的人饮用不安全的食用水，平均每天有2 5 万人死于因水污染而引起的种种疾病【”。1 9 9 3 年联合国环境与发展大会确定每年 的3 月2 2 日为“世界水日”，旨在促使全世界都关心并解决水的问题，不然水的 危机很可能会比粮食危机、石油危机来得更早。 水体受到污染，不仅妨碍工农业生产，影响水生生态系统，还直接或间接地 危害人体的健康。现在，水环境必须治理，污水必须经过处理才能排放已成为人 们的共识，因此研究开发高效、经济的污水处理技术成为环保工作者的热点。 废水处理的目的，就是利用各种方法将污水中所含的污染物质分离出来，或 将其转化为无害的物质，从而使污水得到净化。 华中科技大学硕士学位论文 按废水净化程度可将处理分成三级： 一级处理：除去油类、酸碱物质以及可以截留的悬浮物。 二级处理：除去可溶性有机物质和部分可溶性无机物以及经一级处理残留的 悬浮物。 三级处理：除去难降解的有机物和较高程度地除去可溶性n ( 氮) 和p ( 磷) 等无机物。 按废水处理时的作用性质，可分成物理法、化学法和生物法，方法如下： 1 物理法瞄1 物理法主要是利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染物质，在其处理过 程中不改变污染物的化学性质。常用的物理法有采用格栅、筛网、砂滤等方法截 留各类漂浮物、悬浮物等；利用沉淀、气浮等分离比重与水不同的各类污染物质； 利用离心法分离各类悬浮物质；吸附法；膜分离法；磁分离法等。 2 化学法【2 i 化学法是利用化学反应的作用，去除污染物或改变污染物的性质。它包括向 废水中投加各类絮凝剂，使之与水中的污染物起化学反应，生成不溶于水或难溶 于水的化合物，析出沉淀，使废水得到净化的化学沉淀法：利用中和过程处理酸 性或碱性废水的中和法；利用液氯、臭氧等强氧化剂氧化分解废水中污染物的化 学氧化法；利用电解的原理，在阴阳两极分别发生氧化和还原反应，使水体达到 净化的电解法等。 3 生物法 生物法也称生物化学法，简称为生化法。生化处理法是处理污水中应用最广 泛且比较有效的一种方法，它是利用自然界中存在的各种微生物，将污水中有机 ，、 物分解和向无机物转化，达到净化水质、消除其对环境污染和危害的目的。 - 化学法处理单元过程为一添加过程，与其他处理单元操作相比，必须加入某、一 种物质以达到去除污染物的目的，因此，往往会增加废水中溶解组分，使废水中 溶解固体浓度有所增加。在废水处理中，还有一很重要的原则是节能，如果某一 处理过程，处理效果很好，但是能耗很高，这就只是把污染形式作了一下转移而 已 4 1 。因此，研究开发高效、经济的污水处理新技术成为环保工作者关心的热点。 华中科技大学硕士学位论文 在处理环境污染物的过程中，传统的物理和化学方法运行费用较高，处理问题 单一，并且常有二次污染产生，而微生物处理方法具有运行费用低，治理效果好， 且无二次污染等优点，是环境污染治理中一项可行性强、潜力大的技术措施p j 。 微生物是地球生态系统中最重要的分解者，也是开发潜力最大、人类最宝贵 的资源库，在污染物的降解转化、资源的再生利用、无公害产品的生产开发、生 态环境的建设保护等方面都能发挥重要作用。当今人类所面临的诸如环境污染、 资源短缺、生态破坏、健康受害等许多重要问题，都有可能从微生物资源的开发 研究中寻找到解决的办法，生物技术对人类社会的持续发展将产生重要影响【6 】。 1 2 国内外研究状况 发达国家自8 0 年代以来在生物领域投入了大量的人力、物力，取得了许多研 究成果，同时在微生物技术的应用及产业化方面迅速发展，取得了巨大的经济、 环境和社会效益。近年来随着水污染的加剧，促进了水处理领域中微生物学方面 的研究，例如对各种重要污染物微生物降解途径、人工合成有毒聚合物生物学降 解的可能性、选育高效菌株处理特定废水和利用分子遗传学和基因工程等的生物 化学新技术革新现有的研究手段和水处理方法等方面都有很大进展。 废水生物处理技术自从1 9 世纪末出现以来，发展至今已经成为世界各国处理 城市生活污水和工业废水的主要手段。目前，国内已有近万座污水生物处理厂( 站) 投入运行。但调查数据显示，这些污水生物处理厂运行情况良莠不齐，从存在的 问题分析有：原设计工艺不当；投入运行后水质水量与原设计指标有较大的出入： 设备质量差、损坏后未及时修复等【7 j i 。 生物降解法处理废水和物理法、化学法相比，有其自身的关键技术和难点【1 4 j ： 1 ) 信号的测量问题 生物降解过程信息的测量是控制系统的关键问题。有些参数很难测量，有些 可能测量不准，不可靠；有些无法在线测量，特别是成分分析，只能通过取样的 办法，在实验室中分析才能取得；有些即使可用间接的方法测到准确的信号，但 是不知其与真实变量的关系。随着在线质量分析仪的逐步应用，使得原来有些不 可测的量变成可测，然而，在线分析仪确实满足不了千变万化的生物反应过程的 华中科技大学硕士学位论文 要求。所以有些过程变量用间接测量方法或称推断测量的方法，通过模型计算来 获得过程的测量。总之，负反馈控制完全依赖于测量的准确性。 2 ) 纯滞后的问题 在生物降解过程中，会有各种纯滞后存在。纯滞后对于过程控制来说是一个 大敌，因为过程控制希望其控制作用响应要迅速及时。有纯滞后的存在，不等控 制作用的进行，可能又有新的扰动到来。 3 ) 非线性特性 生物反应过程严重非线性，对于扰动作用的响应和校正作用，在不同的工作 区域会有不同，这样就很难找到满意的控制器参数。 4 ) 过程本身不稳定 生物反应过程本身是不稳定的，如果进入不太稳定的区域，其参数变化，如 反应温度和反应压力可能以指数形式增加，导致系统爆炸。 5 ) 耦合问题 生物反应过程中输入和输出之间的关系通常是很复杂的，各变量之间可能具 有很强的耦合性。一个输入可能会改变几个输出，反过来说，一个输出可能会受 到几个输入的影响。因此，当控制系统都是单回路时，控制系统之间就会相会影 响。 6 ) 时变特性 过程参数的时变性也会严重影响控制器参数的整定，有时会使得整个过程变 成很难控制。 由于生物降解过程存在上述的特性，所以，常规的控制手段已经越来越无法 满足化工装置生产控制的需要。然而采用先进控制理论可以极大地改善装置的操 作和控制，较好地解决传统控制方法难以解决的问题m 。 先进控制理论于7 0 年代初提出，其工业上的最初应用始于7 0 年代末期。进 入9 0 年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃的发展，带来了巨大的经济效益。 经过2 0 年左右的发展，先进控制技术在许多方面目前已经十分成熟：各种多变量 预估控制的理论基础已被广泛认同：多变量预估控制所涉及的范围不断的扩充； 各种多变量预估控制软件包不断涌现；大量的先进控制正在各种工业装置中实施 4 华中科技大学硕士学位论文 1 0 l l l l 】。 虽然先进控制相对于传统的p 1 d 控制具有良好的控制效果和很高的鲁棒性， 但是由于先进控制的高科技含量，目前这项技术主要掌握在为数不多的几家公司 手中，如美国1 9 9 6 年前的s e t p o i n t 和d y n a m i c m a t r i x c o n t r o l 公司( 这两家公司于 ，1 9 9 6 年被美国a s p e nt e c h 公司收购) 、英国的p r e d i c t i v ec o n t r o ll t d 公司和美国 的h o n e y w e l l 公司【1 2 】【1 3 1 。 由于经济和技术条件的限制，目前国内的废水生化处理过程较多采用传统的 p i d 控制【7 1 。 1 3 本文的主要工作 废水生物处理过程通常是由滤沙、沉淀( 在沉淀池内进行) 和生物降解( 在 生化反应罐内进行) 以及后续处理等几个部分构成。 本文所研究的生物降解系统主要分为机械传动系统、检测系统与控制系统三 个子系统。 在机械传动系统的设计中，由于本文涉及的生化反应是放热反应，搅拌的作 用是为了使反应物质能均匀分散和反应液各部分温度均匀。由于电动机的转速每 分钟超过1 0 0 0 转，而搅拌器每分钟才几十转，电动机和搅拌器之间存在较大的转 速差，所以电动机和搅拌器之间就必须有减速装置。通常情况下都选用直齿齿轮 或者斜齿齿轮减速器或者蜗轮减速器来减速，但是在同样的减速比条件下，由于 直齿齿轮或者斜齿齿轮减速器体积较大，蜗轮减速器虽然减速比大，但是发热严 重，效率较低，而谐波齿轮传动机构较上述减速机构的优点更多、更突出，如体 积更小、噪声小、侧隙回差小、重量小和精度高、速比高、效率高，谐波齿轮为 多齿啮合，参与啮合齿数一般可达总齿数的2 0 4 0 ，负载能力高，故使用谐波 齿轮来减速。在谐波齿轮的工作过程中，由于柔轮工作时周期变形，承受交替载 荷，是最为薄弱的环节之一。其弯曲疲劳强度直接影响谐波齿轮的寿命，而柔轮 壁厚( 柔轮齿圈段的壁厚) 直接影响弯曲疲劳强度，因此我们首先应考虑关于柔 轮壁厚的计算。但是国内用来计算谐波齿轮壁厚的公式都是经验性的，是很不精 确的。尤其是对于传递载荷来说，在轻载的情况下，万可能富余很大，造成柔轮体 华中科技大学硕士学位论文 积庞大，柔轮中的预应力过大，传递效率低下；而在重载的情况下，万很可能偏小， 柔轮中的切应力过大，从而导致柔轮的破坏。而且，由于设计人员对工作条件的 界定不同，即使是同一工作条件下，不同的设计人员也会选用不同的参数，从而 导致计算结果的差别很大。因此，采用这种经验型的公式虽然简单，但其不足之 处显而易见。关于壁厚的较为精确的计算公式可见文献弘”，但是这个公式是在光 滑圆柱壳体的基础上进行的，齿圈的存在，必将引起柔轮体中应力的改变。因为， 柔轮上的轮齿将使柔轮的弯曲刚度增加。故在波发生器作用下，要使具有齿圈的 柔轮与光滑的壳体达到同样的最大径向位移巧。，显然带齿壳体剖面中的应力要增 大。本文分析了谐波齿轮传动中柔轮壁厚的几种计算公式，包括经验公式和精确 公式，后者仅用于塑料谐波齿轮柔轮的壁厚计算。针对它们特别是精确公式的不 足，考虑到谐波传动中柔轮的载荷和变形情况，引入了应力修正系数，推导出了 一种通用的柔轮壁厚的半经验计算公式，它不仅适用于塑料谐波齿轮，而且也适 用于金属材料制造的谐波齿轮，具有很好的通用性。并通过一个算例将几种公式 进行比较，计算的结果证明了该公式的优越性，为今后的谐波齿轮结构的优化设 计以及计算机辅助设计提供了工具。 生物降解过程是极其复杂的生化反应过程。对于生化反应的操作，以前是凭 着人们的实践经验来进行的。由于缺乏生化反应过程参数的测量、监视和控制系 统，使得生化反应结果不理想，操作费用大。为此，要对生化反应过程实行优化 操作与控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是说要了解生化过程的各种 信息。本文针对生物降解过程的特殊性，分析该过程需要检测的参数，并且针对 这些参数，选择符合生化反应过程要求的传感器，并且给出了适合该过程的控制 方法，为解决生物降解过程的参数检测和控制问题提供了一定的参考，保证了降 解过程的安全性和可靠性。 在搅拌器的设计中，通常有以下的要求：搅拌功率尽可能小、搅拌效果也就 是排液量尽可能大和搅拌轴所受的扭矩尽可能小。为满足以上的要求，就必须涉 及到多目标优化设计。在多目标优化设计中，权重的选择和确定是很重要的，本 文针对多目标优化设计中出现的问题如权重的确定和数学模型的尺度变换，提出 了一种新的权重的确定和多目标优化方法，用模糊学来处理权系数而采用非劣解 华中科技大学硕士学位论文 接近理想解的程度，即贴近度来确定权系数。这样不仅可以对目标函数进行优化， 而且可以对权重进行优化，从而取得较好的目标函数值和权重值，避免人工依赖 经验选择权重的弊端。本文采用这种方法对搅拌装置的多项目标同时进行了优化， 并取得了较好的效果。 p i d 控制系统投入应用时，必须对控制器的参数进行整定。控制参数的整定往 往都是用试差的方法来进行，或者是由有经验的工程师根据不同的工业生产过程 来设置控制器的参数。本文先推导出了反应罐的温度控制系统的非线性微分方程， 然后利用m a t l a b 对反应罐的温度控制系统进行了仿真，并且将仿真系统代入优化 程序，利用计算机采用优化设计的方法直接求出控制器的参数，避免了频繁的手 工试差调试控制器参数，为人工整定控制器参数提供了有效的参考手段。 重力沉淀过程是污水处理系统中使用最广泛的单元过程之一，重力沉淀过程 在各种污水处理系统发挥着重要的作用。由于重力沉降过程的运转状态直接影响 着整个处理系统的处理效果，所以深入分析重力沉降过程中各有关因数间的相互 作用规律有着十分重要的实际意义，本文对重力沉降过程进行了模拟仿真，并且 模拟了颗粒密度的变化对沉降效率的影响，同时也模拟了温度的变化对沉降效率 的影响，为沉降池的计算机辅助设计提供了非常便捷的工具。 华中科技大学硕士学位论文 2 生物降解过程参数检测与控制技术分析 2 1 生物降解过程参数检测 生物降解过程是极其复杂的生化反应过程。对于生化反应的操作，以前是凭 着人们的实践经验来进行的。由于缺乏生化反应过程参数的测量、监视和控制系 统，使得生化反应结果不理想，操作费用大。为此，要对生化反应过程实行优化 操作与控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是说要了解生化过程的各种 信息。这些信息可以分为物理变量信息( 如反应温度) 、化学变量信息( 如p h 值) 以及生物变量信息，如生物浓度。由于生化反应过程的特殊性，许多生物变量的 传感器至今还只是在研究阶段，因此，严重影响了这些生化过程重要变量的测量。 由于生化反应的特殊性，故增加了检测与控制的技术难度，主要表现在1 1 4 1 1 5 】： 1 ) 反应器内插入的传感器必须能够在复杂的酸碱性环境下工作，能够耐腐蚀。 2 ) 菌体以及其它固体物质附在表面，使传感器灵敏度降低。 3 ) 生化反应器内有气泡，对有的检测传感器带来干扰。 4 ) 在电极结构上必须没有杂菌和灭菌死角。 5 ) 由于多数是化学成分分析，因此给电信号转换带来困难或者可靠性降低。 由于上述种种原因，使得许多传感器，尤其是检测化学物质浓度、微生物质 浓度的传感器，很难在工业规模的生化过程中使用。 生物降解过程中使用的传感器相对于其它用途的传感器来说，有其自身的特 殊要求： 1 ) 可清洗 在生化反应罐批之间，这些传感器要容易清洗。 2 ) 耐消毒 通常对生化反应器的消毒都是采用加热法。因此，一般的传感器消毒温度为 1 2 0 c ，0 1 2 m p a 压力，消毒时间为2 0 3 0 分钟。化学消毒法也可以考虑，即用 酸、碱溶液浸泡，不过传感器必须具备伸缩防护套装置。 3 ) 无毒 华中科技大学硕士学位论文 组成传感器的材质对生化反应过程将不会造成毒害作用。因此，必须选用合 适的传感器材质，以免污染的发生。从这观点来看，微生物作为生化过程传感 器的材质最为理想，为此，生物传感器对生化工业很有特殊意义【1 5 1 。 2 1 1 压力的测量 生化反应器操作压力的变化，将会引起氧在反应液中的分压改变，也就是说 影响着溶解氧浓度的变化，从而影响反应效率和速度，而且压力的升高也使反应 过程变得不安全，所以必须对压力进行测量和控制。 压力、差压传感器的测量原理大致可分为一下几个方面【“l ： 1 ) 压力与弹性体的变形应力相平衡，并转换成弹性体的位移； 2 ) 压力与别的流体压力或者电磁力等相平衡，并将其变换成力或者电流，这 种原理多用于工业生产过程压力测量变送传感器。 3 ) 压力与流体的重量相平衡，由对应的液体量求得压力，如u 形管压力计； 4 ) 压力与固体的重量相平衡，由对应的固体重量求得压力，多用来标定压力 计。 其中使用很广泛的弹性压力传感器是在虎克定律成立的范围内，把压力变换 与之成比例的变形量的一种方式。根据弹性体的形状，有多种型式的压力传感器， 如波登管式压力传感器、波纹管式压力传感器、膜式压力传感器登。弹性压力传 感器有共同性的问题，即温度对弹性的影响，滞后现象，时效性等。在生物降解 过程中压力测量是很重要的，作为现场使用的压力测量仪表，多采用上述价格便 宜的弹性压力仪表，即波登管压力计。但是由于生化过程要实现计算机控制，因 此压力信号，要传送到控制器以便进行自动控制，这就要使用压力测量变送传感 器，即使用电阻应变片来实时测量压力的大小和变化。在生物降解过程中，由于 介质有腐蚀性，因此，通常选用不锈钢材料的压力表。 2 1 2 液位和泡沫液位的测量 生化反应过程中由要被降解的废水和参加降解的菌体在生化反应器中实际所 占有的体积，对于有效地建立物料平衡方程和控制添加物的加入量，有着十分重 要的意义。另一方面，为了避免反应液的发泡和逃液，在生化反应过程中，又希 望随时知道生物悬浮物所占有的泡沫体积和位置。泡沫以各种途径影响着生化反 华中科技大学硕士学位论文 应生产过程。首先，发泡将会增加反应液的体积，从而减少了反应器的实际有效 使用空间。此外，它增加了反应液的多相性，使得微生物趋向聚集在富氧气泡的 周围。泡沫的测量是基于液位的测量，因此，泡沫液位传感器也可用于液位的测 量。 液位测量的最简单方法是基于液力静压的测量，如图2 1 所示。压力传感器 安装在反应器的底部，所测量的压力为： p = p o + , o g h ( 2 1 ) 式中p 一所测量到的压力 p 。一反应器压力： p 一反应液密度； g 一重力加速度( 常数) ； h 一液面的高度： 因此，当p 。、p 己知，就可以测得液面高度h 。 液面的测量，也可用测量差压的方法来检测， 但是这种方法受到反应器形状的限制，故测量精度 不理想。 图2 1 液力静压 测量液位原理 在生化反应过程中，泡沫液位( 或液位) 的测量有几种方法，其中最简便的 方法是导电电极法。这种导电电极可用在不腐蚀导体的液体的液面测量。该测量 方法可由一支或两支电极所组成，若罐体是金属材料制成的，只可用一支电极， 如图2 2 。当液面或泡沫达到不绝缘的金属棒的端点时，就会有电流信号产生， 指示出液体或者泡沫的存在。这种液位电极传感器所施加的电压一般不超过2 4 v ， 电流大约为1 5 j 卅。比较安全可靠的电压为交流i o v 。这里采用交流的目的是为了 防止被测液体的极化。 另一种泡沫传感器是电阻式泡沫电极。当电极垂直安装在罐体上时，其电极 电流正比于不绝缘电极棒浸没如液体的长度，由此来澳0 量泡沫液位高度。这种电 华中科技大学硕士学位论文 极有单电极形式和双电极形式。 当使用单电极测量液位或泡沫液位时，往往由于结垢、微生物在电极上的附 着等，容易造成短路，出现虚假信号。当用该信号进行控制时，就会产生误动作。 要防止这一现象发生，主要是在传感器上进行改进。一般用的是单电极传感器， 现在应该改用双电极传感器，如图2 - 3 所示。这种双电极传感器，比单电极传感器 多了一个电极，即保护电极( 也叫截流环) 。该保护电极能对生化反应过程中的结 垢污染、绝缘降低而造成的漏电流，产生一个相应的补偿作用，这样，就可以在 比较恶劣的环境中工作，提高了泡沫液位测量的准确性，确保泡沫液位控制系统 的精度和可靠性。 ( 1 ) 两支电极法 图2 2 电极法测量液位 ( 1 ) 单电极传感器 图2 3 ( 2 ) 单支电极法 l ，- - l l l i 爿，：oc o ( 2 ) 双电极传感器 液位电极传感器 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 温度的测量 对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长反应速度。如果从生物酶动力学 方面来考虑，酶的最佳活力对应着一最好的温度。因此，生物降解过程中的介质 的温度，是一个很重要的微生物生长反应环境参数，必须严格地加以控制。影响 生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度变化 以及周围环境温度的改变。 测量温度通常使用热电势式测温组件或者热电阻式测温度组件。由于热电阻 是中低温区最常用的温度检测组件，它具有性能稳定，测量精度高，在中、低温 区输出信号大，信号可以远传等优点。根据新的国家标准，热电阻地测温范围为 一2 0 0 8 5 0 。特别是在生化反应和后处理过程中，所用的温度测量都是用热电 阻式测温度组件。 大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示： r ，= r o 1 + a ( t 一“) ( 2 2 ) 式中r ，凰一分别为热电阻在r 和时的电阻值： a 一热电阻的电阻温度系数，l 。 从式( 2 2 ) 可见，只要口保持不变( 常数) ，则金属电阻r 将随温度线性地 增加，其灵敏度s 为【1 6 l ： s ：上堕：口( 2 3 ) r o d t 显然，口越大，灵敏度s 就越大。纯金属的电阻温度系数口为( o 3 o 6 ) 1 c 。 但是，绝大多数金属导体的口并不是一个常数，它也随着温度的变化而变化， 只能在一定的温度范围内把它近似地看作为一个常数。不同的金属导体，口保持 常数所对应的温度不同，而且这个范围均小于该导体能够工作的温度范围。 测温电阻丝材料必须具有：( 1 ) 电阻的温度系数大而且线性良好：( 2 ) 稳定 性良好；( 3 ) 能在较宽的温度范围内使用；( 4 ) 能得到适当的电阻值；( 5 ) 加工 容易等等。对上述条件最合适的原材料是铂，用它做成的铂测温电阻广泛地应用 在工业检测上。除了铂作为热电阻材料外，还有铜和镍等金属能作为热电阻的材 华中科技大学硕士学位论文 料。 测温电阻丝由于机械变形，其电阻值和温度系数都将产生相应的变化，因此 必须将其缠绕在既不受张力也不产生弯曲的构件上，还必须想办法使振动冲击等 也不致于使细电阻丝拉断。 一 在实际测温过程中，为了防止电磁感应干扰，通常都把测温电阻做成套管式， 这种测温电阻具有响应速度快，抗振动性强，对恶劣环境适应性强，弯曲加工容 易等优点。 由于铂热电阻温度传感器具有优良的特性，在生化反应和高温消毒处理条件 下都具有良好的稳定性和高的精度，所以，在生化过程多用铂热电阻来测量温度。 在热电阻测温系统中，与热电阻配套的显示仪表( 或热电阻温度变送器) 的输 入线路都采用电桥，热电阻就处在电桥的一个桥臂上。由热电阻的测温原理可知， 被测温度的变化是直接通过热电阻的电值变化来测量的。在实际测量中，由于热 电阻远离显示仪表，它们之间的连接导线很长，当环境温度变化时，连接导线的 电阻值将有明显的变化。如果把热电阻很长的连接导线都接在一个桥臂中，则环 境温度变化而引起的连接导线电阻变化值将与热电阻的变化值相叠加，从而给仪 表带来较大的附加误差。为消除这一误差，在热电阻测温度中，通常采用三线制 接法，如图2 - - 4 ( 2 ) 所示。即除热电阻原有两根连接导线外，另有一根粗细、长 度和材料完全相同的连接导线被串入与热电阻相邻的另一桥臂中，这样当连接导 线电阻变化时，处于相邻桥臂的两导线电阻变化所引起的电压变化可以相互抵消 一部分，从而减少对仪表读数的影响。 厂o a 之 l q b ( 1 ) 2 线制( 2 ) 3 线制 图2 4 电阻温度体内部接线 华中科技大学硕士学位论文 2 】4 流量的测量 流量测量是生化及过程工业生产过程操作和管理的重要依据。通过对生产过 程中各种介质的流量测量，可以进行整个生产过程的物料和能量衡算。特别是在 按经济规律办事和节能工作广泛开展的今天，为了可靠地进行经济核算，提供能 源的利用率，必须对各种原料、产品及染料、蒸气、冷却水等流体的流量进行测 量。 测量流量的方法很多，所应用的仪表结构各不相同。按照工作原理，流量仪 表大致可分为三大类：容积式、速度式和质量式流量计f 1 4 】。 1 ) 容积式流量计 这类流量计应用容积法测量流量，即以单位时间内所排出流体的固定容积的 数目作为测量依据来计算流量，它包括椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、括板式流 量计及旋转活塞式流量计等。这类流量计的特点是流量的大小以及流体的密度、 粘度等物理条件对精度影响较小，因而可以得到较高的测量精度。 2 ) 速度式流量计 这类流量计主要应用流体力学法来测量流量，即以测量流体在管道内的流速 作为测量依据来计算流量。这类流量计包括差压式流量计、转子流量计、电磁流 量计。涡轮流量计、靶式流量计等，其中差压式流量计和转子流量计应用最广。 3 ) 质量流量计 这类流量计大致可分为两类：直接型质量流量计和间接型质量流量计。直接 型质量流量计是通过直接检测与质量成比例的参数来实现质量流量的测量。间接 型质量流量计则是通过体积流量计与密度计的组合来实现质量流量测量。 差压式流量计也叫节流式流量计，它是流量测量中最成熟、最常用的一种流 量计，它依据流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差来实 现流量测量，其压力差与流体流量成对应关系。差压式流量计虽然最成熟，但是 只能作为现场使用的流量测量仪表，不能实现远距离显示和控制。 转子流量计也是以流体流动的节流原理为基础的一类流量计。它有就地指示 式、气远传式、电远传式三大系列。其中就地指示式用于现场就地测量，后面的 两种则通过气动或者电动转换装置，将被测流量变换成相应的气压( 2 0 1 0 0 k p a ) 或电流( 4 2 0 m a ) 标准统一信号，实现远距离显示或调节。这种流量计具有结 1 4 华中科技大学硕士学位论文 构简单、工作可靠、测量范围大、压力损失小、近似线性刻度等优点，但其需要 实际标定，且被测介质不能含有磨损性、磁性或纤维类的杂质。 而电磁流量计则采用非接触式测量，即它没有直接接触流动介质的检测组件， 而是依据电磁感应原理进行工作。由于电磁流量计这一特殊的结构原理，使它在 流量测量中具有压力损失小、反应速度快、测量范围大、输出信号不受液体的物 理条件( 如温度、压力、粘度) 变化和流动状态的影响等特点，因而它适合于测 量脉动流量和含有颗粒、悬浮物等液体的流量，在采用耐腐蚀衬里的条件下，可 以用于腐蚀性液体的流量测量。 由检测原理还可知，使用电磁流量计的先决条件是被测介质必须是导电的液 体，一般其电导率要求不能小于水的电导率，因此，它不能测量气体、蒸气和石 油制品等非导电流体的流量。 由于实际测量中导电液体所感应的电势数值很小，一般只有几毫伏，电磁流 量计的转换部分必须采用高放大倍数的放大器，由此造成其测量系统复杂，成本 较高；同时也使电磁流量计极易受电磁场干扰的影响，因而其安装要求严格，安 装地点必须远离一切电磁干扰源，变送器的外壳、屏蔽线、测量管道以及变送器 两端的管道都要接地，并且必须单独设置接地点。 在工业生产中，流量计要针对生产的特性来选用。生化反应器是利用生物催 化剂( 酶和细胞) 进行生化反应的设备，根据反应器的操作方式，可将其分为间 歇操作、连续操作和流加操作三类。其中间歇操作又称分批操作，采用这种操作 方式的反应器称为间歇式反应器。间歇式反应器的基本特征是：反应物料一次性 地加入，维持一定的反应条件让其封闭进行，直到产物或者细胞生成量达到一定 要求后才一次性地卸出；反应器内物质组成随时间而变化，属于非稳态过程；适 合于多品种、小批量、反应速率较慢的反应。由于本课题涉及的生物降解过程是 属于间歇生化反应过程，反应物料也就是污水和用来降解的菌体一次性加入，所 以那种现场就地测量的流量计如差压式流量计就可以满足要求，没有必要使用经 济性差的流量测量变送传感器如电远传式转子流量计或者电磁流量计，而且污水 中存在磨损性、纤维类的杂质，所以使用转子流量计不合适，使用电磁流量计成 本太高。 在测量冷却水流量时应该使用转子流量计，因为生化反应过程中，对冷却水 华中科技大学硕士学位论文 的流量的实时检测和控制是非常必要的，这时，使用差压式流量计不能满足流量 测量变送的要求，这样就不能实现实时反馈控制的目的，当然可以使用测量正确 的电磁流量计，但是电磁流量计的安装成本很高，对工作环境要求苛刻，测量系 统复杂，容易收到外界的电磁场的干扰。而且由于冷却水中不含有磨损性、纤维 类的杂质，所以可以选用工作可靠的转子流量计。 2 2 生物降解过程的控制 2 2 1 压力的控制 生化反应器内的压力不仅受到降解过程中所产生的气体的多少的影响，而且 也受到反应器内的介质的温度的影响。在容积不变的条件下，温度越高，则压力 则越大，与温度( 绝对温度) 成正比，但通常情况下，由于反应器内的介质的温 度受到严格的控制，基本上保持不变，所以可以认为在生物降解过程中，压力受 反应液的温度的影响很小，所以影响压力的唯一因素就是降解过程中反应液所释 放出来的气体的多少。因此，控制生化反应器的压力，通常是通过调节排除气体 的量来控制，所以可以采用简单的单回路p i d 控制方法。 2 2 2 液位和泡沫液位的控制 在降解过程中，由于搅拌、代谢气体的逸出以及反应介质中纤维物质、代谢 物等充当泡沫稳定剂的表面活性物质的存在，使降解过程产生一定数量的泡沫。 这些泡沫的存在可以增加气液接触面积，导致氧传递速率增加。但是，在好氧型 生物降解中，当降解旺盛时会产生大量泡沫，给继续降解造成困难，这是因为大 量的泡沫充斥反应罐内，降低了反应罐的操作容量；而且由于泡沫的漂浮作用， 使菌体及固体基质颗粒在泡沫层相对集中，并容易附着在反应液上方的罐壁及搅 拌轴上，从而降低液层内的菌体和基质浓度，影响降解速率；泡沫层的菌体由于 缺氧而容易自溶，这不仅影响降解速率，同时，释放出的菌体蛋白进一步促使泡 沫的形成；泡沫层不易被搅动，使有些参加反应的物质不能及时分散，造成局部 反应液的反应和合成的损害；而且泡沫容易渗入搅拌轴封，增加不必要的麻烦； 如果反应器密封不好的话，那么泡沫就会夹带反应液溢出，造成所谓的“逃液”。 因此，必须通过加入消泡剂等方法来控制泡沫的上浮。 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 消除泡沫的方法 消泡方法有机械消泡法和化学消泡法。机械消泡法是用机械力破碎泡沫，这 种消泡方法在生物降解过程中使用不多。加入消泡剂进行化学消泡，是控制泡沫 最常用的一种方法。消泡剂本身是一种表面活性物质，并具有较低的表面张力， 它能够竞争性地取代泡膜中导致泡沫稳定的蛋白质表面活性化合物，降低泡膜的 局部表面张力，使其受力不均匀而破裂。 用于降解过程的化学消泡剂，一般要求在反应液体中不溶解，但容易分散， 对菌体没有毒性，对热稳定，不影响降解产物的生成，不妨害降解的速率和效果， 消泡能力强，持续时间长，无爆炸性、挥发性和腐蚀性，消泡成本低。 化学消泡剂的加入不可避免地要对降解过程产生一些副作用。这些副作用包 括：增加气液接口阻力；降低氧传递速率：消泡剂被微生物代谢，释放出脂肪酸； 降低反应液的p h 值；过量加入的消泡剂反而有可能增加泡沫的稳定性，强化泡沫 的形成：反应液中残留的消泡剂增加过滤系统中过滤介质的阻力，造成后续工序 操作困难。为了减轻这些副作用，消泡剂必须审慎而精