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污水处理厂SBR法工艺自动化管理系统
　　　污水厂的管理目前大都停留在经验决策阶段，因此污水处理质量极大程度上受管理人员素质的制约。随着污水处理水质要求的日趋严格，污水处理工艺过程更趋复杂，控制要求越来越高，管理水平将是污水处理事业进一步发展的障碍之一。近年来从国外引进设备的污水厂基本上都采用计算机管理，一般都取得了较好的效果。本文就污水处理厂SBR法工艺自动化作些探讨。
　　1.1微机自动化管理系统的设计
　　目前国际上普遍采用的自动化管理系统一般都采用这一模式：
　　人←→计算机←→PLC←→现场设备
　　PLC是这一模式中的关键设备，PLC中事先已输入工艺运行的程序，PLC可以根据工艺参数按运行模式自动监控、运行设备。计算机在这一模式中起三个作用：①实时显示运行工况。②实时向PLC传送调整设备运行状态的指令。③建立数据库，储存记录运行中各参数、指标等资料。人可以通过计算机随时改变工艺运行的模式。PLC根据工艺运行的模式自动调整设备的运行，并对工况运行的数据库加以整理保存。
　　1.2微机自动化控制系统的特点
　　1.2.1将分散在工艺流程上各控制点的监测数据经处理后作为PLC控制的依据。
　　1.2.2将监测的数据作为计算机选择运行模式的依据，实现PLC对各设备有效的、自动的控制。
　　1.2.3计算机实现对全厂运行情况有序的、集中的管理，保证操作人员对整个系统的监控。

　　2　SBR法工艺流程
　　SBR工艺是一种间歇(批式)处理污水的工艺技术，它采用单个反应池通过时间序列来完成进水、反应、沉淀、排水、闲置等功能。
　　在SBR池进水阶段，利用污水进水中所含有机碳源，将上一批反应排水后残留在池内污 水中的硝酸盐氮予以还原，经过一段时间后，开始曝气，在含碳有机物被氧化的同时，先后进行氧化和硝化反应，曝气结束后进行沉淀，然后将上部澄清液排出，并保留部分处理后污水供下一 周期反硝化反应。
　　对于SBR污水处理工艺，管理控制可分为两个层次，它与连续流不同，处理操作需要开、关反应池进水阀门，在预定的进水时间内，根据反应池的充满程序，确定启、停鼓风机、滗水器等一系列操作，这些均需PLC来控制。另外，由于季节变化污水量少、水质浓度的变化，处理效 果需要通过调整周期内时间配置来调节。如出水氨氮过高，则需延长曝气时间，出水NOX-N过高则需增加反硝化时间等，一般可以在PLC内预先设置几套周期配置模式，以便根据实际水量 、水质、水温等因素，在一段时间内选用一种周期模式，或昼夜用不同的周期模式。此外，PLC内还具有意外情况下的处理对策，如突然停电一段时间后，应以何种措施过渡恢复等，这些均是SBR法有别于连续流工艺控制管理的方面。
　　3　PLC硬件的配置
　　污水处理厂进行自动化控制、管理的主要手段是可编程序控制器(PLC)和计算机。自动化管理系统一般都采用分散控制集中管理的模式，即按工艺要求将全厂的控制系统分成若干个单元，每个单元由一台PLC控制，PLC与PLC之间可由专用通讯电缆连接，构成主、 从PLC模式。主PLC与计算机之间有通讯线相连。
　　PLC的配置，首先应当结合工艺、土建解决好PLC的单元布置，主要解决集控室与PLC、PLC与PLC之间的距离问题。各控制单元之间的距离应尽量短。如果各控制单元的距离不大于200米，可采用主、从PLC控制模式，主PLC设在集控室，可通过通讯口与计算机直接连接，从PLC采用专用通讯线与主PLC连接。这种模式较为经济。如果PLC与PLC之间的距离较大，则通讯干扰大，可靠性差，不宜采用上述模式。可以采用具有网络功能的PLC，PLC之间构成一个网络结构并与计算机相连。每个PLC独自控制一个单元，但这一模式的工程造价较高 。
　　4　SBR法工艺自动化控制管理系统
　　4.1设计规模及处理目标
　　进水水质：BOD5=150～3O0mg/l，
　　　　　　　CODcr=250～500mmg/l，
　　　　　　　NH3-N=25～40mg/l。
　　出水水质：BOD5≤20mg/l，
　　　　　　　CODcr≤7Omg/l，
　　　　　　　NH3-N≤15mg/l。
　　日处理量　5000m3/d。
　　4.2　设计原则
　　4.2.1适用于规模较小的城市污水处理，昼夜水量变化大；
　　4.2.2流程简洁，日后水量增长时可改为连续流常规活性污泥法工艺；
　　4.2.3具有较好的脱氮除鳞功能(本例子未考虑脱磷)；
　　4.2.4控制、管理实现自动化，降低能耗，减少运行费用和劳动强度。
　　4.3设备及仪表配制
　　设置二个控制单元：进水泵房单元(PLC1)；鼓风机房单元(PLC2)。集控室与进水泵房单元合在一起。鼓风机房单元电机运行状态可以通过PLC1在模拟屏上显示出来。
　　PLC采用OMRON产品：PCC20OHS。
　　PLC1：D1=128DO=128A1=16AO=0
　　PLC2：D1=128DO=48A1=16AO=0
　　控制室配计算机一台、打印机一台。

　　4.4　　工艺操作系统
　　污水厂的进水泵房部分一般包括入流总闸门及放泄道、格栅、集水池和提升泵。进水总闸门是为了部分进行维修需要而设置，一般情况下不操作，所以一般采用电动阀门就地操作，其工况集中显示。格栅一般采用电动清捞，根据定时或格栅前后的液位差自动运 行。此外，还需配制垃圾皮带输送机或压榨机，整个格栅除污系统采用现场联动操作，集控室显示。在集水池内设浮球开关及液位计，进水泵的开启台数根据集水池液位升降由PLC控制启停。一般SBR不设初沉他。反应池假设为三组，每组容积1600m3，每组反应池设鼓风机二台(30m3/min；20m3/min)，设置浇水器二台(每台流量450m3/h)，设置搅拌机四台。周期设计为进水2小时，曝气4.5小时，沉淀0.75小时，排水0.75小时，整个周期为8小时。
　　1.首先第一组进水，开启第一组进水电动阀门，同时给出信号，进水泵准予启动；
　　2.第一组反应池液位上升至某一设定值时，启动水下搅拌器；
　　3.第一组反应池内液位达到设定最高值时，关闭进水电动阀门；
　　4.鼓风机开启受二个因素制约，一是时间，时间控制主要是反硝化搅拌反应需一定时间；二是液位，进水后反应池充满到一定程序再开鼓风机。二个条件必须同时满足。开启鼓风机的同时，关闭搅拌机；
　　5.鼓风机启动台数需根据反应池溶解氧数值来确定。一般有如下三种方案：方案一 、方案二采用先同时开启两台风机，当溶解氧到达某一设定值后，可改为一台，继续曝气，直到设定曝气时间结束再停机。方案三采用大小风机交替使用，使溶解氧到达某一设定值；
　　6.第一组反应池进水结束后，如第二组反应池已做好进水准备，则打开第二组电动进水阀。如第二组不能进水，则给出信号，停进水泵，等到第二组反应池允许进水时打开电动进水阀，同时启动进水泵；

　　7.在曝气结束前，根据时间设定，打开排泥阀，排反应池混合液，排泥量可通过时间或反应池液位由工艺设计根据泥龄来确定，并可调整；
　　8.停机后开始计时，即反应池进入沉淀阶段。一般沉淀45分钟后即可滗水；
　　9.沉淀阶段结束时，给出信号，开启滗水器。滗水器开启时间主要受液位控制(即排水量要求)，滗水总量(以液位反应)到达后，给出信号关闭滗水器，此时进入闲置期待命，再转入进水期；
　　10.第二、第三个反应池操作也相同；
　　11.当发生停电或其他意外事故使反应池中断工作，再恢复时，由于外管道内积存污水较多，需及时抽送，可选改为人工操作，待正常后再切入自动运行。或由PLC按照事先设定的应急程序操作，再过渡到正常运行；
　　12.由于冬季、夏季水质水量水温的变化，需要调整曝气时间、排泥量、污水排出比等，因此可按照设计要求，形成多套运行周期程序，根据排水水质来选择合适的周期；也可在一天中采用不同周期运行。图四是其中一种运行周期程序。
　　4.5计量监测系统：
　　4.5.1集水池内设上、中、下液位开关及液位计，并设上、下限报警；
　　4.5.2SBR反应池内设上、下液位开关；
　　4.5.3进出水流量，显示瞬时值及积算值，并在计算机内存放，提供日处理量供打印报表；
　　4.5.4在集水井监测进水PH及进水温度，其日最高值和平均值供报表打印；
　　4.5.5鼓风机空气量需计量积算，提供日报表打印；
　　4.5.6SBR池溶解氧供日报表打印；
　　4.5.7排泥量积算并提供日报表打印。
　　5　PLC过程控制
　　 本系统采用两种模式来实行控制。
　　5.1　手动，现场“手动/自动”选择开关切换到手动，可由现场开关直接控制设备，这是最高优先级的控制，在这一模式下，PLC仅对运行状态作监视。
　　5.2　自动，现场“手动/自动”选择开关切换到自动，在这一模式下PLC能根据测量参数自动控制设备的运行。自动模式又可分为2种控制方式，我们在PLC的运行程序中设置了上位机控制方式与PLC控制方式。

　　5.2.1　　上位机控制方式：在计算机上，可以将控制方式切换到上位机控制，这时PLC接收上位机发出的指令，也即我们可以通过计算机直接遥控现场设备。
　　5.2.2PLC控制方式，PLC按上位机设定的运行模式自动控制设备运行，出现故障会及时报警。
　　(1)格栅单元
　　进水闸门现场控制，PLC监视。格栅装置：现场设置格栅、皮带转送机、压榨机联动控制系统，可由现场控制，也可由PLC控制。
　　(2)集水井单元
　　PLC根据液位仪测量值及上、中、下液位开关自动控制泵。关闭泵后须等待10分钟才能启动，以保证泵不频繁启动(紧急启动不受此限制)。在启动、停止过程中，PLC自动检查泵的运行状况，判别是否出现故障并报警。计算机自动记录各泵的运行时间，并使之尽量相等。进水 流量、PH值、温度测量信号经PLC的Ato转换后送计算机显示、存储。
　　(3)SBR池单元
　　溶解氧测量值及上、下液位开关信号送PLC，PLC根据设定的时间参数、上下液位开关信号启闭进水电动阀门和滗水器，计算机自动记录进水、出水时间。
　　(4)应急措施
　　突然停电：计算机会自动检查停电时刻设备运行状况，提示用户紧急处置的步骤、停电时期的注意事项及复电开机的步骤。
　　6　监控及管理界面的开发
　　监控及管理界面采用人机界面(MMI)软件包二次开发而在。我们采用了用于控制系统数据采集、图形组态监控和管理的通用软件包—FAGM，该软件在Microsoft Windows3.2/95中文环境中运行，运用软件设计了SBR法工艺总流程图和相应的各个控制单元的图形界面，控制及管理软件具有如下功能：
　　6.1　　工艺流程图监控、仪表面板；
　　6.2　　数据记录和统计报表；
　　6.3　　数据保存、分析和数据记录追忆；
　　6.4　　报警显示、保存和打印；
　　6.5　　设备工作状态控制和工艺参数设定；
　　6.6　　用鼠标点动控制设备输出。
　　本系统已在太阳岛污水处理工程、吉化丙烯腈废水预处理工程、金玉兰广场污水处理工程中实现，控制效果良好。
污水处理厂泵站与曝气系统的节能途径

1 能耗分析
　　城市污水处理厂消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等潜在能源，其中电耗占总能耗的60％～90％，具体电耗分布情况因工艺和管理水平的不同而有差异(见表1)。
表1 部分城市污水厂电耗情况
厂名
规模(104m3/d)
处理等级
电耗(kW·h/m3)
备注
上海西区污水厂
1.2
2
0.218
无消化
上海曹杨污水厂
2.0
2
0.232
上海东区污水厂
4.5~5.0
2
0.335
太原北郊污水厂
1.4
2
0.255
有消化
　　根据资料分析不难得出以下结论：
　　① 污水处理电耗占全厂总电耗的50％～80％，污泥处理仅占15％～40％，可见污水处理是处理厂耗电大户，自然也就是节能重点。其中又以提升泵、风机为重中之重。
　　② 表1列出4个污水厂均为老厂，无污泥脱水等工艺，处理单位污水耗电量约0.262 kW·h/m3，从表面上看与日本全国平均0.260 kW·h/m3 相近，比美国0.20 kW·h/m3稍高。但仔细分析就会发现：日本沉砂池普遍有洗砂、通风、脱臭等，约耗电0.01 kW·h/m3；美、日两国普遍对出水进行消毒处理，该项电耗约0.002 kW·h/m3；美、日两国对污泥都进行消化、脱水、焚烧处理，美国还进行气浮处理，约耗电0.05～0.1 kW·h/m3，而回收的能源均未计算在内。另外，美、日两国自控设备比我们多，照明空调等耗电也比我们多不少。可见老厂节能问题十分突出，潜力巨大。
2 提升泵的节能
　　提升泵的电耗一般占全厂电耗的10％～20％，是污水厂的节能重点。提升泵的节能首先应从设计入手，进行节能设计；对于已投产的污水厂，仍能通过加强管理或更换部分设备进行节能。
2.1 精确计算水头损失，合理确定泵扬程
　　从泵的有效功率NU=γQH可以看出当γ、Q一定时，NU与H呈正比，因此降低泵扬程节能效果显著。如天津东郊污水厂总水位差4.5m，小于纪庄子污水厂的6 m，仅此一项每年即可节电100×10.4kW·h。然而，目前进行污水厂设计时，水头损失估算普遍偏高，导致泵扬程计算值偏高。在日本一般污水厂总水位差仅2.0 m左右，可见我们的差距还很大。
降低泵扬程可采取以下措施：
　　① 总体布置要紧凑。连接管路要短而直，尽量减小水头损失。
　　② 改非淹没堰为淹没堰［1］，落差可由35～40cm减少到10cm。
　　③ 日本总水位差小的关键在于初沉池、曝气池、二沉池均采用方形平流式，三池为一体，首尾相连，水流通畅，从而最大限度地减小了水头损失。虽然造价比辐流式要高一些，但其差价很快可以从节电效益得到补偿。平流式沉淀池在我国应用较少，主要原因是刮泥设备不过关，近年来环保设备技术水平有了长足进步，所以平流式沉淀池应用前景广阔。
2.2 流量调节方式
　　污水厂进水量往往随时间、季节波动，如果按目前通行的以最大流量作为选泵依据，水泵全速运转时间将不超过10％［2］，大部分时间都无法高效运转，造成能源浪费。
　　由轴功率N=NU/η1(η1为泵运行效率)可以看出，一定流量扬程下NU是一定的，而泵的轴功率直接由η1决定，所以应选择合适调控方式，合理确定泵流量，以保证泵始终高效运转。
2.2.1 转速加台数控制方式
　　目前国外大型污水厂普遍采用转速加台数控制方法，定速泵按平均流量选择，定速运转以满足基本流量的要求；调速泵变速运转以适应流量的变化，流量出现较大波动时以增减运转台数作为补充。但是由于泵的特性曲线高效段范围不是很大，这就决定了对于调速泵也不可能将流量调到任意小，而仍能保持高效。四种调速方法效率-转速关系如图1。

2.2.2 其它调节方式
　　除调速外还有一些流量调节方式，不需添置设备，只需加强管理，就可很快收到可观效益。
　　① 机构调节
　　主要指水量出现大的波动时关闭或开启出水闸，这样虽然会增大水头损失，但因N-Q曲线为上升曲线，所以还是有一定节能作用的。
　　② 运行方式调节
　　一般可以很简单地采用随进水量增减台数的方法进行，通过缩短运行时间达到节能目的。这一点在各厂都已采用，但要注意对于大型水泵，因为启动电流很大，所以应尽量避免频繁启动。
　　③ 调整改造
　　离心式水泵都配有一系列直径的叶轮，可简单地通过更换叶轮使水泵适应低于额定流量的流量。另外，在确认流量为恒定低流量后，还可以采用切削叶轮的方法。
2.3 选用高效电机及传动装置
　　泵系统电耗　W=t NU/(η1η2η3)
　　　　　　　　式中 η2、η3--传动效率和电机效率
　　　　　　　　　　t --- 运行时间
　　因此可从η2、η3入手，采用高效电机进行节能。
　　高效电机没有一个准确定义，一般效率比常规电机高2％～8％，虽然提高幅度不大，但因为污水泵大多为大功率、24h运转，所以即便只提高1％,节能效果也是很明显的。
　　当然高效电机价格比普通电机高15％～60％，所以采用该方法应进行经济校核，看是否能在使用期内由节电效益收回投资。
3 曝气系统的节能
　　鼓风曝气系统电耗一般占全厂电耗的40％～50％，是全厂节能的关键。最根本的节能措施就是减小风量，而减小风量必须提高扩散装置效率，降低污泥对氧的需求。
3.1 扩散装置
3.1.1 改进布置方式
　　传统的曝气池，曝气管是单边布置形成旋流，过去认为这种方式有利于保持真正推流，另外可以减小风量，但经过多年实践与研究发现，这种方式不如全面曝气效果好。全面曝气可使整个池内均匀产生小旋涡，形成局部混合，同时可将小气泡吸至1/3到2/3深处，提高充氧效率，见表2。
表2 不同充氧方式的效率［3］
曝气方式
单边曝气
全面曝气
(间距6.1 m)
中心曝气
全面曝气
(间距3.05 m)
充氧效率kgO2/(kW·h)
1.05
1.57
1.33
1.82
3.1.2 采用微孔曝气器
　　微孔曝气器可以减小气泡尺寸，增大表面积，因而转移速度高，节约风量。天津东郊污水厂和纪庄子污水厂均采用微孔全面曝气，比穿孔管节电20％以上。英国有报道采用微孔曝气每去除1 kgBOD可节约风量25％，电力18％［4］。日本的情况如表3所示。
表3日本不同扩散装置的效率［4］
曝气方式
穿孔管
微孔曝气
气量(m3/kgBOD)
36
30
耗电量(kW·h/kgBOD)
1.3
1.1
　　美国对一大批老式穿孔曝气进行了改造，效果显著。如美国的Hartford在224 640 m3/d的污水厂采用微孔曝气，实际氧利用率从穿孔管4.4％提高到了10.0％，总投资600 000美元，每年节约电费200 000美元，不计清洗费用，3年即可收回投资［５］。
3.2 风量控制节能
　　选择风机时，都要在计算需气量基础上加上一个足够大的安全系数，以满足最大负荷时的需要。所以在日常负荷下一般都要适当减小风量，负荷低时更应如此，这不仅是节能的需要，也是防止过曝气、保证处理效果的要求。而进行风量控制是曝气系统效果最显著的节能方法，据EPA对美国12个处理设施的调查结果显示，以DO为指标控制风量时可节电33％［4］。图2反映了风机风量与电耗的关系，图中电耗指每小时的耗电量。

　　可见，电耗随风量变化很大，因此进行风量控制节能效果显著，而且功率越大效果越明显，当然风量并不是可以任意减小，它将受到许多因素的影响。
3.2.1 风量程序控制
　　长期观测进水水质、水量，掌握其变化特性，再由经验确定风量与时间的关系，并设定程序，自动进行控制。该方法简便易行，但当水质水量出现很大波动时，应与其他方法配合使用。
3.2.2 按进水比例控制风量
　　该方法也比较简单，按一定气水比，根据进水量调节风量即可。但该方法最易受水质波动的影响，处理效果不稳定。
3.2.3 按DO控制风量
　　曝气池DO是一个重要运行参数，理论上达0.3mg/L就不影响微生物的生理功能，但考虑到水质水量的波动，一般保证入口处0.5～1.0mg/L，出口2～3mg/L［４］即可。如天津东郊污水处理厂采用溶解氧PLC自动控制风量，可节省气量10％；日本有报道DO控制风量可节电10％～30％。
3.3 风量调节方式
　　由于各种风量控制方式最终都要由调节风机来实现，所以与水泵相似，风机也存在风量调节问题，也就同样存在高效运转问题。目前城市污水厂一般都采用高速离心风机，其原理与离心泵相似，所以原则上泵调节流量的方式同样适用于风机。
　　另外，泵的调速方式也适用于风机，虽然需要一定投资，但节能效果也更明显。
　　除此之外，风机还有一些不同于水泵的特殊调节方式，如进口导叶片调节，这也是目前普遍采用的技术。天津东郊污水厂从法国引进的高速离心风机带有进口导叶片调节装置，当单池DO过高时，PLC会发出指令关小该池空气管蝶阀，当各池DO都偏高时，PLC就会发出指令关小进口导叶片，采用该技术可节电10％。