SBR工艺的自动化控制

——天津开发区污水处理厂DAT-IAT自控浅析

天津经济技术开发区污水处理厂
关代宇　李会元　李健

　　天津经济技术开发区污水处理厂是采用国际上比较先进的SBR生产工艺。SBR法是序批式活性污泥法［Sequencing Batch Reactor］的简称。该工艺在1914年就面世了，但是由于该工艺的操作过程比较繁琐，与其它工艺相比较SBR所需控制的参变量较多，对仪表的精度和可靠性有较高的要求，而当时的自动化控制水平很低，也不可能有精度和可靠性都较高的仪表，限制了SBR工艺的发展和推广。随着科学技术的迅猛发展，特别是自动化水平的提高，对污水处理过程进行全自动化的管理和监控成为可能，所以SBR法近年来得到迅速的推广。在国内，SBR工艺的应用还不多见，其工艺过程和原理并不十分复杂，但对过程控制的各种参数要求很高，对仪表的稳定性和准确性有一定的要求。

　　天津经济技术开发区污水处理厂采用SBR工艺中的DAT-IAT法，日处理污水十万吨，它是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺，整个污水厂实行集中控制，分散管理的方式。它把管理层和控制层分开，降低误操作对整个工艺的影响，增加了系统运行的可靠性。
　　开发区污水处理厂在控制方面实行三级管理。第一级为互为热备的两台主机，确实保证整个控制过程的连续性和安全性。两台主机的基本任务是对整个工艺过程进行实时监控，显示设备的运行状态，修改部分工艺参数，对报警和各种报表的自动记录和打印，关健数据的历史记录的保存，各种参数的瞬时和历史曲线的显示，第二级为现场控制站，它是由水区、泥区、模拟屏三个PLC构成，分别对水区、泥区的信号进行采集和控制。第三级为就地控制级，是分布全厂的四个马达控制中心。
　　污水流入厂内的第一道工序是粗格栅，对粗格棚的控制有两种方式，一种为时间控制，另一种为液位控制，通过粗格栅前后的超声波液位计计算差值，运行方式的选择在上位机进行。与粗格栅相配合动作的还有螺旋压榨机，把粗格栅清除的污物压挤打包，与粗格栅同步起动，但停止时间滞后于粗格栅半分钟。污水经由格栅进入进水泵房，进水泵房有六台潜水泵，由于开发区污水厂地处工业区，水量的供应极不平衡，变化系数比较大，这就需根据进水泵房超声波液位计反馈的水位信号来起动进水泵的台数，按照先开先停，后开后停，优先起动累计运行时间最短的原则来控制进水泵的起停，并设有液位超高报警和泵的干运转保护。为了避免进水泵的频繁起停，每台泵起停前均有两分钟的延时，以消除瞬间干扰，并且单台每小时起动次数不得高于五次，每台泵都有温度和湿度的保护，信号直接传给PLC。污水经提升后进入细格栅，对于细格棚的控制与粗格栅完全相同，这里不再赘述。
　　污水经由细格栅进入对称的两座钟式沉砂池，每座钟式沉砂池内置一带变频装置的搅拌器，通过调节变频器，改变搅拌的速度，以达到工艺要求的最佳点。钟式沉砂地采用旋流方式清除大的无机颗粒，由安装在沉砂池底部的砂泵打出。上面的污水则由巴式计量槽进入配水井，在计量槽上安装有PH计、温度计、流量计，当测得的PH值低于5.5或高于8.5时，立刻关闭进水阀门，以保护反应池中的活性污泥。在配水井前有六个淹没式配水堰，控制进入各组反应地的水量。我厂共有六组SBR反应地，每组又分为两段，即DAT池和IAT池，如下图所示：

　　在DAT和IAT的地底设置微孔曝气器，DAT池内装有溶解氧仪、污泥浓度计，IAT池有溶解氧仪、污泥回流泵、剩余污泥泵，在DAT和IAT池上的空气支管分别装有空气调节阀。其工艺控制过程如下：DAT和IAT的曝气由空气调节阀控制，而空气调节阀的开起度与溶解氧仪反馈的信号有关，溶解氧的设定根据水质、水的温度等情况在上位机设置。当DAT污泥浓度低于设定值时，回流污泥泵起动，把活性污泥从IAT打到DAT池，当高于设定值时，剩余污泥泵起动，把活性污泥从IAT打到储泥地中。回流污泥泵、剩余污泥泵均在IAT曝气时起动，对它们的控制分为时间控制和仪表控制两种，仪表一但有问题就改成时间控制。滗水过程是由气锁虹吸式滗水器完成的，由安装在滗水器排气管上的电磁阀来控制排水和结束。DAT为连续爆气过程，IAT有三个周期，即曝气、沉淀、滗水各一个小时，由于受到进水的不规律性和出水泵能力的限制，影响反应周期的正常运行，这些问题在PLC编程中得到充分的考虑。正常情况下，六组池子日处理污水十万吨，为了避免六组池子同时滗水，把它们分成三组，间隔为一小时，即1-4、2-5、3-6相互间隔一个周期，对应每一组反应池，都设有一个软开关，控制该组反应地是否投入运行，用以根据水量确定投入的池子数和利于以后对池子的检修方便。以上的设置在上位机完成。同时我们还考虑到对一些特殊情况的处置，假如进水水量过小或断流，虽到了滗水周期，但由于反应池水位低而无法进行滗水，则这组池子的滗水自动延时二十分钟，同时在上位机上作出滗水延时的报警。若延时二十分钟后仍没到滗水水位，滗水周期取消，改为继续沉淀，等待下一个周期的到来。若到了滗水水位，则执行滗水程序，延长的时间计算在下面的曝气时间内，即缩短了下一个周期的曝气时间，使以后的周期能够正常进行。这样就会出现另外一个问题，随着污水的不断流入或许没到下一个滗水周期，但对于这组池子而言已到了滗水水位，则部分污水由溢流管排出。在任一时刻，只允许两个池子滗水。以上的控制由水区PLC完成。通过以上的控制确保生产的连续运营，同时增强了自控对一些特殊情况的应变能力。
　　出水泵的控制与进水泵的相同。在出水之前还有最后一道工序——加氯消毒，一般仅在夏季，由于细菌、病菌的增多，需对处理完的污水进一步消毒，加氯是由加氯机自动完成，其本身自成一套系统，只对外传送状态信号，并有漏氯报警和漏氯吸收装置。
　　鼓风机是污水厂的心脏，我厂共有四台丹麦HV-TURBO产的KA22S—GL225型鼓风机，单机的能力为18000立方米/小时。每台单机都有一小型PLC，对单机的运行环境、运行状况和准备工作进行监控，并能自动报警停机。此外还有一主控盘，负责四台联机时的控制。主控盘的作用可以分为两部份，一是负责设置鼓风机的起停顺序，另一部份为PI调解器，可以在其上设置所要求的空气管道压力值。每台风机的操作可分为手动和联动，手动时，可手动调整出口导叶的角度；当四台联机时，由主控盘依据先前设定好的次序起动鼓风机，根据需要起动鼓风机的台数。通过在鼓风机主控盘上的PI调节器，对设定压力值和空气主管上的压力计反馈信号进行比较，调节出口导叶片的角度，以确保压力的均衡。当压力不足需再起动鼓风机时，在起动过程中，先将前一台的开起度降低，同时起动后一台，待后一台完全起动后，出口导叶片的开起度自动打到零位，根据需要增加前一台的开起度，假若打到全开还不够，则再增加后一台的开起度，以防止压力波动太大。鼓风机自成一套系统，无须人为干涉，并对外传送鼓风机的状态信号和报警信号。
　　对于泥处理其自动控制相对于水的就简单多了。剩余污泥泵把活性污泥从IAT打到储泥地，储泥地内有大孔振动曝气器，防止活性污泥的厌氧。储泥地有起落式滗水器，当活性污泥达到要求液位，停止曝气开始沉淀，一小时后，起落式滗水器根据污泥界面计的值下潜，滗掉储泥地的上清液，滗水完毕拉起滗水器。由潜水污泥泵打入脱水机房，在脱水机房污泥与高分子絮凝剂混合进人脱水机。机房内共有三台德国ROEDIGER公司产的脱水机，经过旋转预脱水和带式滤布传送，圆辊的挤压，把泥浆压挤成泥饼运出厂区。
　　整个泥区由泥区PLC控制，剩下的都由水区PLC完成。泥区共有模拟量四点，数字量二百多点，水区共有模拟量近八十点，数字量五百多点。水区的为SIMATIC的S7-400，泥区和模拟屏的为S7-30O。模拟屏PLC只是接收水区、泥区的信号，并输出给模拟屏。PLC具有很强的抗干扰能力和很高的稳定性，水区、泥区在上位机或总线出现故障时，仍能完成各自的任务，确保工厂的运行。
　　各现场控制站和中控室的上位机用通讯缆连在一起，构成总线型的拓扑结构，采用SIMATIC的SINECL2组网方式。上位机通过SINECCP5412通讯处理器与总线相连，它是上位机与L2通讯的接口。上位机采用美国Intllution的FIX32数据监控和采集软件，一台为运行版，一台为开发版。Intllution公司是世界知名的工业控制方面的专业软件公司，其设计理念十分贴近工业自控的实际。FIX是以WINDOW NT为操作平台，其以DRAW、VIEW、DATABASE三个部分为核心，用DRAW设计工厂的工艺流程和所需控制的设备仪表等人机界面，它有丰富的图集以共使用；用VIEW完成数据连接，显示工艺流程、仪表数据和设备的实时状态，各种数据的存取以DATABASE为中心。其中对于整个工艺而言部分经常需改动的参数直接可在上位进行修改。围绕上述功能块，对报警进行打印和储存，通过DDE SERVER，使用EXCEL对重要的数据进行记录和生成日报表，并打印所需报表。
　　通过对全过程的监控，实现了整个工厂的全自动化运行，大大提高了生产的稳定性和连续性，减少了由于人为的因素而带来的干扰，大大地减轻了劳动强度。
　　随着计算机和网络的飞速发展，自动控制的技术也正在迅猛发展。在我们所引进的自控仪表中，有部分额外附带具有HART协议的智能化仪表，HART［Highway Addressable Remote Transducer］协议最初由美国Rosemount公司开发，HART协议采用FSK技术，它在模拟信号上叠加数字信号，使用OSI的1、2、7三层。如今除了HART之外，还有PROFIBUS、CAN、FF等几种应用范围较广的影响较大的现场总线技术。这些智能仪表都带有微处理芯片，这就使它们有了一定的计算能力，同时还具有通讯能力，它们不再依靠控制室的计算机或PLC的控制，不仅能输出4-20mA的模拟信号，还能输出数字信号，这就能使之直接连入网络，成为一个节点。这种网络就是目前自动控制领域现在和未来的发展趋势——现场总线。现场总线控制系统是把各种控制仪表用双绞线连在一起，按照标准化、公开化的通讯协议，形成的一个底层的控制网络。它是继DCS系统后的新一代控制系统，打破了集散系统专用的闭锁的框子，在标准化、公开化的通讯协议下，把不同厂家的不同设备连在一起。极大的提高了系统的分散度，简化了系统的结构，提高了系统的安全性，最大限度的降低故障的影响范围。随着社会的发展，几种应用范围较广影响较大的现场总线技术必将会有一个统一的规范和标准，从而真正形成一个高度开放的互连系统。
　　随着科学技术的发展和社会对环保的重视，必将有更多的新技术广泛地应用到污水处理行业，使污水处理行业有更大的发展。