污水处理厂SBR法工艺自动化管理系统

上海市政工程设计研究院
陆志豪 陈秀华

　　1　前言

　　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。