（控制科学与工程专业论文）污水处理示范装置控制系统的研究与实现.pdf

摘要 随着我国经济的飞速发展，资源与环境之间的矛盾日益尖锐，尤其是我国 水资源的短缺和污染现象严重，已经引起了国家的高度重视，污水处理项目的 大力研究和实施已经刻不容缓。 本课题以河南某企业的污水处理厂为背景，应用先进的工业控制计算机、 可编程控制器、工业自动化组态软件、电力电子控制技术以及网络通信技术等， 结合污水处理厂的特点，开发和设计了一套包括现场控制层、显示操作层和远 程信息监视层的污水处理自动控制系统。同时本项目中的污水处理工艺结合了 普通活性污泥法和s b r 法的优点，设计了一种混合型污水处理法，该工艺既有 普通活性污泥法的连续性，也有s b r 法的间歇性，由于其运行方式的特殊性， 使其具有一系列无法比拟的优点。 污水处理自动控制系统的设计分为三个部分： 电气部分的设计：根据污水处理工艺要求，设计了系统的电气控制线路、 供配电系统、p l c 控制柜等。 p l c 程序的开发：确定系统每个部分的控制要求，分别对其进行编程，然后 进行程序的初步调试，最后系统所有程序的联调。 上位机监控系统的开发：利用组态王开发了污水处理自动控制系统的监控 界面，监控界面主要用于实现生产工艺流程的实时监视、设备工作状态的参数 显示和系统故障报警提示，通过监控界面能对系统设备进行控制和对历史数据 进行记录、查询、报表打印等。监控界面主要由污水处理系统主界面、参数设 置和曲线生成界面、污水处理电动阀门控制界面等组成。 最后对污水处理控制系统的算法进行了研究，其中液位控制采用工业过程 控制中广泛使用的p i d 算法，投药量控制采用模糊控制算法。 本设计实现了污水处理系统的自动监控，提高了污水处理的管理水平，对 于解决环境污染和日益严峻的能源危机具有重大的现实意义。 关键词：污水处理，控制系统，p l c ，组态王，p i d ，模糊控制算法 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y , t h ep r o b l e mo fr e s o u r c ea n d e n v i r o n m e n ti sm o r ea n dm o r es e r i o u s e s p e c i a l l y , t h ep h e n o m e n o no fc h i n a sw a t e r s h o r t a g ea n dp o l l u t i o nh a sa t t r a c t e dt h ec l o s ea t t e n t i o n ，a n d t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n to f t h es e w a g et r e a t m e n tp r o j e c t sh a v e b e e ni m p l e m e n t e di m m e d i a t e l y u s i n gt h es e w a g et r e a t m e n tp r o j e c ti nah e n a ne n t e r p r i s ea sb a c k g r o u n d ，t h e s y s t e ma p p l i e s t h ea d v a n c e di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r , p l c ，t h ei n d u s t r i a l a u t o m a t i o nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h ep o w e re l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds oo n t oc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，t h i sp a p e rh a s d e v e l o p e da n dd e s i g n e dt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fs e w a g et r e a t m e n ti n c l u d i n g t h el a c a l ec o n t r o ll a y e r , h u m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o nl a y e ra n dl o n g - d i s t a n c e i n f o r m a t i o nm o n i t o r i n gl a y e r i nt h ep r o j e c tt h ec o m p o u n ds e w a g et r e a t m e n tm e t h o d c o m b i n et h ea d v a n t a g e so ft h ei c e a sa n ds b r t h en e wt e c h n o l o g yh a sal o to f a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gc o n t i n u i t yo f t h ei c e a sa n di n t e r m i t t e n to ft h es b r t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fs e w a g et r e a t m e n th a st h r e ep a r t s ： 一 t h ed e s i g no fe l e c t r i cp a r t ：a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t so fs e w a g e t r e a t m e n t ，w eh a v ed e s i g n e dt h ee l e c t r i c i t y c o n t r o lc i r c u i t , p o w e rs u p p l ya n d d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，p l cc o n t r o lc a b i n e ta n ds oo n t h ed e v e l o p m e n to fp l cp r o g r a m ：f i r s tw ea s s u r et h ec o n t r o lr e q u e s ti ne a c h p a r t ，a n dp r o g r a m m ei t ，s e c o n d l yp r e l i m i n a r yd e b u gt h ep r o g r a mo fe a c hp a r t ，a tl a s t d e b u gt h ep r o g r a mo f t h ew h o l es y s t e m t h ed e v e l o p m e n to fu p p e rm o n i t o rs y s t e m ：u s i n gk i n g v i e wt od e v e l o p m o n i t o ri n t e r f a c eo ft h es e w a g et r e a t m e n ts y s t e m ，t h em o n i t o ri n t e r f a c eb a s i c a l l y r e a l i z e sr e a l t i m em o n i t o r i n go nt h et e c h n o l o g yp r o c e s s ，p a r a m e t e rd i s p l a y i n go nt h e e q u i p m e n t sw o r k i n gc o n d i t i o na n dt h er e a l - t i m ep r o m p t i n go fa l a r m t oc o n t r o lt h e e q u i p m e n to ft h es y s t e m ，r e c o r da n dq u e r yh i s t o r i c a ld a t a , p r i n tr e p o r tf o r m sa n ds o o n t h em o n i t o ri n t e r f a c ei sf o r m e db yt h em a i ni n t e r f a c eo ft h es e w a g et r e a t m e n t s y s t e m ，t h ep a r a m e t e rs e t i n ga n d c h i v eg e n e r a t i n gi n t e r f a c e ，t h ee l e c t r i c a l l yo p e r a t e d v a l v ec o n t r o l i n gi n t e r f a c ea n ds oo n t os t u d yt h ea l g o r i t h mo nt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fs e w a g et r e a t m e n ta t i i l a s t ，t h el i q u i dl e v e lc o n t r o lu s e sp i da l g o r i t h mw h i c hi sa p p l i e dw i d e l yi nt h e i n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，a n dt h ed o s a g ec o n t r o la d o p t sf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m t h ed e s i g nh a sr e a l i z e da u t o m a t i cm o n i t o r i n go ft h es e w a g et r e a t m e n ts y s t e m ， a n di m p r o v e dm a n a g e m e n to f s e w a g et r e a t m e n t i th a sg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ef o r s o l v i n ge n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de n e r g yc r i s i s k e yw o r d s ：s e w a g et r e a t m e n t ，c o n t r o ls y s t e m ，p l c ，k i n g v i e w , p i d ，f u z z yc o n t r o l a l g o r i t h m i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说 明并表示了谢意。 研究生繇革醐盟6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生( 签名) ： ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学何论文 1 1 课题研究背景 第l 章绪论 水是生命之源，它孕育并维持着地球上的力物生灵。水与人类的生活息息 相关，人们在工农业生产、生活等方面对水的需求量与日俱增。据报道我国人 均拥有淡水量仅为2 1 0 0 立方米，为世界平1 4 ，在全球1 4 9 个国家( 参与统计国 家) 中，我国人均淡水资源位居1 l o 位。我国是一个水资源匮乏的国家，虽然总 量达到2 8 万亿立方米，但是水资源时空分布极不均衡，目前全国年缺水量达 4 0 0 亿立方米，近2 3 的城市存在不同程度的缺水，农村饮水不安全人口仍有2 亿多，农业每年因旱成灾面积达2 3 亿亩。特别是当前南方一些地区旱情持续 发展，造成很多群众饮水困难，淡水资源的短缺已经成为我国急需解决的重要 问题。 近几年，我国的西南、东北、华北以及西北部分地区都发生严重干旱，武 汉的东湖、南湖等水体也污染严重，人们对环境保护的呼声越来越高，污水处 理已经迫在眉睫。废污水排放量是指工业、第三产业和城镇居民生活等用水户 排放的水量，但不包括火电直流冷却水排放量和矿坑排水量。2 0 0 7 年全国废污 水排放总量7 5 0 亿吨，其中工业废水占2 3 ，第三产业和城镇居民生活污水占 1 3 。由此可见工业污水占整个污水排放量的较大比重，所以对工业污水的处理 十分的紧迫和必要，必须要求各企业对各种污水进行处理达标后再排放。在工 厂的污水处理过程中，污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性， 对污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。 随着国家对环保越来越重视，未来几年，中国污水处理项目工程建设投资 将超过2 5 0 0 亿元，其中污水处理设备投入约3 0 0 亿元。采用先进、实用的技术 改造传统工艺，广泛应用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环 保发展战略的重要环节。在这种形势下，污水处理自动控制系统必然是一个具 有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。下面将从以下几个方面 阐述污水处理自动控制技术研究的形势及意义3 。 1 、国家基本政策 环境保护是我国的项基本国策。根据“十五 污水处理规划：到2 0 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 年底，全国城镇污水处理率平均达到6 0 以上，其中省会级城市平均达到8 0 以 上、地级市平均达到6 0 、县级市平均达到5 0 、县城平均达到3 0 ；北方地区 缺水城市再生水利用率达到污水处理量的2 0 以上。广泛采用先进的自动控制技 术是提高和保证环保工程各项指标完成的一个重要手段。 2 、当前形势 目前，在全国6 8 4 个城市中我国仅有2 0 0 余座在建和建成的城市污水处理 厂，并且集中在8 0 多个城市中，全国大约还有6 0 0 个城市没有城市污水处理厂， 全国城市污水处理率目前仅达到2 0 左右，这一状况与国家提出“至2 0 0 0 年使 水环境污染不断恶化的趋势得到控制，至2 0 1 0 年使总体环境质量得到改善 的 发展目标是不相称的。同时我们也可以看到，至7 0 年代末，美国投入了数千亿 美元兴建了1 8 0 0 0 余所城市污水处理厂，英国、法国、德国各耗费了巨额资金 兴建了7 0 0 0 至8 0 0 0 座城市污水处理厂，这些污水处理厂的投入运行对这些国 家的水体污染改观起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。 8 0 年代，这些国家的污水处理水平又有进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷 功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。 3 、国民经济 根据已建、在建及拟建污水处理厂的情况来看，按照现行工艺每吨水造价 在1 5 0 0 - 2 0 0 0 元，运行费用在0 8 - 1 4 元吨。根据这个比例，可以粗略估算我 国尚未投入建设的城市污水厂需要一次性投资1 0 0 0 亿元以上，如果加上市政管 网建设，投资将超过2 0 0 0 亿元，年运行费用在2 5 0 亿元以上。如果每年有2 0 0 亿元用于城市污水厂的建设，每个项目平均还贷期为1 0 年，数年后平均每年偿 还的本息将在3 0 0 亿元以上，如此庞大的投资及运行费用，在经济尚不够发达 的中国是不堪重负的。因此提高自动化控制水平，采用高科技含量的自动化控 制系统是降低运行管理费，减少操作管理人员数量，提高效率的有效措施。 4 、自动化控制技术的发展 我国在污水处理自动化控制方面控制与发达国家有一定的差距。据国家环 境保护总局的调查结果表明：我国5 5 个城市的5 0 0 0 多套工业废水处理设施运 行效果良好的只占2 4 ，而建成后没能运行或处理能力达不到设计能力一半的设 施竟占6 3 8 ，由此可见我国的污水处理技术水平较低。为了改变我国污水处理 技术的现状，中央政府、有关决策职能部门和研究机构都倾注了较大的心血， 十分重视这方面工作的开展和研究。2 0 0 1 年国家自然科学基金列出专项，支持 开展污水处理厂自动控制系统的研究，力求使我国污水处理技术达到较高的水 2 武汉理工大学硕十学位论文 平。 1 2 污水处理控制系统的发展现状 从国外的一些大型污水处理厂的运行情况来看，经济发达国家既重视研究 污水处理的新理论和新技术，又投入大量资金和科研力量加强污水处理过程的 监测、运行和管理，更加重视污水处理自动控制问题，实现对污水处理过程的 计算机控制和操作。 国外污水处理厂自动控制系统已经普遍具有以下特点晦1 1 1 2 1 ： 1 、采用计算机控制系统，根据污水处理工艺和厂区分布情况设置中央控制 室和现场控制站，具有完善的工业监控系统，操作入员可以通过通讯网络进行 管理和操作。 2 、污水处理工艺过程中的参数控制精度要求更高。如曝气控制、加药控制 世 号手o 3 、大量智能化仪表和先进的在线水质分析仪表在污水处理过程中的应用， 使数据更加准确，控制更加灵活。 4 、开始有效地利用社会信息资源，如网络、气象信息等。 我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始应用集中巡检，采用热 工仪表；八十年代应用分析仪表和d c s 系统：九十年代，随着一大批大型污水 处理厂在我国建立，使我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大提高。现 在，随着国家对环保越来越重视，用于污水处理的投入越来越大，国内很多污 水处理厂开始采用各种新工艺、新设备，应用计算机监控系统，在系统运行和 工艺过程控制等方面都达到了较高的水平。综合来看，我国污水处理厂自动控 制系统有以下的特点和不足1 引： l 、随着新的污水处理工艺不断出现，自动控制技术开始得到广泛应用，并 逐渐开始采用全自动控制方式。 2 、开始逐步采用可靠性高的检测仪表和在线水质分析仪表，提高了污水处 理厂自动控制水平。但目前使用的大多是进口仪器仪表，在使用和维护方面仍 存在许多问题。 3 、各种不同类型、等级的控制系统和控制方式并存。大部分污水处理厂开 始采用计算机进行控制和管理，但在现有和改造的污水厂中的控制系统仍然延 续着巡检和人工管理方式。 武汉理工大学硕士学位论文 4 、污水处理控制系统的监控和通讯功能存在不足，妨碍了处理过程高效、 经济地运。 5 、国产成套的污水处理自动控制系统、仪器仪表和设备的性价比需要进一 步提高，特别是国内些高效复杂新工艺的应用，对相应的自动控制设备和精 度提出了更高的要求。 因此，在吸收和借鉴国外先进经验和技术的基础上，设计和开发出适合我 国国情的大、中型性价比高的污水处理自动控制系统已经是一个紧迫的问题。 目前污水处理自动控制系统的发展方向是采用计算机技术与多层次的网络结构 相结合的方式对污水处理的全过程进行无人值守全自动控制，生产过程中的各 种信号通过相应的控制器送入下位机，一般下位机采用可靠的p l c 作为控制单 元，运行先进的控制算法，实现设备的实时控制。作为上位机的工控计算机采 用成熟的组态软件、标准的通信协议和数据库，通过网络实现信息的集中管理 和远程控制。 1 3 课题来源和研究内容 1 3 1 课题来源 本文以武汉理工大学与河南东大高温节能材料有限公司合作开发的污水处 理示范装置控制系统项目为工程背景，该污水处理厂的污水主要来源于工业污 水，处理后的污水主要用于草木绿化、冲厕等。采用的污水处理工艺是混合型 污水处理工艺。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题以实际武汉理工大学与河南东大高温节能材料有限公司合作开发的 污水处理自动控制系统项目为背景，应用先进的工业控制计算机、可编程控制 器、工业自动化组态技术、电力电子控制技术以及网络通信技术等，结合污水 处理厂的特点，设计出运行状态和参数能够自动检测、污水处理过程能够自动 控制、具有自动故障应急处理能力、具有网络通信能力的性能和可靠性高的污 水处理自动监控系统。 4 武汉理工大学硕七学位论文 本课题研究的主要内容： 1 、对污水处理的工艺进行研究，根据实际情况做了改进。 2 、根据污水处理工艺，分析各设备在污水厂的地理位置分布及控制特性， 设计污水处理自动控制系统总体方案。 2 、监控系统的设计，上位机的人机界面采用北京亚控公司的组态王6 5 2 开发，采用监控软件和数据库，可及时地处理和分析污水处理过程中的数据， 提高污水处理水平。 3 、系统采用成熟的控制算法，但是在加药部分的控制算法进行了改进。 1 4 控制系统的设计原则和开发流程 1 4 1 控制系统的设计原则 设计工业自动控制系统的基本原则n 纠引：可靠性高、可操作性好、实时性强、 可扩展性好、环境适应能力强、性价比高等。 l 、可靠性高。任何系统，可靠性是首要的衡量标准，这是由被控对象连续 操作运行的特征和工业现场环境的恶劣性决定的。 2 、可操作性好。一方面，控制系统具有友好的人机操作界面，方便操作人 员掌握和使用；另一方面，当故障产生时易于排除。 3 、实时性强。系统能对内部和外部事件及时的响应，并做出相应的处理， 不丢失信息，不延误操作。 4 、可扩展性好。系统应该具有良好的通用性和灵活性，采用标准的控制器 件、模块、结构，当控制系统要求发生变化时，可以通过增减插件板来方便的 实现。 5 、环境适应能力强。工业现场大多数环境恶劣，所以系统必须具有较强的 环境适应能力，在硬件的选择上要充分考虑部件的可靠性和抗干扰能力，比如 防震、耐高温、抗干扰等。 6 、性价比高。在满足设计要求的情况下，应该尽量选用价格低质量好的产 品，投入运行后，能提高系统的工作效率，降低能耗，减轻环境污染。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 控制系统的开发流程 在实际工程项目的控制系统开发过程中，以污水处理控制系统为例，一般可 以按下述步骤进行： l 、确定污水处理的工艺。深入工业现场了解污水处理的方法、技术指标， 结合实际情况，根据现有比较成熟的污水处理工艺，开发和设计出性价比和效 率高的污水处理控制系统。 2 、确定污水处理控制系统总体方案。在污水处理工艺确定的基础上，依据 控制要求，设计污水处理控制系统总体方案。在设计的时候，主要考虑以下几 点：一、系统的构成方式，系统采用开环还是闭环：二、系统的驱动方式，电 机驱动、液压驱动还是其它的方式；三、一些特殊要求；四、成本。 3 、硬件设计。设计控制柜、电气连接图、电气原理图，在硬件的设计过程 中，对各种元件进行比较和选择，在布线时，考虑电气干扰等因素。 4 、软件设计。根据控制任务和设计的算法编写相应的程序，主要包括：控 制程序、数据采集和处理程序、巡回检测程序和数据管理程序等。 5 、系统调试。先分别对硬件和软件调试通过后，对系统进行联调，最后在 工业现场进行试验，不断完善控制系统的性能。 1 5 章节安排 本课题结合我国污水处理控制系统的发展现状，根据设计要求和工艺流程， 开发了一套污水处理示范装置控制系统，主要应用于广大城市中的中小型污水 处理厂。本论文共分为6 章： 第1 章绪论，说明了课题的研究背景、来源和研究内容，以及污水处理控制 系统的发展现状、设计原则和开发流程； 第2 章介绍了污水处理的工艺，主要包括：污水处理的基本概念、基本方法 和技术指标，三种常见的污水处理工艺，以及本项目设计的混合型污水处理工 艺的流程和特点； 第3 章介绍了污水处理控制系统的设计，由控制系统方案的设计、控制系统 设备选型及其功能介绍、电气设计和p l c 程序设计四部分组成； 第4 章介绍了污水处理控制系统的监控系统设计，主要包括：监控系统开发 6 武汉理工大学硕士学位论文 软件组态王的介绍、监控界面的设计和数据通信等； 第5 章对污水处理控制系统的算法进行了研究，主要包括p i n 算法和模糊控 制算法； 第6 章对全文进行了总结并对课题未来的研究前景进行了展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章污水处理及其工艺总体介绍 2 1 污水处理概述 在污水处理过程中采用何种工艺，需要综合考虑以下几点：1 、污水排放量 的大小；2 、排放污水的特点；3 、处理后污水的要求；4 、经济效益等，最后结 合污水处理厂的地理位置综合分析确定。 2 1 1 污水处理基本概念 污水是指生产与生活过程中排放的水的总称。人类在生活和生产活动中， 要使用大量的水，这些水往往会受到不同程度的污染，被污染的水称为污水。 按照来源不同，污水包括生活污水、工业废水及有污染地区的初期雨水和冲洗 水等。 污水处理就是采用各种技术和手段，将污水中所含的污染物质分离去除、 回收利用或将其转化为无害物质，使水得到净化。经处理后的污水，最后出路 有三种：( 1 ) 排放水体：( 2 ) 灌溉田地；( 3 ) 重复使用n 钆惜：。 污水污染物可以根据化学性质和物理形态进行不同的分类。其按化学性质 可分为：无机性物质和有机性物质，化学元素以炭、氮、磷等为主。按物理形 态可分为：固体悬浮物( 即呈大颗粒状的污染物质) 、胶体污染物和溶解性污染 物。 好氧有机污染物在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能降解为无 机物，如水、二氧化碳、硝酸根离子等稳定的无机物。有机物的种类很多，其 共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧，所以在工程实际 中，采用以下的几个综合污染指标来表述n 利： 生物化学需氧量或生化需氧量( b i d c h e r n i c a lo x y g e nd e m a n d ，b o d ) ，m g l 。 化学需氧量( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，c o d ) ，m g l 。 总有机碳( t o t a lo r g a n i cc a r b o n ) ，m g l 。 总需氧量( t o t a lo x y g e nd e m a n d ) ，m g l 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 污水处理基本方法 污水处理的方法很多，现代的污水处理技术按其作用原理可分为物理法、 化学法和生物法n 。 1 、物理法：利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的污染物质，去除水中不 能溶解的悬浮物，应用的工艺有筛滤、重力分离等，使用的处理设备有格栅、 筛网、调节池、沉淀池、过滤池、气浮装置、离心机等。 2 、化学法：利用化学反应来分离、转化、破坏或者回收污水中的污染物并 转化成无害物质，如采用中和、混凝、氧化、还原、吸附、电渗析、萃取等方 法。 3 、生物法；采取一定的人工措施创造出有利于微生物生长和繁殖的环境， 利用水中微生物的新陈代谢使污水中呈胶体和溶解状态的有机物被降解，并转 化成无害的物质，使污水得以净化。生物法的处理工艺主要有生物膜法、活性 污泥法、厌氧生物处理法和自然生物处理法等。根据微生物作用的类型，生物 法可分为好氧处理法和厌氧处理法两大类。 2 1 3 污水处理的技术指标 水质是指水和水中所含杂质共同表现出来的综合特性。水质指标则用于表示 水中杂质成分的种类和数量，水质的指标可以分为物理性指标、化学性指标和 生物性指标三大类乜2 删。 1 、物理性指标：主要指感官物理性指标，如温度、混浊度、色度、嗅味和 电导率等。 2 、化学性指标：主要指一般性水质指标，如p h 值、有机物含量和无机物重 金属含量等。化学性水质指标可由b o d ( 生物需氧量) 、c o d ( 化学需氧量) 、t o d ( 总需氧量) 和t o c ( 总有机碳) 等表示。化学性指标是污水处理过程最关注的 因素。 3 、生物性指标：指细菌总数，包括大肠杆菌等各种病源微生物和病毒。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 污水处理工艺简介 污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回 收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。当前污水处理工艺主要有： 普通活性污泥法、s b r 法、厌氧一好氧法等，本文中的污水处理示范装置控制系 统的工艺借鉴了上面几种工艺的优点，根据设计要求，从节约成本和实用的角 度考虑，开发和设计了一种混合型污水处理工艺。 2 2 1 三种常见污水处理工艺简介 l 、普通活性污泥工艺的基本流程和特点 普通活性污泥法工艺流程为：污水经过一级处理去除污水中的漂浮物和大部 分悬浮物后，再利用好氧生物法去除大部分溶解态和胶体态有机污染物。工艺 中采用的曝气池为推流式，同时完成生物吸附和氧化两个阶段，污染物净化效 果较好。但曝气池容积大，基建费、运行费高，溶解氧不能充分利用( 曝气池中 前段供氧不足，后段供氧过剩) ，能耗大，易出现污泥膨胀、污泥上浮、不适宜 处理低浓度污水，且氮、磷等无机营养物质去除效果差。 2 、s b r 工艺的基本流程和特点 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 是间歇式活性污泥法的简称，按照一定的 时间顺序间歇式操作运行的反应器，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污 泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。操作过程包括以下5 个阶段：进 水期；反应期；沉淀期；排水排泥期；闲置期。s b r 工艺以间歇操作为 特征，其中从进水、反应、沉淀、排水排泥至闲置期结束为一个运行周期。在 一个运行周期中，各个阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化及运行状 态等都可以根据具体污水的性质、出水水质及运行功能要求等灵活掌握。该工 艺在空间上完全混合，时间上完全推流式，反应速度高，并且池越多，s b r 的总 体积越小。工艺流程简单，构筑物少，占地省，造价低，设备费，运行管理费 用低。静止沉淀，分离效果好，出水水质高。此外，s b r 法能够有效地控制丝状 菌的过量繁殖，这一特性是由缺氧好氧并存、反应中底物浓度较大、泥龄短、 比增长速率大决定的。 3 、厌氧好氧工艺的基本流程和特点 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 厌氧( 缺氧) 一好氧污水处理工艺在普通二级生化基础上引进厌氧段或缺氧 段，采用内部污泥循环，是一种具有同时去除b o d 、c o o 、氮和磷的污水处理的 新方法。其工艺流程由初沉池、厌氧池、好氧池和二沉池组成，二沉池排出的 污泥部分流至厌氧池，其余则作为剩余污泥排放。活性污泥中不少细菌具有在 好氧条件下过量吸收废水中的磷，而在厌氧条件下将其释放出来的特点。通过 剩余污泥的排放，可将磷排除出系统，可使废水中的总磷含量从5 m g l 降至l m g l 以下。厌氧一好氧工艺流程可取得更好的出水水质，由于厌氧段本身也具有去 除有机物的功效，能耗比较小，具有改善污泥沉降性能、克服活性污泥膨胀的 优点。 2 2 2 混合型污水处理工艺的流程 污水处理工艺的选择主要由需要处理的污水水质特性和对处理后出水的排 放要求来决定，在选择处理工艺时，废水中所含主要污染物的特性起着十分重 要的作用。本污水处理项目主要用于处理工业厂区的污水，对进、出水质指标 见表2 一l 。 表2 - 1 进、出水质指标对比表 项目( 虢)( 墨)悬浮( m g l 物)( 器( 器 p h 值 进水( 2 5 0 0 ( 1 2 0 0 1 5 0 0 7 0 1 5 0 6 - - 9 出水100201002015 6 - - 9 根据污水厂进水水质及确定的污水厂出水水质指标，对普通活性污泥法、 s b r 法、厌氧一好氧法进行了综合比较，分析几种常见的污水处理工艺的特点、 优点和缺点，结合本项目的污水处理工艺要求，本文所开发的污水处理项目根 据工程现场实际情况，从节约成本和实用的角度考虑，提出和设计了混合型污 水处理工艺，其工艺流程如图2 1 所示。 武汉理工大学硕十学位论文 图2 - 1污水处理工艺流程图 混合型污水处理工艺结合了普通活性污泥工艺和s b r 工艺两者的优点。整个 污水处理过程以时间顺序和空间顺序相结合来分割污水处理的流程。整个污水 处理过程分为进水、调节、混凝、沉淀、过滤、排水与闲置七个阶段。 ( 1 ) 进水 工业园区的综合污水运送到污水处理厂之后，污水首先进入配水池的格栅 间，去除大颗粒污染物和悬浮物，然后将污水按照一定的比例与清水混合，配 水池内的污水成为一定浓度的活性污泥混合液。 ( 2 ) 调节 当污水注入配水池达到预定高度后，进入调节池，调节池能对水质和水量 进行均衡调节，可以实现连续出流，并将水质的冲击负荷减至最低。通过好氧 反应( 曝气) 进行氧化、硝化，再通过厌氧反应( 搅拌) 来脱氮，以达到处理目的( 如 去除b o d 、硝化、脱氮除磷) ，同时，调节池对水质、水量的变动有一定的适应 性。 ( 3 ) 混凝 混凝包括凝集和絮凝两部分组成，简单来讲在污水当中通过加入药剂破坏 胶体和细微颗粒在水中形成的稳定的分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的 絮凝体，最后以凝集沉降或上浮，生成粗大的混凝体再经沉淀除去。 ( 4 ) 沉淀 根据浅池理论，悬浮颗粒自由沉降时，池深越浅，则可截留的悬浮颗粒的 沉速也越小，则可截留的悬浮颗粒量就越大。斜管沉淀池内放置斜板以大幅度 增加沉淀面积，促使水流处于层流状态，提高沉淀效果，主要去除能够通过重 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 力沉降作用去除的悬浮颗粒。 ( 5 ) 过滤 多级精细过滤罐在罐体的顶部安有4 根污水排放管，在过滤层的上部设置 有一与污水排放管相连通的筛管，罐体底部带有排水管，同时对污水定期进行 反冲洗。 ( 6 ) 排水 经过一序列处理之后产生的上清液，一部分由排水管道排放，一部分排入 配水池循环使用，在下个周期起到稀释作用。经过简单的沉降处理清水池内沉 降下来的污泥由污泥回流泵送至污泥池。 ( 7 ) 闲置 闲置也称待机工序，即在处理水排放后，反应器处于停滞状态，等待下一 个操作周期开始的阶段。 2 2 3 混合型污水处理法的特点 混合型污水处理法结合了普通活性污泥法和s b r 法的优点，既有普通活性 污泥法的连续性，也有s b r 法的间歇性，由于其运行方式的特殊性，使其具有 一系列无法比拟的优点。 ( 1 ) 流程简单、运行灵活。混合型污水处理工艺流程简单，工艺过程中的各 工序可根据水质、水量的变化及出水水质的要求进行调整，灵活运行。 ( 2 ) 耐冲击负荷。混合型污水处理工艺除了设有配水池，对污水专门进行稀 释，还安装了一个调节池，在不降低出水水质的情况下，调节池内滞留的处理 水，对污水也有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击，可以承受 高峰流量和有机物浓度上的冲击负荷。 ( 3 ) 固液分离效果好。斜管沉降池中的混合液沉淀时不受进、出水流的干扰， 可避免短流和异重流的出现，是理想的静止沉淀，固液分离效果好，需要时间 短、效率高，出水水质好。 ( 4 ) 物化工艺结合，污水处理效果好。既运用好氧生物法去除大部分溶解态 和胶体态有机污染物，又通过混凝、投加吸附剂等提高处理效率的物化工艺相 结合去除污染物，可有效地脱氮除磷。 ( 5 ) 有效防止污泥膨胀。混合型污水处理法在时间上是理想的推流状态，底 物浓度梯度大，反应初期底物浓度较高，有利于絮体细菌增殖并占优势，可抑 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 制丝状菌的过分增殖，从而可有效防止污泥膨胀。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章污水处理控制系统的设计 3 1 控制系统方案的设计 随着科技的进步，工业现场自动化程度越来越高，控制和操作的规范化和 最优化是污水处理系统的基本要求。因此，在控制系统的设计时，必须针对其 控制特点和要求来进行设计。 3 1 1 控制系统的设计要求 本文中的污水处理示范装置控制系统主要由监控系统、p l c 控制器、通信网 络和各现场控制站组成。监控系统主要由工控机和组态王组成，p l c 控制器是 整个系统的控制中心，现场控制站主要由电气控制系统、通信接口和数据采集 系统组成，通信网络采用4 8 5 总线，负责p l c 控制器与各现场控设备之间地通 信。根据污水处理工艺要求，控制系统的基本设计要求为； 1 、控制系统能对配水池、调节池、混凝罐、斜管沉淀池、多级精细过滤罐、 清水池整个循环系统进行控制和实时监控，全天候连续自动运转。 2 、整个污水处理过程实现闭环控制，提高污水处理效果和节约能源。 3 、对污水处理过程主要工艺参数和混凝泵、原水提升泵等设备的状态进行 监控，设置设备故障临界状态的参数，一旦出现故障，系统能报警、生成及打 印指定时间内数据报表和曲线。 4 、系统具有“自动控制”和“手动控制”两种工作模式，正常情况下为自 动控制模式，在该模式下，操作员只要设定了一些运行参数后，完全由计算机 实现污水处理过程的控制。人工控制模式是操作员通过中央控制室中监控软件 对某些设备进行操作，污水处理的过程完全由人工操作，该模式下自动控制系 统负责监视设备工作状态。现场手动控制主要分布在各现场控制器中，其优先 级别是手动最高，可在污水处理运作过程中某些设备出现一些故障后，可及时 的关闭设备。 5 、污水处理现场与中央控制室之间采用4 8 5 通讯。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 6 、液位自动化控制要求： ( 1 ) 对调水池水位的控制，调水池正常水位应在2 3 m 左右，其中需要变频 的水泵为清水池潜水泵。 开始运行时，清水池潜水泵以最大供水量向调节池供水，此时水泵满负荷 运转，频率达到最大，在水位接近2 1 m 时，液位计开始自动控制。 1 ) 当调节池水位h 2 1 m 时，即低于正常水位0 2 m 时，通过调频器的调节， 清水池潜水泵的提升频率达到最大，转速达到最大，供水量也达到最大，调节 池的水位快速上升，向2 3 m 处的水位靠近； 2 ) 当调节池水位在2 1 m h 2 3 m 之间时，通过调频器的调节，清水池潜水 泵的提升频率逐渐增大，供水量逐渐提高，调节池的水位逐渐升高，向2 3 m 处 的水位靠近； 3 ) 当调节池水位在2 3 m h 2 3 m ，涨幅高于正常水位0 2 m ，达到最高水位2 5 m 时， 清水池潜水泵停止运转，停止向调节池供水。总之，通过液位计自动控制，使 调水池水位保持在2 3 4 - 0 2 m 范围内。 ( 2 ) 对清水池水位的控制，清水池正常水位应在3 0 m 左右，其中需要变频 的水泵为混凝进水泵。 1 ) 当清水池为空池时，混凝进水泵以最大供水量运行，此时水泵满负荷运 转，频率达到最大，在水位接近2 8 m 时，液位计开始自动控制； 2 ) 当清节池水位h 2 8i l l 时，即低于正常水位0 2 m 时，通过调频器的调 节，混凝进水泵的提升频率达到最大，转速达到最大，供水量也达到最大，调 节池的水位快速上升，向3 o m 处的水位靠近； 3 ) 当清节池水位在2 8 m h 3 o m 之间时，通过调频器的调节，混凝进水泵 的提升频率逐渐增大，供水量逐渐提高，清节池的水位逐渐升高，向3 0 m 处的 水位靠近； 4 ) 当清节池水位在3 o m h 3 o m ，涨幅高于正常水位0 2 m ，达到最高水位3 2 m 时， 混凝进水泵停止运转，停止向清节池供水。总之，通过液位计自动控制，使清 水池水位保持在3 o 0 2 m 范围内。 以上高度为清节池内水位高度，液位计在编程控制时，要考虑液位计的安 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 装高度。 7 、两级精细过滤罐反冲洗自动化控制要求： 当两级精细过滤罐的运行时间达到4 8 h 时，关闭两级精细过滤罐过滤流程 的进水阀、出水阀，开启反冲洗进水阀、反冲洗排水阀，启动反冲洗水泵，对 两级精细过滤罐进行反冲洗，反冲洗时间为6 - 8 m i n ，之后，关闭反冲洗泵，关 闭反冲洗进水阀、反冲洗排水阀。打开两级精细过滤罐过滤流程的进水阀、出 水阀，处理流程恢复正常。 8 、排泥自动化控制要求：( 单独控制) ( 1 ) 配水池、混凝罐、斜管沉淀池排泥控制：当以上三池( 罐) 正常运行 4 h 后，启动三个池( 罐) 的排泥阀，污泥重力自流至污泥池。 1 2 ) 调节池排泥控制：当调节池运行时间达到2 d 时，启动排泥阀，污泥重 力自流至污泥池。 3 1 2p l c 控制系统设计的基本步骤 p l c 控制系统设计的基本步骤如图3 - 1 所示，主要由以下步骤组成髓“2 研： ( 1 ) 根据自动控制系统设计要求，如需要完成的动作( 包括：动作顺序、动 作条件、保护和互锁等) 、操作方式( 手动、自动、连续、单周期、单步等方式) ， 分析和设计污水处理工艺。 ( 2 ) 根据系统的控制要求，设计控制方案。 ( 3 ) 选择合适的p l c 类型，包括机型的额选择、容量的选择、i o 模块的选 择、电源模块选择等。 ( 4 ) i 0 点数的确定和分配，画出p l c 的输入输出分配表或者输入输出端 子接线图。 ( 5 ) 根据程序流程图编写p l c 程序，这是整个自动控制系统设计中的核心工 作。同时对编写的程序通过上下位机的连接电缆下载到p l c 中进行调试，检测 p l c 程序是否达到系统功能要求。 ( 6 ) 设计控制系统的外部电路，设计和制作p l c 控制柜，然后安装p l c 等相 关设备，最后配线检测控制柜是否到达要求。 ( 7 ) 控制系统一般由几个部分组成的，则应先做局部调试，然后进行整体调 试，在p l c 软硬件和控制柜分别调试通过后，就可以在施工现