（材料学专业论文）计算机控制技术在sbr污水处理工艺中的应用.pdf

摘要 近几年我国的环保事业得到长足发展，无论是从技术理论还是工艺设备都有很 大的提高，但污水处理自动控制系统还与发达国家存在一定的差距。 目前，采用序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r 简称s b r 法) 处理间 歇排放的水质水量变化很大的工业污水取得了很大成功并被广泛应用。s b r 工艺污 水处理过程具有多变量、强非线性、严重不确定性、建模困难等特点，且标志污水 水质的关键参数不能在线测量，控制目标不能用过程参数直接表示，是一个典型的 复杂过程。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构 的通信网络。它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一 种开放式和分布式的新模式。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。 本文分析了现场总线的特点，从p r o f i b u s 的类型、主要特征、通信原理、传 输技术等方面对p r o f i b u s 通信技术进行了探讨。通过对s b r 污水处理工艺、特 点的研究，将现场总线技术引入到污水处理过程中来，提出了“基于现场总线的s b r 污水处理自动控制系统 。设计出污水处理厂自动控制系统图和p r o f i b u s 网络配 置方案。针对污水处理过程中的难点污水曝气过程和脱氮过程的控制策略进行 了研究，采用模糊控制策略，可以比较准确地反映污水水质的变化，合理控制曝气 量，节省运行费用。 论文设计的基于p r o f i b u s 现场总线的污水处理自动控制系统，采用了国外先 进的p r o f i b u s 现场总线技术，实现了作为上位控制的工控机i p c 、污水泵站p l c 、 曝气过程p l c 、排泥系统p l c 为主动站之间的通讯，以及上述主动站与作为从动站 的污水泵站中的软起动器、曝气过程中的变频器、工艺应用中的智能传感器和外围 i o 设备之间的通讯。 关键词：s b r ；p r o f i b u s ；曝气过程；脱氮过程；模糊控制 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e db yl e a p sa n db e u r i d s ， b o t ht e c h n i c a lt h e o r ya n dp r o c e s se q u i p m e n th a v eg r e a t l yi m p r o v e d ，b u tt h e r ei ss t i l lac e r t a i ng a pt o c o m p a r et h es e w a g ed i s p o s a la u t o m a t i c - c o n t r o ls y s t e mw i t ht h ed e v e l o p e d c o u n t r i e s a tp r e s e n t ，t h e 峨o fs e q u e n c eb a t c hr e a c t o r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o rr e f e r r e dt oa st h es b r m e t h o d ) t od e a lw i t hi n d u s t r i a lw a s t ew a t e rw h i c hh a sal o to fc h a n g e si ni n t e r m i t t e n te m i s s i o n so f w a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t y ，h a sa c h i e v e dg r e a ts u c c e s sa n dw a sw i d e l yu s e d s b rs e w a g ed i s p o s a l p r o c e s sw i t hc h a r a c t e r i s t i c so f t h em u l t i v a r i a b l ep r o c e s s ，s t r o n gn o n - l i n e a r ， s e r i o u su n c e r t a i n t i e s ， d i f f i c u l t i e si nm o d e l i n ga n dw i t hw h i c ht h ek e ys e w a g ew a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r sc a nn o tb eo n - l i n e m e a s u r e m e n t ，c o n t r o lo b j e c t i v e sc a nn o tb ed i r e c t l ys t a t e db yp r o c e s sp a r a m e t e r s ，i sat y p i c a l c o m p l e xp r o c e s s f i e l d b u sc o n n e c t i o ni sad i g i t a l ，t w o - w a yt r a n s m i s s i o n ，m u l t i b r a n c h - s t r u c t u r ec o m m u n i c a t i o n s n e t w o r kw h i c hc o n n e c ti n t e l l i g e n to n s i t ee q u i p m e n ta n da u t o m a t i o ns y s t e m s i ti sah i 【g h d e g r e e i n t e r g r a t e dp r o d u c tc o m b i n i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，a n di s a l lo p e na n dd i s t r i b u t e dn e wm o d e l f i e l d b u si so n eo ft h eh o ts p o t si nt h e d e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g yf i e l d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i e l d b u s f r o mt h et y p eo fp r o f i b u s ，t h em a i n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e p r i n c i p l e s o fc o m m u n i c a t i o n ，t r a n s f e rt e c h n o l o g ye t c ，p r o f i b u s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa led i s c u s s e d t h r o u g hs t u d yt ot h es b rs e w a g ed i s p o s a lp r o c e ss a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c s ，p u t f i e l d b u st e c h n o l o g yi n t ot h e s e w a g ed i s p o s a lp r o c e s s ， a n ds e t u p ”f i e l d b u s b a s e ds b r sa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rs e w a g ed i s p o s a l “d e s i g nas e w a g ed i s p o s a lp l a n t c o n t r o ls y s t e mm a pa n dp l a n so fp r o f i b u sn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n t h ed i f f i c u l t yo fs e w a g ed i s p o s a l p r o c e s s - s e w a g ea e r a t i o np r o c e s sc o n t r o la n dn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e n s t u d i e d ，w i t hf u z z yc o n t r o ls t r a t e g y ，i tc a nm o r ea c c u r a t e l yr e f l e c tc h a n g e si nw a t e rq u a l i t y ， r e a s o n a b l yc o n t r o lt h ea m o u n to f a e r a t i o n ，s a v i n go p e r a t i o nc o s t s t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rs e w a g ed i s p o s a lb a s e do nf i e l d b u sp o r f i b u sd e s i g n e di nt h e p a p e r ，u s e sf o r e i g na d v a n c e dp r o f i b u sf i e l d b u st e c h n o l o g y ，t oa c h i e v eau p p e r - p o s i t i o na st h e c o n t r o lo ft h ew o r kc o n t r o lm a c h i n ei p c ，as e w a g ep u m p i n gs t a t i o np l c ，t h ep r o c e s so fa e r a t i o n p l c ， s l u d g ep l cs y s t e m st ot a k et h ec o m m u n i c a t i o nt oi n i t i a t i v e sb e t w e e n ， a sw e l la st oa c h i e v e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ea b o v e m e n t i o n e di n i t i a t i v e sa n dt h es o f ts t a r t e rs t a n d i n ga saf o l l o w e r o ft h es e w a g ep u m p i n gs t a t i o n ，t h ei n v e r t e ri nt h ep r o c e s so fa e r a t i o n ，s m a r ts e n s o r si na p p l i c a t i o n o ft e c h n o l o g ya n de x t e r n a li od e v i c e s k e yw o r d s ：s b r ；p r o f i b u s ；a e r a t i o np r o c e s s ；n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ；f u z z yc o n t r o l 学位论文独创性声明学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。：文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 弯伺多l日期：a 舯月嫡 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密 不保 年解密后适用于本声明。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者 导师签名 4 6 青岛大学硕士学位论文 第一章绪论 近几年我国的环保事业得到长足发展，无论是从技术理论还是工艺设备都有很 大的提高，但污水处理自动控制系统还与发达国家存在一定的差距。我国污水处理 厂自控系统的现状是：手动与自动皆备，自制和引进并举。运行控制从总体上说仍 然存在很多不足，这不可避免地制约了污水处理技术水平的发展。对污水处理过程 进行自动控制不仅可以提高系统的性能、产率和可靠性，而且还可以增加系统的稳 定性、降低操作成本。 1 1 课题的来源和背景 我国的人口多，城市多，企业多，所需的污水厂也多，进口设备要消耗巨大的 外汇，可见，只依靠进口并不是长久之计。随着经济的发展，设计出符合我国国情 的污水处理控制系统迫在眉睫。 随着我国经济的高速发展，对环境保护方面提出了更高的要求，各大中城市相 继建成污水处理厂。然而在实际运行中，能达到最佳状况，运行较好的只占少数。 国家环保总局曾对我国5 5 个城市的5 5 5 6 套工业废水处理设施的运行情况作了伞面 调查，结果表明：运行效果好或比较好的只占2 4 ，而建成后没能运行的或处理能 力达不到设计能力一半的设施竟占总数的6 3 8 。造成这利一状况的原因是多方面的， 其最主要原因是运行控制与管理水平低。每年由此造成的损失足惊人的。 目前，绝大多数污水处理厂采用活性污泥法，特别是八十年代以来，序批式活 性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r 简称s b r 法) 用于处理间歇排放的水质水量变 化很大的工业污水取得了很大成功并被广泛应用。s b r 法的主要缺点是操作复杂， 只有实现s b r 法的自动控制，才能发挥其优势。虽然某些s b r 污水处理厂在一定 程度上实现了自动化，但由于大多数采用传统的控制方式，即时间程序控制。时间 程序控制主要是根据s b r 法的五个运行阶段即进水、反应、沉淀、排放、闲置所需 的时间进行预先设定后实施的自动控制。而污水的水质水量随时问是变化的，有时 其有机物浓度相差几倍甚至几十倍，如果按某一相同的反应时间控制s b r 法运行， 当进水浓度高时出水质不合格，但进水浓度低时反应时间过长，既浪费了能耗又易 于发生污泥膨胀。可见利用时间程序控制效果不佳，出水水质波动较大，制约着污 水处理的质量。s b r 法需要种更为有效的控制方式，既能充分发挥s b r 法的处理 优势，又能保证处理系统的可靠运行。 s b r 法是一种生物污水处理技术，污水处理过程有很大的时变性，需要较多地 考虑其动态行为和运行特性。采用自控技术，可以根据监测的结果，随时调整设备 第一章绪论 及工艺过程参数，可使设备状态优化，经济运行，节约能耗；保证安全操作，减少 事故，改善劳动条件，提高管理水平，合理使用和配置设备。国内外的经验都表明， 好的自动化管理不仅能节省人力，更能使系统稳定可靠节省运行费用。欧、美等发 达国家在城市污水处理工艺、设备和控制技术研究与开发方面要早于我国，尤其控 制技术处于领先地位。我国经过“七五、“八五”和“九五3 个五年计划的艰 苦努力，在城市污水处理工艺和设备等方面取得了较为可喜的成效，某些设备己经 达到了完全国产化的程度。但是，在城市污水处理关键性设备和控制技术的研究方 面还存在一定不足。而有的已建成的污水处理厂仍处于人工操作状态，这严重影响 了城市污水处理的质量，带来了不可预料的后果，因此，进一步提供城市污水处理 自动化控制水平就显得尤其重要。 1 2 污水处理控制系统国内发展情况 目前，国内污水处理的控制水平基本分为三个大的档次。 第一，手动操作：采用常规分散仪表对污水处理过程中的液位、流量、温度、 浊度、p h 值，溶解氧浓度( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 、污泥 浓度( m l s s ) 等性能指标进行离线或在线采集，根据数据得出控制要求，操作员在 现场控制主要设备，如阀门的开闭，电机的启停，鼓风量的调节等等，在这种控制 方式下，控制完伞由工人在现场操作，工艺参数得不到可靠保证，污水处理后出水 质量难以保证，稳定性差，工人操作劳动强度大，主要设备和装置不能工作在最佳 状态。这种控制方式由于投资少，主要在一些小型污水处理场合应用。 第二，半自动控制：通过数据采集器等手段采集局部过程量送入控制室，一般 在控制室设有工艺模拟显示屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示液位、流量、温 度、浊度、p h 值、溶解氧浓度( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 、 污泥浓度( m l s s ) 等过程参数，和电机、阀门运行状态，对生产过程进行监控，上 位机操作人员可以在模拟屏或操作台上遥控部分设备的启停，而某些设备控制就需 要联系现场操作人员，由现场操作人员手工控制，生产巾的数据需要人工记录。这 种控制方式，需要人工的频繁介入，中间存在人为联络的延迟，使出水质量会有较 大的波动，工人的劳动强度也较大，国内r f l 小型污水处理j 较多采用。 第三，全自动控制：采用计算机控制技术与多层次的网络结构对污水处理全程 生产工序进行无人值守的伞自动控制。生产过程控制巾的各种信号通过相应变送器 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 现现场设备的实时控制。作为上位机的工业控制计算机采用t c p i p 协议和标准数据 库，挂在以太网上，实现信息的集成管理和远程控制。上、下位机之间通过网络传 2 青岛大学硕士学位论文 送采集参数和远程控制参数。这种控制方式是自控技术的发展方向，国内外的大型 污水处理厂都在使用。 运行控制从总体上说仍然存在很多不足，这不可避免地制约了污水处理技术水 平的发展，也是我国水污染状况未能得到根本改善的重要原因之一。对污水处理过 程进行自动控制不仅可以提高系统的性能、产率和可靠性，而且还可以增加系统的 稳定性、降低操作成本。目前我国所使用的污水处理设备尤其是自动检测系统及相 关软件大多依靠进口。 从监控系统的总体结构来讲，目前国内污水厂的计算机监控系统通常采用以下 几种常用形式： ( 1 ) s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s t i t i o n ) 系统，即监视控制与数据 采集系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以对现场的 运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类 信号报警等各项功能。由一个主控( m t u ) 和若干远程终端站( r 1 r u ) 组成，m t u 与r t u 之间用物理链路层或数据链路层联系。系统联网通讯功能较强，可实现连续 及顺序控制，侧重于监测和少量控制，适用于被测点地域分布较广的场合。但是系 统实时性较差，无法实现大规模和复杂的控制功能。 ( 2 ) d c s 系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集散控制系统，又名分布式计算机控制系统， 是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、c r t 技术、图形 显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。由计算机和现场终端连接组成。 通过网络将现场控制站、检测站和操作管理站、控制管理站及工程师站联接起来， 共同完成分散控制和集中操作、管理的综合监控系统。它适用于各种生产过程，侧 重于连续性生产过程控制。能提高生产自动化水平和管理水平。 该系统的特点是： 1 ) 采用分级分布式控制。系统按不同功能组成分级分布7 系统，各子系统执行 自己的控制程序，处理现场输入输出信息，减少了对系统的信息传输量，使系统应 用程序较为简单。 一 2 ) 在物理上实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。 3 ) 有较好的扩展能力。借助网络技术，可以完成纵向和横向通讯以及高层的管 理机通讯，系统扩展方便。 4 ) 系统软、硬件资源丰富，可适应各种特殊要求。 5 ) 实时性好、响应时间快。 6 ) 应用软件的编程工作量大，对开发和维护人员要求高，开发周期较长。 3 第一章绪论 ( 3 ) p c + p l c 系统 p c + p l c 系统由高性能个人计算机( p c ) 和可编程控制器( p l c ) 组成。中控 室设置p c 组成的操作监控站和工程师监控站，通过网络联结p l c 组成的多个分控 站，实时多任务集散型( 集中管理、分散控制) 网络控制系统，数据处理能力强， 能对生产过程进行实时监控，对生产数据自动进行统计处理。系统稳定性能好，开 发、维护、操作简便。开发方便，应用也非常灵活。 该系统的特点是： 1 ) 可实现分级分布式控制，可实现“集中管理、分散控制 ，大大提高了系统 的安全性。 2 ) 可靠性高、组网方便。硬件系统配置简洁，很容易在网络中增减p l c 来实 扩展网络的目的。 3 ) 编程方便、开发周期短、维护简易。 4 ) 系统内配置和调整非常方便。 5 ) 与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。 ( 4 ) 工业现场总线控制系统 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是由d c s 与p l c 发展而来 的，是基于现场总线的自动控制系统，即以现场总线作为工厂底层网络，通过网络 集成而构成的自动控制系统网络，按照公开、规范的通讯协议在智能设备之间、智 能设备与远程计算机之间实现数据传输和信息交换，从而实现控制与管理一体化的 综合自动控制系统。当前国际上具有代表性的现场总线技术与产品是e i a r s 一4 8 5 总线、p r o f i b u s ，c a n b u s 与l o n w o r k s 等。f c s 系统以分散的虚拟控制站代 替集巾的控制站，其基础是数字智能现场装置。f c s 系统执行的是自动控制装置与 现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。 该系统的优点是： 1 ) 软、硬件资源丰富，工控机由于与p c 兼容，可借助p c 机丰富的软、硬件 资源。 2 ) 响应时间较快，实时性较好， 3 ) 不同j 家产品可以互联，组成复杂网络。 4 ) 在国际标准化组织内存在着不同派别及企业的竞争优势。工业自动化系统的 完全数字化、并进一步采用某种标准，是实施现场总线技术的基础。 以上网种系统各有优缺点，后三种在目前的工业中获得了较多的运用。 1 3 课题主要研究内容和预期的研究成果 4 青岛大学硕士学位论文 s b ri 艺污水处理过程具有多变量、强非线性、严重不确定性、建模困难等特 点，并且标志污水水质的关键参数不能在线测量，控制目标不能用过程参数直接表 示，是一个典型的复杂过程：本课题通过对s b r 污水处理工艺的研究，。将现场总线 技术引入到污水处理过程中来，开发出“基于现场总线的s b r 污水处理自动控制系 统 。该系统以现场总线为核心，以智能设备可编程控制器为控制主体，以计算机 为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化平台，实现了污水处理生产现场网 络通信与计算机控制系统的集成。 自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质 指标达到要求的范围。在中心控制室发出上传指令时，将当前时刻运行过程中的主 要工作参数( 水质参数、流量、液位等) 、运行状态及一定时间段内的主要工艺过 程曲线等信息上传到中心控制室。 功能如下： ( 1 ) 控制操作：在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设 备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置p l c 的某些参数等。 ( 2 ) 显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的 状态参数。 ( 3 ) 数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据 库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据 进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化s b r 池的准闭环控制，并 把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。 ( 4 ) 报警功能：当某一模拟量( 如电流、压力、水位等) 测量值超过给定范围 或某一开关量( 如电机启停、阀门开关) 阀发生变位时，可根据不同的需要发出不 同等级的报警。 ( 5 ) 打印功能：可以实现报表和图形打印以及各利，事件和报警实时打印。打印 方式可分为：定时打印、事件触发打印。 控制系统网络结构 如果采用常规p l c 集中控制方式，将现场信号通过电缆连接到集中控制室内的 p l c 上，。由于工艺线路长、现场控制点分布范围广，需要敷设大量的电缆及桥架， 且现场环境恶劣、其施工难度非常大。鉴于此，采用现场总线技术，根据工艺划分， 系统设立主站、子站和操作员站。采用西门子的s 7 3 0 0 系列p l c ，主站采用 c p u 3 1 5 2 d p ，其带有一个d p 通讯口和一个m p i 口。子站采用通用性较好的e t 2 0 0 m 现场模块，用于现场数据的采集和控制，并借助工业现场总线，方便控制网络系统 的建立。 控制系统分为三个级别，即现场级、控制级、管理级。 5 第二章s b r 污水处理工艺介绍 第二章s b r 污水处理工艺介绍 2 1s b r 技术的发展历史 s b r 的前身是以间歇操作的充排式系统( f i l l a n d d r a ws y s t e m ) 。1 9 1 2 年，英国 的c l a r k 和g a g e 发现，对废水长时间曝气会产生污泥，同时水质会得到明显的改善。 继而在1 9 1 4 年，a r d e m 和l o c k e t t 发现，把曝气后的污泥静止沉淀，只倒去上层清 液，留下瓶底污泥，供下次处理时用，这样可以大大缩短处理废水的时间。他们将 这些污泥命名为活性污泥。 1 9 6 9 年由美国俄亥俄州n o t r e 大学欧文教授等人提出了对s b r 技术的研究， 直到7 0 年代以后才陆续引起其他国家的重视，特别是澳大利亚，它是应用s b r 法 最多的国家之一，目前大约已建成s b r 处理厂6 0 0 座以上，处理量为2 1 1 0 4m 3 d 的大型s b r 污水厂已建成。国外，s b r 技术广泛应用到工业废水处理和生活污水 处理，特别是处理含有毒有机物的工业废水，s b r 是一利- 经济高效的方法。国内自 8 0 年代才开始引进该技术，目前我国对s b r 的研究处于发展阶段。 2 2s b r 工艺工作过程 进酉一甚器 一由r , - - 榭- 进水过程( f i l l ) 擗水过程 闲置连程 图2 1s b r 工艺工作过程 6 青岛大学硕士学位论文 污水在该时段内连续进入处理池，直到达到最高运行液位，并且借助于池底泵 的搅动，使废水和池中活性污泥充分混合。此时活性污泥中菌胶团( 由细菌、藻类、 原生动物、后生动物等组成) 将对废水中的有机物产生吸附作用，c o d 和b o d 为 最大值。 曝气反应过程( r e a c t ) 进水达到设定的液位后，开始曝气，采用推流曝气或完全混合曝气方式，使废 水中的有机物与池中的微生物充分吸收氧气，水中的溶解氧( d o ) 达到最大值， c o d 不断降低。 静置过程( s e t t l e ) 既不曝气也不搅拌，反应池处于静止沉淀状态，进行高效的泥水分离。c o d 降 为最小值，随着水中的溶解氧不断降低，厌氧反应也在进行。 排水过程( d e c a n t ) 上清液由滗水器排出。 闲置过程( i d l e ) 活性污泥中微生物充分休息，恢复活性，为了保证污泥的活性，防止出现污泥 老化现象，还须定期排出剩余污泥，为新鲜污泥提供足够的空间生长繁殖。 2 3s b r 技术的特点 与连续流活性污泥法相比，s b r 法有以下优势： ( 1 ) 工艺流程简单，设备少，占地省，投资小，构筑物少。 s b r 的基本工艺在一个反应器中完成，所以原则上s b r 法的主体工艺设备只有 一个反应器，不需要二沉池、回流污泥及其设备，不必设调节池和初沉池。由于s b r 工艺简洁，所以它布置紧凑、节省占地、投资和运行费用省。 ( 2 ) 静止沉淀效果好 s b r 的沉淀是在理想静沉条件下进行的，不受进出水流的干扰，可以避免短流 和异重流的出现，是一种理想的静止沉淀，因此，固液分离效果好，容易获得澄清 的出水。剩余污泥含水率低，浓缩污泥含固率可达到2 5 - - 3 ，为后续污泥的处置 提供了良好的条件。 ( 3 ) 具有较强的脱氮除磷能力。 生物脱氮过程是由好氧生物硝化和厌氧或缺氧反硝化两个生物化学过程组成。 硝化过程是在有氧条件下，由亚硝化菌先将氨氮转化为亚硝酸盐氮，再由硝化菌进 一步氧化为硝酸盐。亚消化菌和硝化菌是自养菌，硝化过程需要有较高质量浓度的 溶解氧和较低质量浓度的有机物。s b r 的曝气反应过程，反应器内溶解氧质量浓度 较高，而基质质量浓度已大幅度下降，废水中的氨氮在有机物去除的基础上完成硝 7 第二章s b r 污水处理工艺介绍 化过程。反硝化过程是由兼性菌或厌氧菌完成，硝酸盐作为电子受体，各种碳水化 合物作为电子供体进行无氧呼吸，在有机物被氧化分解的基础上将硝酸盐氮还原成 氮气逸出。s b r 工艺的时间序列性和运行条件上的较大灵活性为其脱氮除磷提供了 得天独厚的条件，即s b r 工艺在时间序列上提供了缺氧( d o = 0 ，n o x o ) 、厌氧 ( d o = 0 ，n o x o ) 和好氧( d o 0 ) 的环境条件，使缺氧条件下实现反硝化，厌氧 条件下实现磷的释放和好氧条件下的硝化及磷的过度摄取，从而有效地脱氮除磷。 ( 4 ) 操作简单，易于实现自动监测、遥控操作和自动运行 操作复杂曾经是s b r 法的致命弱点，但随着各种传感器、微处理器和自动执行 机构的投入使用，s b r 在操作运行已不再需要很多人工操作和操作人员的关注。 ( 5 ) s b r 法可以有效防止污泥膨胀。 s b r 法在反应阶段是理想的推流状态，即底物的质量浓度梯度大，使f m 梯度 也达到最大的理想，s v i 值更低，污泥不易膨胀。在缺氧或厌氧与好氧状态交替变 化的条件下，有利于菌胶团细菌的增殖，能抑制专性好氧丝状菌的过量繁殖，且对 多数微生物不会产生不利影响。s b r 法具有理想推流状态与快速降解有机物的特点， 使它在污泥龄较短的条件下，能满足出水质量要求，而污泥龄短又使剩余污泥的排 放速率大于丝状菌的增长速率，丝状菌无法大量繁殖。因此，s b r 法中的限制曝气 更不容易出现污泥膨胀。 ( 6 ) 对水量、水质变化的适应性强，有机物去除率高 s b r 系统是一种封闭系统，反应器中基质和微生物浓度是随时间变化的，在废 水和生物污泥接触混合及曝气反应过程中，废水中基质的去除应由反应时间来决定。 s b r 是理想的推流式反应器，耐冲击负荷且处理有毒或高浓度有机废水的能力强， 同时还具有生化反应推动力大的优点。间歇式进水和排水有调节缓和冲击负荷的作 用，使s b r 系统运行稳定。一些废水间歇排放且流量很小，或者水质波动极大，此 时采用s b r 法易取得良好的效果。 ( 7 ) 运行灵活 运行周期、运行方式可以根据需要调整是s b r 法的一个显著特点。 在一个运行周期中，各阶段的运行时间、反应器内的混合体积可以灵活地加以 调整。在反应阶段，如先曝气、后搅拌或搅拌曝气交替进行，可以进行生物脱氮。 还可以利用活性污泥对磷的过量吸收，然后排放剩余污泥来达到脱磷的目的。如此 灵活的运行，在传统的活性污泥法巾是难以在一个反应器巾实现的。 2 4s b r 系统的适用范围 由于上述技术特点，s b r 系统进步拓宽了活性污泥法的使用范围。就近期的 技术条件，s b r 系统更适合以下情况： 8 青岛大学硕士学位论文 1 ) 中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间歇排放和流量变化较大 的地方。 2 ) 需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机 物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。 3 ) 水资源紧缺的地方。s b r 系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设 施，便于水的回收利用。 4 ) 用地紧张的地方。 5 ) 对已建连续流污水处理厂的改造等。 6 ) 非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理。 2 5s b r 设计要点 2 5 1 运行周期的确定 s b r 的运行周期由充水时间、反应时间、沉淀时间、排水排泥时间和闲置时间 来确定。充水时间( t 、，) 应有一个最优值。如上所述，充水时间应根据具体的水质 及运行过程中所采用的曝气方式来确定。当采用限量曝气方式及进水中污染物的浓 度较高时，充水时间应适当取长一些；当采用非限量曝气方式及进水中污染物的浓 度较低时，充水时间可适当取短一些。充水时间一般取1 4h 。反应时间( t r ) 是 确定s b r 反应器容积的一个非常主要的工艺设计参数，其数值的确定同样取决于运 行过程中污水的性质、反应器中污泥的浓度及曝气方式等因素。对于生活污水类易 处理废水，反应时间可以取短一些，反之对含有难降解物质或有毒物质的废水，反 应时间可适当取长一些。一般在2 8 h 。沉淀排水时间( t s + t d ) 一般按2 - 4 h 设计。 闲置时间( t e ) 一般按2 h 设计。 一个周期所需时间t c t v + t r + t s + t d + t e 周期数n - - - 2 4 t c 2 5 2 反应池容积的计算 假设每个系列的污水量为q ，则在每个周期进入各反应池的污水量为q n n 。 各反应池的容积为： v q n n + ( 1 - m ) v 其中，v ：各反应池的容量 1 m ：排出比 n ：周期数 n ：每一系列的反应池数量 q ：每一系列的污水进水量( 设计最大日污水量) ( m 3 d ) 9 第二章s b r 污水处理工艺介绍 2 5 3 曝气系统 序批式活性污泥法中，曝气装置的能力应是在规定的曝气时间内能供给的需氧 量，在设计中，高负荷运行时每单位进水b o d 为0 5 , - - , 1 5 k g0 2 k gb o d ，低负荷运 行时为1 5 2 5 k go j k g b o d 。 在序批式活性污泥法中，由于在同一反应池内进行活性污泥的曝气和沉淀，曝 气装置必须是不易堵塞的，同时考虑反应池的搅拌性能。常用的曝气系统有气液混 合喷射式、机械搅拌式、穿孔曝气管、微孔曝气器，一般选射流曝气，因其在不曝 气时尚有混合作用，同时避免堵塞。 2 5 4 排水系统 ( 1 ) 上清液排出装置应能在设定的排水时间内，活性污泥不发生上浮的情况下排 出上清液，排出方式有重力排出和水泵排出。 ( 2 ) 为预防上清液排出装置的故障，应设置事故用排水装置。 ( 3 ) 在上清液排出装置中，应设有防浮渣流出的机构。 序批式活性污泥的排出装置在沉淀排水期，应排出与活性污泥分离的上清液， 并且具备以下的特征： 1 1 ) 定量排水。应能既不扰动沉淀的污泥，又不会使污泥上浮，按规定的流量排 出上清液。 2 ) 追随水位的性能。为获得分离后清澄的处理水，集水机构应尽量靠近水面， 并可随上清液排出后的水位变化而进行排水。 3 ) 可靠性。排水及停止排水的动作应平稳进行，动作准确，持久可靠。 排水装置的结构形式，根据升降的方式的不同，有浮了式、机械式和不作丁| 降 的固定式。 2 5 5 排泥设备 设计污泥干固体量= 设计污水量设计进水s s 浓度污泥产率1 0 0 0 在高负荷运行( 0 1 - - 。0 4k g b o d k g - s s d ) 时污泥产量以每流入lks s 产生l 蚝计算，在低负荷运行( 0 0 3 0 1k g b o d k g - s s d ) 时以每流入1 趣s s 产生o 7 5k 计算。 在反应池中设置简易的污泥浓缩槽，能够获得2 3 的浓缩污泥。由于序批式 活性污泥法不设初沉池，易流入较多的杂物，污泥泵应采用不易堵塞的泵型。 2 6s b r 设计需特别注意的问题 2 6 1 主要设施与设备 1 0 青岛大学硕士学位论文 1 ) 设施的组成 本法原则上不设初次沉淀池，本法应用于小型污水处理厂的主要原因是设施较 简单和维护管理较为集中 为适应流量的变化，反应池的容积应留有余量或采用设定运行周期等方法。但 是，对于游览地等流量变化很大的场合，应根据维护管理和经济条件，研究流量调 节池的设置。 2 ) 反应池 反应池的形式为完全混合型，十分紧凑，占地很少。反应池形状以矩形为准， 池宽与池长之比大约为l ：1 l ：2 ，水深4 - 6 米。 反应池水深过深是不经济的，理由如下： 如果反应池的水深大，排出水的深度相应增大，则固液分离所需的沉淀时间 就会增加。 专用的上清液排出装置受到结构上的限制，上清液排出水的深度不能过深。 同样，反应池水深过浅也是不希望的，理由如下： 在排水期间，由于受到活性污泥界面以上的最小水深限制，上清液排出的深 度不能过深。 与其他相同b o d - - - s s 负荷的处理方式相比，其优点是用地面积较少。 反应池的数量，考虑清洗和检修等情况，原则上设2 个以上。在规模较小或投 产初期污水量较小时，也可建一个池。 3 ) 排水装置 排水系统是s b r 处理工艺设计的重要内容，也是其设计中最具特色和关系到系 统运行成败的关键部分。目前，国内外报道的s b r 排水装置大致可归纳为以下几利- ： ( 1 ) 潜水泵单点或多点排水。这种方式电耗大且容易吸出沉淀污泥； ( 2 ) 池端( 侧) 多点固定阀门排水，由上自下开启阀门。缺点操作不方便，排水 容易带泥； ( 3 ) 使用专用设备滗水器。 滗水器是是一种能随水位变化而调节的出水堰，排水口淹没在水面下一定深度， 可防止浮渣进入。 理想的排水装置应满足以下几个条件： 单位时间内出水量大，流速小，不会使沉淀污泥重新翻起； 集水口随水位下降，排水期间始终保持反应当中的静止沉淀状态； 排水设备坚固耐用且排水量可无级调控，自动化程度高。 在设定一个周期的排水时间时，必须注意以下项目： 上清液排出装置的溢流负荷确定需要的设备数量； 第二章s b r 污水处理工艺介绍 活性污泥界面上的最小水深主要是为了防止污泥上浮，由上清液排出装 置和溢流负荷确定，性能方面，水深要尽可能小； 随着上清液排出装置的溢流负荷的增加，单位时间的处理水排出量增大，可 缩短排水时间，相应的后续处理构筑物容量须扩大； 在排水期，沉淀的活性污泥上浮是发生在排水即将结束的时候，从沉淀工序 的中期就开始排水符合s b r 法的运行原理。 2 7s b r 技术的发展 s b r 工艺近3 0 年的发展，派生出了多种方法： 间歇式循环延时曝气活性污泥法( i c e a s i n t e r m i t t e n tc y c l i ce x t e n d e ds y s t e m ) 是在1 9 6 8 年由澳大利亚新威尔士大学与美国a b j 公司合作开发的。1 9 7 6 年世界上 第一座i c e a s 工艺污水厂投产运行。典型的i c e a s 反应器由横跨反应池的隔板隔 成两个区域，即进水的预反应区和反应器主体的主反应区。污水连续不断地进入预 反应区，污水中大量的有机物很快被该区域的微生物所吸附，对进水水质、水量、 p h 和难降解物质具有巨大的缓冲作用，提高了整个系统的效率。经初步吸附的废水 和污泥通过隔板底部的连接口进入主反应区接受进一步生物处理。无需闲置阶段， 整个反应池内不断经历着好氧。缺氧厌氧周期变化过程。故i c e a s 工艺无需设置调 节池，对小型工程可以只设一个反应池，与s b r 工艺相比更具有灵活性，工艺更为 简捷，控制系统也较为简单、可靠。 。= 塑擎 主厦 堑医 捞量度区 ， ， ，：，- 乙 ? t 。， 。 l 。 _ - 一! i - 曝气反应避程 挥泥l魏主霞应区 ： 塑纽匠 弋 番 ：冀瓣蹈藩：疑 4 一t ：二一一! 辩水过程 。 一污冕国蓖 烹爱应区 臻麓废区 一 ： 3 5m g l ，且d o 的变化速率 0 3 0m g ( l m i n ) 时，反应己结束，应停止曝气， 这是建立模糊控制规则的重要依据。 由于两种现象巾误差及误差的变化均为正，可以简化对误差e 、误差变化c e 及控制量u 的模糊集和论域的定： e 、c e 的模糊集均