（电子科学与技术专业论文）基于opc及模糊控制的污水曝气监控系统的研究与设计.pdf

a bs t r a c t w i t ht h em o d e mi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m sb e c o m i n gl a r g e r a n dm o r ec o m p l i c a t e d ，p e 晌r m a n c er e q u i r e m e n t st ot h ec o n t r o ls y s t e m s a r e b e c o m i n gs t r i c t e r o nt h eo n eh a n d ， o p e l l l l e s sa n di n l l 谢t a b l e d e v e l o p m e n t t ot h es y s t e m sa r es t r o n 9 1 yn e e d e db e c a u s eo ft h em o r ea n d m o r eh a r d w a r eu s i n gi nt h ei n d u s t 0 nt h eo t h e rh a n d ，m em o r e c o i i l p l i c a t e ds y s t e m sn e e dac o n t r o la l g o r i t h mt h a td o e s n td 印e n do nt h e e x a c tm o d e lo ft h es y s t e m s i na l l u s i o nt 0t h i sm a t t e r ，a 如z z yc o n t r o l s y s t e mf o rt h ew a s t e w a t e ra e r a t i o nb a s e do no p ct e c l m o l o g yi sp r o p o s e d a n dd e s i g n e d f i r s t l 弘t e c h n 0 1 0 9 i e sa n dt e c l l i c so fo n ew a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t i nz h o n g s h a nc 毋a r ea n a l y z e da sw e l la sa e r a t i o np r o c e s s e l e c t r i c c o n t i o lp r i ) j e c tb a s e do np l ca n dv f di s d e s i g n e di nc o n s i d e r i n go f f e a s i b i l i 吼e 所c i e n c ya n de n g i n e e r i n gc o s to ft h es y s t e m s i e m e n s p l c - 2 0 0i ss e l e c t e da sc o n t r o l l e rt oc o n t r o l 丘- e q u e n c yo f p o w e rs u p p l yb y v f df o rb l o w e r ，a st oa d a p tr o t a t i o ns p e e do fb l o w e r ，a n dm r t h e r m o r e ， w h i c hi n n u e n c et h ea e r a t i o nr a t e ，a i m i n gt oc o n t r o ld i s s o l v e do x y g e n c o n c e n 仃a t i o no fe m u e n t 舫mb i o c h e m i c a lp o n d a n dt h e n 如z z yc o n t l o ls y s t e mf o rw a s t ew a t e ra e r a t i o ni sm a i l l l y d e s i g n e d ，w h i c hm e a n s 允z z yc o n t r o ls y s t e ma p p l i e st ow a s t ew a t e r a e r 撕o np r o c e s s t h ed e s i g no fm z z yc o m r 0 1 l e ri st h ek e yo f 向z z y c o n t r o ls y s t e md e s i g nt h a tc o n s i s t so fu n i v e r s e ss e l e c t i n g ，m e n 出e r s h i p 如n c t i o n sd e t e r m i n i n g ，f 兆z y1 1 j 1 e se s t a b l i s h i n ga u l du l t i m a t e l yg e n e r a t i o n o f 允z z yi n q u i r i n gt a b l e s a n dn e x t ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea e r a t i o n p r o c e s si sp r o p o s e d ，s oa st oc o i n p a r et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lw i t h 如z z y c o n t r 0 1 m 灯l a bs i m u l a t i o ns h o w st h a t 如z z ) rc o l l t r 0 1 i sm o r es u p e r i o r w i t hn oo v e r s h o o t ，a n dl e s ss e t t l i n gt i m e f i n a l l y ，t h et h e s i sd e s i g n sm o n i t o r i n gs y s t e mo fw a s t ew a t e ra e r a t i o n e s t a b l i s h e di n c o n f i g u r a t i o ns o r w a r e ， i f i x p l a t f o h n ， w h o s ed a t a i n t e r a c t i o nb e t w e e nu p p e rc o m p u t e ra n d1 0 w e rc o m p u t e rv i ai n d u s t r i a l e t h e m e ta n do p c f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi s p r o g r a m m e di n i f i x s c h e d u l i n gb a s e do n s u a lb a s i c h i s t o c a lc u r v eo fd i s s o l v e do x y g e n n c o n c e n t r a t i o na n df 琵q u e n c yo u t p u ti sd r a w e dw i t ht h eh i s t o r i c a ld a t a f u z z yc o n t r o li ss u p e r i o rt op i dc o n t r o lw i t hl e s sa v e r a g ee 1 1 r o ro f d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dl e s sm e a ns q u a r ed e v i a t i o no f 能q u e n c yo u t p u tb ya n a l y z i n gt h e s ed a t a ，i no t h e rw o r d s ，如z z yc o n t r o l a c h i e 、，e sh i g ha c c u r a t ea n ds t a b l ec o n t r o lp e r f o h n a n c e i n d e e d ，i ti s 如z z y c o n t r o lt h a tc o u l d 即血a n c es v s t e mp e 哟m l a n c e k e yw o r d so p c t e c h n o l o g 弘如z z yc o n t r o l ，w a s t ew a t e ra e r a t i o n ， d i s s o l v e do x y g e n ，i f c o n f i g u r a t i o n i i i 中南大学硕上学位论文第一章绪论 1 1 智能控制系统概述 第一章绪论 智能控制( i n t e l l i g e n tc 伽仃0 1 ) ，是用计算机模拟人类的思维过程，并将其应用 于自动控制领域。智能控制系统是智能控制器自动地按照设定目标，参与生产过 程的控制系统。目前，智能控制系统主要包括三大类：模糊系统、人工神经网络 及专家系统。 自从1 9 世纪4 0 年代美国数学家n w i e l l e f 创立了控制理论以来，自动控制 理论学科经历了从经典控制理论到现代控制理论，再到目前的智能控制理论的发 展过程。对现代复杂系统的研究，涉及到的非线性、鲁棒性、多目标系统，经过 长期的研究，虽然取得了一些进展，但其研究成果有限，甚至有些问题还难以解 决，尤其是对于那些难以用数学模型描述的问题。 人们在长期的生产实践中发现，对于许多复杂的生产过程，自动控制系统表 现得并不尽人如意，而在熟练的操作工、技术人员或者专家的操作下却控制自如。 研究人员从中得到启发，若能结合控制理论与操作经验，把它作为控制理论解决 复杂生产过程的一种补充手段，控制理论面临的难题将获得突破性的进展。不断 发展与成熟的现代计算机控制技术，为这种设想提供了有效的工具。计算机能够 具备某些人类的智能，比如在处理模糊信息、逻辑运算、模式识别等方面。将计 算机这方面的智能处理应用到控制对象中，可以达到甚至超过人的操作水平。于 是我们把这样的自动控制系统称之为智能控制系统【l 】。 1 9 4 3 年，心理学家w m c c u l l o c h 和数理逻辑学家w - p i t t s 在总结神经元基本 特性的基础上，首先提出了神经元的数学模型。5 0 年代末，f r o s e l l b l a t t 设计制 作了感知机，这项工作首次把人工神经网络的研究从理论探讨付诸工程实践。从 6 0 年代起，计算机技术和人工智能技术迅速发展，为了提高控制系统的自学习 能力，控制界学者开始将人工智能技术应用于控制系统。1 9 6 5 年，美籍华裔科 学家傅京孙教授首先在学习控制系统中运用人工智能的启发式推理规则。同年， 美国加州大学l a z a d e h 教授创立了模糊理论【2 1 。这个时期，不断有新的智能控 制的研究成果出现。j m m e n d e l 和c t l e o i n d e s 分别于1 9 6 6 年和1 9 6 7 年在自己 的研究中提出了“人工智能 和“智能控制 的概念。此后，英国的e h m 锄d a l l i 于1 9 7 4 年成功地研制出自组织模糊控制裂3 1 ，使得模糊控制器的智能化水平有 了较大提高。8 0 年代初，美国物理学家h o p f i e l d 的两篇论文在美国科学院院刊 上发表，论文主要研究的是人工神经网络。1 9 8 3 年，著名自动控制理论专家， 中南大学硕1 ：学位论文 第一章绪论 瑞典学者k j a s t r o m 将专家系统技术引入到自动控制领域，并于1 9 8 6 年正式提 出了专家控制系统理论。进入9 0 年代，有关智能控制的国际交流越来越频繁深 入。1 9 9 3 年5 月，美国i e e e 控制系统学会智能控制专业委员会成立专家小组， 专门探讨“智能控制”的含义；第二年，i e e e 全球计算智能大会在美国奥兰多 召开，系统全面讨论了模糊控制、神经网络、进化计算三方面的内容。1 9 9 5 年 l o 月，国际智能自动化学会筹委会第一次会议在加拿大温哥华召开。国际智能 自动化学会的成立在世界范围内对智能自动化控制的研究起了巨大的推动作用。 智能控制系统是自动控制发展的高级阶段，同时又是一门前沿交叉性学科， 涉及到人工智能控制论、系统论以及信息论等多学科。智能控制系统的研究是当 前控制领域研究热点，并且极具挑战性，其基础理论的完善以及新方法的扩充都 有待进一步的深入探讨和研究。 1 2o p c 技术简介 1 2 1o p c 技术发展现状 进入新世纪，工业自动化的应用已经相当普及，工业自动化的技术已经十分 先进，d c s 系绀4 ，5 】得到了广泛应用，现场总线技术【6 ，7 】日臻完善。然而，目前工 业自动化系统大多数相对封闭，缺乏统一开放式的接口。对不同厂商的产品进行 系统集成，还不得不为此开发专门的接口。 工业自动化系统功能要求越来越复杂完备，完全用一个厂家的产品来构建整 个系统是不切实际的，而不同厂家的产品之间的差异性又限制了用户的选择。在 这种情况下，用户选择最佳的系统集成方案变得相当困难。 正是由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发 商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和 开发商急切需要一种高效可靠的、开放性和互操作性良好的设备驱动程序，用于 实现各厂家设备之间的互操作，达到数据信息在整个企业各级的共享。正是在这 种情况下，o p c 标准应运而生。 从本质上讲，o p c 提供的是一套规范，通过这些规范，系统能够从服务器获 取数据并将其传递给任何客户应用程序，其过程采用的是服务器客户端( s c ) 标 准方式。由此，生产商只需开发一套遵循o p c 规范的服务器，其他任何客户应用 程序便能通过服务器访问设备了。 o p c 规范发展之初，仅仅是通过工业控制软件对现场设备数据存取的规范， 经过几年的发展，扩充到报警事件【8 】、历史数据存取、批处理。目前，研究的方 向还包括安全性规范例、工程数据x m l 标准等方面。 2 中南人学硕上学位论文 第一章绪论 1 9 9 5 年o p c 工作组诞生，在此基础上，1 9 9 6 年8 月，国际上主要的自动化设 备及仪器仪表供应商( 包括罗克韦尔、西门子、f i s h 盯r o s 锄o u n t 、i n t e l l u t i o n 等) 共同成立了o p c 基金会。 1 9 9 6 年至1 9 9 9 年短短三年间，o p c 基金会不断升级o p c 规范版本，从1 o 、 1 0 a 版，到2 0 2 版【1 0 】。2 0 0 9 年，从o p c 中国促进会技术交流会上获悉，新一代o p c 规范o p cu a 已经成立。0 p cu “1 1 】是在第一代o p c 技术规范的基础上，将o p c 从以微软为中心的c o m d c o m 技术转化为开放式标准，统一了各种o p c 技术规 范，其n e t 全新的通讯架构，便于配置和维护，可视化程度增强，具有更高的 可靠性、安全性和可扩展性。 目前，o p c 基金会现有会员已超过2 2 0 家，遍布全球，包括世界上所有主要 的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司，各硬件设备也都提供相应 的o p c 服务器软件，工控组态软件如w i n c c 、i f 、组态王等等，都很好地提供 对o p c 技术的支持。近年来，o p c 技术作为一项工业标准在国内也得到了逐步推 广和应用。不少高等院校、研究机构和制造厂商都展开了对o p c 技术的研究，一 些公司( 如浙大中控) 都加入了o p c 基金会。 1 2 2o p c 在工业自动化领域的应用 现代工业控制系统通常以工控机为上位机，通过与现场工控设备( 如p l c ) 的 数据交换与处理，实现对生产过程的自动控制。由于主要的自动化控制系统、仪 器仪表及过程控制系统的公司都提供对o p c 技术的支持，所以o p c 在工业自动化 控制系统中的应用非常广泛。 o p c 作为监控组态软件与工控硬件设备间互联桥梁，在诸如污水处理l l 引、 环境监测、化工生产监控以及d c s 系统中发挥着越来越重要的作用。 吴祥等采用o p c 技术作为上下位机间通信的数据中继站，基于现场总线， 设计了甲醇灌装控制系统【1 3 】。该控制系统具有界面直观、操作简单的特点，是 一种集多路流量定量灌装、多管道流量及罐区液体监控管理为一体的新型控制管 理系统；应用结果表明，该系统运行稳定可靠，具有一定的实用性和推广价值。 陈欣、郎朗在【1 4 】中，阐述了基于o p c 技术上位机v b 程序与西门子p l c 通信 的实现过程。孙鑫等介绍了一种基于o p c 的车间环境监控系统【1 5 】，服务器采用以 太网的方式与s 7 3 0 0p l c 主站进行通信，同时通过组态软件w i n c c 的标准o p c 接 口采集现场数据，并建立监控画面显示相关参数。而客户端通过访问服务器中的 数据，也可以实时显示相应车间环境参数，并根据环境参数的设定值自动进行调 节，从而达到自动监控车间环境的目的。文献 1 6 介绍了o p c 技术，并利用其建 立了i f i x 与煤矿供电系统之间的数据通信，实现了远程数据采集和监控。 中南大学硕上学位论文第一章绪论 1 3 模糊控制简介 模糊控制( f u z z yc o n 缸d 1 ) ，以模糊数学为基础，采用模糊集理论对一类不确 定性系统进行有效控制的方法，是智能控制系统的一重要分支。模糊控制技术是 由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科相互渗透，且理论性 很强的科学技术【1 7 】。 1 3 1 模糊控制的产生及发展 1 9 6 5 年，美国伯克莱加州大学的自动控制理论专家l a z a d e h 在其论文 2 】 中，为处理人的思维中普遍存在的模糊性，提出了完全不同于传统数学与控制理 论的“模糊集合 和“模糊控制的概念模糊集合论，开创了模糊逻辑的历 史。此后，英国伦敦大学教授e h m 锄d a l l i 于1 9 7 4 年成功研制锅炉蒸汽机模糊 控制系统【3 】，并取得了优于传统常规调节器的控制效果，这在模糊控制发展史上 具有里程碑意义。1 9 7 5 年英国学者p j 硒n g 和e h m 锄d a i l i 将模糊控制系统应 用于工业反应过程的温度控制中。1 9 7 6 年荷兰的w j m 飚c k e n 和h r v a nn a u t a 将模糊控制器应用于热水装置中；同年，英国人r m t 0 n g 设计了基于模糊控制 的压力容器内压力和液面控制，以及随后发表的多篇论文，对模糊控制的应用发 展起到了积极的推动作用【1 8 】。1 9 8 2 年，丹麦f l s m i t l l 公司将模糊控制应用于湿 法水泥窑的生产控制。19 8 3 年日本学者m s u g e n o 等将一种基于语言真值推理的 模糊逻辑控制器控制汽车速度，取得了成功。 此后，模糊控制在化工、冶金、机械、污水处理、食品生产以及家用电器等 诸多领域得到应用。模糊控制充分显示了在非线性系统、多目标系统、大规模系 统以及无适当传感器、变送器可供检测的系统中的良好应用效果。 模糊控制发展近半个世纪，概括起来其主要经历了基本模糊控制、自组织模 糊控制和智能模糊控制三个阶段【玛】。基本模糊控制根据某一特定过程制定模糊 控制规则表，且只适用于某一类特定过程；然而，复杂过程往往有时难以精确完 整地总结出控制策略，为此，人们在基本模糊控制器的基础上，发展出具有自调 整、自适应能力的自组织模糊控制，这是进入8 0 年代后模糊控制的主要研究方 向。不过在工业自动化领域中，有时过程内部作用强烈、机理错综复杂，生产随 机干扰大，自组织模糊控制的在线调整能力有限。因此，为使复杂生产过程达到 满意的控制效果，就必须不断了解掌握过程机理，同时结合操作经验，通过不断 学习，对实际生产过程不断修改完善，并对原有知识进行反馈修正。智能模糊控 制孕育而生，这也是目前模糊控制的研究热点。文献 2 0 介绍了多种新世纪以来 工业应用的模糊控制系统，具有自适应、预测控制等智能特性。 4 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 - 3 2 模糊控制技术的研究状况 1 9 8 7 年7 月，日本日立公司研制的地铁自动运行系统在同本仙台市启用， 其中的一大技术亮点就是模糊控制。相比于传统控制方法，在安全性、舒适性、 能耗等方面，模糊控制具有更优的表现。进入9 0 年代，日本掀起了模糊控制的 研究热潮，模糊理论和技术得到了深入的研究与应用。日本率先推出商品化的模 糊控制产品，并逐步成为这项技术的主导国家。截至1 9 9 4 年，模糊控制在日本 家电产品应用的普及率己超过五成f z 。在日本的模糊技术应用研究和开发中， 比较有代表性的是o m r o n 公司以及富士通、三洋等公司。 德国政府对模糊控制技术的开发应用也极为重视。i n f o 珊公司和s i 锄e 1 1 s 公 司联合研制了第三代模糊微处理器f u z 缈1 6 6 芯片，该芯片是一个具有推理命令、 模糊化命令和反模糊化命令的模糊芯片。1 9 9 1 年初，在汉诺威工业博览会上展 出了一台模型汽车，功率仅为1 马力，然而速度却达到了8 蚴。值得一提的 是，这辆模型汽车是为模糊逻辑研究复杂动态控制而制作的。 美国从上世纪8 0 年代中期开始研制模糊控制器，最早应用于水泥生产的控 制。在1 9 9 3 年i s 9 3 博览会上展出的具有自调节功能的模糊控制器( i l f c ) ，结 合了模糊集理论与经典控制技术。m o t o r 0 1 a 公司也于1 9 9 3 年成功研制出 m 6 8 h c1 1 模糊推理器和m 6 8 h c 0 5 模糊推理软件。 模糊数学上世纪7 0 年代后期传入我国，不久即在我国得到了飞速发展。1 9 8 0 年成立了中国模糊数学与模糊系统学会，并创刊相关杂志刊物田】。1 9 8 7 年4 月， 汪培庄、张洪敏和张志明等研制成功了我国第一台模糊推理机。9 0 年代初，北 京模糊工程中心的陈永义教授等先后研制开发了玻璃拉管线模糊逻辑控制器、电 冰箱模糊控制器、水泥厂矿石破碎机的模糊控制系统等。1 9 9 3 年，基于神经网 络理论的学习型模糊控制计算机系统研制完成。9 0 年代后期，新飞、海尔等国 内家用电器厂家纷纷推出模糊控制技术的智能空调、洗衣机、电冰箱和电饭煲等 家电，畅销世界各个国家和地区。 然而，在我国先进的模糊控制理论与工程实践之间脱节严重，尤其是工业生 产过程控制系统，仍在沿用传统的控制系统、方法和技术。集散控制系统( d c s ) 、 可编程序控制器( p l c ) 、工控机等工业设备仍以传统p d 控制为主，难以实现 对非线性、长延迟、不确定等无法精确建模的复杂对象的控制。模糊控制作为智 能控制中技术最为成熟的一个分支，提供了解决上述问题的一种方法。因此，研 制和开发出适合工业环境的实时模糊控制平台，实现模糊控制的工程化，并最终 转化为社会生产力，这对缩短控制系统开发周期，加快智能控制技术的广泛应用， 提高我国的工业自动化水平有着重大的现实和经济意义。 中南大学硕二l 学位论文 第一章绪论 1 4 课题来源及论文主要内容 论文的研究课题来源于珠海思特自动化系统工程有限公司及其在中山市坦 洲镇南部污水处理厂的工程项目。 坦洲污水处理厂一期工程，污水处理能力2 万吨日，采用a 2 0 工艺。现有 三台功率5 5 k w 的曝气鼓风机向生化池曝气，一用两备，循环工作，均采用现 场软启动、手动控制模式。这种控制模式，缺少各种的保护装置，故障率高，且 不能调整工作频率，造成鼓风机能耗严重浪费。为此，需对鼓风机及曝气过程控 制系统进行改造。 本文的主要内容包括： 第一章，绪论。概述了智能控制系统，并对o p c 技术的发展及应用，模糊 控制技术的发展及研究状况做了简单介绍。 第二章，中山市某污水处理工艺。在对污水分类，及主要水质指标进行分析 的基础上，介绍了常用的污水处理技术及工艺，并重点阐述了a 2 0 工艺流程以 及污水曝气过程工艺。 第三章，污水曝气模糊控制系统设计。针对模糊控制器，阐述了其设计的详 细过程，包括结构的选取，模糊化，控制规则的制定，控制算法和清晰化。结合 实际的控制对象，将模糊控制应用于污水曝气系统。 第四章，o p c 技术基础。相比于传统数据访问，o p c 数据访问更加优势。 本文简单介绍了o p c 的核心技术c o m 组件，并在此基础上，解析了o p c 的对象与接口，并着重分析了o p c 数据存取规范。 第五章，污水曝气监控系统架构。在前面章节的基础上，针对污水曝气过程， 提出了基于o p c 技术及模糊控制的系统结构。采用模糊控制，对生化曝气池的 出水溶解氧进行定值控制，m a ：r l a b 仿真表明模糊控制的有效性。通过工业以 太网及o p c ，实现上下位机的数据交互，并在i f 组态软件平台上，设计了污 水曝气监控系统。在i f 基于v b 的调度中，嵌入并运行模糊控制算法，查看 监控系统的溶解氧浓度及变频输出历史曲线，并以均方差和平均误差指标衡量， 结果表明相对于传统p i d ，模糊控制的确能够提高系统性能。 6 中南大学硕士学位论文 第二章城镇污水处理t 艺流程 第二章中山市某污水处理厂工艺 我国水资源匮乏，地理分布不均，严重缺水的城市有5 0 多个，而随着我国 经济的快速发展，导致的水体污染更是加剧了公众的水危机感。据相关资料统计， 目前全国各类水体8 2 的河段遭受污染，其中将近四成受到严重污染；7 0 以上 的城市河段不适合作为饮水水源，半数的城市地下水受到污梨2 引。 上世纪9 0 年代以来，我国的污水治理工作取得了较大进展，建成了大批城 镇污水处理厂。国家和政府在治理污水上也投入了大量的人力物力，不过污水处 理的工艺技术仍较粗放。为了更好地保护环境，充分保护和利用水资源，污水处 理的工艺、技术有待进一步研究。 2 1 处理厂污水概述 建立污水处理厂进行污水处理，集中而又高效，是治理污水的有效手段。而 目前国内外污水处理工艺繁多，尤其是近年来出现的新技术、新工艺，所以应当 对污水进行科学分类，明确污水中的主要污染物，因“水”制宜，设计污水处理 方案。处理后的污水，必须达到污水水质指标以及国家制定的相关标准。 2 1 1 污水的分类 城镇污水主要来源于城镇居民的生活污水以及工业企业在生产制造过程中 产生的工业废水，另外还包括城市降水和部分受污染的地表水。根据城镇污水的 来源不同，城市污水大体分为三大类：生活污水、工业废水、部分地表径流。 生活污水根据污水来源不同，可以分为居民区生活污水、宾馆饭店等服务业 的生活污水和游泳场等公共娱乐场所的污水等。 工业废水按行业分为：食品工业废水、化工废水、造纸工业废水、纺织业废 水、冶金废水、轻工业废水、制药废水等等。这是工业废水的常用分类方法，也 是城镇污水厂建立参考的重要标准。 此外，依照工业废水含有污染物的不同，又可分为有机废水、无机废水、混 合废水、重金属废水、放射性废水等。 当然，根据不同标准，污水分类还有其它表现形式。总而言之，污水分类都 是为了在设计污水处理厂时，能够有针对性地选择和比较各种污水处理技术、污 水处理工艺，获得更好的污水处理效益。 7 中南人学硕士学位论文第 二章城镇污水处理工艺流程 2 1 2 污水中的主要污染物 生活污水的主要污染物是有机物和氮磷等富营养物，不同生活污水的主要污 染物大体相近，相差不是很大。而工业污水所含的污染物各不相同，主要是由于 生产工艺的差别。下面简单介绍一下几种主要的工业废水污染物。 ( 1 ) 耗氧有机物 耗氧有机物主要指动、植物残体以及生活、工业生产所产生的碳水化合物、 脂肪、蛋白质等易分解的有机物，它们在分解过程中要消耗水中的溶解氧，故称 为耗氧有机物。 ( 2 ) 难降解有机物 难降解有机物，特性是在自然条件下，难于被生物作用发生递降分解。这类 物质大多具有较强的毒性，进入水体后在很长时间内难以被微生物降解。这类物 质主要来源于农药制造、合成橡胶、化纤等工业废水，比如合成洗涤剂、有机氯 农药、有机胺化合物等。 ( 3 ) 重金属f 2 4 1 重金属是指比重大于5 的金属，包括金、银、汞、铬、镉、铅等。重金属会 对水体的微生物产生极大的破坏作用，并被生物吸收、积累，最终危害人体。冶 金、机械制造业、电子制造业产生的污水往往含有高浓度的重金属。 ( 4 ) 无机悬浮物 无机悬浮物在水体中常常吸附有毒物质，形成复合污染物，对水体中的植物 和鱼类等生物产生更大危害。无机悬浮物主要来自泥沙流动、水利排灰等，采矿、 火力发电站、建筑材料制造业是其主要污染源。 ( 5 ) 病原体 病原体，指可造成人或动物感染疾病的微生物，包括细菌、病毒、寄生虫、 真菌等。病原体污染的水域会造成大面积的疾病传播，且在水体中的存活时间相 对较长。病原体主要来源于生活污水、医院污水以及食品加工废水。 此外，废水中的污染物还包括油类污染、酸污染、碱污染、热污染及放射性 污染等等。 2 1 3 污水水质指标 水质是水对生物体的适宜程度，是其物理、化学和生物学特性的综合反映。 水质指标是判断水质的具体参数，包括温度、色泽、浑浊度等物理特性，无机物 含量、有机物含量等化学特性以及菌落总数等微生物特性。下面主要介绍生化需 氧量、化学需氧量两项重要的污水水质指标。 中南大学硕上学位论文 第二章城镇污水处理t 艺流程 ( 1 ) 生化需氧量 生化需氧量b o d ( b i o c h 锄i c a lo x y g e nd 锄a n d ) ，是“生物化学需氧量”的 简称，又称生化耗氧量。生化需氧量定义为：水中有机污染物在好氧微生物作用 下，进行好氧分解过程中所消耗水中溶解氧的量。 b o d 是这样检测定标的。在一定期间内，微生物分解一定体积水中的某些 可被氧化的物质，特别是有机物质所消耗的溶解氧的量，常以m l 为单位表示。 由于污水中各种有机物得以完会氧化分解需要一百天左右的时间，为了缩短检测 周期，一般b o d 以被检验的水样在2 0 下，五天内的耗氧量为代表，称其为五 日生化需氧量，简称b o d 5 。相应地，还有b o d l o 、b o d 2 0 。 b o d 是反映水中有机污染物含量的一个综合指标，其值越大，说明水中有 机物含量越高，污染越严重。b o d 参数广泛应用于衡量废水的污染强度和废水 处理构筑物的负荷与效率，也用于研究水体的氧平衡。一般情况下，城镇污水的 b o d 5 在2 0 0 1 1 1 l 左右。未被污染的水体，b o d 5 常低于2 m l 。 ( 2 ) 化学需氧量 化学需氧量c o d ( c h e i t l i c a lo x y g e nd e r l l a l l d ) ，是指在强氧化剂，如重铬酸钾、 高锰酸钾的作用下，氧化水中有机物所需的氧量。当以重铬酸钾为氧化剂时，其 形式为c o d c r ；当以高锰酸钾为氧化剂时，其形式为c o d m n 。 经典的c o d 测定方法，如c o d c ，法，水电消耗大，回流装置占据实验空间 大，试剂用量大，操作不便，难以大批量快速测定。快速消解分光光度法【2 引， 弥补了经典标准方法的不足。不过，比起b o d 测定方法，c o d 测定方法更为快 速( 最快只需2 3 个小时) 、准确【2 6 】，在水处理实践中应用较为广泛。 2 3 污水处理工艺 2 3 1 单元污水处理工艺 单元污水处理工艺是针对特定的污染物设计的一个分离过程，针对污水的不 同特性，选取不同的分离方法与设备。从系统热动力学角度讲，污染物分离本质 上是一个外界对其做功，熵递减的过程。从系统能量转换的角度讲，此分离过程 涉及添加物料( 吸收剂、液膜、表面活性剂、溶液等) 和输入能量( 电、热、磁、压 力、离心力等) 等工程问题。 污水处理工艺按其作用原理，可以分为物理法、化学法、物化法、生化法几 大类。物理法主要包括调节、格栅、筛网、自然沉淀、自然上浮、过滤、蒸发、 结晶、反渗透、超滤等，主要处理的对象是比重大的悬浮物、胶体、溶解物。化 学法的单元处理方法有在反应池、沉淀池中进行的中和反应、氧化还原反应，在 9 中南人学硕士学位论文第二章城镇污水处理丁艺流程 混凝池、浮选池中的凝聚作用以及电解、电凝聚器的电解、电凝聚，主要作用于 酸碱、溶解物以及悬浮物、胶体。物化法的主要设备有吸附塔、交换器、电渗析 器、萃取塔，分别实现吸附、离子交换、电渗析和萃取功能，处理对象基本上是 溶解物。生化法处理的是有机物，处理方法有活性污泥法【2 7 1 、a b 法【2 8 】、s b r 法 【2 9 1 、厌氧消化法【3 0 3 1 1 、u s a b 法【3 2 】等。 2 3 2 污水处理技术 污水处理技术可大致分为三大类：分离处理技术、转化处理技术、稀释处理 技术。分离处理是通过各种作用力，是污染物从污水中分离出来，并不改变污染 物的化学特性；转化处理，通过化学或者生物化学方法，改变污染物本性，使其 转化为无害物质或者可分离物质；稀释处理，目的是降低污染物浓度。 ( 1 ) 分离处理 离子、分子、胶体、悬浮物是污染物存在的四种状态，对应的有四种分离方 法。离子和分子分离法基于吸附、扩散原理，主要包括离子交换法、电渗析法、 渗透法等。 胶体和悬浮物属于固体，几何尺寸大，比重大。胶体分离方法有絮凝法、电 泳法、浮选法。悬浮物以重力分离法、离心分离法最为常用。 ( 2 ) 转化处理 转化处理有三种基本类型：化学转化、生物转化以及消毒转化。化学转化通 过向污水中添加化学试剂达到p h 值调节、氧化还原、沉淀、稳定的效果。生物 转化，利用微生物降解有机物，包括好氧生物转化法、厌氧生物转化法、生物养 殖转化法。消毒转化主要有两种实现方法：药剂消毒，高温、紫外线、超声波等 形式的能量消毒。 ( 3 ) 稀释处理 水体稀释方法是小流量污水排入大流量的江河、湖泊、海洋中【3 3 】；废水稀 释方法是利用低浓度废水或清水稀释高浓度废水，以降低污染物浓度。 2 4 中山市坦洲处理厂工艺流程 中山市某污水处理厂，总设计污水处理能力为6 万吨日。污水处理厂工程 共分三期建设实施：其中一期工程日处理污水2 万吨，采用改良型a 2 o 工艺： 二期工程日处理污水量2 万吨，采用a 2 o 工艺；目前，三期工程正在动工，预 计2 0 1 2 年上半年竣工并投入使用。污水处理厂出水水质己达到广东省地方标准 水污染物排放限值( d b 删2 6 - 2 0 0 1 ) 中规定的城镇二级污水处理厂第二时段一 中南大学硕七学位论文第二章城镇污水处理工艺流程 级排放标准，以及国家城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级 排放标准。 2 4 1 污水处理系统流程 中山市坦洲镇某污水处理厂处理的污水主要来自几大工业园区排放的工业 废水、以及附近村落的生活污水，污水水质相对均匀。该污水处理厂采用的是最 典型的城市污水处理系统，如图2 1 所示。 l i i * 一一级处理 i j 二级处理_ i ! 一三级处理 图2 1 典型污水处理系统流程图 该污水处理厂污水处理系统的主要构筑物和设备有：粗格栅、进水泵房、细 格栅、旋流沉砂池、鼓风机房、生化池、污泥泵房、脱水机房、二沉池、消毒间 等。整个系统工艺流程包括三级处理。 ( 1 ) 一级处理 管网污水经粗格栅及细格栅过滤，进入沉砂池，主要去除污水中呈悬浮状态 的、比重较大的固体无机颗粒，截流于沉淀池的污泥可进行污泥消化或其他处理。 一级处理也叫机械处理，属于二级处理的预处理。 ( 2 ) 二级处理 二级处理是在一级处理的基础上，进行的生物化学处理。污水经旋转沉砂池 处理，排入生化池，并二次沉砂，目的去除污水中呈胶状以及溶解状态的有机污 染物质，去除率可达9 0 以上。 ( 3 ) 三级处理 三级处理，主要是在消毒池中对二级尾水进行消毒( 如紫外线消毒) ，或者进 一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等， 采用的方法有吸附、吹脱和超滤。处理后的中水可达标放排。 中南大学硕j ：学位论文 第二章城镇污水处理t 艺流程 2 4 2a 2 o 法工艺简介 a 2 o 法，又称a a o 法( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ，厌氧缺氧好氧法) ，是一种 常用的污水处理工艺，同时也是一种较为流行的生物处理技术。这种工艺方法， 由美国的专家r a b i n o w i t z 和m 删s 于上世纪7 0 年代在a o 法工艺基础上开发而 成，目前常用于二级污水处理或三级污水处理，以及中水回收利用当中，具有良 好的脱氮除磷效果3 4 1 。中山市某污水处理厂采用的就是a 2 o 法工艺。 图2 2 传统a 2 o 法工艺流程 图2 2 为传统a 2 o 工艺流程图，其工作流程：污水进入厌氧反应器，兼性 厌氧菌将污水中的易降解有机物转化为a ( 挥发性脂肪酸) 。沉淀池回流而来的 污泥中的聚磷菌将厌氧池内的聚磷分解，这个过程称为释磷，所释放的能量一部 分为聚磷菌主动吸收1 a 所用，并在体内存储p h b ( 聚b 羟丁酸) ，一部分可供 好氧聚磷菌在厌氧环境下维持生存。进入缺氧反应器，反硝化细菌在硝酸盐和有 机物存在的水体环境中进行反硝化脱氮，而后进入好氧反应器。聚磷菌一方面吸 收污水中残留的可降解b o d ，一方面分解体内存储的p h b ，并主动吸收环境中 的溶解磷，这个过程称为吸磷，以聚磷的形式在体内存储。经过厌氧反应器、缺 氧反应器，有机物分别被聚磷菌、反硝化细菌利用，浓度大为降低。最后，混合 液进入沉淀池，进行泥水分离，上清液作为处理水排放，沉淀污泥的一部分回流 至厌氧反应器，另一部分排放。 a 2 o 工艺系统简单易行，总的水力停留时间短，而在厌氧缺氧好氧环境下 交替运行，不易发生污泥膨胀。值得注意的是，内循环混合液的流量较大，约为 原污水流量q 的两倍，不宜过大。 可见，a 2 o 法既融合了厌氧处理技术，如u a s b 法、u b f 法；又融合了好 氧处理技术，如a b 法、s b r 法及c a s s 法，是一种组合的污水处理工艺。近年 来，又出现了改良型a 2 o 工艺，特点是在厌氧反应器前加设一个预缺氧反应器， 以达到更好的脱氮除磷的效果，尤其适合含磷较高的污水的处理【3 5 1 。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章城镇污水处理丁艺流程 2 4 3 污水曝气过程工艺 曝气是将空气中的氧强制向污水转移的过程，其目的是使污水获得足够的溶 解氧。关于污水处理工艺中的曝气过程，涉及到曝气方式、曝气参数、曝气池以 及曝气装置等方面。 ( 1 ) 曝气方式。曝气工艺可分为传统活性污泥曝气、阶段曝气、渐减曝气、 延时曝气、纯氧曝气及其它工艺。 ( 2 ) 曝气参数。曝气过程的参数包括氧转移速率、氧转移效率、供气量、需 氧量，当然溶解氧是衡量曝气过程最为重要的指标。在污水处理过程中，保持一 定浓度的溶解氧是非常重要的。d o 浓度过低，供氧不足的话，微生物代谢活动 会受影响，微生物净化能力降低；如果d o 浓度过高，氧的转移效率降低，动力 能耗增加。通常情况下，曝气池出口处的混合液中的d o 溶解氧浓度保持在 1 5 2 5 m l 左右。 ( 3 ) 曝气池。曝气池可分为推流式曝气池和完全混合式曝气池，其中推流式 曝气池一般为廊道型，包括单廊道、双廊道、三廊道及四廊道。 ( 4 ) 曝气装置。曝气装置，又称作空气扩散装置，是曝气过程的重要设备， 同时也是曝气的动力来源。按曝气方式可分为鼓风曝气装置和表面机械曝气装置 两种。曝气装置具备曝气能力强，产生并维持有效的水气接触，保持水中一定 d o 浓度；搅拌均匀，使得曝气区水循环流动；保持液体循环流动足够速率，使 水中的固体处于悬浮状态。 考虑到能耗、造价、性能、噪音等方面因素，系统采用传统活性污泥、空气 均匀曝气方式，曝气池为推流式四廊道构造，如图2 3 所示。 图2 3a 2 0 生化曝气池示意图 中南大学硕士学位论文 第二章城镇污水处理工艺流程 鼓风机房设有三组鼓风机，正常情况下，一组鼓风机工作，另外两组鼓风机 备用，每天三组鼓风机轮流运行。各组鼓风机的出风管分别装有一套排风阀和出 风阀，如图2 4 所示。 l # 鼓风机2 i 鼓风机 3 i 鼓风机 图2 4 鼓风机配置示意图 鼓风机启动前，需先将排风阀开到位，即排风阀的开度到达1 0 0 ，然后将 出风阀关到位，即出风阀开度为零。在此之后，鼓风机开始启动，随即将出风阀 开到位，排风阀关到位。这样鼓风机便投入平稳运行，持续地向生化池鼓风。当 鼓风机停止运行，应先将排风阀开到位，后将出风阀关到位。这样操作的目的是 维持整套风管体系的压力平衡，不至于出现憋气、胀气等状况可能导致的生产事 故。 2 5 本章小结 本章首先就污水的分类、污水中的主要污染物和污水的水质指标，对污水做 了简要的概述，其中b o d 和c o d 是两项重要的水质指标。接着，介绍了污水 处理工艺和污水处理技术。最后，着重介绍了中山市坦洲镇某污水处理厂污水处 理工艺，a a o 工艺，即厌氧缺氧好氧法。该工艺是污水二级处理的一道工艺， 属于生化处理技术，其中的关键是对生化池溶解氧的控制，这也是本文的研究重 点。综合考虑能耗、造价、性能及噪音等方面因素，系统采用传统活性污泥、空 气均匀曝气方式，曝气池为推流式四廊道