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太原理工大学硕士研究生学位论文 s b r 污水处理工艺自动控制系统研究 摘要 随着我国城市化进程的推动，中小城市( 镇) 数量的不断增多， 由其带来的水污染问题日趋严重。序批式活性污泥法( 简称s b r ) 符合中 小城镇污水处理的基本要求，但必须实现自动控制，才能发挥其优势， 使其具有更加广阔的应用前景。 本文介绍了s b r 污水处理工艺及其自动控制系统的发展过程；研 究了s b r 工艺自动控制系统的内在结构、控制规律、主要特点和设计 方法；将较先进的现场总线网络技术运用到污水处理系统中，开发出 了“基于p r o f i b u s 网络的s b r 污水处理工艺自动控制系统”。该系统 以p r o f i b u s 现场总线为核心，以可编程控制器p l c 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工作平台。实现 了s b r 污水处理工艺生产现场网络通信与计算机控制系统的集成。 自动化控制系统采用集散型现场总线控制系统。以温度、溶解氧、 p h 值和液位等为控制对象。上位计算机作为管理监控级，采用高级语 言v i s u a lb a s i c 6 0 开发通信程序、人机交互界面程序、数据处理和 图表输出程序，完成设定值的操作输入、与下位机的通讯、系统报警、 管理运行等各种功能。p l c 作为控制级是实现系统功能的关键，接受管 理级的命令、数据采集、控制信号的输出等都由它来完成。现场级由 智能仪表、控制设备等组成，是实现系统功能的基础，主要进行信号 的转换、数据的传送及执行上一层下发的所有控制命令和数据采集。 ，基于现场总线的污水处理生产网络控制系统能有效地进行工作， 一 并且可根据不同的现场情况扩展为不同的模式。现场总线控制系统实 现了现场通信网络、自动控制系统的有效集成。 本文在s b r 污水处理工艺自动化控制方面作了一些探索和研究， 希望能为提高我国污水处理自动化程度提供一些有价值的理论借鉴和 技术参考。 关键词序批式活性污泥法，污水处理，自动控制，现场总线 太原理工大学硕士研究生学位论文 唧s t u d yo n t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f s b r ，a s t e 硝l rd i s p o s a lp r o c e s s a b s t r a c t w i t ht h ep r o m o t i n go fc i 够p r o c e s s ，t h en u m b e ro ft h el i t t l ec i t yi s i n c r e a s i n g ，t h eq u e s t i o n o fw a t e rp o l l u t i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u s s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( b ec a l l e ds b r ) i sf i tf o rb a s i cd e m a n do f l i t t l e c i t y sw a s t ew a t e rd i s p o s a l ，b u ti tm u s tr e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o l ，t h u s ，i tc a r l d e v e l o pi t ss u p e r i o r i t y , h a st h em o r eb r o a df o r e g r o u n d t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fs b rw a s t ew a t e rd i s p o s a l t e c h n o l o g ya n di t sa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ；s t u d i d et h ei n s i d es t r u c t u r e 、 c o n t r o lr e g u l a r 、m a i nf e a t u r ea n dd e s i g nm e t h o do fs b rt e c h n o l o g y a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ；a d b a n c ef i l e d b u sn e tt e c h n i q u ei sa p p l i e dt o w a s t ew a t e r d i s p o s a ls y s t e m s b rw a s t ew a t e rd i s p o s a lt e c h n o l o g y a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep r o f i b u sn e t ”i sd e v e l o p e d p r o f i b u sn e ti st h ec o r eo ft h i ss y s t e m ，p l ci st h ec o n t r o ls u b j e c t ， c o m p u t e ri st h ew o r kp l a t f o r mo fs y s t e mw r i t ep r o g r a m 、d e f e n d 、m o n i t o r c o n t r o la n dm a n a g e r e a l i z e di n t e g r a t i o no fs b rw a s t ew a t e rd i s p o s a l t e c h n o l o g yp r o d u c ef i e l dn e tc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma d o p td i s t r i b u t e df i l e d b u sc o n t r o ls y s t e m c o n t r o lo b j e c tc o n c l u dt e m p r e t u r e 、d o 、p sa n dl i q u i ds e a ta n ds oo i l t h e c o m p u t ei sm a d e n o na sm a n a g el e v e l ，a d o p tv i s u a lb a s i c6 0t od e v e l o p c o m m u n i c a t i o np r o g r a m 、i n t e r f a c ep r o g r a m 、d a t ad i s p o s i n ga n df i g u et a b o u tp r o g r a m ，f i n i s ho p e r a t i o ni m p o r to f s e t t i n gv a l u e 、c o m m u n i c a t i o nw i t h l o w e rl e v e lp l c 、s y s t e ma l a r m 、m a n a g em o t i o ne t sf u n c t i o n p l ci st h e 。k e yo fr e a l i z i n gs y s t e mf u n c t i o na sc o n t r o ll e v e l ，i ta c c e p t st h em a n a g e r o r d e r 、c o l l e c td a t a 、o u t p u tt h ec o n t r o ls i g n a le t c f i e l dl e v e li sc o m p o s e do f i n t e l l i g e n c em e t e r 、c o n t r o le q u i p m e n te t c ，i ti st h eb a s eo f r e a l i z i n gs y s t e m f u n e t i o n i tt r a n s f o r m st h es i g n a l 、t r a n s m i t sd a t a 、c a r r yo u tt h ec o n t r o l 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 o r d e rs e t t i n gb yu p p e rl e v e la n dc o l l e c td a t a t h ew a s t ew a t e rd i s p o s a l p r o d u c ef i e l dn e tc o n t r o ls y s t e mb a s e do n f i e l d b u sc a nw o r k e f f e c t i v e l y , i tc a n s p r e a d d i f f e r e n tm o d e a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tc a s e f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e de f f e c t i v e i n t e g r a t i o no f f i e l dc o m m u n i c a t i o nn e ta n da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e r sp u r p o s ei st ot r yt or e s e a r c ht h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m o fs b rw a s t ew a t e rd i s p o s a lp r o c e s s w eh o p ei tp r o v i d e sav a l u a b l e r e f e r e n c ei d e af o ra d v a n c i n gt h el e v e lo fa u t oc o n t r o ls y s t e mi nw a s t e w a t e r d i s p o s a lp l a n ti no u rc o u n t r y k e yw o r d ss b w a s t ew a t e rd i s p o s a l ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，f i e l d b u s 3 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：鱼二! ：幽e 1 i -期： 勺。 丝! ：竺：立一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：一，面 日期：丝垒：兰：! i 导师签名：磊名数e t i 帮i ： 导师签名：o 辱左垣丕型丑l ：2 翌笸：塑2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章引言 近年来，随着我国经济的迅速发展，工农业生产能力得到极大的提高，人民 生活得到进一步改善，但也随之带来一系列的环境问题，水污染便是其中之一。 这己引起各界政府的高度重视，我国的污水处理事业也有了长足的发展。目前， 对大中城市的生活污水和工业污水己采取了一定的治理措旌，但中小城市( 镇) 污水的处理情况则不容乐观，全国1 7 0 0 0 多个建制镇绝大多数没有污水处理设施 ，这不仅对当地的水环境造成了污染，影响着居民的身体健康，同时也严重阻 碍了经济的发展。为此，要改善水环境被污染的状态，保护我国紧缺的水资源， 除要刻不容缓地对大中城市的污水进行处理外，小城市( 镇) 也应成为关注重点， 为此应加快小城市( 镇) 污水处理步伐。 中小城镇的特殊条件决定了其生活污水的特征和污水处理的要求：第一，中 小城市( 镇) 数量较多，分布较广，基础设施不完善，经济发展水平比城市低， 环保资金投入力度小。第二，污水处理专业人员缺乏，因此，要求处理设施应运 行简单、维护方便、效果稳定。第三，中小城镇人口较少，所排放的污水水质、 水量波动性大，且时间不集中。因此中小城市( 镇) 的发展战略中，更需要经济、 高效、先进、可靠、适用的“三低一少”水处理技术，。三低一少”即低建设费用， 低运行管理费用，低操作管理需求，二次污染物排放较少根据中小城市( 镇) 污水流量小且排放时间不集中等特点，序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r s ，简称s b r ) 符合中小城市( 镇) 污水处理的基本要求，其运行条件与中 小城市( 镇) 污水的基本特征接近。s b r 工艺集调节、初沉、曝气、二沉等过程于 一池，按不同的时间顺序进行不同的操作，所有过程都在一个池体内进行，不需 另建二沉池，也不需专用的回流污泥泵房，使水处理工艺简洁易行，构筑物占地 少，布局紧凑合理，节省投资。s b r 工艺抗冲击负荷能力较强，有较好的脱氮除磷 效果，是一种先进的污水处理系统。s b r - i - 艺的这些优越性表现了其强大的生命力 与广阔的应用前景。同时，s b r 法本身也有一些缺点，主要表现为操作比较复杂。 早期的s b r 污水处理系统大部分采用落后的常规仪表和手动操作，近年来，随着计 算机技术、通信技术和自动控制技术的发展，也有采用可编程控制器或集散系统 的计算机控制方式，在s b r 污水处理的分散自动控制和集中监控方面取得了一定 的进展，使s b r 工艺的自动化操作水平有了一定的提高，但仍没有实现设备之间 以及系统与外界之间的网络互连和资源共享，因此，如何进一步提高s b r7 - 艺自 】 + ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 动化管理水平、仍然是当前和今后一段时间的重要课题。 1 1 课题来源及研究内容 。 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。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。 。计算机主要实现远程监测和管理功能，具体包括：工艺流程动态显示、实时 数据获得及显示、历史数据存储与调出、数据曲线显示、故障报警等：p l c 控 制系统主要完成工艺流程控制以及协调现场各智能监控仪器之间的逻辑关系， 将现场各设备的运行状态通过通信线路传输到上位计算机，并接受上位计算机 的控制指令。 1 2 本课题的研究意义 从近几年环保治理上看，我国的环保理论、工艺研究与欧、美等发达国家的 差距不大，差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统脚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，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。 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。 ，- 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章s b r 介绍 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，是一种按照 一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，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。 2 1s b r 法的发展历史 s b r 的前身是一个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 ) ，是二十 世纪仞( 1 9 1 5 年) 产生的活性污泥充排式反应器的一种改进。3 。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，同时水质会得到改善“。1 9 1 4 年，a l d e n 和l o c k e t t 发现，把曝气后的污水静止沉淀，只倒去上清夜，留下瓶底 污泥，供下次处理使用，这样可大大缩短处理废水的时间，这个实验的工艺化是 于1 9 1 6 年建成的第一个活性污泥法污水处理厂但由于受当时技术条件的限制， 人工管理烦琐、监测手段落后、曝气设备易堵塞等问题无法解决，使其难以推广 应用。同时人们还没有认识到其独特的优越性，在连续式活性污泥法出现之后， 很快将其取代，占据了主导地位。1 9 5 5 年，h o o v e r 和p o r g e s 用s b r 法处理牛奶 废水取得成功嘲七十年代初，美国n a m ed a m e 大学的r i r v i n e 等人对s b r 和 c f s ( 连续流活性污泥法) 的特性通过比较实验和研究，认为s b r 可以作为连续流系 统的一种较好的替代工艺，并予1 9 8 0 年把印第安纳州的c l u c v e r 城市污水厂改建 成s b r 系统，取得了令人满意的效果。八十年代以后，该研究成果引起世界各国 的重视，并陆续得到开发应用。 随着科学技术的飞速发展，特别是自动化技术水平的不断提高，各种用于水 处理的设备相继出现，如电动阀、流量计、液位计等，使污水处理的自动化操作 成为可能。s b r 工艺因其独特的优点得以迅速推广，成为目前污水处理技术中的热 门工艺。 。 2 2s b r 工艺的流程 s b r 是活性污泥法的一种，其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥 法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。s b r 与传统的水处理工艺的最大区别在 于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳 态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等嘲。整个过程对于单个操 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上 实现了有序和间歇操作相结合。s b r 集调节、初沉、曝气、沉淀等过程于一池，按 不同的时间顺序进行各种目的不同的操作，全部过程都在一个池体内周而复始地 进行。不需设置二沉池及污泥回流设备。在该系统中，反应池在一定时间间隔内 充满污水，以间歇处理方式运行，处理后混合液沉淀一段时间后，从池中排除上 清液，沉淀的生物污泥则留于池内，用于再次与污水混合处理污水，这样依次反 复运行，则构成了序批式处理工艺。典型的s b r 系统分为进水、反应、沉淀、排 水与闲置五个阶段运行。如下图2 - 1 所示。 目目目目日 弑吡溅 箨水雨置 图2 1s b r 工艺处理示意图 f i g2 - 1s b rt e c h n o l o g yd i s p o s a ls k e t c hm a p ( 1 ) 进水进水工序是反应池接纳污水的过程。在污水注入之前，反应器处 于前一个周期的排水或闲置状态，处理后的废水已经排放，反应器内残存着高浓 度的活性污泥混合液。污水注满后进行反应，从这个意义上说，反应器起到调节 池的作用，因此，反应器对水质、水量的变动有一定的适应性 ( 2 ) 反应这是本工艺最主要的一道工序，当废水注入达到预定容积后，进 行曝气或搅拌，以达到处理目的( 如去除b o d 、硝化、脱氮除磷) 如通过好氧反 应( 曝气) 进行氧化、硝化，再通过厌氧反应( 搅拌) 来脱氮。在本工序的后期， 进入下一步沉淀工艺之前，要进行短暂的微量曝气，以吹脱污泥近旁的气泡或氮， 保证沉淀过程的正常进行。 ( 3 ) 沉淀停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状态，活性污泥与水分离。 由于是静止沉淀，沉淀效果一般良好。本工序相当于活性污泥法连续系统的二次 沉淀池。 j ( 4 ) 排水经过沉淀后产生的上清液，作为处理水排放。一直到最低水位， 在反应器底部的大部分活性污泥作为下个周期使用的泥种。过剩的污泥引出排放。 反应器中剩余的处理水可在下个周期起到稀释作用。 ( 5 ) 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 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 下一个操作周期开始的阶段。 2 3s b r 工艺的特点 s b r 法由于运行方式的特殊性，使其具有一系列连续流系统无法比拟的优点： ( 1 ) 反应推动力大、处理效率高。s b r 反应器中底物浓度和微生物浓度的变 化在时间上是一个理想的推流过程，底物浓度梯度大，理想的推流过程使生化反 应推动力增大，效率提高，反应器内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。 ( 2 ) 固液分离效果好。反应器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。 ( 3 ) 耐冲击负荷。s b r 工艺在进水期相当于一个调节池，在不降低出水水质 的情况下，反应器内滞留的处理水，对污水有稀释、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 ( 4 ) 流程简单，运行灵活。s b r 法工艺流程简单，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。如改变进水方式、 曝气强度或调整运行顺序等来实现不同的功能要求。 ( 5 ) 工艺简单、节省费用和占地。s b r 系统的主体工艺设备是一座具有曝气 和沉淀功能的反应池，无须二沉池和污泥回流设备，一般也不需调节池和初沉池。 s b r 系统构筑物小，而且简单，占地面积少，投资省。另外，s b r 法反应效率高， 达到同样出水水质所需曝气时间较短，节省曝气费用。 ( 6 ) 有效防止污泥膨胀。s b r 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，可抑制丝状菌的过分增 殖，同时在一个处理周期内，反应池中好氧、缺氧状态交替出现，也可抑制丝状 菌生长，从而可有效防止污泥膨胀。 ( 7 ) 易与物化工艺结合。s b r 法运行的阶段性为与混凝、投加吸附剂等提高 处理效率的物化工艺相结合提供了便利。如可将s b r 法与接触氧化法相结合组成 膜法s b r ( b s b r ) ；在s b r 中加入混凝剂可提高污泥沉降性能。 ( 8 ) 脱氮除磷效果好。适当控制运行方式，s b r 工艺在时间序列上实现好氧、 缺氧、厌氧状态交替，可有效地脱氮除磷。 目前，我国乡镇企业发展很快，排放污水总量不大，且间断排放，加之技术 管理水平较低，经费少，若采用常规的连续式活性污泥系统进行治理，难度很大。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 若采用间歇法，在一个池中就可完成连续式活性污泥系统的全部过程，与连续式 相比，具有均化水质、不需污泥回流和二沉池、建设与运行费用都较低等优点。 所以间歇法更适于小规模的污水处理。 2 4 s b r 的新型工艺 近年来，s b r 法得以广泛应用，但传统的s b r 工艺仍有一定的局限性。将其 与其他工艺相结合，出现了以s b r 为主的新工艺，主要有如下几种旷脚： ( 1 ) c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) 工艺 c a s s 工艺在s b r 池上做了一定的改进。这种工艺的最大改进是在反应池前端 增加一个选择器，废水先进入选择器，使微生物能通过酶的快速转移机理迅速吸 附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，这对于进 水水质、水量、p h 值和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的生长 起到抑制作用，可有效防止污泥膨胀，随后在主反应区经历一个较低负荷的基质 降解过程。c a s s 工艺集反应、沉淀、排水为一体，对污染物质的降解是一个时间 上的推流过程，微生物处于好氧一缺氧一厌氧周期性变化之中，因此，c a s s 工艺具 有较好的脱氮、除磷功能。主反应区是去除有机底物的主场所，运行过程中通常 将主反应区的曝气强度加以控制以使反应区内主体溶液处于好氧状态，完成降解 有机物的过程。实践证明，这是s b r 工艺中脱氮除磷效果较好的一种方式，该工 艺至少需要两个池子才能正常运行。 ( 2 ) 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 da e r a t l o n s y s t e m ) t 艺 i c e a s 工艺的全称为间歇循环延时曝气活性污泥工艺。i c e a s 与传统的s b r 法 相比，最大的特点是在反应池中增加一道隔墙，将反应池分隔为预反应区和主反 应区，预反应区一般处于缺氧状态，主反应区是曝气反应的主体，废水连续进入 预反应区，再通过隔墙下的小孔以层流速度进入主反应区，沿主反应区池底扩散， 对主反应区的混合液基本上不造成搅动。这种系统在处理市政污水和工业废水方 面比传统的s b r 系统费用更省、管理更方便。其主要缺点是容积利用率不够高， 反应池没有得到充分利用；曝气设备闲置时间较长；另外由于进水贯穿于整个运 行周期的每个阶段，沉淀期进水在主反应区底部造成水力紊乱，破坏了其成为理 想沉淀的条件，同时，i c e a s 丧失了经典s b r 的理想推流和对难降解物质去除率高 的优点，而且不能控制污泥膨胀的发生，所以需要设置选择区，因连续进水不用 进水阀门之间切换，控制简单，从而可应用于较大型的污水厂。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) d a t i a t 工艺 d a t 一一i a t 是一种连续进水，间歇排水的工艺，是在s b r 反应池内设一隔墙， 将反应池分成预反应区( 即需氧池d e m a n da e r a t i o nt a n k 简称d a t 池) 和主反应区 ( 即间歇曝气池i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nt a n k 简称i a t 池) ，墙的底部有孔相通， 每一个周期的进水、反应、沉淀、排水、闲置五道工序都在同一池内周而复始地 进行。其主体构筑物是由两个串联的反应池组成，一般情况d a t 池连续进水，连 续曝气，其出水进入i a t 池，在此可完成曝气、沉淀、滗水和排泥工序。由于d a t 池连续进水，连续曝气起至了水力均衡作用，提高了工艺处理的稳定性。进水工 序只在d a t 中进行，排水工序只在i a t 中进行，使整个系统的可调节性进一步增 强，有利于去除难降解有机物，i a t 池可任意调节运行状态，使污水在池中交替处 于好氧，缺氧和厌氧状态，达到脱氮除磷的目的。d a t 和i a t 能够保持较长的污泥 龄和较高的m l s s 浓度，对有机负荷及有毒物质有较强的抗冲击能力。整个工艺处 理构筑物较少，流程简化，节省占地面积和投资，适用于工业废水处理，但因除 磷效果较差，不适用于生活污水的处理。 ” “ 25 ( 4 ) u n i t a n k 工艺 jt ：。” ， ? o n i t a n k 工艺是为了克服三沟式氧化沟工艺的缺点而开发的一种新型工艺。又 称交替式生物处理池，典型的u n i t a n k 系统由三个矩形池组成，三个池子通过共。 壁生的开孔或池底渠实现水力连接，成为串联的完全混合流态。每池有曝气系统， 可采用鼓风曝气，也可采用机械表面曝气，并配有搅拌，外侧两池有出水堰或滗 水器及剩余污泥排放装置，两池交替作为曝气池和沉淀池，中间的池子只可作为 曝气反应池，污水可进入三池中的任意一个。采用连续进水，周期交替运行。 u n i t a n k 系统具有滗水简单、池子构造简化、出水稳定、无需回流等特点，但脱氮 除磷效果不理想，容积利用率不够高。 。， 。 ；一， ( 5 ) m s b r 工艺 ， 一， m s b r ( m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 是改良型序批反应器，g s b r 工艺 是在s b r 的基础上，是根据s b r 技术特点，结合传统活性污泥技术，。综合s b r 、 a 2 0 、o c t 等工艺的优点，发展出来的更为理想的废水处理工艺。m s b r 不需要设 ， 置初沉、二沉池，仍能连续进水、出水，并且水位恒定。采用单池多格形式，主 曝气单元在整个循环中相互替换作为序批反应器及沉淀池，从而保证系统连续迸 。 出水由于不再间断排水，使池容及设备利用率达到最大设置低扬程跨墙回流 泵，增大曝气单元中的m l s s 浓度，降低了s b r 单元的污泥层厚度，剩余污泥含固+ ，1一 ， * 7 。 ： 太原理工大学硕士研究生学位论文 率高( 2 ) ，省掉污泥浓缩处理单元，同时降低能耗在主曝气单元之前增加 缺氧单元，反硝化作用更高，能耗更低、污泥产量更小少。序批区单元由底部进 水，污水通过高浓度污泥层进行反硝化作用及内源呼吸，污泥性能更稳定，污泥 层兼起接触过滤作用、出水水质更好。m s b r 工艺广泛应用于市政污水及各类工业 废水的处理。该系统中的微生物经历厌氧、好氧、缺氧、沉淀四个阶段，可利用 不同形态的氧作为电子受体，使得有机物降解更加完全，脱氮除磷效果更好。占 地面积少，运行成本低，易实现自动化操作 s b r 作为一种运行控制方法，可以和其他多种工艺形式相结合，组成高选择性， 商处理能力，高稳定性的生化处理系统。随着科学技术的发展和工程应用的需要， s b r 工艺又发展了一系列的新形式。它们都是在保持s b r 工艺的优点上，使其更加 完善。7 j 2 5 s b r 工艺的应用 近几十年来，由于s b r 工艺的低造价和高效率，在世界各国得到了广泛应用， 各种类型的s b r 工艺都有污水厂投入运行国内外对s b r 工艺进行了大量的研究 工作，在s b r 处理有机废水的工艺特性、设计方法、工艺参数、反应器构造、微 生物学及脱磷除氮等许多方面取得了很多研究成果。在s b r 处理城市污水和生活 污水方面主要研究了含碳有机物的去除和s b r 的基本运行特征、氮磷的去除、污 泥沉降性能的控制及连续流活性污泥系统的改造等，也取得一定的成果城市污 水中含碳有机物的主要规律和工艺参数已基本掌握“” 我国对s b r 工艺的研究起步比较晚，s b r 工艺过程并不复杂，但对过程控制的 各种参数要求较高，对仪表的稳定性和准确性有一定的要求“”。1 9 8 5 年上海市政 院为吴淞肉联厂设计并投产了我国第一个s b r 污水处理站“町九十代中期，国家 建设部部属市政设计研究院和上海、北京、天津等市政设计研究院开始了s b r 工 艺技术的研究和应用，但大部分处于试验研究和小型污水厂的应用阶段“”。随后 有研究人员将s b r 工艺应用于印染废水“”、白酒生产废水、皮革废水咖、造纸 和味精废水瞰1 、啤酒废水嘲、制药废水嘲，焦化废水等工业废水及生活污水的处 理上，并取得大量经验。目前，各种s b r 工艺在我国已有运用，运行效果也较好， 实践证明s b r 是一种性能稳定的污水处理方法咖 澳大利亚以s b ri 艺著称嘲。近几十年来，建成s b r 工艺污水处理厂6 0 0 余 t 座，其中在中型和大型污水处理厂的应用也日益增多，并且开始兴建日处理量2 l 4 。 ， 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 万吨的大型s b r 污水处理厂。此外，美国、日本以及东南亚也是s b r 应用较普及 的地区4 1 。 随着科学技术特别是自动化技术的飞速发展，s b r 的单元设备及控制水平有了 很大提高，电动阀、电磁阀、液位计、流量计及d o 等在线仪表的出现为s b r 技术 的发展提供了支持，使s b r 的自动化操作成为可能，克服了s b r 法运行管理复杂 的主要缺点，使s b r 工艺有了更加广泛的应用前景。在经济水平高速发展，中小 城市迅速崛起的今天，s b r 工艺一定会在城市化进程中发挥更大的作用啪删。 2 6s b r 工艺自动控制的意义 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 了全面调查，结果表明：运行效果好或比较好的只占2 4 9 6 ，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 9 6 。造成这种状况的原因是多 方面的，但其最主要原因仍是运行控制与管理水平低而引起的。每年由此造成的 损失是惊人的。，m 。、 ， 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 t 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间是变化 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，但迸水浓度低时反应时间过长，即浪费 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 法需要一种更为有效的控制方式，即能充分发挥 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， 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 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、荚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，某些设备已经达到了完全国产化程度。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 2 7 s b r 工艺自动控制系统的常用形式 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m 嘲。 ( 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 dd a t aa c q u i s 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 t 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，适用于被测点弛域分布较广的场合 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 s c ( 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子系统，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 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 统应用程序较为简单。 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 ) p c + p l c 系统 p c 十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 l e 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，通过嚼 络集成而构成的自动控制系统网络，按照公开j 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 n q 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 替集中的控制站，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。 一 该系统的优点是： 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 ) 不同厂家产品可以互联，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。 以上四种系统各有优缺点1 ，后三种在目前的工业中获得了较多的运用。 2 8 s b r 工艺自动控制的发展趋势 s b r 工艺污水处理自动化领域的发展趋势之一是控制系统的智能化、分散化、 网络化，而现场总线的崛起正是这一发展趋势的标志。现场总线是应用在生产现 场的全数字化、实时、双向、多节点的数字通信系统现场总线技术将专用的c p u 置入传统的测控仪表，使它们各自都具有了数字计算和通信能力，即所谓“智能 化”；采用可进行简单连接的双绞线、同轴电缆等作为联系的纽带，把挂接在总线 上作为网络节点的多个现场级测控仪表连接成网络，并按公开、规范的通信协议， 使现场测控仪表之间及其与远程监控计算机之问实现数据传输与信息交换，形成 多种适应实际需要的监控系统，即所谓“网络化”；由于这些网上的节点都是具备 智能的可通信产品，因而它所需要的控制信息( 如实时测量数据) 不采取向p l c 或 计算机存取的方式，而可直接从处于同等层上的另一个节点上获取，在f c s 的环 境下，借助其计算和通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在 现场的完整的控制系统，提高了系统的自治性和可靠性。 工业现场总线控制系统在近几年中小型污水处理厂中的应用呈上升趋势，其中以 p r o f i b u s