（环境工程专业论文）污水处理智能控制系统的制作研究.pdf

摘要 摘要 传统的污水处理运行控制系统不但需要专门人员到现场进行人手的操作和监 视，对系统的意外事件反应较慢，而且无法对水质的变化做出反应和调熬，从而 限制了污水处理的稳定性和处理能力。 本文通过对水处理工艺的研究和探讨，开发了由p l c 、i p c 组成的d c s 相兼 容的系统，实现污水处理过程自动化控制。 控制系统由i p c 、p l c 和现场控制设备三部分组成。i p c 为控制软件的载体， 实现人机接口( h m i ) ，解决人机界面图形问题。p l c 控制系统协调现场各仪表之 间的逻辑关系，将现场设备的运行状态通过通讯网络传输到上位计算机，并接受 上位计算机的控制指令。i p c 与p l c 之间通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等接口进行连接； p l c 与现场设备之间的连接复杂，线路繁多，针对这种状况，本文对控制系统的 结构进行探讨，研制出可靠易行接口技术，方便可靠地实现控制界面p l c 现场的 信号转输。 中央处理系统( 上位计算机系统) 是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s t i o n s c a d a ) 的软件平台，能通过对系统数据的采集、分 析，实现水污染控制系统的优化管理，系统具体包括有工艺流程界面、操作控制 系统、报警系统、历史趋势曲线、报表系统、数据记录分析系统、事故应急系统、 操作记录系统、w e b 发布系统以及帮助系统等十个部分。 中央处理系统的十个部分分别集成在三台服务器上，三台服务器构成一个小 型的局域网系统，负责整个水处理系统的中央控制。这种结构能有效减轻单台服 务器的负担，增强控制系统的稳定性。 另外，本文探讨的仿真系统与控制系统有机结合问题，通过仿真系统与控制 系统的有机结合，解决水处理系统滞后性大的问题，并能预测系统参数值，实现 系统的优化管理。 一个多月的系统模拟运行结果表明，本控制系统稳定性高，能有效提高水污 染控制的质量，加大系统的抗冲击能力，但系统仍然存在一些尚待完善的问题， 如应急系统的完善，程序的模块化( 暂时只实现了图库精灵的制作) ，仿真模型的 优化制作等，这些问题还需要进一步的研究。 关键词：废水处理；智能控制；仿真；监控 兰塑翌三查兰堡主兰垒笙苎 a bs t r a c t t h ec i r u l a t eo ft r a d i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tn o to n l yn e e dp r o f e s s i o n a l st oa c t l o c a lo p e r a t i o na n do b s e r v a t i o n ，r e a c t i n gt ot h ea c c i d e n to fs y s t e ms l o w l y , b u ta l s o c a nn o tr e f l c tt h ew a t e r q u a l i t y sd i v e r s i f i c a t i o n ，s oi tc o n f i n e sw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s s t a b i l i t ya n dd i s p o s a la b i l i t y t h ea r t i c l ei m p l o d e st h ed c sc o m p a t i b l es y s t e mw h i c hi sm a d eu po fp l ca n d i p cb yr e s e a r c h i n gt h ew a t e rd i s p o s a lt e c h n i c s ，a n dr e a l i z e st h er o b o t i c i z e dc o n t r o lo f w a s t ew a t e rd i s p o s a lp r o c e s s c o n t r o ls y s t e mi sm a d eu po f1 p c 、p l ca n dl o c a l ec o n t r o le q u i p m e n t 。i p ci st h e c a r r i e ro ft h ec e n t r e ls o f t w a r e ，w h i c hr e a l i z e st h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds o l v e s m a n m a c h i n ei n t e r f a c eg r a p hp r o b l e m s p l cc o n t r o ls y s t e mh a r m o n i z e st h el o g i c r e l a t i o no fl o c a l ei n s t r u m e n t s ，s e n d st h el o c a l ee q u i p m e n t ss t a t et os e n i o rc o m p u t e r b yt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a n dr e c e i v e st h ec o n t r o li n s t r u c t i o no ft h es e n i o r c o m p u t e r i p ca n dp l cj o i n sb yr s 2 3 2 、r s 4 8 5i n t e r f a c ee t c ；b e c a u s eo ft h e c o m p l i c a t e dj o i n sa n dv a r i o u sc i r c u i t r i e sb e t w e e n t h ep l ca n dl o c a l ee q u i p m e n t s ，t h i s a r t i c l ed i s c u s s e st h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m ，a n dd e v e l o p sar e l i a b l ea n de a s y i n t e r f a c e t e c h n o l o g y , w h i c h r e a l i z e st h es i g n a lt r a n s m i s s i o na m o n gc o n t r o l i n t e r f a c e - p l c l o c a l ee x p e d i e n t l ya n dr e l i a b l y c o n t r o lp r o c e s ss y s t e m ( s e n i o rc o m p u t e rs y s t e m ) i sas o f t w a r ep l a t f o r mf a c i n g m o n i t o r i n g 、c o n t r o l l i n g a n dd a t a c o l l e c t i o n ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s t i o n - s c a d a ) ，w h i c ha c h i e v e st h eo p t i m u mm a n a g e m e n to ft h ew a t e r p o l l u t i o nc o n t r o ls y s t e m t h i ss y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft e np a r t si n c l u d i n gt e c h n i c a l f l o wi n t e r f a c e 、o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m 、a l a r ms y s t e m 、h i s t o r yt r e n dc u r v e 、t a b l e s y s t e m 、d a t ar e c o r da n a l y s i ss y s t e m 、a c c i d e n tr e s p o n s es y s t e m 、o p e r a t i o nr e c o r d s y s t e m 、w e bp r o m u l g a t i o ns y s t e ma n dh e l ps y s t e me t c t e np a r t so ft h ec e n t r a lp r o c e s ss y s t e ma r er e s p e c t i v e l yi n t e g r a t e di n t ot h r e e s e r v e r sf o r m i n gas m a l ll a ns y s t e m ，w h i c ht a k ec h a r g eo ft h ec e n t r a lc o n t r o lo ft h e w a t e rd i s p o s a ls y s t e m t h i sk i n do fs t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eb u r d e no f e a c hs e r v ea n di n c r e a s et h es y s t e m ss t a b i l i t y o t h e r w i s e ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ei n t e g r a t i o no fe m u l a t i o n a ls y s t e ma n d c o n t r o ls y s t e m ，a n dt h r o u g hi t sw e l li n t e g r a t i o nc a nr e s o l v et h ep r o b l e mo fw a t e r t r e a t m e n ts y s t e m ss t a g n a n t m e n t ，f o r c a s tn u m e r i c a lv a l u eo ft h es y s t e mp a r a m e t e r , a n da c h i e v et h eo p t i m u mm a n a g e m e n to ft h es y s t e m ， h 些! 里坠堡 t h ep e r f o r m a n c eo fm o r et h a no n em o n t h ss y s t e ms i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e c o n t r o ls y s t e m ss t a b i l i t yi s h i g hw h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fw a t e r p o l l u t i o ne o n t r o la n de n h a n c et h es y s t e m sw a l l o p h o w e v e r , t h es y s t e ms t i l le x i s t s m a n yp r o b l e m st op e r f e c ts u c ha st h ea m e l i o r a t i o no fe m e r g e n c ys y s t e m ，t h e m o d u l a r i z a t i o no ft h ep r o c e d u r e ( r e c e n t l yo n l yr e a l i z et h ee x e c u t i o no fg a l l e r yf a i r y ) ， o p t i m i z ep r o d u c eo fe m u l a t i o n a lm o d e l a n da l lo ft h e ms t i l ln e e df u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l s i m u l a t i o n ；s u p e r v i s i o na n d c o n t r o l 1 1 1 华南理工大学硕士学位论文 b a f p l c d c s f c s h i m s c a d a c o d d o p h 符号表 曝气生物滤池 可编程控制器 集散控制系统 现场总线控制系统 入机界面 数据采集与监控系统 化学需氧量 溶解氧 p h 值 i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：爱恢舜 日期：。村年苦月，r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密叫。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：脚峙 日期：扣蚌 导师签名： 蠢幕毒 i l e t 期：加咯年 月，j 日 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国水污染控制现状 随着人口的增加，经济的发展以及工业步伐的加快，我国城市污水的排放量 也与日俱增，导致水体污染严重。近2 0 年来，污水的年排放量在大幅度增加。1 9 9 9 年全国工业和城市生活废水排放总量为4 0 1 亿吨，比上年增加1 5 。其中工业废 水排放量1 9 7 亿吨，比上年减少2 o ；生活污水排放量2 0 4 亿吨，比上年增加 5 2 ；生活污水排放量超过工业废水排放量。2 0 0 3 年全国工业和城镇生活废水排 放总量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 ，7 。其中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，比上 年增加2 5 ；城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上年增加6 6 ，【2 1 。由此可见， 我国污水的排放量逐年上升，并且上舞的速度有增加的趋势。我国人均水量少， 只有世界平均水量的1 4 ，水资源供需矛盾突出，加上污染严重，水资源问题是 当前我国社会经济可持续发展最突出的闯题之一。为适应经济发展和人民生活水 平不断提高的要求，加快城市污水治理工作已刻不容缓。 然而，污水处理是一门涉及化学、物理、生物等多门科学的综合性技术，其 工艺机理复杂，操作要求十分严格，实现起来难度较高。如果单凭现场人员手动 操作，往往操作繁琐，劳动强度大，处理效果差。加之我国水污染控制水平较低， 尤其是工业废水的污染控制。一般来说，工业废水水量相对较少，但是分散广， 浓度离，变化系数大，处理工艺流程复杂，这与我国现阶段自控水平低，控制设 备落后的状况形成尖锐的矛盾，以致工业废水难以得到有效的处理，出水水质状 况差，处理水不达标的情况。 面对水量增加，处理效率提高的双重压力，增加对污水处理的资金投入，虚 用新型污水处理工艺和控制技术，新建扩建一大批经济合理、运行高效、管理科 学的现代化污水处理厂，以尽快解决我国城市水环境污染闯题，这在未来的城市 污水处理中己成为必然。 1 2 国内外水处理自动控制技术发展现状 1 2 1 自动控制技术背景 2 0 世纪4 0 年代开始形成的控制理论被称为“2 0 世纪上半叶三大伟绩之”， 在人类控制自然界、提高劳动生产率的过程中起了重要作用。自动控制理论和应 用技术在工业生产中的应用大致经历了三个发展阶段 3 1 。 从4 0 年代到5 0 年代是经典控制理论阶段，采用传递函数进行数学描述，以 华南理工大学硕士学位论文 根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，很大程度上依靠人工和经验 进行系统分析和综合，设计过程中，一般将复杂的过程人为分解为若干简单过程， 最终实现单回路控制，如自力式温度控制器，就地式液位控制器等，自动控制水 平还处于比较低级阶段。 6 0 年代是第二阶段，现代控制理论产生，并在某些尖端领域取得成就。现代 控制理论以状态空间分析法为基础，包括最小二乘法为基础的系统辨析、以极大 值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计 三部分内容。现代控制理论对控制系统进行综合和分析时，深入揭示系统内在规 律性，从局部简单控制进入一定意义下的全局最优控制。 6 0 年代控制系统以单元组合仪表组成的控制系统为主，单元组合仪表有电动 和气动两大类。所谓单元组合，就是把自动控制仪表按功能分为若干单元，依据 实际控制系统结构需要进行适合组合。因此，单元组合仪表使用方便、灵活，仪 表之间用标准统一的信号联系。以现代控制理论为綦础的单元组合控制系统，控 制策略主要是p i d 控制和常用的复杂控制系统( 锣! f 如串级、均匀、比值、前馈分 程和选择性控制等) 。 到了7 0 年代，计算机控制系统出现，自动控制理论及其应用技术的发展进入 第三个阶段。针对当时工业生产规模大，被控制对象参数和控制回路多的特点， 工业上所用计算机控制系统应该具有高度可靠性和灵活性，为了满足这些要求， 工业控制出现了集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于一体的集 散控制系统( d c s ) 。集散控制系统在硬件上将回路分散化，数据显示、实时监测、 操作控制等功能集中化，有利于安全平稳的生产。应用集教控制系统代替常规仪 表控制实现生产过程中运行参数的在线检测。实施诊断与报警，显示设备在运行 中存在的故障，分析参数的变化趋势，及时发现和预报异常运行情况，并记录运 行的状态和过程，使操作人员直观、方便地管理生产的全过程。 d c s 系统一般由控制管理计算机( 上位机) 、过程控制计算机( 下位机) 和 上下位机之间的数据通讯系统组成。( 1 ) 上位机( 高级操作站和基本操作站) 完 成与操作人员进行信息交互，以屏幕窗口或文件表格的形式提供入与工程的界面 以及人与系统的界面。根据用户的需要，可以按生产过程分段设置若干个基本操 作站。( 2 ) 下位机( 现场控制展) 是控制系统的核心、系统中的控制和全部数据 采集、处理等均在控制器承担。现多采用各种智能数字调节器或可编程控制器 ( p l c ) 。( 3 ) d c s 系统中，一般采用局部网络通信，太多属于按各制造厂自身的 通信协议工作。 d c s 系统厂家有数百多。各厂家自己的硬件和软件都具有灵活组态和配置能 力，但是不同的系统采用的计算机硬件差别很大。对于现场控制站，从可编程控 制器，到单片机组成的小型控制采集系统，再由如s t d 和i p c 等小型工控机到各 2 第一章绪论 种1 6 位和3 2 位总线型工业控制计算机系统等都是可选的现场控制系统。而且长 距离的传输干扰，点对点的控制方式以及昂贵的系统造价制约了d c s 系统的进一 步发展。这样的情况下，产生了现场总线，为现场设备接口的智能化、网络化、 标准化、低成本提供了机遇。 现场总线控制系统( f c s ) 运用数字通信、计算机、自动控制、网络、智能仪表 等先进技术，突破传统“点对点”模拟信号控制的局限性，具有全分散、开放性、 全数字化、智能、双向、互联、多变量、多接点、多分支等特点。现场总线标准 有p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 、w o r l d f i p 、f f 等。智能仪表、现场总线是f c s 的 技术关键。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，主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现 场设各闯的数字通信及这些现场设备与高级控制系统的信息传递闯题。当前各种 控制站，尤其是p l c 都增置了较强的联网通信能力。现场总线网可以采用廉价的 双绞线为传输介质，将作为主节点的现场控制站，与作为从节点的数十各数字调 节器、p l c 或数字智能变送器连接在一起，也可以将数台p l c 通过网关直接接入 高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站。 但是现场总线总线控制系统对现场自动化设备的要求比较高，面现在阶段由 系列智能结点( 控制嚣、传感器、执行机构等) 组成的统一的现场总线系统价格 昂贵且难以实现，所以建立现场总线的，由p l c 、i p c ( 工业控制计算机) 组成 的d c s 相兼容的系统就是比较实现经济的选择了。这样在现场总线级实现数字量 传输，提高信号传输精度，增强现场控制的灵活性，降低设计施工费用，减少电 缆铺设，易于维护，能适应今后控制系统的扩展【3 】。 1 2 2 国内外水处理自动控制技术发展现状 近年来，我国政府开始关注环境污染问题，特别是提出可持续发展战略后， 政府在经济快速发展的褐时也注意环境的保护和治理。环境保护已经成为我国的 基本国策之一。我国环境保护理论、工艺等研究和应用虽然起步较晚，但技术水 平与国外差距芽不太大，差距较大的还是环保单元设各和自动控制系统。 国外发达国家由于经济发展较早，水资源不足和污染问题也较早得到重视。 现在一些发达国家经过数十年的努力，城市污水处理率达到8 0 9 0 ，城市污 染大大缓建，水质明显改善，随着城市污水处理厂的大规模兴建，污水处理工艺 的不断完善，国外污水处理厂控制水平也迅速提高【5 】。特别时近二十年问，计算 机和网路技术的飞速发展使得污水处理厂的监控水平也相应地发生了本质变化。 在国外污水处理控制技术广泛的采用了d c s 或p l c 及现场总线等先进自动化控 制技术进行控制，有较高的自动化水平和技术含量【6 】【”。 现代污水处理厂采用计算机控制日益普遍。欧美国家一些城市污水处理厂已 华南理工大学硕士学位论文 经用计算机进行数据记录和运行过程控制。与控制系统相关联的组态软件也日趋 完善，其中比较稳定的有w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 组态软件i n t o l l u t i o n 公司的f i x 软件，施耐德电气的m o n i t o rp r os c a d a 系统等c 9 】【12 1 。 另外，些发达国家如美、r 和西欧等先后纷纷投资开发研究高效型、智能 型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。美国艾姆科工艺公司于1 9 9 6 年成功 发布了多元组合式智能型一体化生活污水处理装置，荷兰大学开发成功计算机控 制内循环式水解塔，意大利开发出一系列在线水质检测控制仪，美国米顿罗公司、 哈希公司也相继开发出一系列在线水质检测控制仪等【6 】，【7 l u 3 引。这些国家开发 出的水处理设备自动化程度、智能化程度都相当高，能连续稳定运行，所以达到 令人满意的水处理效果。 总的来说，目前国外污水处理厂监控系统普遍具有以下特点： 采用分布式计算机监控系统，根据厂区分布情况分设数各分控站，设置中 央控制室，操作人员通过控制和通讯网络管理处理不过，实现处理现场无 人值守。 监控系统采用冗余化设计，各分控站有独立工作能力，提高了系统的安全 性和可靠性。 处理过程的不同程度采用智能化控制，可以根据水源变化自动对工艺过程 进行调整。 大量采用先进的在线式水质分析仪表和智能化仪表，可提供离精度的检测 和准确的控制数据。 大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用现有的公共信息资源，如电 话网络、因特网等。 我国污水处理厂的控制水平比较落后，传统的控制方式为现场仪表一显示仪 表+ 调节器+ 人工操作，这种方式已经和发达国家有了很大的差距。但是随着自 动化控制技术这几年在国内的飞速发展，许多污水处理厂采用了p l c 方式进行控 制，也取得了较好的效果，现场总线也渐渐在这一行业中得到应用。目前，国内 污水处理的控制水平基本分为三各大的档次。 第一，手动操作：采用常规分散检测仪对污水处理工程中的液位、流量、温 度、浊度、p h 值、溶解氧( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、化学需要景( c o d ) 、污 泥浓度( m l v 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，然 后根据测量结果去调整设备状态，如阀门的开闭与开度、电机的启停等。因此很 难进行快速和有效的在线实时控制，往往导致出水水质的不稳定。这种控制方式 由于投资少，主要在一些小型污水处理厂应用。 第二，半自动控制：通过数据采集器等手段采集局部过程量输入控制室，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、 4 第一章绪论 温度、浊度、p h 值、溶解氧( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、化学需要量( c o d ) 、 污泥浓度( m l v s s ) 等性能指标，和电机、阀门的运行状态，对处理过程进行监 控。操作员可以通过模拟屏或上位机遥控部分设备的启停，而其余的设备控制就 需要现场操作员控制。 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的 全过程工序进行无人值守的全自动控制。处理过程控制中各种信号通过相应的变 送器送到下位机，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( i p c ) 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 机之间通过网络传输采集参数和远程控制参数。这种方式时自控技术的发展方向， 国内外的大型污水处理厂都在使用【6 】，【7 1 ， 13 1 。 另外，近年来许多高校和研究机构都在致力于污水处理工艺和污水处理自动 控制的研究，并引进了国外先进技术，取得了显著成果。如自动控制已应用于污 水处理中p h 值的控制，通过研究酸中和p h 值控制和动态矩阵控制算法及合适的 参数整定，成功地将动态矩阵控制应用于大时滞环节。显示式絮凝控制系统为自 动加矾提供了闭环控制新方法和手段 1 5 】- 【18 1 。 1 3 项目来源、研究内容以及项目的意义 1 3 1 项目来源 本课题来源于广东省科技计划项目“智能化小型污水处理自控系统的开发” ( 编号2 0 0 2 c 3 1 6 3 0 ) 。本课题主要是针对目前水污染控制自动化水平相对落后的 现状，探讨和开发适合小型污水处理厂的智能化控制系统。 1 3 2 研究方向与内容 目前，我国水污染控制自动化水平还相对较低，大型的污水处理厂主要采用 d c s 系统作为控制系统，但是d c s 系统作为一个专业性的系统，系统的结构极 为复杂，厂家都采用专性软硬件，使得非专业人士难以构建这样一套自动化控制 系统，而且d e s 系统采用的硬件较多，系统配置成本高昂，难以在水污染控制中 广泛应用，而现场总线控制系统对自动化设备的要求就更高了。 针对这种情况，我们希望开发廉价的，稳定的，可靠的兼容性系统，通过先 进的控制系统，结合先进的工艺技术设计先进的控制方案，并根据这个方案开发 出科技含量高、方便、使用的控制软件。具体的研究内容如下： 1 开发由p l c 、i p c 组成的d c s 相兼容的系统，研制可靠易行接口技术，方便 可靠地实现控制界面p l c 现场的信号转输。 s 华南理工大学硕士学位论文 2 开发水污染控制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 t i o n ) 系统，通过 对系统数据的采集、分析，实现水污染控制系统的优化管理。 3 建立水污染控制仿真系统，通过仿真预测，对系统设备、参数进行优化管理。 1 3 3 项目意义 污水处理是一门涉及化学、物理、生物等多门学科的综合性技术，其工艺机 理复杂，不稳定因素较多，因此对操作要求十分严格，单靠手工操作难以实现稳 定、达标的出水排放要求。尤其一个现行的水污染处理系统，由于无法改变系统 既定的各个参数，要提高出水的水质就只能通过先进的控制理论和控制技术，对 系统实现优化管理和控制。 为了更高效地治理污水，提高出水水质，一方面我们需要研究新的水污染处 理工艺，提高水污染处理的技术水平；另一方面水污染控制的自动化水平的提高 也不容忽视，只有真正提高水污染控制的自动化水平，才可以充分发挥水处理工 艺的处理能力，才能实现污水处理的稳定、持续、经济和良性运行。 由此看来，随着经济的发展，开发符合我国国情的污水处理控制系统已迫在 眼睫。而由i p c 、p l c 组成的d c s 兼容系统开放性好，稳定性高，结构简单，维 护方便，可以配合s c a d a 系统，实现智能化管理。因此，开发廉价的由i p c 、 p l c 组成的d c s 兼容系统对提高污水处理自控水平有重要的意义。 6 第二章污水处理控制系统的方案论证 第二章污水处理控制系统的方案论证 2 1 水污染处理概论 水在自然循环中，无时不与外界接触。由于水极易与各种物质混杂，溶解能 力又较强，所以，任何水体都不同程度地含有各种杂质，当水体受到生活污水、 农业废水、工业废水及其它废弃物污染时，水中杂质将更趋复杂，必须通过物理、 化学、生物等处理方法，去处水体的杂质( 污染物) 以得到净化水体的效果，而 这些处理方法统称为水污染控制技术。 城市污水存在水源、地域、出水用途和永质要求等多方面的不同，因此采用 的工艺、处理的程度也不相同。按照处理的程度一般划分为三个等级，一级处理 ( 预处理) ，包括有调节池、沉砂池、初沉池等：二级处理，包括有厌氧生化处理、 好氧生化处理和二次沉淀；三级处理( 深度处理) ，包括过滤、离子交换等1 1 9 】1 2 1 1 。 2 1 1 水处理方法 污水处理的方法主要可以分为物化法和生化法两大类。 2 ，1 。1 1 物化法 物化法是通过物理作用力或者化学作用力、化学药剂对废水进行澄清、沉淀、 分离、过滤等处理方法。 物化法的作用是去滁粗大的颗粒物、悬浮状物质、胶体颗粒和油状物等，处 理单元一般包括确格栅间、隔油池、沉砂池、混凝反应池、沉淀池、过滤池、离 子交换树脂、膜分离反应器等，物化法具有针对性强、处理流程时间短、影响因 数单一、操作方便、能耗大、处理效果一般的特点，因此过去主要用于水处理系 统的预处理阶段，随着技术的发展，膜处理技术的成熟，物化法也有出现在水处 理系统的深度处理阶段，以提高处理水的水质状况，但是随着处理效果的提高， 处理的费用也相应的提高。 2 1 1 2 生化法 生化法是通过微生物的新陈代谢作用，将废水中有机物的一部分转化为微生 物的细胞物质，另一部分转化为比较稳定的化学物质( 无机物或简单的有机物) 的方法。 生化法的作用是去除有机物和植物性营养物，以及通过生物絮凝去除胶体颗 粒，同时也获得能量，主要机理是生物代谢。活性污泥( 微生物) 是生化法的主要 作用者，它是以细菌、原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体，此外还 有一些无机物、未被微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物。活性污泥 结构疏松，表面积大，对有机污染物有强烈的吸附凝聚和氧化分解作用。在条件 华南理工大学硕士学位论文 适合的情况下，活性污泥还具有良好的自身凝聚和沉降性能，大部分絮凝体在 0 0 2 0 2 m m 的范围内。 生化法处理需要提供众多的环境条件，但从处理方法的分类角度看，最基本 的环境条件当属氧的存在或供应与否。在好氧生化处理中，氧是有机物氧化时的 最后氨受体，因此必须充分供应微生物反应所必需的溶解氧；而厌氧生化处理过 程则必须隔绝与氧接触。由于受氧的传递的限制，微生物进行好氧处理时有机物 浓度不能太高。所以有机污泥、有机废液以及高浓度有机废水的生化处理，自然 是在厌氧条件下完成的。 在绝大多数情况下，生化法的主要对象( 即充作微生物营养基质的化学物质) 为可生化的有机物，仅在个别情况下，生化处理的主要对象可以是无机物( 如好 氧条件下进行的硝化处理对象是氨，厌氧条件下进行的反磷化对象是硝酸盐、亚 硝酸盐) 。 2 1 2 水处理工艺介绍 在水处理系统中，不同的进水水质和出水要求，采用的工艺方法差别很大， 不同的工艺对控制系统的要求也不太相同，因此掌握各种处理工艺的特性是建立 水污染处理自动控制系统的首要要求。 2 1 2 1 传统活性污泥法 传统活性污泥法是悬浮生长型好氧法。活性污泥由好氧和兼性微生物( 包括 细菌、真菌、原生动物和后生动物) 及其代谢和吸附的有机物组成，具有降解废 水中有机物( 也有些可部分利用的有机物) 的能力，显示生物化学活性。活性污 泥法净化废水包括吸附、代谢和固液分离三个主要过程，系统由曝气池、二沉池 及污泥回流设备组成，基本流程如图2 1 所示【1 9 】。 废水流量x t进水疆性污泥浓度 x 曝气油内活性污泥浓度 废水基质浓度 s 。 处理水基质浓度 x 。 二沉池底流的活性污泥浓度 生物回流比 v 曝气池容积吼排泥量 2 一l 传统活性污泥法基本流程图 卜一 r-ll，j； 第二章污水处理控制系统的方案论证 2 1 2 2 生物接触氯化法 生物接触氧化是活性污泥法与生物滤池复合的生物膜法。曝气池中设有填料， 采用人工曝气，微生物部分固着，部分悬浮。具有以下特点：由于填料比表面 积大，池内充氧条件好，氧化池内单位容积的生物生长量高于活性污泥法曝气池 及生物滤池，因此，它可以达到较高的容积负荷；由于相当一部分微生物固着 生长在填料表面，不需要设污泥回流系统：由于池内生物固着量多，水流属于 完全混合型，因此它对水质水量的骤变有较强的适应能力；因污泥浓度高，当 有机负荷较高时，其f m 仍保持在一定水平，因此污泥产量可相当于或低于活性 污泥法2 0 3 川。 2 1 2 3 序批式活性污泥法( s e q u e n cin gb a t c hr e a c t o r s b r ) s b r 是传统活性污泥法的一个变型，它的反应机理以及污染物去除机制和传 统活性污泥基本相同，仅运行操作不一样。s b r 的操作模式由进水、反应、沉淀、 出水和待机等五个基本过程组成( 表2 1 ) 。从污水流入开始到待机时间结束算 做一个周期。在一个周期内，一切过程都在一个设有曝气和搅拌装置的反应池内 依次进行，这种操作周而复始地进行，以达到不断进行污水处理的目的。 表2 1s b r 工艺工序表 工序 时间( h )说明 进水2 4 进水期可同时曝气使污泥再生，如要脱氮除磷，则应保持缺氧。只低速 搅拌，不曝气。 反应 反应操作同舜气池时间取决于进水浓度和处理出水要求。 沉淀 1 5 2 操作同沉淀池。 出水 捧出沉淀后的上清液，至最低水位。 待机 反应器处于闲置状态时问不可过长。以防污泥腐化。也可以进行小量 曝气或阶段孽气，以再生污泥。 s b r 法操作灵活，在一个运行周期中，各个阶段的运行时间、反应器内混合 液体积的变化以及运行状态等都可以根据具体污水性质、出水质量与运行功能要 求等灵活掌握。比如在进水阶段，可按只进水不曝气( 搅拌或不搅拌) 的限制 性曝气运行，也可按边进水边曝气的非限制性曝气方式进行：在反应阶段，可以 始终曝气，但若为了生物脱氮也可曝气后搅拌，或者曝气搅拌交替进行；剩余活 性污泥可以在闲置阶段排放，也可以在反应阶段后期或排水阶段排放【2 0 m ”。 2 1 2 4 曝气生物滤池( b i o i o g i c a la e r a t e df i t e r b a f ) 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r 简称b a f ) 是近年来国际上较为流 行的一种新型水处理技术。其基本形式是将生物接触氧化与给水过滤工艺相结合 的一种好氧废水处理工艺。即将生物接触氧化与过滤结合在一起，不设沉淀池， 9 华南理工大学硕士学位论文 通过反冲洗再生来实现生物滤池的周期运行，可以保持接触氧化的高效性，同时 又可以获得良好的出水水质。与传统的生物处理技术相比，曝气生物滤池具有占 地面积小、处理效果好、抗冲击负荷能力强、流程简单、能耗省、填料经久耐用 及维护费用低等突出优点。 b a f 工艺最初用在污水处理的三级处理上，由于其出水水质好，占地面积省， 应用范围不断扩大，目前在废水的二级处理中也被广泛采用，在欧洲、北美及日 本等国已获得了广泛的应用，在世界各地有几百座b a f 处理设施，在国外其主要 应用领域包括城市污水处理、生活污水处理、工业废水处理以及中水处理等 【2 0 】- 3 34 1 。 2 2 2 5 膜生物反应器( n b r ) 膜生物反应技术是一种全新的水处理技术，由生物反应和膜分离两个工序组 成。生物反应部分视所需处理废水的特性和处理要求，可采用好氧反应，也可采 用厌氧反应，通过微生物作用将废水中的有机物转化降解。处理后的泥水进入膜 分离操作单元，进行泥水分离，分离聒韵污泥一部分回流，一部分摊放。膜生物 反应技术就是这样来控制造纸过程水中的胶体物质和溶解性物质，它与传统的生 物处理技术( 如活性污泥法) 相比有以下特点：污泥浓度高，泥龄长，污泥具有生 物多样性：剩余污泥量少；s r t 和h r t “独立”控制，有机降解完全，出水水质 好；占地面积少。但是膜污染问题限制了膜生物反应器的广泛应用，在运行的过 程中，膜很容易被污染而失效，需要反冲洗来把生物膜再生。近年的研究表明， 运行方式和膜污染有很大的关系，因此，通过提高膜生物反应器的运行控制技术， 能有效地减缓膜污染【3 2 】【3 1 。 2 2 2 6u n l - t a n k u n i t a n k 工艺是由三个矩形池组成，三个池水力相连通，每个池中均设有 供氧设备，可采用鼓风曝气或采用表面曝气，在外边两侧矩形池，设有固定出水 堰及剩余污泥排放口，该池既可作曝气池，又可作沉淀池，中间一只矩形池只作 曝气池。进入系统的污水，通过进水闸控制可分时序分别进入三只矩形池中任意 一只池( 图2 - - 2 ) 。u n i t a n k 工艺集合了s b r 和传统活性污泥法的优点，一体 化设计，不仅具有s b r 系统的主要特点，还可以像传统活性污泥法那样在恒定水 位下连续流运行。经过研究和应用，u n i t a n k 工艺已成为一个高效、经济、灵 活和成熟的污水处理工艺【3 4 l 【3 3 1 【4 们。 l o 第二章污水处理控制系统的方案论证 进 图2 2u n i t a n k 工艺示意图 u n i t a n k 工艺主要有两种运行方式，即单级好氧与脱氮除磷处理系统。 单级好氧u n i t a n k 工艺的每个运行周期包括两个主体运行阶段，这两个阶 段的运行过程完全相同，相互对称，它们之间通过过渡段进行衔接，这样就不需 要单独的沉淀池以及污泥回流系统仍然可以保持连续运行。 水 幽好氧池k 沉淀池 图2 3单极好氧u n i t a n k 工艺 第一个主体运行阶段包括以下过程( 如图2 3 ) ：污水首先进入左侧池内 因该池在上个主体运行阶段作为沉淀池运行时积累了大量经过再生、具有较高吸 附及活性的污泥，污泥浓度较高，因而可以高效降解污水中的有机物；混合液 同时自左向右通过始终作曝气池使用的中问池，继续曝气，有机物得到进一步降 解，同时在推流过程中，左侧池内活性污泥进入中间池，再进入右侧池，使污泥 在各池内重新分配；混合液进入作为沉淀池的右侧池，处理后出水通过溢流堰 排放，也可在此排放剩余污泥。第一个主体运行阶段结束后，通过一个短暂的过 渡段，即进入第二个主体运行阶段。 第二个主体运行阶段过程改为污水从右侧池进入系统，混合液通过中间池再 进入作为沉淀池的左侧池，水流方向相反，操作过程相同。 脱氮除磷u n i t a n k 处理工艺是通过对该系统进行灵活的时间和空间控制， 华南理工大学硕士学位论文 适当地增大水力停留时间，并设定时间使好氧、厌氧交替进行，以实现污水的脱 氮除磷。 三池交替u n i t a n k 的运行过程可分为6 个阶段( 如图2 4 ) 。阶段a ：进 水引入左侧池，出水自右侧池引出。三池的工作状态分别为，左倒池缺氧状态， 进行反硝化及有机物的部分降解；中间池好氧状态，进行有机物的进一步降解及 氨氮的硝化作用；右侧池则为沉淀池。阶段b ：进水引入中间池，出水自右侧池 引出。左侧池和中间池均在好氧条件下运行，右侧池则保留为沉淀池。阶段c ： 进水引入中间池，出水自右侧池引出。左侧池转变为静置沉淀状态，中间池在缺 氧条件下运行，以便对阶段b 中积累的硝酸盐进行反硝化，右侧池仍然为沉淀池。 阶段d ：进水引入右侧池，出水自左侧池引出。左侧池与右侧池的工作状态正好 与阶段a 相反，中间池与阶段a 相同。阶段e ：中间池工作状态与阶段b 相同， 左侧池与右侧池的情况则与阶段b 相反。阶段f ：中间池工作状态与阶段c 相同， 左侧池与右侧池的情况则与阶段c 相反。 皿圆 荣氯 匡薹o 击i _ 塞翥珈艋 圜 好氯 量 l 一 沉淀 图2 4脱氮除磷u n l t a n k 处理工艺运行过程图 由于三只池的水位差，促使水流从一