（检测技术与自动化装置专业论文）污水处理控制系统设计与建模研究.pdf

摘要 摘要 水资源、水环境是人类生存的基础。随着工农业生产的发展，各种污染源严重地破 坏了人们的生存环境，尤其是工业污水使不少地区水环境恶化，严重影响了人们的生产 生活。为了保证我国经济的可持续发展，污水处理已经成为城市发展中不可缺少的配套 措施。近年来，国家对水环境保护意识不断增强，对污水处理过程自动化程度要求不断 提高，利用先进的控制技术和设备对污水处理过程进行监控是满足上述要求的最有效手 段。同时，出于污水处理过程的高度非线性、进水流量等参数随机变化很大以及生物传 感器的缺乏，使一些重要变量( 例如生物需氧量和化学需氧量) 还没有成熟的、经济的在 线测量设备，因此对污水处理过程进行建模的研究有非常重要的意义。 本文以某钢铁公司污水处理厂为背景，分析了活性污泥法污水处理工艺流程、工艺 特点，根据现场设备及控制对象的特点进行了控制系统的开发，设计了一套基于p l c 、 c a n o p e n 、m o d b u s 总线技术和i n t e m e t 网络的污水处理自控系统。实现了对设备运行的 自动控制、过程参数的采集与监视、数据的分析与处理、核心控制设备的远程监视。控 制系统的设计分为四个部分： 1 1p l c 程序设计：根据污水处理工艺和用户控制要求，针对污水处理过程各个被 控节点的特点，在p l c 控制程序设计中采用了不同的控制策略，确保系统安全、 稳定、高效地运行。 2 ) 电气设计：根据污水处理工艺要求设计了设备的电气线路。 3 ) 上位机程序设计：在i n t o u c h v 9 5 环境下开发的应用程序作为污水处理控制系 统的监控软件，实现与下位机p l c 的数据通讯，提供了简易、直观的用户操作 界面，方便了对污水处理厂的监控。 4 ) 远程监视程序设计：根据客户要求，设计一套远程监视系统，实现远程监视污 水处理控制系统主要设备的运行状态、远程监视下位机p l c 运行状态、远程接 收警报等功能，突破了对污水处理厂监视的地域界限。 利用支持向量机( s v m ) 和出水水质参数特性建立混合软测量模型，实现对出水b o d 浓度、c o d 浓度在线预测，解决b o d 、c o d 难于在线监测的问题，给污水处理厂工作 人员提供了控制操作依据，改变了原来依靠工作人员经验对污水处理各个节点进行控制 的现状，提升污水处理系统控制精度，改善出水水质。 关键词：控制系统设计p l ci n t o u c h 现场总线软测量支持向量机 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e ri st h eb a s i so fh u m a nl i v i n g w i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y s e c o n o m y , a l lk i n d so fp o l l u t i o ns e v e r e l yi n f l u e n c e dt h ee n v i r o n m e n to fh u m a n ，e s p e c i a l l y , i n d u s t r i a lw a s t e w a t e rp o l l u t e d m a n yd i s t r i c t s f o rt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t o fo u r c o u n t r y se c o n o m y , w a s t e w a t e rt r e a t m e n th a dp l a y e da ni m p o r t a n tr o l e r e c e n t l y ，n a t i o np a y a t t e n t i o nt ow a t e rp r o t e c t i n gp r o j e c t ，d e m a n dm o r et e c h n o l o g yi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t c o n t r o ls y s t e m ，u s i n gh i g ht e c h n o l o g yc o n t r o ls t r a t e g ya n dm o r ea d v a n c e dd e v i c e s i n s u r v e i l l a n c e & c o n t r o ls y s t e mi st h eb e s tw a yt of i xt h ed e m a n d s a tt h es a m et i m e ， w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si st h es t r o n gn o n l i n e a ro fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h em a n y v a r i e t i e so fr a n d o mp a r a m e t e r sa si n p u tf l u xa n dt h el a c ko fb i o l o g i cs e n s o r , t h e r ei s n tm a t u r e a n dc h e a po n l i n em e a s u r e m e n t t h em o d e l i n gr e s e a r c ho fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sv e r y i m p o r t a n tn o w t h i sp r o j e c ti sb a s e do nw a s t e w a t e rp l a n t ，i l l u s t r a t ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ， a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l e rd e v i c e sa n du s e r sd e m a n d s ，d e s i g n e dac o n t r o ls y s t e m c o n t r o l s y s t e md e s i g nh a df o u rp a r t si n c l u d e d ： p l cp r o g r a m m i n gd e s i g n ：a c c o r d i n gt oc o n t r o ls y s t e md e s i g na i m s ，p l cp r o g r a m m i n g r e s p e c t i v e l yo nd i f f e r e n tc o n t r o ln o d e s m a k et h ec o n t r o ls y s t e mr u nu n d e ras t a b l e ，s a f e ， e f f i c i e n ts t a t e e l e c t r i c a ld e s i g n ：d e s i g n e dt h ee l e c t r i c a l c i r c u i ti na l l u s i o nt oe n v i r o n m e n ta n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s st e c h n i q u e s u p p e rp cs u r v e i l l a n c ed e s i g n ：d e v e l o p e dt h es u p e r v i s i o ni n t e r f a c e o fw a s t e w a t e r t r e a t m e n tw i t hi n t o u c h v 9 5 ，i m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nw i t hp l c ，p r o v i d eam o r e c o n v e n i e n ti n t e r f a c eo fo p e r a t i o nb e t w e e no p e r a t o ra n ds y s t e m r e m o t es u r v e i l l a n c es y s t e md e s i g n ：d e s i g nar e m o t es u p e r v i s i o ns y s t e mf o rw a s t e w a t e r t r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e m ；s u p e r v i s et h er u n n i n gs t a t eo fk e yc o n t r o ld e v i c e s ，p l c ，r e m o t e a l a r mm o d e l b r e a kt h el i m i to fg e o g r a p h y b u i l da na d v a n c e dm o d e lw i t hs v m a n dc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nb o d & c o d ，p r e d i c t i n g b o d & c o do fd r a i n a g et h a th a db e e nt r e a t e d i ts o l v e dt h ep r o b l e m st h a tb o d & c o d i sh a r d t om e a s u r i n gr e a l t i m e l y a n di tp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g yf o ro p e r a t o r i n n o v a t et h ea c t u a l i t yt h a to p e r a t o rm a n i p u l a t es y s t e mb ye x p e r i e n c e ；a m e l i o r a t et h ew a t e r q u a l i t yd r a i n e db yp l a n t k e y w o r d s ：c o n t r o ls y s t e md e s i g n p l ci n t o u c hf i e l d b u ss o f t 。m e a s u r i n g s v m 独创i 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人为获得江南 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作了明确的说明并表示谢意。 签名： 垦整 日期：夕一暑，、l o 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 采塞 导师签名： e l 期： 第一章绪论 第一章绪论 随着工农业生产的发展，各种污染源在严重地影响着人们的生存环境，尤其是工业 污水使不少地区水环境恶化，因而环境保护在经济建设中显得越来越重要。工业污水成 分复杂，有害污染物多，处理难度大，导致排放的污水对环境污染严重，这也一直是不 少企业发展壮大的瓶颈。污水处理控制系统和一般的工业过程控制系统有着很大的区 别，像普遍使用的活性污泥法污水处理过程是一个强耦合的多输入多输出动态系统，具 有高度非线性、时变，不确定性和时滞等特点i l j 。为了使污水处理过程能在恶劣的环境( 温 差大、污水水质水量变化大、电网电压波动大、电气干扰严重) 中连续、稳定、可靠、 准确地工作，对控制系统的要求比一般的过程控制系统要高得多，所以对污水处理控制 系统的研究具有非常重要的意义。 1 1 污水处理过程自动控制的现状 目自矿污水生物处理广泛使用的处理工艺是活性污泥法，它是一种模拟水的自净化过 程，利用自然界中微生物的生命活动来清除污水中有机污染物。活性污泥法污水处理过 程是一个强耦合的多输入多输出动态系统，它具有高度非线性、时变、不确定性和时滞 等特点，使得对污水处理过程进行精确控制难以实现。现在对污水处理过程的控制实际 上多为基于数学模型的传统控制方法( 如p i d 控制、比例控制、开关控制等) ，甚至采用 人工控制的方法。 近一段时间，模糊控制、神经网络控制等智能控制方法成为污水处理控制研究的热 点。在文献 2 】中，乔丽英等人在分析活性污泥法污水处理过程的控制基础上，引入了模 糊控制技术，利用已有经验和知识给出控制策略，设计了污水处理过程中次级设备的模 糊控制器。在文献【3 】中，汪雄海等人用改进遗传算法调整模糊控制器的规则、优化模糊 控制器的参数，进而优化控制模型。以杭州艮山污水泵站为例使泵站水位能够在目标水 位稳定运行，从而达到节电效果最佳、区域污水外溢污染最小的双优控制目标。在文献 【4 】4 中，何世钧等人利用比例模糊一比例积分控制理论应用在长葛市日处理6 0 万吨污水 处理厂溶氧的控制中并取得了预期的目标。在文献 5 】中，w c c h a n g 等人在活性污泥法 中设计了种在线的模糊控制器来提高b o d 和c o d 的去除率。 随着计算机技术的发展，污水处理要求实现日常的信息化管理，人们希望对所有的 控制量( 如温度，p h 值等) 都能实现微机监视、采集、处理，远程连续监测、控制、记录。 现在可编程控制器与计算机的结合能实现现场分散控制、集中管理。像d c s 集散控制 等有计算机参与的以及利用各种现场总线技术的控制系统正普遍使用在污水处理中。文 献【6 】中，张志广等人在北京首都机场的污水处理厂项目建设使用上位机监控系统，该控 制系统使用罗克韦尔公司的r s v i e w 软件对全厂的p l c 工作进行状态显示和远程控制。 文献 7 】中，忻培强等人构建了一个给予t c p i p e t h e m e t 的s c a d a 系统的污水处理实验 平台，该实验平台用来对网络通信技术在污水处理中的应用进行研究，讨论了以太网在 污水处理中的应用。i n t e m e t 的出现也大大扩展了污水处理系统的功能，各大厂商出品 江南大学硕士学位论文 的污水处理系统都有基于i n t e r n e t 的网络监视、网络控制功能，各种移动通信设备，也 给控制系统的设计开辟了条新路。 近年来，国家对水环境保护越来越重视，污水处理的指标要求也越来越高，但是由 于我国是发展中国家，财力有限、基础设施老化、污水处理技术研究起步较晚等诸多问 题，使得水环境保护变得力不从心。国外对污水处理控制研究较早，已经把高级的控制 理论应用到了污水处理上，美国的c y b o s o f t 公司已经将先进控制理论( 无模自适应等控 制方式) 编写成软件模块作为控制升级包嵌套在当今比较流行的组态软件中，大大提高 了系统控制精度1 8 j 。国内对这方面的研究和应用鲜有报道，造成这种状况的原因主要有： 一方面由于污水处理表面上是不能产生直接的经济效益，观念上还不能把污水处理和一 般的工业生产等同起来。另一方面，在技术上没有一个经济的、成熟的、适用于整个处 理过程或者单个单元的机理模型；现有的设备仪器对很多变量还不能进行精确的在线测 量。文献 9 q u 论述了由于系统认知的缺陷和测量手段的缺乏，除了传统的控制技术外， 对系统建模进行软测量是未来重要的研究方向。 1 2 污水处理过程建模的现状和研究 建模是对所研究的工业过程对象有关属性的模拟，建立的模型应当具备描述过程的 主要性质和特征。建模目的：一是离线优化操作规律：二是在线优化控制i l 。 污水处理过程建模对控制系统尤其是基于模型的控制系统的设计具有重要的作用。 现在广泛使用的活性污泥法处理污水的过程是极其复杂的，对其建立精确的数学机理模 型非常困难。在没有成熟的数学机理模型的情况下，运用智能建模的方法模拟污水处理 系统就更具现实意义。主要的智能建模的方法有：模糊建模、模糊神经网络建模、时1 白j 延迟神经网络建模、递归神经网络建模等【】。建模的对象主要是曝气池、二沉池或者是 整个活性污泥法污水处理系统【i z 。 在国外，1 9 8 7 年国际水协( i w a ) j 下式发表了活性污泥l 号数学模型( a s m l ) ，a s m l 描述了生化脱除有机物、硝化和反硝化过程的特征，促进了活性污泥法处理污水过程的 模型化和最优化控制的研究。随后a s m 2 、a s m 3 数学模型相继地发表，并开始应用l 扣b j 。 但是这些模型涉及的参数太多，许多参数目前缺乏成熟的测量技术，实际应用相当麻烦， 建模代价大。 最近几年，在国内运用以神经网络为代表的智能建模方法建立污水处理过程模型成 为一个研究热点【1 6 】，这是因为：智能建模方法具有很强的学习能力或者说是自适应能力： 可以通过学习达到所要求的非线性形状来模拟对象模型，而且适合多输入多输出系统， 特别是现在对污水处理过程的机理不是很了解的情况下，更加突出了智能建模的优越 性。在工业污水处理中，作为污水处理效果的重要指标的化学需氧量( 简称c o d ) 用传统 的化验方法化验结果要等到五天以后才能出来，使用现在最先进的离线的c o d 检验仪 器也要二个小时才能检测出结果，但设备价格昂贵。测量生物需氧( 简称b o d ) 量也面临 同样的问题【l7 1 。这就迫切需要一个能尽快能知道c o d 和b o d 的方法，由于现在还没 有可靠的c o d 、b o d 在线的测量仪器，所以对c o d 、b o d 建立软测量模型是非常必 2 第一章绪论 要的。 文献 1 8 1 介绍了污水处理软测量模型的建立方法，数据选择和数据预处理，重点介 绍了神经网络的建模和软测量的在线校正。文献【1 9 】利用r b f 神经网络建立模型，对华 北地区某大型污水处理厂的实测数据进行了离线仿真，发现对输出的变量c o d 2 、b o d 2 、 s s 2 具有很好的拟合作用。文献【2 0 】对某焦化厂污水运用b p 网络也建立了一个比较满意 的模型。神经网络算法基于经验风险最小化原则，应用误差反向传播等方法，使其经验 误差最小，但是经验风险最小，不等于实际风险最小，易导致过学习。这样的算法能以 任意精度逼近样本集，但是泛化能力却很差，不易推广使用。 1 3 支持向量机的研究和发展 s v m 是新兴发展的一种以统计学习理论为基础的机器学习方法，能有效地避免经 典机器学习方法中( 包括神经网络) 的过学习、维数灾、局部极小等传统分类存在的问题， 在小样本条件下仍能具有良好的泛化能力，因此受到极大的关注【2 。在人脸识别、文本 分类等模式识别领域以及化工、发酵建模和软测量等很多领域都获得了很好的应用1 2 引。 与神经网络的启发式学习方式和实现时带有很大的经验成分相比，s v m 具有更严 格的理论和数学基础，小样本学习使它具有很强的泛化能力，不过分依赖样本的数量和 质量。s v m 具有以下理论上已经验证的优点：支持向量机是根据结构风险最小化原 则，尽量提高学习机的泛化能力，即由有限的训练样本得n d , 的误差，对独立的测试集仍 然能保证小的误差；支持向量机算法是一个凸优化问题，因此局部最优解一定是全局 最优解；支持向量机算法中的核函数利用隐式非线性变换，巧妙地解决了维数灾难问 题1 2 3 1 。 尽管s v m 的研究和应用刚刚开始，已经有大量的文献报道了它在各个领域的应用， 如模式识别、回归估计和时序预测等。例如文献 2 4 2 5 把s v m 用在柴油干点和加轻裂 化装置上的软测量模型的建立并且取得很好的预测效果。文献【2 6 用s v m 对发酵过程 q j 酵母浓度的软测量模型建立，并且验证了比r b f 神经网络有着明显的优势。利用s v m 与机理特性混合的建模的方法，建立发酵过程中酵母菌体浓度变化的预测模型，结果显 示这个模型和其它方法建立的模型相比精度更高，泛化能力更强【2 7 】。利用改进了的最小 二乘支持向量机( l s s v m ) 建立软测量模型，仿真显示得到了比r b f 神经网络效果更好 的结果【2 引。 鉴于国内有人利用s v m 对化工和发酵等过程建模的成功应用，也有人尝试把s v m 用在污水处理过程中，例如文献 2 9 】中针对污水处理过程中正常运行状态数据多而异常 运行状态少的特点，提出的加权s v m 方法，来检测故障，仿真试验该方法是有效的。 本工程采用的污水处理方法是活性污泥法，由于它的主要的处理过程也是生物发酵 的过程，只是它的整个机理更复杂，干扰更大，所以s v m 方法建模也可以应用于污水 处理过程建模上。 本课题针对某钢厂污水处理工程项目，设计一套基于p l c 、c a n o p e n 、m o d b u s 总 线技术和基于i n t e m e t 的b s 结构的集散控制系统。对该污水处理过程用支持向量机理 江南大学硕士学位论文 论和污水处理过程特性混合建立软测量模型， 线测量变量( b o d 浓度、c o d 浓度) 的预估， 率，改善污水处理效果、提高排水水质。 1 4 本课题研究的内容 利用现场容易测量的数据，实现对不可在 指导实际生产，以提高污水系统的工作效 本课题根据某钢厂污水处理项目的要求，首先对污水处理过程控制系统的电气、下 位机、上位机、远程监视进行设计。结合污水处理过程系统特性，选用有着坚实的统计 学理论基础的支持向量机对污水处理过程混合建模。本论文的章节安排如下： 第一章是综述，简要介绍本课题的研究背景意义，污水处理过程自动控制现状、污 水处理过程建模的现状、方向以及s v m 的研究和发展。 第二章是活性污泥法污水处理工艺分析，得出污水处理系统的控制要求。 第三章是污水处理厂控制系统设计。与环境工程的工艺人员、专家共同制定工艺上 可行的整体控制方案，最大程度实现自动化、信息化。针对控制部件，例如电机，自动 阀等，按照厂方要求设计电气控制图。根据工艺要求对下位机p l c 和上位机监控软件 进行编程，同时设计远程监视软件利用i e 浏览器访问污水处理控制系统的数据，通过 i n t e r n e t 网络远程监视系统的各个关键控制量运行状态。 第四章对基于支持向量机和污水参数特性混合建模，利用建立的模型在线预估出水 水质参数的方法进行了讨论和研究。把支持向量机、b o d 浓度与c o d 浓度的理论相关 性结合建立软测量模型，应用于污水处理过程的出水水质( b o d 浓度、c o d 浓度) 的在 线预测。 第五章总结了本文所作的工作，并提出了本课题需要进一步研究的方向。 4 第二章活性污泥法污水处理丁艺分析 第二章活性污泥法污水处理工艺分析 目前我国采用的污水处理方法主要是活性污泥法，它是当前应用最为广泛的一种生 物处理技术。活性污泥法又分为氧化沟法、a b 法、a d o 法、a a o 法、生物膜法等【3 0 】。 各种工艺都有其自身的特点和相应的使用范围。根据工厂排放污水的情况以及国内外对 该类污水的工程实践，选择技术先进、成熟、可靠性高的“厌氧+ 好氧”生物处理工艺作 为该工程的核心工艺。本章主要完成活性污泥法污水处理工艺分析，并根据确定的工艺 完成控制策略的设计，满足用户的要求。 2 1 厌氧生物处理工艺 z 1 1 厌氧工艺 早期的厌氧硝化工艺可以称为第一代厌氧硝化工艺，以厌氧硝化池为代表，属于低 负荷系统。随着对厌氧生物发酵硝化过程认识不断提高，人们认识到反应器内保持大量 的微生物和尽可能长的污泥龄是改进处理效果的关键。 m c k i n e y 和e c k e n f e l d e r 等人在好氧及厌氧污水处理数学模型方面进行的研究，从 理论上阐明了将污泥龄作为生物处理设计与运行参数的重要性1 3 。事实上，一个设计合 理的厌氧处理系统可以在停留时间非常短和负荷比好氧处理高的条件下，获得较高的可 生物降解有机物的去除效果i 强j 。 s c h r o p p r o t e r 仿照好氧活性污泥法，开发了厌氧接触工艺，增加微生物与废水的固 液分离与回流，从而可提高消化池的污泥龄；与普通消化池相比，它的水力停留时间可 大大缩短。 高速率厌氧处理系统必须满足的原则是：能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长 的污泥龄；保持废水和污泥之间的充分接触p 引。为了满足第一条原则，可以用生物膜 或培养沉淀性能良好的厌氧污泥( 颗粒污泥) 的方式来保持厌氧污泥。从而在采用高的有 机和水力负荷时不发生严重的厌氧活性污泥流失。依照第一条原则，在2 0 世纪7 0 年代 木期人们成功地开发了各种新型的厌氧工艺，例如，厌氧滤池( a f ) 、上流式厌氧污泥床 反应器( u a s b ) 、厌氧接触膜膨胀床反应器( a a f e b ) 和厌氧流化床( f b ) 等【3 4 】。这些反应器 的一个共同的特点是可以将固体停留时间与水力停留时间相分离，固体停留时间可以长 达上百天。这使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天可以缩短到几 小时或几天。这一系列厌氧反应器被称为第二代厌氧反应器。高效厌氧处理系统需要满 足的第二个条件是获得进水和被保持污泥之间的良好接触。为了在厌氧反应器内满足这 一条件，应该确保反应器布水的均匀性，这样才可能最大程度地避免短流。这一问题无 疑涉及到稚水系统的设计，在此不作赘述。从另一方面讲，厌氧反应器的混合来源于进 水的混合和产气的扰动。但是对于进水在无法采用高的水力和有机负荷的情况下( 例如 在低温条件下采用低负荷工艺时，由于在污泥床内的混合强度大低，以致无法抵消短流 效应) u a s b 反应器的应用负荷和产气率受到限制；为获得高的搅拌强度，必须采用高的 反应器或采用出水回流获得高的上升流速。正是对于这一问题的研究导致了第代胍 氧反应器的开发和应用。 2 i 2u a s b 反应嚣工作原理 升流式厌氧污泥( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t 简称u a s b ) 反应器是荷兰学者 莱廷格( l e t l i n g a ) 等人在7 0 年代初开发的。图2 1 为u a s b 反应器工作原理示意图。 u a s b 处里h 池 口 二相分离器 囤2 - 1u a s b 反应器工作原理 f i 9 2 - 1e l e m e n t so f u a s b t a n k u a s b 反应器由反应区和沉降区两部分组成。反应区又可根据污泥的情况分为 泥 悬浮层区和污泥床区。污泥床主要由沉降性能良好的厌氧污泥组成。浓度可达 5 0 1 0 0 ( g s s l ) 或更高。污泥悬浮层主要靠反应过程中产生的气体的上升搅拌作形成， 污泥浓度较低，一般在5 - 4 0 ( g s s l ) 范围内。u a s b 反应器废水被尽可能均匀地引入反应 器的底部，污水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床。厌氧反应发生在废水与 泥颗粒的接触过程。在厌氧状态下产生的沼气( 主要是c h 4 和c 0 2 ) 引起了内部的循环， 这对于颗粒污泥的形成和维持很有利。在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒i ，m 着和没有附着的气体向反应器顶部上升。在反应器上部设有气( 沼气) 、固( 污泥) 、液( 废 水1 三相分离器。分离器首先使生成的沼气气泡上升过程中折射，引起附着气泡的污泥 絮体脱气。然后穿过水层进入气室，由导管排出反应器。脱气后的混合涟在沉降r 进 步进行固液分离，沉降下的污泥返回反应区，使反应区内积累大量的微生物。待处理的 废水由底部布水系统进入澄清的处理水从沉淀区溢流排出。由于在u a s b 反应器中能 够培养得到一种具有良好沉降性能和高比产甲烷活性的颗粒厌氧污泥，因而相对于其他 同类装置，颗粒污泥u a s b 反应器具有一定的优势。 2 2a a ，0 好氧处理工艺 a a of a n a e r o b i c a n o x i c o x i e ) 脱氮除磷工艺是对a o 工艺的改进，同时具备脱氯 和除磷效果【圳。工艺流程如图2 2 所示。 第- 二章活性污泥法污水处理工艺分析 污泥回流( 内同流) 图2 - 2 一级a 2 o 脱氮除磷工艺流程 f i g 2 - 2w i p eo f fn i t r o g e np h o s p h o r u sp r o c e s si np r i m a r ya 2 ou n i t a a o 脱氮除磷工艺是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺和生物除磷工艺 的综合。在a a o 脱氮除磷系统的活性污泥中，菌种主要由硝化菌、反硝化菌和积磷菌 组成，专性厌氧和一般专性好氧菌等菌群均基本被工艺过程所淘汰。在好氧段中，硝化 菌将进水中的氨氮及由有机氨氮转化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐。在 缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物硝化作用，转化成氮气散发到大气 中，从而达到脱氮的目的，在厌氧段积磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解有机物。 在好氧段，积磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，达到去磷的目的。 厌氧区缺氧区好氧区二沉池 t p 浓度 厌氧区缺氧区好氧区二沉池 厌氧区蛱氧区好氧区二沉池 厌氧区缺氧区好氧区 二沉沤 图2 - 3b o d 、t p 、n h 3 n 、n 0 3 刊浓度在a a o 流程中的变化 f i g 2 3c h a n g eo f b o d 、t p 、n h 3 一n 、n 0 3 - nc o n c e n t r a t i o ni na a 0u n i t 图2 3 直观地反应了各物质在不同阶段的浓度情况。污水进入曝气池以后，随着积 磷菌的吸收、反硝化菌的利用及好氧段的好氧生物分解，b o d 浓度逐渐降低。在厌氧 段，由于积磷菌释放磷，t p 浓度逐渐升高，至缺氧段升至最高。在缺氧段，一般认为 江南大学硕士学位论文 积磷菌即不吸收磷也不释放磷，t p 保持稳定。在好氧段，由于积磷菌的吸收，t p 迅速 降低。在厌氧段和缺氧段，n h 3 n 浓度稳中有降，至好氧段，随着硝化的进行，n h 3 一n 逐渐降低。在缺氧段，n 0 3 - n 瞬间升高，主要是由于内回流带入大量n 0 3 - n ，但随着 反硝化的进行n 0 3 - n 浓度迅速降低。在好氧段，随着硝化的进行，n 0 3 - - n 浓度又逐 渐升高。 2 3 本设计的污水来源和水质 污水处理系统的进水为某钢铁工厂排放的两股焦化废水，分别为透析废水以及冲洗 废水。其中，冲洗废水污染物较低，透析废水的污染物浓度较高，为高浓度的有机废水。 由于废水的有机物污染物浓度较高，可生化性较好，适合于进行生物降解。废水的排放 不均匀，水质、水量的波动较大，处理系统要有一定的可调性和抗冲击负荷的能力。废 水的p h 变化较大，为确保生物处理系统尤其厌氧生物处理系统的正常运行，需要对废 水的p h 进行调节。废水中含有较高氨氮、磷污染物，处理系统要有较好的脱氮除磷能 力，以确保在去除有机污染物的同时去除氮磷污染。 2 4 活性污泥法工艺和污水处理工艺的选择 废水处理工艺的选择主要取决于污水水质特性和对处理后出水的排放要求。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。根据废水水质的特点 以及国内外对该类废水的工程实践，选择技术先进、成熟、可靠性高的“厌氧+ 好氧”生 物处理工艺作为该工程的主处理工艺。在主处理工艺后，增加一个混凝气浮的物化处理 单元，主要目的是化学除磷，确保排放的废水磷的指标达到国家提出的标准和要求。设 计这样的一套废水处理工艺流程，应具有处理效果好、工程投资合理、能耗和运行成本 低、运行管理简单方便的特点。 厌氧处理工艺的选择：当二股污水混合后，污水的有机污染浓度仍较高，但其可生 化性较好，适合进行厌氧生物处理。故本方案决定采用目前技术最为先进、成熟稳定、 已经获得广泛认可的u a s b ( t 3 0 1 ) 作为厌氧处理工艺。它尤其适合该污水处理工程对处 理效果好、运行费用低以及运行管理方便的要求。 好氧处理工艺的选择关键要考虑在去除废水中有机污染物的同时去除废水中的氮 和磷，因此要选择具有同步脱氮、除磷效果的好氧生物处理工艺。针对废水的特点，结 合国内外同步脱氮除磷的最新技术和工程经验，采用技术成熟、可靠的 a a o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ，亦称a 2 o ) 同步脱氮除磷工艺作为好氧处理的工艺。 物化处理工艺的选择：当废水经生物处理后，仍含有少部分难降解的有机污染物质， 同时生物除磷亦很难达到满意的处理效果，故在生物处理系统之后，需增加一级物化处 理单元，以确保出水满足排放标准的要求。 废弃污泥处理工艺的选择：将泥龄过长、失去活性、处理能力差的污泥收集、调制、 存放，经过带式浓缩压滤一体机处理成污泥饼，运出处理现场。 选择污水处理过程工艺后，根据用户提供的厂房土建规格的要求，对本污水处理系 统确定了如下的工艺流程和控制要求。 第二章活性污泥法污水处理工艺分析 2 5 污水处理工艺流程和系统控制要求 污水处理的工艺的主要流程如图2 - 4 所示。 图2 4 污水处理工艺流程图 f i g 2 4p r o c e s so fw a s t e rt r e a t m e n t 主要控制节点的设计： ( 1 ) 事故调节系统：事故调节系统由事故池、潜水搅拌电机、提升泵等组成，主控 制系统发生故障时，主程序停止运行，自动启动事故调节系统。污水来源主要由事故排 9 江南大学硕士学位论文 放的事故废水组成。 根据用户的要求，系统实现手动控制两台潜水搅拌电机启、停，在线监控电机运行 状态、更改电机转速；实现两台提升泵手动开、关( 一台备用) ，在线监控其运行状态； 实现用户在远端监视潜水搅拌电机和提升泵的运行状态。 ( 2 ) 综合调节预处理系统：综合废水预处理系统由预沉池、综合废水调节池、潜水 搅拌电机、综合废水提升泵、流量计、p h 调节系统、温度调节系统等组成。通过调节 池对水质水量的均衡调节，可以实现连续流出，并将水质的冲击负荷减至最低；综合废 水调节池内采用潜水搅拌机进行搅拌，实现水质的混合均匀并防止固体颗粒沉淀：综合 调节池出口处设吸水井，废水在此经p h 调节( p h 值调节到6 5 8 5 ) 及温度调节( 温度调 节到2 5 。c 3 8 。c ) 后经由安装于提升泵站中综合废水提升泵( 一组干式污水泵) 提升至后续 处理单元。 根据用户提出的控制要求，实现对预沉池中三台刮泥电机、综合调节池两台潜水电 机手动启、停，在线监控电机运行状态、更改电机转速。实现对两台综合废水提升泵的 手动启、停控制和在线监控；对一个电磁流量计、一个p h 计、一个温度传感器的在线 监控：对两台加酸泵、两台加碱泵、一组电动调节阀、两个加热器的p i d 手动、自动控 制并在线监视其状态。同时，实现用户在远端监视刮泥电机、潜水搅拌电机、废水提升 泵、加酸泵、加碱泵、电动调节阀的运行状态。 ( 3 ) 厌氧处理系统：厌氧处理系统由1 个u a s b 反应器( 升流式厌氧污泥床) 所组成， 是整个污水处理系统中去除污染物负荷最高的单元，该单元对有机物的去除率至少为 8 0 。u a s b ( t 3 0 1 ) 反应器具有高微生物浓度、高容积负荷、设备简单、运行稳定可靠等 优点。u a s b ( t 3 0 1 ) 反应器主要由5 部分所组成：进水泵、反应区、三相分离器、气室、 以及出水堰。废水首先通过提升泵站配送到各个u a s b 反应器，反应器中厌氧污泥以颗 粒状形式存在，在废水由底部以适当的流速上升到顶部的过程中，水中大部分的有机物 被厌氧颗粒污泥所降解，同时系统产生大量的沼气。在反应器顶部的三相分离器中，含 有废水、沼气及颗粒污泥的混合液实现完成液、气、固的分离。处理后的废水通过出水 堰汇流至后续处理单元，沼气则通过管道收集后进入沼气处理系统，三相分离器沉淀。 根据用户要求，实现对提升泵站的自动和手动开、关控制以及在线监控；在线实时 读取两个p h 计、两个插入式温度计、一个电磁流量计的数值，同时实现远程监视其变 化。 ( 4 ) a a o 处理系统：本设计共有二级a a o 处理系统，每个a a o 处理系统包括厌 氧反应池、缺氧反应池、好氧反应池、沉淀池、污泥回流井及污泥内外循环回流系统等， 一级a a o 系统分二组并联运行，二级a a o 系统一组运行。 按照用户要求，控制系统实现对一台反应搅拌机、两台刮泥电机、四台三叶低噪音 鼓风机、三台潜水搅拌机启、停控制，在线监控电机运行状态、更改电机转速。实现对 六台外污泥回流泵、九台内循环回流泵现场手动启停、在线监视控制点运行状态；实现 对五部电磁流量计、三部在线溶解氧仪在线监视、读取数值。实现用户远程监视反应搅 拌机、潜水搅拌电机、刮泥电机、内外污泥回流泵和提升泵的运行状态的功能。厌氧处 l o 第二章活性污泥法污水处理t 艺分析 理系统和好氧处理系统产生的剩余污泥以及气浮产生的浮泥排入污泥贮池，池内通微量 空气，以维持水中溶解氧的浓度不致使磷再释放。 ( 5 ) 污泥处理系统：污泥处理系统主要由污泥泵、带式浓缩压滤一体机组成。污泥 贮池内的污泥由污泥泵送入污泥调质系统进行调质，调质好的污泥送入带式浓缩压滤一 体机进行脱水处理，脱水后呈饼状的污泥外运，滤液回流至综合废水调节池。根据控制 要求，系统实现对两台污泥提升泵、带式浓缩压滤一体机的手动启停控制。 ( 6 ) 物化系统：物化处理系统由p a c 投加系统、反应罐、气浮设备组成。其主要目 的是化学除磷。根据用户要求，实现对投药泵、搅拌电动机手动启、停控制，远程监视 其运行状态。 在本项目中对c o d 、b o d 的控制主要通过污水在u a s b 单元和a a o 单元的停留 时| 白j ，以及曝气时间和曝气量的大小来控制。 控制点经过计算可知，系统共有数字量输入( d i ) 2 6 6 个点，数字量输出( d o ) 1 4 3 个 点，模拟量输, k ( a i ) 2 9 个点。表2 1 、表2 2 为控制系统部分d i 、d o 、a i 、a o 设计及 测控要求。控制设计实现手动控制各个i o 点的启停，在线监控各个v o 点的运行状态； 监控电机和风机的运行状态，并在线更改其运行速度；出错及时警报，记录报警事件； 在线采集各种仪表的即时数据并保存数据于用户数据库，根据不同的安全级别调用系统 运行数据，自动分类数据、制作报表，按照用户具体要求打印数据；远程监视各个设备 运行状态、接收系统即时报警、远程监视各个控制参数设置状况。下一章，将具体介绍 如何完成污水处理控制系统设计。 表2 1 控制系统d i d o 测控要求 t a b 2 - 1c o n t r o ld e m a n d sf o rs y s t e mo f d 1 d o 编号设备名称 鎏蔷测控要求翟专寮 说明 l 事故池提升泵p 1 0 1 a b开关21 2 事故池潜水搅拌机j 1 0 1 ， 综合调节池潜水搅拌机 一 j 2 0 1 a & b 4 预沉池刮泥机w 2 0 2 5 预沉池污泥泵p 2 0 2 a b 6 综合调节池提升泵 p 2 0 l a b 7 酸投加p 6 0 l a m 8 碱投加泵p 6 0 2 a b 9 一沉池刮泥粤【w 3 0 2 1 0 鬲怒嬲泵 1 二级内循环咧流泵 一p 4 0 3 a b 开关 器f 关 开关 开关 开关 开关 开关 开，关 开关 开关 提升混合完伞的事 故废水至综合调节 池 实现水质的混合均 匀并防止同体颗粒 沉淀 实现水质的混合均 匀并防止固体颗粒 沉淀 刮除池壁污泥 污泥回收 提丁 处理综合处理 过的污水至u a s b 反应器 加酸 加碱 刮除池壁污泥 泵回硝化液 泵回硝化液 o ol ， o i l l l o 2 l l 2 2 2 2 l 4 2 江南大学硕+ 学位论文 ， 一级污泥同流泵 1 p 3 0 8 a b 1 3 二级污泥回流泵 p 4 0 5 a b 1 4 麓潜水搅拌3 0 5 1 5 二级潜水搅拌机j 4 0 2 三叶低噪音鼓风机 w 3 0 6 a b 二沉池刮泥机2 “w 3 0 7 反应搅拌机j 4 0 0 三沉池刮泥机w 4 0 0 四沉池刮泥机w 4 0 4 p a c 投加计量泵 p 6 0 3 a b c p a m 搅拌机t - 6 0 4 o - l0 0 r r a i n 0 - 1 0 0 r r a i n o 15 0 0 r m i n 0 2 0 0 r m i n 0 2 0 0 r m i n 0 - 2 0 0 r m i n o - 2 0 0 r m i n 0 1 5 0 0 r m i n 续上表 开关 开，关 开，关 开关 开关 开，关 开关 开关 开关 开关 开关 污泥口l 收 污泥l 口l 收 反应均匀 反心均匀 增力i i 济解氧量 刮除池壁污