上海市政工程設(shè)計研究院
陸志豪 陳秀華

　　1　前言

　　污水廠的管理目前大都停留在經(jīng)驗決策階段，因此污水處理質(zhì)量極大程度上受管理人員素質(zhì)的制約。隨著污水處理水質(zhì)要求的日趨嚴(yán)格，污水處理工藝過程更趨復(fù)雜，控制要求越來越高，管理水平將是污水處理事業(yè)進一步發(fā)展的障礙之一。近年來從國外引進設(shè)備的污水廠基本上都采用計算機管理，一般都取得了較好的效果。本文就污水處理廠SBR法工藝自動化作些探討。
　　1.1微機自動化管理系統(tǒng)的設(shè)計
　　目前國際上普遍采用的自動化管理系統(tǒng)一般都采用這一模式：
　　人←→計算機←→PLC←→現(xiàn)場設(shè)備
　　PLC是這一模式中的關(guān)鍵設(shè)備，PLC中事先已輸入工藝運行的程序，PLC可以根據(jù)工藝參數(shù)按運行模式自動監(jiān)控、運行設(shè)備。計算機在這一模式中起三個作用：①實時顯示運行工況。②實時向PLC傳送調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)的指令。③建立數(shù)據(jù)庫，儲存記錄運行中各參數(shù)、指標(biāo)等資料。人可以通過計算機隨時改變工藝運行的模式。PLC根據(jù)工藝運行的模式自動調(diào)整設(shè)備的運行，并對工況運行的數(shù)據(jù)庫加以整理保存。
　　1.2微機自動化控制系統(tǒng)的特點
　　1.2.1將分散在工藝流程上各控制點的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后作為PLC控制的依據(jù)。
　　1.2.2將監(jiān)測的數(shù)據(jù)作為計算機選擇運行模式的依據(jù)，實現(xiàn)PLC對各設(shè)備有效的、自動的控制。
　　1.2.3計算機實現(xiàn)對全廠運行情況有序的、集中的管理，保證操作人員對整個系統(tǒng)的監(jiān)控。

　　2　SBR法工藝流程

　　SBR工藝是一種間歇(批式)處理污水的工藝技術(shù)，它采用單個反應(yīng)池通過時間序列來完成進水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置等功能。
　　在SBR池進水階段，利用污水進水中所含有機碳源，將上一批反應(yīng)排水后殘留在池內(nèi)污 水中的硝酸鹽氮予以還原，經(jīng)過一段時間后，開始曝氣，在含碳有機物被氧化的同時，先后進行氧化和硝化反應(yīng)，曝氣結(jié)束后進行沉淀，然后將上部澄清液排出，并保留部分處理后污水供下一 周期反硝化反應(yīng)。
　　對于SBR污水處理工藝，管理控制可分為兩個層次，它與連續(xù)流不同，處理操作需要開、關(guān)反應(yīng)池進水閥門，在預(yù)定的進水時間內(nèi)，根據(jù)反應(yīng)池的充滿程序，確定啟、停鼓風(fēng)機、潷水器等一系列操作，這些均需PLC來控制。另外，由于季節(jié)變化污水量少、水質(zhì)濃度的變化，處理效 果需要通過調(diào)整周期內(nèi)時間配置來調(diào)節(jié)。如出水氨氮過高，則需延長曝氣時間，出水NOX-N過高則需增加反硝化時間等，一般可以在PLC內(nèi)預(yù)先設(shè)置幾套周期配置模式，以便根據(jù)實際水量 、水質(zhì)、水溫等因素，在一段時間內(nèi)選用一種周期模式，或晝夜用不同的周期模式。此外，PLC內(nèi)還具有意外情況下的處理對策，如突然停電一段時間后，應(yīng)以何種措施過渡恢復(fù)等，這些均是SBR法有別于連續(xù)流工藝控制管理的方面。

　　3　PLC硬件的配置

　　污水處理廠進行自動化控制、管理的主要手段是可編程序控制器(PLC)和計算機。自動化管理系統(tǒng)一般都采用分散控制集中管理的模式，即按工藝要求將全廠的控制系統(tǒng)分成若干個單元，每個單元由一臺PLC控制，PLC與PLC之間可由專用通訊電纜連接，構(gòu)成主、 從PLC模式。主PLC與計算機之間有通訊線相連。
　　PLC的配置，首先應(yīng)當(dāng)結(jié)合工藝、土建解決好PLC的單元布置，主要解決集控室與PLC、PLC與PLC之間的距離問題。各控制單元之間的距離應(yīng)盡量短。如果各控制單元的距離不大于200米，可采用主、從PLC控制模式，主PLC設(shè)在集控室，可通過通訊口與計算機直接連接，從PLC采用專用通訊線與主PLC連接。這種模式較為經(jīng)濟。如果PLC與PLC之間的距離較大，則通訊干擾大，可靠性差，不宜采用上述模式。可以采用具有網(wǎng)絡(luò)功能的PLC，PLC之間構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并與計算機相連。每個PLC獨自控制一個單元，但這一模式的工程造價較高 。

　　4　SBR法工藝自動化控制管理系統(tǒng)

　　4.1設(shè)計規(guī)模及處理目標(biāo)
　　進水水質(zhì)：BOD₅=150～3O0mg/l，
　　　　　　　CODcr=250～500mmg/l，
　　　　　　　NH₃-N=25～40mg/l。
　　出水水質(zhì)：BOD₅≤20mg/l，
　　　　　　　CODcr≤7Omg/l，
　　　　　　　NH₃-N≤15mg/l。
　　日處理量　5000m³/d。
　　4.2　設(shè)計原則
　　4.2.1適用于規(guī)模較小的城市污水處理，晝夜水量變化大；
　　4.2.2流程簡潔，日后水量增長時可改為連續(xù)流常規(guī)活性污泥法工藝；
　　4.2.3具有較好的脫氮除鱗功能(本例子未考慮脫磷)；
　　4.2.4控制、管理實現(xiàn)自動化，降低能耗，減少運行費用和勞動強度。
　　4.3設(shè)備及儀表配制
　　設(shè)置二個控制單元：進水泵房單元(PLC1)；鼓風(fēng)機房單元(PLC2)。集控室與進水泵房單元合在一起。鼓風(fēng)機房單元電機運行狀態(tài)可以通過PLC1在模擬屏上顯示出來。
　　PLC采用OMRON產(chǎn)品：PCC20OHS。
　　PLC1：D1=128DO=128A1=16AO=0
　　PLC2：D1=128DO=48A1=16AO=0
　　控制室配計算機一臺、打印機一臺。

　　4.4　　工藝操作系統(tǒng)
　　污水廠的進水泵房部分一般包括入流總閘門及放泄道、格柵、集水池和提升泵。進水總閘門是為了部分進行維修需要而設(shè)置，一般情況下不操作，所以一般采用電動閥門就地操作，其工況集中顯示。格柵一般采用電動清撈，根據(jù)定時或格柵前后的液位差自動運 行。此外，還需配制垃圾皮帶輸送機或壓榨機，整個格柵除污系統(tǒng)采用現(xiàn)場聯(lián)動操作，集控室顯示。在集水池內(nèi)設(shè)浮球開關(guān)及液位計，進水泵的開啟臺數(shù)根據(jù)集水池液位升降由PLC控制啟停。一般SBR不設(shè)初沉他。反應(yīng)池假設(shè)為三組，每組容積1600m³，每組反應(yīng)池設(shè)鼓風(fēng)機二臺(30m³/min；20m³/min)，設(shè)置澆水器二臺(每臺流量450m³/h)，設(shè)置攪拌機四臺。周期設(shè)計為進水2小時，曝氣4.5小時，沉淀0.75小時，排水0.75小時，整個周期為8小時。
　　1.首先第一組進水，開啟第一組進水電動閥門，同時給出信號，進水泵準(zhǔn)予啟動；
　　2.第一組反應(yīng)池液位上升至某一設(shè)定值時，啟動水下攪拌器；
　　3.第一組反應(yīng)池內(nèi)液位達(dá)到設(shè)定最高值時，關(guān)閉進水電動閥門；
　　4.鼓風(fēng)機開啟受二個因素制約，一是時間，時間控制主要是反硝化攪拌反應(yīng)需一定時間；二是液位，進水后反應(yīng)池充滿到一定程序再開鼓風(fēng)機。二個條件必須同時滿足。開啟鼓風(fēng)機的同時，關(guān)閉攪拌機；
　　5.鼓風(fēng)機啟動臺數(shù)需根據(jù)反應(yīng)池溶解氧數(shù)值來確定。一般有如下三種方案：方案一 、方案二采用先同時開啟兩臺風(fēng)機，當(dāng)溶解氧到達(dá)某一設(shè)定值后，可改為一臺，繼續(xù)曝氣，直到設(shè)定曝氣時間結(jié)束再停機。方案三采用大小風(fēng)機交替使用，使溶解氧到達(dá)某一設(shè)定值；
　　6.第一組反應(yīng)池進水結(jié)束后，如第二組反應(yīng)池已做好進水準(zhǔn)備，則打開第二組電動進水閥。如第二組不能進水，則給出信號，停進水泵，等到第二組反應(yīng)池允許進水時打開電動進水閥，同時啟動進水泵；

　　7.在曝氣結(jié)束前，根據(jù)時間設(shè)定，打開排泥閥，排反應(yīng)池混合液，排泥量可通過時間或反應(yīng)池液位由工藝設(shè)計根據(jù)泥齡來確定，并可調(diào)整；
　　8.停機后開始計時，即反應(yīng)池進入沉淀階段。一般沉淀45分鐘后即可潷水；
　　9.沉淀階段結(jié)束時，給出信號，開啟潷水器。潷水器開啟時間主要受液位控制(即排水量要求)，潷水總量(以液位反應(yīng))到達(dá)后，給出信號關(guān)閉潷水器，此時進入閑置期待命，再轉(zhuǎn)入進水期；
　　10.第二、第三個反應(yīng)池操作也相同；
　　11.當(dāng)發(fā)生停電或其他意外事故使反應(yīng)池中斷工作，再恢復(fù)時，由于外管道內(nèi)積存污水較多，需及時抽送，可選改為人工操作，待正常后再切入自動運行?；蛴蒔LC按照事先設(shè)定的應(yīng)急程序操作，再過渡到正常運行；
　　12.由于冬季、夏季水質(zhì)水量水溫的變化，需要調(diào)整曝氣時間、排泥量、污水排出比等，因此可按照設(shè)計要求，形成多套運行周期程序，根據(jù)排水水質(zhì)來選擇合適的周期；也可在一天中采用不同周期運行。圖四是其中一種運行周期程序。
　　4.5計量監(jiān)測系統(tǒng)：
　　4.5.1集水池內(nèi)設(shè)上、中、下液位開關(guān)及液位計，并設(shè)上、下限報警；
　　4.5.2SBR反應(yīng)池內(nèi)設(shè)上、下液位開關(guān)；
　　4.5.3進出水流量，顯示瞬時值及積算值，并在計算機內(nèi)存放，提供日處理量供打印報表；
　　4.5.4在集水井監(jiān)測進水PH及進水溫度，其日最高值和平均值供報表打??；
　　4.5.5鼓風(fēng)機空氣量需計量積算，提供日報表打??；
　　4.5.6SBR池溶解氧供日報表打?。?br> 　　4.5.7排泥量積算并提供日報表打印。

　　5　PLC過程控制

　　 本系統(tǒng)采用兩種模式來實行控制。
　　5.1　手動，現(xiàn)場“手動/自動”選擇開關(guān)切換到手動，可由現(xiàn)場開關(guān)直接控制設(shè)備，這是最高優(yōu)先級的控制，在這一模式下，PLC僅對運行狀態(tài)作監(jiān)視。
　　5.2　自動，現(xiàn)場“手動/自動”選擇開關(guān)切換到自動，在這一模式下PLC能根據(jù)測量參數(shù)自動控制設(shè)備的運行。自動模式又可分為2種控制方式，我們在PLC的運行程序中設(shè)置了上位機控制方式與PLC控制方式。

　　5.2.1　　上位機控制方式：在計算機上，可以將控制方式切換到上位機控制，這時PLC接收上位機發(fā)出的指令，也即我們可以通過計算機直接遙控現(xiàn)場設(shè)備。
　　5.2.2PLC控制方式，PLC按上位機設(shè)定的運行模式自動控制設(shè)備運行，出現(xiàn)故障會及時報警。
　　(1)格柵單元
　　進水閘門現(xiàn)場控制，PLC監(jiān)視。格柵裝置：現(xiàn)場設(shè)置格柵、皮帶轉(zhuǎn)送機、壓榨機聯(lián)動控制系統(tǒng)，可由現(xiàn)場控制，也可由PLC控制。
　　(2)集水井單元
　　PLC根據(jù)液位儀測量值及上、中、下液位開關(guān)自動控制泵。關(guān)閉泵后須等待10分鐘才能啟動，以保證泵不頻繁啟動(緊急啟動不受此限制)。在啟動、停止過程中，PLC自動檢查泵的運行狀況，判別是否出現(xiàn)故障并報警。計算機自動記錄各泵的運行時間，并使之盡量相等。進水 流量、PH值、溫度測量信號經(jīng)PLC的Ato轉(zhuǎn)換后送計算機顯示、存儲。
　　(3)SBR池單元
　　溶解氧測量值及上、下液位開關(guān)信號送PLC，PLC根據(jù)設(shè)定的時間參數(shù)、上下液位開關(guān)信號啟閉進水電動閥門和潷水器，計算機自動記錄進水、出水時間。
　　(4)應(yīng)急措施
　　突然停電：計算機會自動檢查停電時刻設(shè)備運行狀況，提示用戶緊急處置的步驟、停電時期的注意事項及復(fù)電開機的步驟。

　　6　監(jiān)控及管理界面的開發(fā)

　　監(jiān)控及管理界面采用人機界面(MMI)軟件包二次開發(fā)而在。我們采用了用于控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、圖形組態(tài)監(jiān)控和管理的通用軟件包—FAGM，該軟件在Microsoft Windows3.2/95中文環(huán)境中運行，運用軟件設(shè)計了SBR法工藝總流程圖和相應(yīng)的各個控制單元的圖形界面，控制及管理軟件具有如下功能：
　　6.1　　工藝流程圖監(jiān)控、儀表面板；
　　6.2　　數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計報表；
　　6.3　　數(shù)據(jù)保存、分析和數(shù)據(jù)記錄追憶；
　　6.4　　報警顯示、保存和打?。?br> 　　6.5　　設(shè)備工作狀態(tài)控制和工藝參數(shù)設(shè)定；
　　6.6　　用鼠標(biāo)點動控制設(shè)備輸出。
　　本系統(tǒng)已在太陽島污水處理工程、吉化丙烯腈廢水預(yù)處理工程、金玉蘭廣場污水處理工程中實現(xiàn)，控制效果良好。