上海市政工程設(shè)計(jì)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(yàn)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(guò)程更趨復(fù)雜，控制要求越來(lái)越高，管理水平將是污水處理事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的障礙之一。近年來(lái)從國(guó)外引進(jìn)設(shè)備的污水廠基本上都采用計(jì)算機(jī)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(dòng)化作些探討。
　　1.1微機(jī)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　目前國(guó)際上普遍采用的自動(dòng)化管理系統(tǒng)一般都采用這一模式：
　　人←→計(jì)算機(jī)←→PLC←→現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行的程序，PLC可以根據(jù)工藝參數(shù)按運(yùn)行模式自動(dòng)監(jiān)控、運(yùn)行設(shè)備。計(jì)算機(jī)在這一模式中起三個(gè)作用：①實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行工況。②實(shí)時(shí)向PLC傳送調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的指令。③建立數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存記錄運(yùn)行中各參數(shù)、指標(biāo)等資料。人可以通過(guò)計(jì)算機(jī)隨時(shí)改變工藝運(yùn)行的模式。PLC根據(jù)工藝運(yùn)行的模式自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行，并對(duì)工況運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)加以整理保存。
　　1.2微機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
　　1.2.1將分散在工藝流程上各控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)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(cè)的數(shù)據(jù)作為計(jì)算機(jī)選擇運(yùn)行模式的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)各設(shè)備有效的、自動(dòng)的控制。
　　1.2.3計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠運(yùn)行情況有序的、集中的管理，保證操作人員對(duì)整個(gè)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(gè)反應(yīng)池通過(guò)時(shí)間序列來(lái)完成進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置等功能。
　　在SBR池進(jìn)水階段，利用污水進(jìn)水中所含有機(jī)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(guò)一段時(shí)間后，開(kāi)始曝氣，在含碳有機(jī)物被氧化的同時(shí)，先后進(jìn)行氧化和硝化反應(yīng)，曝氣結(jié)束后進(jìn)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(duì)于SBR污水處理工藝，管理控制可分為兩個(gè)層次，它與連續(xù)流不同，處理操作需要開(kāi)、關(guān)反應(yīng)池進(jìn)水閥門(mén)，在預(yù)定的進(jìn)水時(shí)間內(nèi)，根據(jù)反應(yīng)池的充滿程序，確定啟、停鼓風(fēng)機(jī)、潷水器等一系列操作，這些均需PLC來(lái)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(guò)調(diào)整周期內(nèi)時(shí)間配置來(lái)調(diào)節(jié)。如出水氨氮過(guò)高，則需延長(zhǎng)曝氣時(shí)間，出水NOX-N過(guò)高則需增加反硝化時(shí)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(shí)際水量 、水質(zhì)、水溫等因素，在一段時(shí)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(duì)策，如突然停電一段時(shí)間后，應(yīng)以何種措施過(guò)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(jìn)行自動(dòng)化控制、管理的主要手段是可編程序控制器(PLC)和計(jì)算機(jī)。自動(dòng)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(gè)單元，每個(gè)單元由一臺(tái)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(jì)算機(jī)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(wèn)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(guò)通訊口與計(jì)算機(jī)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(jì)。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?？梢圆捎镁哂芯W(wǎng)絡(luò)功能的PLC，PLC之間構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并與計(jì)算機(jī)相連。每個(gè)PLC獨(dú)自控制一個(gè)單元，但這一模式的工程造價(jià)較高 。

　　4　SBR法工藝自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)

　　4.1設(shè)計(jì)規(guī)模及處理目標(biāo)
　　進(jìn)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(jì)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(jiǎn)潔，日后水量增長(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低能耗，減少運(yùn)行費(fèi)用和勞動(dòng)強(qiáng)度。
　　4.3設(shè)備及儀表配制
　　設(shè)置二個(gè)控制單元：進(jìn)水泵房單元(PLC1)；鼓風(fēng)機(jī)房單元(PLC2)。集控室與進(jìn)水泵房單元合在一起。鼓風(fēng)機(jī)房單元電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)PLC1在模擬屏上顯示出來(lái)。
　　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(jì)算機(jī)一臺(tái)、打印機(jī)一臺(tái)。

　　4.4　　工藝操作系統(tǒng)
　　污水廠的進(jìn)水泵房部分一般包括入流總閘門(mén)及放泄道、格柵、集水池和提升泵。進(jìn)水總閘門(mén)是為了部分進(jìn)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(dòng)閥門(mén)就地操作，其工況集中顯示。格柵一般采用電動(dòng)清撈，根據(jù)定時(shí)或格柵前后的液位差自動(dòng)運(yùn) 行。此外，還需配制垃圾皮帶輸送機(jī)或壓榨機(jī)，整個(gè)格柵除污系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)操作，集控室顯示。在集水池內(nèi)設(shè)浮球開(kāi)關(guān)及液位計(jì)，進(jìn)水泵的開(kāi)啟臺(tái)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(jī)二臺(tái)(30m³/min；20m³/min)，設(shè)置澆水器二臺(tái)(每臺(tái)流量450m³/h)，設(shè)置攪拌機(jī)四臺(tái)。周期設(shè)計(jì)為進(jìn)水2小時(shí)，曝氣4.5小時(shí)，沉淀0.75小時(shí)，排水0.75小時(shí)，整個(gè)周期為8小時(shí)。
　　1.首先第一組進(jìn)水，開(kāi)啟第一組進(jìn)水電動(dòng)閥門(mén)，同時(shí)給出信號(hào)，進(jìn)水泵準(zhǔn)予啟動(dòng)；
　　2.第一組反應(yīng)池液位上升至某一設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)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(shí)，關(guān)閉進(jìn)水電動(dòng)閥門(mén)；
　　4.鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟受二個(gè)因素制約，一是時(shí)間，時(shí)間控制主要是反硝化攪拌反應(yīng)需一定時(shí)間；二是液位，進(jìn)水后反應(yīng)池充滿到一定程序再開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)。二個(gè)條件必須同時(shí)滿足。開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)的同時(shí)，關(guān)閉攪拌機(jī)；
　　5.鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)需根據(jù)反應(yīng)池溶解氧數(shù)值來(lái)確定。一般有如下三種方案：方案一 、方案二采用先同時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，當(dāng)溶解氧到達(dá)某一設(shè)定值后，可改為一臺(tái)，繼續(xù)曝氣，直到設(shè)定曝氣時(shí)間結(jié)束再停機(jī)。方案三采用大小風(fēng)機(jī)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(jìn)水結(jié)束后，如第二組反應(yīng)池已做好進(jìn)水準(zhǔn)備，則打開(kāi)第二組電動(dòng)進(jìn)水閥。如第二組不能進(jìn)水，則給出信號(hào)，停進(jìn)水泵，等到第二組反應(yīng)池允許進(jìn)水時(shí)打開(kāi)電動(dòng)進(jìn)水閥，同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)水泵；

　　7.在曝氣結(jié)束前，根據(jù)時(shí)間設(shè)定，打開(kāi)排泥閥，排反應(yīng)池混合液，排泥量可通過(guò)時(shí)間或反應(yīng)池液位由工藝設(shè)計(jì)根據(jù)泥齡來(lái)確定，并可調(diào)整；
　　8.停機(jī)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，即反應(yīng)池進(jìn)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(shí)，給出信號(hào)，開(kāi)啟潷水器。潷水器開(kāi)啟時(shí)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(hào)關(guān)閉潷水器，此時(shí)進(jìn)入閑置期待命，再轉(zhuǎn)入進(jìn)水期；
　　10.第二、第三個(gè)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(shí)，由于外管道內(nèi)積存污水較多，需及時(shí)抽送，可選改為人工操作，待正常后再切入自動(dòng)運(yùn)行。或由PLC按照事先設(shè)定的應(yīng)急程序操作，再過(guò)渡到正常運(yùn)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(shí)間、排泥量、污水排出比等，因此可按照設(shè)計(jì)要求，形成多套運(yùn)行周期程序，根據(jù)排水水質(zhì)來(lái)選擇合適的周期；也可在一天中采用不同周期運(yùn)行。圖四是其中一種運(yùn)行周期程序。
　　4.5計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：
　　4.5.1集水池內(nèi)設(shè)上、中、下液位開(kāi)關(guān)及液位計(jì)，并設(shè)上、下限報(bào)警；
　　4.5.2SBR反應(yīng)池內(nèi)設(shè)上、下液位開(kāi)關(guān)；
　　4.5.3進(jìn)出水流量，顯示瞬時(shí)值及積算值，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)存放，提供日處理量供打印報(bào)表；
　　4.5.4在集水井監(jiān)測(cè)進(jìn)水PH及進(jìn)水溫度，其日最高值和平均值供報(bào)表打??；
　　4.5.5鼓風(fēng)機(jī)空氣量需計(jì)量積算，提供日?qǐng)?bào)表打??；
　　4.5.6SBR池溶解氧供日?qǐng)?bào)表打??；
　　4.5.7排泥量積算并提供日?qǐng)?bào)表打印。

　　5　PLC過(guò)程控制

　　 本系統(tǒng)采用兩種模式來(lái)實(shí)行控制。
　　5.1　手動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)“手動(dòng)/自動(dòng)”選擇開(kāi)關(guān)切換到手動(dòng)，可由現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)直接控制設(shè)備，這是最高優(yōu)先級(jí)的控制，在這一模式下，PLC僅對(duì)運(yùn)行狀態(tài)作監(jiān)視。
　　5.2　自動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)“手動(dòng)/自動(dòng)”選擇開(kāi)關(guān)切換到自動(dòng)，在這一模式下PLC能根據(jù)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行。自動(dòng)模式又可分為2種控制方式，我們?cè)赑LC的運(yùn)行程序中設(shè)置了上位機(jī)控制方式與PLC控制方式。

　　5.2.1　　上位機(jī)控制方式：在計(jì)算機(jī)上，可以將控制方式切換到上位機(jī)控制，這時(shí)PLC接收上位機(jī)發(fā)出的指令，也即我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直接遙控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
　　5.2.2PLC控制方式，PLC按上位機(jī)設(shè)定的運(yùn)行模式自動(dòng)控制設(shè)備運(yùn)行，出現(xiàn)故障會(huì)及時(shí)報(bào)警。
　　(1)格柵單元
　　進(jìn)水閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)控制，PLC監(jiān)視。格柵裝置：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置格柵、皮帶轉(zhuǎn)送機(jī)、壓榨機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，可由現(xiàn)場(chǎng)控制，也可由PLC控制。
　　(2)集水井單元
　　PLC根據(jù)液位儀測(cè)量值及上、中、下液位開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制泵。關(guān)閉泵后須等待10分鐘才能啟動(dòng)，以保證泵不頻繁啟動(dòng)(緊急啟動(dòng)不受此限制)。在啟動(dòng)、停止過(guò)程中，PLC自動(dòng)檢查泵的運(yùn)行狀況，判別是否出現(xiàn)故障并報(bào)警。計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄各泵的運(yùn)行時(shí)間，并使之盡量相等。進(jìn)水 流量、PH值、溫度測(cè)量信號(hào)經(jīng)PLC的Ato轉(zhuǎn)換后送計(jì)算機(jī)顯示、存儲(chǔ)。
　　(3)SBR池單元
　　溶解氧測(cè)量值及上、下液位開(kāi)關(guān)信號(hào)送PLC，PLC根據(jù)設(shè)定的時(shí)間參數(shù)、上下液位開(kāi)關(guān)信號(hào)啟閉進(jìn)水電動(dòng)閥門(mén)和潷水器，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄進(jìn)水、出水時(shí)間。
　　(4)應(yīng)急措施
　　突然停電：計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)檢查停電時(shí)刻設(shè)備運(yùn)行狀況，提示用戶緊急處置的步驟、停電時(shí)期的注意事項(xiàng)及復(fù)電開(kāi)機(jī)的步驟。

　　6　監(jiān)控及管理界面的開(kāi)發(fā)

　　監(jiān)控及管理界面采用人機(jī)界面(MMI)軟件包二次開(kāi)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(yùn)行，運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)了SBR法工藝總流程圖和相應(yīng)的各個(gè)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(jì)報(bào)表；
　　6.3　　數(shù)據(jù)保存、分析和數(shù)據(jù)記錄追憶；
　　6.4　　報(bào)警顯示、保存和打??；
　　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(diǎn)動(dòng)控制設(shè)備輸出。
　　本系統(tǒng)已在太陽(yáng)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(chǎng)污水處理工程中實(shí)現(xiàn)，控制效果良好。