【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 五”國(guó)家科技攻關(guān)課題的建立與完成，使我國(guó)在污水處理新技術(shù)、污水再生利用新技術(shù)、污泥處理新技術(shù)等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平同時(shí)，借助于外貸城市污水處理工程項(xiàng)目的建設(shè)，國(guó)外許多新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備被引進(jìn)到我國(guó)， AB 法、氧化溝法、 A/O 工藝、 A/A/O 工藝 、 SBR 法在我國(guó)城市污水處理廠中均得到應(yīng)用。污水處理工藝技術(shù)由過去只注重去除有機(jī)物發(fā)展為具有除磷脫氮功能。國(guó)外一些先進(jìn)、高效的污水處理專用設(shè)備也進(jìn)入了我國(guó)污水處理行業(yè)市場(chǎng)，如格柵機(jī)、潛水泵、除砂裝置、刮泥機(jī)、曝氣器、鼓風(fēng)機(jī)、污泥泵、脫水機(jī)、沼氣發(fā)電機(jī)、沼氣鍋爐、污泥消化攪拌系統(tǒng)等大型設(shè)備與裝置。 我國(guó) 80 年代以前建設(shè)的城市污水處理廠大部分采用普通曝氣法活性污泥處理工藝， 4 由于該工藝主要以去除 BOD5 和 SS 為主要目標(biāo)，對(duì)氮磷的去除率非常低。為了適應(yīng)水環(huán)境及排放要求，一些污水處理廠正在進(jìn)行改造，增加或強(qiáng)化脫氮和除 磷功能。 AB 法污水處理工藝于 80 年代初開始在我國(guó)應(yīng)用于工程實(shí)踐。由于其具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、對(duì) PH 值變化和有毒物質(zhì)具有明顯緩沖作用的特點(diǎn)，故主要應(yīng)用于污水濃度高、水質(zhì)水量變化較大，特別是工業(yè)污水所占比較高的城市污水處理廠。 目前氧化溝工藝是我國(guó)采用較多的污水處理工藝技術(shù)之一。應(yīng)用較多的有奧貝爾氧化溝工藝，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、全套設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，已有成功實(shí)例。 DE 型氧化溝和三溝式氧化溝在中高濃度的中小型城市污水處理中也有應(yīng)用。采用卡羅塞爾氧化溝工藝的城市污水處理廠大部分為外貸項(xiàng)目。 多種類型的 SBR 工藝在我國(guó)均有應(yīng) 用，如屬第二代 SBR 工藝的 ICEAS 工藝，屬第三代的 CAST 工藝、 UNITANK 工藝等。 隨著我國(guó)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，使得新建城市污水處理廠必須考慮氮磷的去除問題。由此開發(fā)了改良 A/A/O 工藝和回流污泥反硝化生物除磷工藝，并已開始在實(shí)際工程中應(yīng)用。如泰安污水處理廠、青島李村河污水處理廠、天津北倉(cāng)污水處理廠、北京清河污水處理廠等。 目前我國(guó)新建及在建的污水處理廠所采用的工藝中，各種類型的活性污泥法仍為主流，占 90%以上，其余則為一級(jí)處理、強(qiáng)化一級(jí)處理、生物膜法及與其他處理工藝相結(jié)合的自然生態(tài)凈化法等污水 處理工藝技術(shù)。 從國(guó)情出發(fā)，我國(guó)城市污水處理發(fā)展趨勢(shì)： (1) 氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去處仍為重點(diǎn)也是難點(diǎn)。 (2) 工業(yè)廢水治理開始轉(zhuǎn)向全過程控制。 (3) 單獨(dú)分散處理轉(zhuǎn)為城市污水集中處理。 (4) 水質(zhì)控制指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)。 (5) 由單純工藝技術(shù)研究轉(zhuǎn)向工藝、設(shè)備、工程的綜合集成與產(chǎn)業(yè)化及經(jīng)濟(jì)、政策、標(biāo)準(zhǔn)的綜合性研究。 (6) 污水再生利用提上日程。 (7) 中小城鎮(zhèn)污水污染與治理問題開始受到重視。 污水處理工藝流程 污水處理就是采用各種技術(shù)與手段，將污水中所含的污染物質(zhì)分離去除、回收利用，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化 為無(wú)害物質(zhì)，使水得到凈化。現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按原理可分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物化學(xué)處理法三類。 生物化學(xué)處理是利用微生物處理污水中的有機(jī)污染物的一種工藝。該工藝運(yùn)行費(fèi)用較低，得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為城市污水處理的主體工藝。該法有活性污泥法和生物膜法兩種，前者多用于城市污水，后者多用于處理高濃度有機(jī)污水與污水處理過程中生產(chǎn)的污泥。 城市污水處理按處理程度不同可分為預(yù)處理、一級(jí)處理、二級(jí)處理、深度處理和污泥處理及處置。 預(yù)處理：主要包括格柵和沉砂池。其主要作用是截留大塊物質(zhì)、砂石，以保證后續(xù)設(shè)備的正常 運(yùn)行。 一級(jí)處理：主要是初次沉淀池。目的是將污水中懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)盡可育出或沉降去除，經(jīng)過一級(jí)處理后的污水，可去除 50%左右的懸浮物，污水五日需氧量一般只能去除 30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。 二級(jí)處理工藝：主要有曝氣池和二沉池構(gòu)成。它是城市污水處理廠的核心，一般采用 5 生物處理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物。經(jīng)二級(jí)處理后，有機(jī)污染物質(zhì)的去除率可達(dá) 90% 以上，污水中污水五日需氧量值可降至20mg/L~30mg/L，有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 深度處理：通用的工藝有混凝沉淀和過濾。主 要目的是為了滿足高標(biāo)準(zhǔn)的受納水體要求或用于工業(yè)等特殊用途，它是城市污水處理未來(lái)發(fā)展的方向。 污泥處理和處置：主要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或衛(wèi)生填埋。 SBR污水處理工藝概述 序批式活性污泥法，簡(jiǎn)稱 SBR。早在 1914 年，這種處理系統(tǒng)就被采用，但由于當(dāng)時(shí)的自動(dòng)化水平較低，操作困難且工作量大，特別是后來(lái)隨著城市和工業(yè)廢水處理規(guī)模的日趨擴(kuò)大，這個(gè)缺點(diǎn)更加突出，間歇式活性污泥法逐漸被連續(xù)式活性污泥法取代。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，這一弊端得到很好的解決。同連續(xù)式活性污泥法相比， SBR 具有 許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得間歇式活性污泥法日益受到國(guó)內(nèi)外的重視。 SBR 反應(yīng)池去除有機(jī)物的機(jī)理在充氧時(shí)與普通活性污泥法相同，不同之處是運(yùn)行按流入、反應(yīng)、沉淀、排放、待機(jī)五個(gè)工序，依次在同一 SBR 反應(yīng)池中周期性運(yùn)行。從廢水流入開始到待機(jī)時(shí)間結(jié)束為一個(gè)周期，一切過程都在一個(gè)設(shè)有曝氣或攪拌裝置的 SBR 反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，不必另設(shè)沉淀池和污泥回流泵等裝置。間歇式活性污泥曝氣法在流態(tài)上雖然屬完全混合式，但在有機(jī)物降解方面，則是時(shí)間上的推流。 SBR 工藝是一種簡(jiǎn)易、快速且低耗的廢水生物處理工藝。它主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)： 工藝簡(jiǎn)單 、造價(jià)低；時(shí)間上具有理想的推流式反應(yīng)器的特性；運(yùn)行方式靈活，可脫氮除磷；具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷的能力；良好的污泥沉降性能，不易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象。 第 3 章 設(shè)計(jì)方案的確定 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同， PLC 的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類。 (1) 整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 整體式 (又稱箱體式 )結(jié)構(gòu)的 PLC 由中央處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出 (I/O)單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在同一機(jī)體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)固定、實(shí)現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，但靈活性能較低?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 6 中 央 處 理 器（ C P U ）編 程 器電 源系 統(tǒng) 總 線輸 入 / 輸 出 單 元存 儲(chǔ) 器 整體式結(jié)構(gòu)圖 (2) 模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 模塊式 (又稱組合式 )結(jié)構(gòu)的 PLC 是將中央處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出 (I/O)單元、電源和通信端口等分別做成相應(yīng)的模塊、應(yīng)用時(shí)將這些模塊根據(jù) 控制要求插在機(jī)架上，各模塊間通過機(jī)架上的總線互相聯(lián)系。其中 PLC 的 CPU 和存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)在一個(gè)模塊上，有時(shí)把電源也放在這一模塊上，該模塊在總線上的安裝位置一般是固定的，模塊式的 PLC 安裝完成后，需進(jìn)行登記，以便 PLC 對(duì)安裝在總線上的各模塊進(jìn)行地址確認(rèn)。模塊式的特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性高?？梢詷?gòu)成不同控制規(guī)模和功能的 PLC，但同時(shí)價(jià)格也比較高?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示： 編 輯 器其 他 P L C或 上 位 機(jī)現(xiàn) 場(chǎng) 設(shè) 備電 源模 塊C P U模 塊輸 入模 塊特 殊 功能 模 塊通 信模 塊輸 出模 塊基 架 結(jié)構(gòu)式模塊圖 7 PLC 的工作原理 PLC 與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運(yùn)行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點(diǎn)立即動(dòng)作，只要形成電流通路，就有可能有幾個(gè)電器同時(shí)動(dòng)作。而 PLC 則不同，它采用循環(huán)掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時(shí)，該線圈觸點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作，而且每次只能執(zhí)行一條指令，這也就是 PLC 以“串行”方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配等問題。也可以說(shuō)，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而 PLC 控制則需要出入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出 3 個(gè)階段才能完成控制過程 [6]。 (1) 循環(huán)掃描技術(shù) PLC 采用循環(huán)可以分為 3 個(gè)階段：輸入階段 (將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)傳送到 PLC)、執(zhí)行程序階段和輸出階段 (將輸出信號(hào)傳送到外部設(shè)備 )。 (a) 輸入階段 在這個(gè)階段中， PLC 先進(jìn)行自我診斷，然后與編程器或計(jì)算機(jī)通信，同時(shí)中央處理器掃描各個(gè)輸入端并讀取輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲(chǔ)單元。 (b) 執(zhí)行程序階段 在這個(gè)階段中， PLC 按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。從相應(yīng)的輸入存儲(chǔ)單元讀入輸入信號(hào)的狀態(tài) 和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到運(yùn)算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)器單元。這一階段執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出階段。在這個(gè)程序執(zhí)行中，輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。 (c) 輸出階段 在這個(gè)階段中， PLC 將相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)單元的運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號(hào)，開始控制外部設(shè)備。 (2) PLC 的輸入 /輸出響應(yīng)時(shí)間 I/O 響應(yīng)時(shí)間是指某一輸入信號(hào)從變化開始到系統(tǒng)相關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需要的時(shí)間。因?yàn)?PLC 的循環(huán)掃描工作方式，所以收 到輸入信號(hào)的時(shí)刻不同，響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短也就不同。下面就給出最短和最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。 最短響應(yīng)時(shí)間：一個(gè)掃描周期剛結(jié)束就收到輸入信號(hào)，即收到這個(gè)輸入信號(hào)與開始下一個(gè)掃描周期同時(shí)，這樣的響應(yīng)時(shí)間最短?？紤]到輸入電路和輸出電路的延時(shí)，所以最短響應(yīng)時(shí)間應(yīng)大于一個(gè)掃描周期。 最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間：在一個(gè)掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號(hào)，這樣這個(gè)輸入信號(hào)在該掃描周期將不會(huì)發(fā)生變化，要等到下個(gè)掃描周期才能得到響應(yīng)，這時(shí)的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則的設(shè)計(jì)步驟 (1) 設(shè)計(jì)原則 PLC控制系統(tǒng)是為工藝流程服務(wù)的， 所以它首先要能很好地實(shí)現(xiàn)工藝提出的控制要求。PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則。 (a) 根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求設(shè)計(jì)出來(lái)的控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。 (b) 在滿足控制要求的前提下，盡量減少 PLC 系統(tǒng)硬件費(fèi)用。 (c) 考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮 PLC 的可擴(kuò)展性。 (d) 控制系統(tǒng)使用和維護(hù)方便、安全可靠。 8 (2) 設(shè)計(jì)步驟 一般 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如圖，具體操作如下： 開 始 設(shè) 計(jì)控 制 要 求 分 析確 定 輸 入 輸 出 設(shè) 備I / O 點(diǎn) 數(shù) 分 配選 擇 合 適 的 P L CP L C 程 序 設(shè) 計(jì)模 擬 調(diào) 試現(xiàn) 場(chǎng) 聯(lián) 機(jī) 調(diào) 試整 理 技 術(shù) 文 件設(shè) 計(jì) 結(jié) 束 設(shè)計(jì)步驟示意圖 (3) 控制要求分 析 在設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)之前，必須對(duì)工藝過程進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)了解控制對(duì)象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù)，并更好地完成任務(wù)，設(shè)計(jì)出令人滿意的控制系統(tǒng)。 (4) 確定輸入 /輸出設(shè)備 根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備 (控制按鈕、開關(guān)、傳感器等 )和輸出設(shè)備 (接觸器、繼電器 )。并根據(jù)所選用的輸入 /輸出設(shè)備的類型和數(shù)量，確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 (a) 選擇合適 PLC 確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)后，就根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)、控制要求等來(lái)進(jìn)行 PLC 的選擇。選擇包括機(jī)型、存儲(chǔ)器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊 等。 (b) I/O 點(diǎn)數(shù)分配 點(diǎn)數(shù)分配就是規(guī)定 PLC 的 I/O 端子和輸入 /輸出設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，畫出 I/O 接線原理圖。 (c) PLC 程序設(shè)計(jì) 本階段就是根據(jù)控制對(duì)象和控制要求對(duì) PLC 進(jìn)行編程。首先把工藝流程分為若干階 9 段，確定每一個(gè)階段的輸入信號(hào)和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的聯(lián)系，然后畫出程序流程圖，最后再進(jìn)行程序編制。 (d) 模擬調(diào)試 程序編制好后，可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬量，進(jìn)行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。 (e) 現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試 現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將 PLC 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備進(jìn)行調(diào)試，在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實(shí)際問題，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。 (f) 整理技術(shù)文件 這一步主要包括整理與技術(shù)有關(guān)的文檔，包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書、 I/O 接線原理圖、程序清單和使用說(shuō)明書等。 污水處理 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 污水處理的過程 本課題中 的污水處理采用 SBR 污水生物處理工藝，即序批式間歇活性污泥法。這種工藝是按“進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水”步驟周期性進(jìn)行生化反應(yīng)。從進(jìn)水開始到排水結(jié)束算作一個(gè)周期。工藝流程圖如圖所示： SBR 工藝流程圖 基本工藝流程如下： (1) 進(jìn)水 進(jìn)水閥門打開，污水通過粗格柵，經(jīng)過水泵，然后細(xì)格柵過濾到達(dá) SBR 池。 (2) 反應(yīng) 反應(yīng)工序是 SBR 工藝最主要的一道工序。當(dāng)污水注入達(dá)到預(yù)定容積后，停止進(jìn)水，空氣閥門打開。鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，開始曝氣，同時(shí)潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾眠\(yùn)行，可開始反應(yīng)操作，如驅(qū)除 BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。根據(jù)反應(yīng)需要達(dá)到的程度，進(jìn)行曝氣和攪拌，并決定反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)短，必要時(shí)可投加藥劑。在進(jìn)入沉淀工序前，應(yīng)進(jìn)行 短時(shí)間的微量曝氣，以吹脫污泥上黏附的氣泡或氮，以保證排泥順利進(jìn)行。 (3) 沉淀 當(dāng) SBR 池停止曝氣以后，空氣閥門關(guān)閉，潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾猛Ｖ惯\(yùn)行，開始重力沉淀和泥水分離。 (4) 排水 SBR 池水位到達(dá)最高水位，并經(jīng)過沉淀工藝以后，上清液 (上面的清液）由潷水器緩慢污水池 水泵 污水 處理后的污水 肥料 泥池 風(fēng)機(jī) SBR 池 10 排出池外。當(dāng)池水位達(dá)到處理周期開始時(shí)的最低水位時(shí)，停止?jié)?。污泥泵開始運(yùn)行，排泥至儲(chǔ)泥池。 上位監(jiān)控管理機(jī) PLC 通過通信電纜將采集參數(shù)傳送給上位監(jiān)控管理機(jī)，通過上位監(jiān)控管理機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有關(guān)參數(shù)變化，并保留一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，形成變化 曲線。同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所控設(shè)備工作狀態(tài)，具有設(shè)備故障報(bào)警、參數(shù)打印等功能。 第 4 章 硬件部分的設(shè)計(jì) PLC的選擇 由于設(shè)計(jì)的污水處理控制系統(tǒng)是應(yīng)用在小型規(guī)模的污水處理廠，本系統(tǒng)選用西門子PLC S7200 系列，主機(jī)型號(hào)為 CPU 226， 具有 24 個(gè) 數(shù)字 輸入點(diǎn)和 16 個(gè) 數(shù)字 輸出點(diǎn) 。 CPU226在污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)都比較多，因此除了 PLC 主機(jī)自帶的 I/O外，還需要擴(kuò)展一定數(shù)量的 I/O 擴(kuò)展模塊。在此采用 EM223 輸入 /輸出混合擴(kuò)展模塊。正好可以 滿足控制系統(tǒng)的 I/O 需求。 S7200 系列 PLC 在下列領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用：機(jī)床電氣、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、陶瓷工業(yè)、電力自動(dòng)化設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、電梯、中央空調(diào)、真空裝置、恒