【文章內(nèi)容簡介】 五”國家科技攻關課題的建立與完成，使我國在污水處理新技術、污水再生利用新技術、污泥處理新技術等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果達到國際先進水平同時，借助于外貸城市污水處理工程項目的建設，國外許多新技術、新工藝、新設備被引進到我國， AB 法、氧化溝法、 A/O 工藝、 A/A/O 工藝 、 SBR 法在我國城市污水處理廠中均得到應用。污水處理工藝技術由過去只注重去除有機物發(fā)展為具有除磷脫氮功能。國外一些先進、高效的污水處理專用設備也進入了我國污水處理行業(yè)市場，如格柵機、潛水泵、除砂裝置、刮泥機、曝氣器、鼓風機、污泥泵、脫水機、沼氣發(fā)電機、沼氣鍋爐、污泥消化攪拌系統(tǒng)等大型設備與裝置。 我國 80 年代以前建設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，對氮磷的去除率非常低。為了適應水環(huán)境及排放要求，一些污水處理廠正在進行改造，增加或強化脫氮和除 磷功能。 AB 法污水處理工藝于 80 年代初開始在我國應用于工程實踐。由于其具有抗沖擊負荷能力強、對 PH 值變化和有毒物質(zhì)具有明顯緩沖作用的特點，故主要應用于污水濃度高、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采用較多的污水處理工藝技術之一。應用較多的有奧貝爾氧化溝工藝，由我國自行設計、全套設備國產(chǎn)化，已有成功實例。 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目。 多種類型的 SBR 工藝在我國均有應 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。 隨著我國對水環(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，并已開始在實際工程中應用。如泰安污水處理廠、青島李村河污水處理廠、天津北倉污水處理廠、北京清河污水處理廠等。 目前我國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，其余則為一級處理、強化一級處理、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。 從國情出發(fā)，我國城市污水處理發(fā)展趨勢： (1) 氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的去處仍為重點也是難點。 (2) 工業(yè)廢水治理開始轉(zhuǎn)向全過程控制。 (3) 單獨分散處理轉(zhuǎn)為城市污水集中處理。 (4) 水質(zhì)控制指標越來越嚴。 (5) 由單純工藝技術研究轉(zhuǎn)向工藝、設備、工程的綜合集成與產(chǎn)業(yè)化及經(jīng)濟、政策、標準的綜合性研究。 (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 為無害物質(zhì)，使水得到凈化?，F(xiàn)代污水處理技術，按原理可分為物理處理法、化學處理法和生物化學處理法三類。 生物化學處理是利用微生物處理污水中的有機污染物的一種工藝。該工藝運行費用較低，得到了廣泛的應用，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處理、一級處理、二級處理、深度處理和污泥處理及處置。 預處理：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)設備的正常 運行。 一級處理：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，達不到排放標準。 二級處理工藝：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)的有機污染物。經(jīng)二級處理后，有機污染物質(zhì)的去除率可達 90%以上，污水中污水五日需氧量值可降至20mg/L~30mg/L，有機污染物達到排放標準。 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準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，簡稱 SBR。早在 1914 年，這種處理系統(tǒng)就被采用，但由于當時的自動化水平較低，操作困難且工作量大，特別是后來隨著城市和工業(yè)廢水處理規(guī)模的日趨擴大，這個缺點更加突出，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，隨著計算機和自動控制技術的飛速發(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 許多獨特的優(yōu)點，使得間歇式活性污泥法日益受到國內(nèi)外的重視。 SBR 反應池去除有機物的機理在充氧時與普通活性污泥法相同，不同之處是運行按流入、反應、沉淀、排放、待機五個工序，依次在同一 SBR 反應池中周期性運行。從廢水流入開始到待機時間結(jié)束為一個周期，一切過程都在一個設有曝氣或攪拌裝置的 SBR 反應池內(nèi)進行，不必另設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，但在有機物降解方面，則是時間上的推流。 SBR 工藝是一種簡易、快速且低耗的廢水生物處理工藝。它主要有以下幾個方面的特點： 工藝簡單 、造價低；時間上具有理想的推流式反應器的特性；運行方式靈活，可脫氮除磷；具有較強的耐沖擊負荷的能力；良好的污泥沉降性能，不易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象。 第 3 章 設計方案的確定 PLC控制系統(tǒng)的設計分析 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。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體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、輸入 /輸出點數(shù)固定、實現(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 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)、存儲器、輸入 /輸出 (I/O)單元、電源和通信端口等分別做成相應的模塊、應用時將這些模塊根據(jù) 控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線互相聯(lián)系。其中 PLC 的 CPU 和存儲器設計在一個模塊上，有時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，需進行登記，以便 PLC 對安裝在總線上的各模塊進行地址確認。模塊式的特點是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性高。可以構(gòu)成不同控制規(guī)模和功能的 PLC，但同時價格也比較高?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示： 編 輯 器其 他 P L C或 上 位 機現(xiàn) 場 設 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行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。而 PLC 則不同，它采用循環(huán)掃描技術，只有該線圈通電或斷電，并且必須當程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作，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競爭和時序失配等問題。也可以說，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 個階段才能完成控制過程 [6]。 (1) 循環(huán)掃描技術 PLC 采用循環(huán)可以分為 3 個階段：輸入階段 (將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到 PLC)、執(zhí)行程序階段和輸出階段 (將輸出信號傳送到外部設備 )。 (a) 輸入階段 在這個階段中， PLC 先進行自我診斷，然后與編程器或計算機通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應的輸入存儲單元。 (b) 執(zhí)行程序階段 在這個階段中， PLC 按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。從相應的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態(tài) 和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行邏輯運算，得到運算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應的輸出存儲器單元。這一階段執(zhí)行完后，進入輸出階段。在這個程序執(zhí)行中，輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。 (c) 輸出階段 在這個階段中， PLC 將相應的輸出存儲單元的運算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部設備傳送輸出信號，開始控制外部設備。 (2) PLC 的輸入 /輸出響應時間 I/O 響應時間是指某一輸入信號從變化開始到系統(tǒng)相關輸出端信號的改變所需要的時間。因為 PLC 的循環(huán)掃描工作方式，所以收 到輸入信號的時刻不同，響應時間的長短也就不同。下面就給出最短和最長響應時間。 最短響應時間：一個掃描周期剛結(jié)束就收到輸入信號，即收到這個輸入信號與開始下一個掃描周期同時，這樣的響應時間最短?？紤]到輸入電路和輸出電路的延時，所以最短響應時間應大于一個掃描周期。 最長響應時間：在一個掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號，這樣這個輸入信號在該掃描周期將不會發(fā)生變化，要等到下個掃描周期才能得到響應，這時的響應時間最長。 PLC 控制系統(tǒng)設計原則的設計步驟 (1) 設計原則 PLC控制系統(tǒng)是為工藝流程服務的， 所以它首先要能很好地實現(xiàn)工藝提出的控制要求。PLC 控制系統(tǒng)的設計應遵循以下原則。 (a) 根據(jù)工藝流程進行設計，力求設計出來的控制系統(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)硬件費用。 (c) 考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統(tǒng)設計時應考慮 PLC 的可擴展性。 (d) 控制系統(tǒng)使用和維護方便、安全可靠。 8 (2) 設計步驟 一般 PLC 控制系統(tǒng)的設計步驟如圖，具體操作如下： 開 始 設 計控 制 要 求 分 析確 定 輸 入 輸 出 設 備I / O 點 數(shù) 分 配選 擇 合 適 的 P L CP L C 程 序 設 計模 擬 調(diào) 試現(xiàn) 場 聯(lián) 機 調(diào) 試整 理 技 術 文 件設 計 結(jié) 束 設計步驟示意圖 (3) 控制要求分 析 在設計 PLC 控制系統(tǒng)之前，必須對工藝過程進行細致的分析，詳細了解控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務，并更好地完成任務，設計出令人滿意的控制系統(tǒng)。 (4) 確定輸入 /輸出設備 根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設備 (控制按鈕、開關、傳感器等 )和輸出設備 (接觸器、繼電器 )。并根據(jù)所選用的輸入 /輸出設備的類型和數(shù)量，確定 PLC 的 I/O 點數(shù)。 (a) 選擇合適 PLC 確定 PLC 的 I/O 點數(shù)后，就根據(jù) I/O 點數(shù)、控制要求等來進行 PLC 的選擇。選擇包括機型、存儲器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊 等。 (b) I/O 點數(shù)分配 點數(shù)分配就是規(guī)定 PLC 的 I/O 端子和輸入 /輸出設備的對應關系，畫出 I/O 接線原理圖。 (c) PLC 程序設計 本階段就是根據(jù)控制對象和控制要求對 PLC 進行編程。首先把工藝流程分為若干階 9 段，確定每一個階段的輸入信號和輸出要控制的設備，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，可以用按鈕和開關模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬量，進行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。 (e) 現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試 現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試就是將 PLC 與現(xiàn)場設 備進行調(diào)試，在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實際問題，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。 (f) 整理技術文件 這一步主要包括整理與技術有關的文檔，包括設計說明書、 I/O 接線原理圖、程序清單和使用說明書等。 污水處理 PLC控制系統(tǒng)的設計分析 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“進水、曝氣、沉淀、排水”步驟周期性進行生化反應。從進水開始到排水結(jié)束算作一個周期。工藝流程圖如圖所示： SBR 工藝流程圖 基本工藝流程如下： (1) 進水 進水閥門打開，污水通過粗格柵，經(jīng)過水泵，然后細格柵過濾到達 SBR 池。 (2) 反應 反應工序是 SBR 工藝最主要的一道工序。當污水注入達到預定容積后，停止進水，空氣閥門打開。鼓風機啟動，開始曝氣，同時潛水攪拌器和回流污泥泵運行，可開始反應操作，如驅(qū)除 BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。根據(jù)反應需要達到的程度，進行曝氣和攪拌，并決定反應的時間長短，必要時可投加藥劑。在進入沉淀工序前，應進行 短時間的微量曝氣，以吹脫污泥上黏附的氣泡或氮，以保證排泥順利進行。 (3) 沉淀 當 SBR 池停止曝氣以后，空氣閥門關閉，潛水攪拌器和回流污泥泵停止運行，開始重力沉淀和泥水分離。 (4) 排水 SBR 池水位到達最高水位，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 風機 SBR 池 10 排出池外。當池水位達到處理周期開始時的最低水位時，停止?jié)Ｎ勰啾瞄_始運行，排泥至儲泥池。 上位監(jiān)控管理機 PLC 通過通信電纜將采集參數(shù)傳送給上位監(jiān)控管理機，通過上位監(jiān)控管理機可實時監(jiān)測有關參數(shù)變化，并保留一段時間的數(shù)據(jù)，形成變化 曲線。同時可以實時監(jiān)測所控設備工作狀態(tài)，具有設備故障報警、參數(shù)打印等功能。 第 4 章 硬件部分的設計 PLC的選擇 由于設計的污水處理控制系統(tǒng)是應用在小型規(guī)模的污水處理廠，本系統(tǒng)選用西門子PLC S7200 系列，主機型號為 CPU 226， 具有 24 個 數(shù)字 輸入點和 16 個 數(shù)字 輸出點 。 CPU226在污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點和輸出點都比較多，因此除了 PLC 主機自帶的 I/O外，還需要擴展一定數(shù)量的 I/O 擴展模塊。在此采用 EM223 輸入 /輸出混合擴展模塊。正好可以 滿足控制系統(tǒng)的 I/O 需求。 S7200 系列 PLC 在下列領域已經(jīng)得到了廣泛的應用：機床電氣、食品工業(yè)、化學工業(yè)、陶瓷工業(yè)、電力自動化設備、實驗室設備、電梯、中央空調(diào)、真空裝置、恒壓