城市污水处理厂自动化系统的结构形式.doc

论述与分析城市污水处理厂自动化系统的结构形式0 前言近数十年来，自动化技术的应用范围越来越广泛，应用程度也更加深入。自动化技术的普遍应用，极大地把人类从繁杂的体力劳动和不安全的工作环境中解放出来，显著地改善了人类的工作环境和提高了人类的生活质量。不仅如此，自动化技术的应用，还明显地增强了企业的竞争能力，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。随着计算机技术的快速发展和在各个领域的渗透，使基于计算机软硬件技术的自动化技术发展到了一个新的水平，并展示出了强劲的生命力和应用前景。特别是信息时代的到来、计算机网络技术的成熟和迅速普及，给自动化技术提出了新的要求和展示了新的应用前景。可以相信，基于计算机网络技术的自动控制技术将是今天和明天的应用主流。在总体技术上与其他的西方国家相比，中国的自动化技术领域是一个起步较晚、水平相对落后但发展较快的一个国家。自动化技术在我国的应用，已经产生了巨大的经济效益和社会效益。为了进一步增强国家的实力和与发达国家竞争，我们还必须进一步加强自动化技术的基础研究和深化应用程度。1 污水处理厂的项目建设总体原则污水处理厂顶上建设总体原则有如下几条：实用性。以解决现实问题为主，坚持为领导决策服务，又为经营管理服务，为生产建设服务。先进性。采用成熟的技术，兼顾未来的发展趋势，及量力而行，又适当超前，留有发展余地。可扩展性。系统便于扩展，以保护前期投资的有效性和后续投资的连续性。经济性。以节约成本为基本出发点，建立一个运行可靠、满足公司实际需求的监控系统。易用性。系统操作简便、直观，以利于各个层次的人员使用。可靠性。确保系统可靠运行，在关键部分应有安全和容错措施。可管理性。系统从设计、器件、设备等的选型都必须考虑到系统的可管理性和可维护性。开放性。采用符合国际标准的产品，保证系统具有开放性特点。2 两个城市污水处理厂自动化系统的结构形式2.1 结构形式一中央控制室和厂区三个现场控制站之间以一个冗余的100Mbps光纤工业以太网环网组成一个有线数据通信网络系统。现场控制站在现场进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采集、检测和控制，并通过该站的人机界面对设备运行操作，同时向中央控制室进行实时传送。中央控制室可监视各现场站的全部运行信息，在中央控制室可通过上位计算机控制现场设备的启动和停止。 现场控制站在与设备自带的PLC通讯时，采用Profibus_FMS的方式，其通讯介质为屏蔽双绞线，其通讯速率最大可达1.5Mbit/s。现场控制站采用西门子S7 400 PLC，CPU采用4163DP高档CPU，具有运算速度快，资源丰富等优点。-计算机监控软件采用西门子WINCC，它具有画面显示、趋势曲线、报警处理、报表处理、数据管理、网上浏览等功能。-整个自控系统体现了西门子全厂一体化的先进自控理念，并且网络结构完全符合现场总线的国际标准。该模式布置如下所示：-2.2 结构模式二下面一个系统采用了当前国际先进的计算机技术、自动控制技术，网络通讯技术，实现了污水处理厂的测、控、管、信息一体化。该模式布置如下所示：3 城市污水处理厂自动化系统各个部分的分析3.1 污水预处理系统/进水泵房该PLC工作站设在厂区进水提升泵房控制室，负责监控污水处理厂的预处理工段。其主要控制对象为粗格栅间的粗格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备，此外，还负责进水水质如pH、SS(浊度测量)等参数的在线检测。3.2 生物处理系统/配电中心该PLC工作站一般设在全厂的配电中心控制室，负责监控污水生物处理工段。其主要控制对象为生物池的水下搅拌器、水下推进器和曝气设备，污泥回流泵房的污泥回流泵、剩余污泥泵，二沉池的刮吸泥机等设备。此外，其还负责生物池DO、ORP、MLSS；污泥泵房pH、MLSS，配电中心的电气参数如：电流、电压、有功功率，无功功率、有功电能、无功电能等参数的在线检测。若污水厂生物池采用鼓风曝气时，在系统中还需增设鼓风机房PLC工作站，一般情况下工作站设在鼓风机房配电间控制室，负责监控鼓风机及其辅助设备的运行及风量的调节。3.3 污水消毒系统/出水泵房该PLC工作站设在出水泵房控制室。其主要控制对象为出水提升泵、切换井电动阀门以及加氯消毒等设备，此外其还负责出水水质如：余氯、COD、流量等参数的在线检测。3.4 污泥处理系统/脱水车间该PLC工作站一般设在脱水车间配电间控制室，负责监控污泥处理工段。其主要控制对象为储泥池的搅拌器、电动阀门，脱水车间的进泥泵、脱水机、浓缩机、加药系统等设备4 层次化管理模式分析4.1 集中监视操作层该层一般设在综合楼或配电中心的中心控制室，由两台工业控制计算机和输入/输出设备等组成。在中心控制室设置大屏幕投影仪或模拟屏，以使值班人员更清晰地监视全厂的生产实况。4.2 厂区生产管理层该层由中、高档计算机终端担当的工厂自动化综合服务系统和办公自动化系统组合而成，负责有关的生产管理、成本控制、质量管理、人事管理、财务管理等方面的综合处理，达到优化组合的目标。为使厂部管理人员更好、更直接地了解全厂生产情况，在厂部一般设置4个计算机终端，即厂长办公室、总工程师办公室、化验室和厂务办公室计算机终端作为厂部生产管理层。4.3 公司调度层公司调度系统负责全区域污水处理厂的生产调度及与其他管理部门或行政主管部门的联系，其对内通过对各污水厂的监控来协调各厂的生产，对外可与其他行业及各级行政主管部门进行通信交换信息。4.4 网络结构在污水处理厂自动化系统的各层之间、各PLC工作站之间都是通过计算机网络进行连接的，通过网络的物理介质进行通信及信息交换。综合比较常用网络的物理结构特点，结合城市污水厂的实际情况，一般污水处理厂厂区面积都不是很大，最长的站点距离为1km左右，工控网的站点为47个，管理网的站点为35个，同时污水处理厂都又存在扩建、改造、增加或减少PLC工作站的可能，我们在设计工控网时采用总线网结构，其特性能满足工业控制实时性高、扩展灵活、方便的要求。对于管理网由于其实时性要求不高，同时对其网络中计算机终端的确切数量及今后的发展无法准确估算，在设计中管理网络都采用星型结构以满足灵活性好、扩展维护方便的要求。4.5 三网络通信污水厂自动化系统通常采用三级或四级子网构成复合型网络结构，要求我们在各级子网中都配置不同的通信协议，以适应不同的通信要求。由于现场测量控制层传递过程数据及控制命令，这种信息很短，对实时性要求较高，我们采用周期“I/O”方式通信。其采用的主协议大多为塌缩结构，只有物理层、链路层及应用层，而且大多为各PLC公司的专用协议。在设计时应按选择的PLC型号配置其通信协议。集中监视操作层主要负责传递监控信息，信息长度居于过程数据与管理信息之间，对实时性要求也比较高，其通信协议常用令牌方式控制通信，通信速率为1100Mb/s。在厂部及公司管理层，由于其需要进行PLC网的互联，PLC网与其他局域网的互联，因此，在这两层中一般采用开发性能好的通用协议。个人计算机或PLC工作站在加入不同级别的子网时，必须按所连入的子网配置通信模板，并且应按该级子网配置的通信协议编制用户通信程序。4.6 系统软件在网络结构设计、操作和维护方面，网络软件、支撑软件、工具软件和应用软件起着极其重要的作用，作为工业控制用软件我们认为其必须能满足以下的性能和功能方面的要求。污水厂自动化系统软件应是能支持系统资源共享，适用于不同的计算机硬件平台，支持实时多任务、多用户、多处理性能，支持中文字库，支持网络通信和网络服务，具有良好的组态功能和组态方式，友好的人机界面，支持多种数据库操作和格式化，支持多媒体，支持系统冗余，有较高的可靠性、实时性，具有良好的开放性和通用性等。污水处理厂自动化系统软件必须具有以下功能：数据采集、监控、信息管理、报表、趋势分析、登录、动态模拟、报警和事件窗口、自诊断、历史数据处理、在线组态和安全管理功能等。应用软件通常是由系统集成商根据污水处理厂的工艺设计及使用要求，在系统软件、支撑软件平台上组态完成的程序。其属于非标产品，直接影响整个系统的可用性、安全性，在某种意义上，应用软件的好坏将会影响操作人员对工作、网络和组织的感受。4.7 系统硬件系统硬件包括站点硬件和网络硬件两大类，由于污水处理厂生产过程缓慢、无自动化也可生产的特点，一般常用的PLC产品、网络产品，个人计算机等在可靠性指标MTBF(平均无故障间隔时间)、技术参数等方面一般都能满足污水处理厂自动化系统的使用要求。由此，我们在设计中充分考虑软/硬件相匹配、性价比高等原则选择系统硬件。5 污水处理厂系统构成拓扑图5.1 网络拓扑图及其构成该装置采用计算机监控系统，分站用可编程控制器(PLC)的自动化控制系统。软件为采用太力信息产业有限公司的ISynall平台开发的专用软件包。5.2 人机界面及功能人机界面是操作者和系统交互联系的平台，它直接面向操作者，是用户认识评价一个系统的首要部分。本系统采用在WINDOWS环境下运行的ISynall软件包它把实时动态的各种信息量以图形、文字、画面的方式有机地结合在一起，立体感强，操作简便，直观舒适。操作者可用鼠标完成对软件的全部操作，包括菜单选择、画面切换、实时数据显示、历史数据前/后翻页、报表生成及打印、故障查询及复位、文件管理、参数设定等等，每页图形均固定有即时报警信息栏、向上翻页、回到主菜单、打开报警显示屏，操作人员姓名注册显示、故障/维修/模拟报警实时显示等功能。本软件包采用的是全中文界面更有利于操作者进行操作。5.3 自动控制过程1、进水泵 2、粗格栅 3、细格栅 4、刮砂桥和砂泵 5、进水流量和pH计 6、水下推进器 7、罗茨鼓风机 8、回流污泥泵 9、二沉池刮泥桥和浮渣泵 10、剩余污泥泵5.4 系统运行与维护该自动控制系统完全能够满足工艺运行需要，保证日处理水量、水质达到设计要求。由于生产需要，本系统必须24h连续运行，因此，对设备从选型到安装，从使用到维护管理都提出了较高要求。6 结束语污水厂自动化系统从理论上来讲是一个完整的、开放的系统，但在实际设计及工程实施过程中也存在一些问题。特别是一些大型设备如鼓风机、离心脱水机、高压配电系统综合智能保护装置等，其控制系统由设备配套带来，一般情况下自成网络，是各自分离的自动化孤岛，使日后的自动化运行、管理、维护及再开发变得很困难。如何在工程设计及招投标中协调好各子控制系统，使之能够与中心控制室的主控机实现安全开放的网络通信并满足工业控制实时性的要求，是今后在工程设计中需要进一步研究的新课题。论污水厌氧生物处理新工艺升流式厌氧污泥床一、概述 随着我国经济建设的发展，城市污水与工业废水的排放量逐年增加。为了贯彻经济建设和环境保护必须同步发展的方针，污水处理工程必定会有相应的发展，在这种情况下，有效、经济、省能地解决污水处理问题，已是当今环境工程领域中最迫切需要研究的课题。实现这一目标的途径除了靠正确决策外，尚需依赖技术更新，新工艺的开发，资源、能源的合理利用等科学技术措施。目前，污水处理工程基本上还是依靠消耗能量来改善环境质量的一项技术措施。但在能源有限的条件下，人们已经意识到，浪费能源的生产和生活方式必须彻底改变，现今评价工程设计优劣的立足点，已经开始转移到基建投资和运转管理的经济性，以及对能源利用的有效程度。因此，环境工程已不可避免地要与能源工程体系发生联系。录求污水处理工程节能措施的技术途径颇多，而用机污水的厌氧生物处理技术则是重要途径之一。厌氧生物处理是利用厌氧性微生物的代谢特性，在毋需提供外源能量的条件下，以被还原有机物作为受氢体，同时产生有能源价值的甲烷气体。厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水，进水BOD浓度可达15000mg/l，也可适用于低浓度有机废水，包括城市废；厌氧生物处理法能耗低；有机容积负荷高，一般为510kgCOD/m3d高的可达50kgCOD/m3d；剩余污泥量少；产生的沼气可利用；营养需要量少；被降解的有机物种类多；能承受较大的负荷变化和水质变化。显而易见，开发厌氧生物处理新工艺用来治理有机污水的污染，无疑是一种具有良好经济效益的方法。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物池、厌氧膨胀床和流化床、厌氧生物转盘等，目前升流式厌氧污泥床这种新工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，运转及构筑物造价均有所下降，对于不同含固量污水的适应性也强，因而已越来越受到重视，国内外目前已设计和施工的这种工艺较多。二、升流式厌氧污泥床工作原理升流式厌氧污泥床有反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。这种工艺的基本出发占在于：（1）为污泥絮凝提供有利的物理化学条件，使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能；（2）良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相，能抵抗较强的扰动力。较大的絮体具有良好的沉淀性能，从而提高设备内的污泥浓度；（3）通过在污泥床设备内设置一个沉淀区，使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床内。三、厌氧污泥床内的流态和污泥分布厌氧污泥床内的流态相当复杂，反应区内的流态与产气量和反应区高度相关，一般来说，反应区下部污泥层内，由于产气的结果，部分断面通过的气量较多，形成一股上升的气流，带动部分混合液（指污泥与水）作向上运动。与此同时，这股气、水流周围的介质则向下运动，造成逆向混合，这种流态造成水的短流。在远离这股上升气、水流的地方容易形成死角。在这些死角处也具有一定的产气量，形成污泥和水的缓慢而微弱的混合，所以说在污泥层内形成不同程度的混合区，这些混合区的大小与短流程度有关。悬浮层内混合液，由于气体币的运动带动液体以较高速度上升和下降，形成较强的混合。在产气量较少的情况下，有时污泥层与悬浮层有明显的界线，而在产气量较多的情况下，这个界面不明显。有关试验表明，在沉淀区内水流呈推流式，但沉淀区仍然还有死区和混合区。厌氧污泥床内污泥浓度与设备的有机负荷率有关。是处理制糖废水试验时，升流式厌氧污泥床内污泥分布与负荷的关系。从图中可看出污泥层污泥浓度比悬浮层污泥浓度高，悬浮层的上下部分污泥浓度差较小，说明接近完全混合型流态，反应区内污泥的颁，当有机负荷很高时污泥层和悬浮层分界不明显。试验表明，污水通过底部0406m的高度，已有90的有机物被转化。由此可见厌氧污泥具有极高的活性，改变了长期以来认为厌氧处理过程进行缓慢的概念。在厌氧污泥中，积累有大量高活性的厌氧污泥是这种设备具有巨大处理能力的主要原因，而这又归于污泥具有良好的沉淀性能。升流式厌氧污泥床具有高的容积有机负荷率，其主要原因是设备内，特别是污泥层内保有大量的厌氧污泥。工艺的稳定性和高效性很大程度上取决于生成具有优良沉降性能和很高甲烷活性的污泥，尤其是颗粒状污泥。与此相反，如果反应区内的污泥以松散的絮凝状体存在，往往出现污泥上浮流失，使厌氧污泥床不能在较高的负荷下稳定运行。根据厌氧污泥床内污泥形成的形态和达到的COD容积负荷，可以将污泥颗粒化过程大致分为三个运行期：（1）投产运行期：从接种污泥开始到污泥床内的COD容积负荷达到5kgCOD/m3d左右，此运行期污泥沉降性能一般；（2）颗粒污泥出现期：这一运行期的特点是有小颗粒污泥开始出现。当污泥床内的总SS量和总VSS量降至最低时本运行期即告结束，这一运行期污泥沉降性能不太好；（3）颗粒污泥形成期：这一运行期的特点是颗粒污泥大量形成，由下至上逐步充满整个厌氧污泥床。当污泥床容积负荷达到16kgCOD/m3d以上时，可以认为颗粒污泥已培养成熟。该运行期污泥沉降性很好。五、污泥的流失与外部沉淀池的设置在升流式厌氧泥床内虽有气液固三相分离器，混合液进入沉淀区前已把气体分离，但由于沉淀区内的污泥仍具有较高的产甲烷活性，继续在沉淀区内产气；或者由于冲击负荷及水质突然变化，可能使反应区内污泥膨胀，结果沉淀区固液分离不佳，发生污泥流失而影响了水质和污泥床中污泥浓度。为了减少出水所带的悬浮物进入水体，外部另设一沉淀池，沉淀下来的污泥回流到污泥床内。设外部沉淀池的好处是：（1）污泥回流可加速污泥的积累，缩短投产期；（2）去除悬浮物，改善出水水质；（3）当偶尔发生污泥大量上漂时，回收污泥保持工艺的稳定性；（4）回流污泥可作进一步分解，可减少剩余污泥量。设外部沉淀池的升流式厌氧污床工艺流程。六、升流式厌氧污泥床的设计升流式厌氧污泥床的工艺设计主要是计算厌氧污泥床的容积、产气量、剩余污泥量、营养需要量.升流式厌氧污泥床的池形状有圆形、方形、矩形。污泥床高度一般为38m，多用钢筋混凝土建造。当污水有机物浓度比较高时，需要的沉淀区面积小，反应区的面积可采用与沉淀区相同的面积和池形。当污水有机物浓度低时，需要的沉淀面积大，为了保证反应区的一定高度，反应区的面积不能太大时，则可采用反应区的面积小于沉淀区，即污泥床上部面积大于下部的池形。气液固三相分离器是升流式厌氧污泥床的重要组成部分，它对污泥床的正常运行和获良好的出水水质起十分重要的作用，因此设计时应给予特别的重视。根据经验，三相分离器应满足以下几点要求：1、混和液进入沉淀区之关，必须将其中的气泡予以脱出，防止气泡进入沉淀区影响沉淀；2、沉淀器斜壁角度约为50o；3、沉淀区的表面水力负荷应在07m3h以下，进入沉淀区前，通过沉淀槽低缝的流速不大于2m/h；4、处于集气器的液一气界面上的污泥要很好地使之浸没于水中；5、应防止集气器内产生大量泡沫。第2、3两个条件可以通过适当选择沉淀器的深度面积比来加以满足。对于低浓度污水，主要用限制表面水力负荷来控制；对于中等浓度和高浓度污水，在极高负荷下，单位横截面上释放的气体体积可能成为一个临界指标。但是直到现在国内外所取得的成果表明，只要负荷率不超过20kgCOD/m3d，厌氧污泥床高度不大于10m，可以预料没有任何问题。污泥与液体的分离基于污泥絮凝、沉淀和过滤作用。所以创造条件使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能对于分离器的工作是具有重要意义。特别注意是防止气泡进入沉淀区，要使固一液进入沉淀区之前就与气泡很好分离。在气液表面上形成浮渣能迫使一些气泡进入沉淀区，所以在一些情况下必须考虑设置排放这些浮渣或破坏这些浮渣的设施。如上所述，升流式厌氧污泥床的混合是靠上流的水流和发酵过程中产生的气泡来完成的。因此，一般采用多点进水，使进水均匀地分布在床断面上。升流式厌氧污泥床容积的计算一般按有机物容积负荷或水力停留时间进行。设计时可通过试验决定参数或参考同类废水用的设计和运行参数。七