基于對PLC的污水廠CASS池的控制
1 引言
本文以佛山市南海區(qū)鹽步污水處理廠為例，介紹了以CASS池為工藝的城市污水處理的流程，并通過研究設(shè)計一套基于PLC控制的污水處理系統(tǒng)。
2 工藝流程
進入污水廠的污水首先經(jīng)過粗格柵過濾去除直徑較大、較長、較硬的漂浮物，諸如木棍、大塊的泡沫塑料或海綿等，然后進入粗格柵間，由提升泵房提升后進入細格柵間。污水在細格柵作進一步的細過濾，之后流入沉砂池，旋流式沉砂池除砂機在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下，池中攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使水中粒徑0.2mm以上的砂粒沿壁及池底斜坡集于池底的集砂斗中，同時將砂粒上粘附的有機物分離下來，完成一級處理；從沉砂池出來的污水進入CASS池進行二級生化處理，利用池內(nèi)活性污泥中的微生物在厭氧和好氧等不同條件下的新陳代謝作用去除污水中溶解的COD及氮、磷等有機污染物，經(jīng)重力濃縮池分離污泥和污水，污泥通過污泥濃縮處理之后作為泥餅外運，污水經(jīng)紫外消毒后排出。流程圖如圖1所示。
圖1 流程圖
3 CASS工藝介紹
CASS（Cyclic Activated Sludge System）工藝是近年來國際公認的處理生活污水及工業(yè)廢水的先進工藝。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內(nèi)周期循環(huán)運行，省去了常規(guī)活性污泥法的二沉池和污泥回流系統(tǒng)，建設(shè)費用低；由于曝氣是周期性的，池內(nèi)溶解氧的濃度也是變化的，沉淀階段和排水階段溶解氧降低，重新開始曝氣時，氧的濃度梯度大，傳遞效率高，節(jié)能效果顯著，運轉(zhuǎn)費用低；同時可連續(xù)進水，間斷排水，效率高，出水水質(zhì)好。
CASS池分預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)。在預(yù)反應(yīng)區(qū)內(nèi)，微生物能通過酶的快速轉(zhuǎn)移機理迅速吸附污水中大部分可溶性有機物，經(jīng)歷一個高負荷的基質(zhì)快速積累過程，這對進水水質(zhì)、水量、PH和有毒有害物質(zhì)起到較好的緩沖作用，同時對絲狀菌的生長起到抑制作用，可有效防止污泥膨脹；隨后在主反應(yīng)區(qū)經(jīng)歷一個較低負荷的基質(zhì)降解過程。CASS工藝集反應(yīng)、沉淀、排水功能于一體，污染物的降解在時間上是一個推流過程，而微生物則處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達到對污染物去除作用，同時還具有較好的脫氮、除磷功能。CASS池的剩余污泥通過污泥濃縮處理之后作為泥餅外運，污泥處理過程中排出的污水進行除磷后再返污水處理系統(tǒng)處理。
CASS法是在間歇式活性污泥法（SBR法）的基礎(chǔ)上演變而來的，其工作原理如圖2所示。
圖2 工作原理圖
在反應(yīng)器的前部設(shè)置了生物選擇區(qū)，后部設(shè)置了可升降的自動潷水裝置。其工作過程可分為曝氣、沉淀和排水三個階段，周期循環(huán)進行。污水連續(xù)進入預(yù)反應(yīng)區(qū)，經(jīng)過隔墻底部進入主反應(yīng)區(qū)，在保證供氧的條件下，使有機物被池中的微生物降解。根據(jù)進水水質(zhì)可對運行參數(shù)進行調(diào)整。
4 工藝自動化
4.1通訊體系
佛山市南海區(qū)鹽步污水處理廠自控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三層網(wǎng)絡(luò)組成，包括管理級、控制級、現(xiàn)場級。系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)分別為基于TCP/IP協(xié)議的高速以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線網(wǎng)。1臺操作站，1臺工程師站，1臺大屏幕投影儀向上接入全廠管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)以太網(wǎng)為冗余光纖網(wǎng)絡(luò)，以光纜為通信介質(zhì)，連接2個PLC現(xiàn)場控制站，每個現(xiàn)場工作站配置有各自的電源，通訊模塊，接口模塊，同時將所有帶智能通訊接口的儀表設(shè)備、以及設(shè)備自帶小閉環(huán)系統(tǒng)接入系統(tǒng)中。為了提供報表、報警打印服務(wù)，配置兩臺打印機，實現(xiàn)各種報表以及實時報警和報警歷史的打印功能。操作站和工程師站計算機相互在線冗余，向下通過光纖網(wǎng)絡(luò)對各現(xiàn)場監(jiān)控子站進行監(jiān)視。建立在bbbbbbs 2000/XP基礎(chǔ)上的組態(tài)軟件提供了功能全面、簡單易用的操作界面，操作人員通過上位機實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖3。
圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
4.2管理界面
其中PLC1站負責粗格柵、提升泵、細格柵、漩流沉砂池、紫外線消毒、進出水儀表小屋、計量井、變電所設(shè)備狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采集和控制。PLC2站負責鼓風(fēng)機房、CASS生物反應(yīng)池、重力濃縮池、污泥脫水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采集和控制。中控界面之一如圖4所示。
圖4 中控界面之一
4.3控制方式
從系統(tǒng)完成的控制功能來說，系統(tǒng)采取三級控制層：手動、自動以及中央監(jiān)控。手動控制具有最高的控制優(yōu)先級，由就地電控柜的控制按鈕完成；自動控制是指由PLC控制器按照預(yù)先設(shè)計的程序?qū)υO(shè)備進行自動控制，控制級別高于中央控制；中央監(jiān)控管理站監(jiān)控是指中控室根據(jù)生產(chǎn)要求對生產(chǎn)過程進行調(diào)度，調(diào)度指令通過控制網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場PLC控制站實施。
這樣的設(shè)計使生產(chǎn)運行更加安全、可靠，如果上位機或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，不會影響現(xiàn)場PLC站的工作，而且如果現(xiàn)場控制站PLC出現(xiàn)故障，操作人員也可以通過手動控制按鈕完成設(shè)備的啟停。
一般設(shè)備的監(jiān)測參數(shù)主要有運行、故障、現(xiàn)場“手動/自動（遠控）”轉(zhuǎn)換開關(guān)位置指示，重要設(shè)備增加其運行監(jiān)測參數(shù)提供更詳細的工作狀態(tài)。對于使用較頻繁或有控制指標反饋的設(shè)備，PLC根據(jù)參數(shù)設(shè)定值自動完成設(shè)備的開停，對不經(jīng)常使用的設(shè)備，PLC按照中控室操作人員的指令工作，所有被控設(shè)備均具有中控室監(jiān)控計算機的遠方手動功能。當設(shè)備處于遠控方式時，PLC對所控的設(shè)備采取故障保護措施，設(shè)備處于手動控制方式時，由現(xiàn)場電氣控制箱對設(shè)備采取故障保護，但是系統(tǒng)不論在哪一種控制方式，中央監(jiān)控管理站都會監(jiān)測到設(shè)備和生產(chǎn)的運行情況，出現(xiàn)故障會報警提示。
CASS池工藝分4個周期控制，如下：
（1）曝氣階段：由曝氣裝置向反應(yīng)池內(nèi)充氧，此時有機污染物被微生物氧化分解，同時污水中的NH3-N通過微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N。
（2）沉淀階段：此時停止曝氣，微生物利用水中剩余的DO進行氧化分解。反應(yīng)池逐漸由好氧狀態(tài)向缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化，開始進行反硝化反應(yīng)?；钚晕勰嘀饾u沉到池底，上層水變清。
（3）潷水階段：沉淀結(jié)束后，置于反應(yīng)池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液。此時反應(yīng)池逐漸過渡到厭氧狀態(tài)繼續(xù)反硝化。
（4）閑置階段：閑置階段即是潷水器上升到原始位置階段。
CASS反應(yīng)池通常按曝氣、沉淀、排水和閑置四個階段根據(jù)時間依次進行，連續(xù)進水，間斷排水。CASS在反應(yīng)階段是曝氣的，微生物處于好氧狀態(tài)，在沉淀和排水階段不曝氣，微生物處于缺氧甚至厭氧狀態(tài)。因此，反應(yīng)池中溶解氧是周期性變化的，氧濃度梯度大、轉(zhuǎn)移效率高，這對于提高脫氮除磷效率、防止污泥膨脹及節(jié)約能耗都是有利的。實踐證實對同樣的曝氣設(shè)備而言，CASS工藝與傳統(tǒng)活性污泥法相比有較高的氧利用率。
5 結(jié)束語
該工程于2009年2月份開始實施，2009年5月份設(shè)備移交廠方運行，迄今為止其自控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確、出廠水質(zhì)符合國家標準。系統(tǒng)投入使用后，操作人員在中央管理中心就能夠全面了解整個工廠的運行情，并能對泵閥等主要設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)進行自動控制，大大降低了值班員的勞動強度。該系統(tǒng)的投運解決了值班人員勞動強度大、操作易出錯、出水水質(zhì)不穩(wěn)定、生產(chǎn)過程無法集中監(jiān)控的問題，并取得了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。
本文以佛山市南海區(qū)鹽步污水處理廠為例，介紹了以CASS池為工藝的城市污水處理的流程，并通過研究設(shè)計一套基于PLC控制的污水處理系統(tǒng)。
2 工藝流程
進入污水廠的污水首先經(jīng)過粗格柵過濾去除直徑較大、較長、較硬的漂浮物，諸如木棍、大塊的泡沫塑料或海綿等，然后進入粗格柵間，由提升泵房提升后進入細格柵間。污水在細格柵作進一步的細過濾，之后流入沉砂池，旋流式沉砂池除砂機在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下，池中攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使水中粒徑0.2mm以上的砂粒沿壁及池底斜坡集于池底的集砂斗中，同時將砂粒上粘附的有機物分離下來，完成一級處理；從沉砂池出來的污水進入CASS池進行二級生化處理，利用池內(nèi)活性污泥中的微生物在厭氧和好氧等不同條件下的新陳代謝作用去除污水中溶解的COD及氮、磷等有機污染物，經(jīng)重力濃縮池分離污泥和污水，污泥通過污泥濃縮處理之后作為泥餅外運，污水經(jīng)紫外消毒后排出。流程圖如圖1所示。
圖1 流程圖
3 CASS工藝介紹
CASS（Cyclic Activated Sludge System）工藝是近年來國際公認的處理生活污水及工業(yè)廢水的先進工藝。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內(nèi)周期循環(huán)運行，省去了常規(guī)活性污泥法的二沉池和污泥回流系統(tǒng)，建設(shè)費用低；由于曝氣是周期性的，池內(nèi)溶解氧的濃度也是變化的，沉淀階段和排水階段溶解氧降低，重新開始曝氣時，氧的濃度梯度大，傳遞效率高，節(jié)能效果顯著，運轉(zhuǎn)費用低；同時可連續(xù)進水，間斷排水，效率高，出水水質(zhì)好。
CASS池分預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)。在預(yù)反應(yīng)區(qū)內(nèi)，微生物能通過酶的快速轉(zhuǎn)移機理迅速吸附污水中大部分可溶性有機物，經(jīng)歷一個高負荷的基質(zhì)快速積累過程，這對進水水質(zhì)、水量、PH和有毒有害物質(zhì)起到較好的緩沖作用，同時對絲狀菌的生長起到抑制作用，可有效防止污泥膨脹；隨后在主反應(yīng)區(qū)經(jīng)歷一個較低負荷的基質(zhì)降解過程。CASS工藝集反應(yīng)、沉淀、排水功能于一體，污染物的降解在時間上是一個推流過程，而微生物則處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達到對污染物去除作用，同時還具有較好的脫氮、除磷功能。CASS池的剩余污泥通過污泥濃縮處理之后作為泥餅外運，污泥處理過程中排出的污水進行除磷后再返污水處理系統(tǒng)處理。
CASS法是在間歇式活性污泥法（SBR法）的基礎(chǔ)上演變而來的，其工作原理如圖2所示。
圖2 工作原理圖
在反應(yīng)器的前部設(shè)置了生物選擇區(qū)，后部設(shè)置了可升降的自動潷水裝置。其工作過程可分為曝氣、沉淀和排水三個階段，周期循環(huán)進行。污水連續(xù)進入預(yù)反應(yīng)區(qū)，經(jīng)過隔墻底部進入主反應(yīng)區(qū)，在保證供氧的條件下，使有機物被池中的微生物降解。根據(jù)進水水質(zhì)可對運行參數(shù)進行調(diào)整。
4 工藝自動化
4.1通訊體系
佛山市南海區(qū)鹽步污水處理廠自控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三層網(wǎng)絡(luò)組成，包括管理級、控制級、現(xiàn)場級。系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)分別為基于TCP/IP協(xié)議的高速以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線網(wǎng)。1臺操作站，1臺工程師站，1臺大屏幕投影儀向上接入全廠管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)以太網(wǎng)為冗余光纖網(wǎng)絡(luò)，以光纜為通信介質(zhì)，連接2個PLC現(xiàn)場控制站，每個現(xiàn)場工作站配置有各自的電源，通訊模塊，接口模塊，同時將所有帶智能通訊接口的儀表設(shè)備、以及設(shè)備自帶小閉環(huán)系統(tǒng)接入系統(tǒng)中。為了提供報表、報警打印服務(wù)，配置兩臺打印機，實現(xiàn)各種報表以及實時報警和報警歷史的打印功能。操作站和工程師站計算機相互在線冗余，向下通過光纖網(wǎng)絡(luò)對各現(xiàn)場監(jiān)控子站進行監(jiān)視。建立在bbbbbbs 2000/XP基礎(chǔ)上的組態(tài)軟件提供了功能全面、簡單易用的操作界面，操作人員通過上位機實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖3。
圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
4.2管理界面
其中PLC1站負責粗格柵、提升泵、細格柵、漩流沉砂池、紫外線消毒、進出水儀表小屋、計量井、變電所設(shè)備狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采集和控制。PLC2站負責鼓風(fēng)機房、CASS生物反應(yīng)池、重力濃縮池、污泥脫水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采集和控制。中控界面之一如圖4所示。
圖4 中控界面之一
4.3控制方式
從系統(tǒng)完成的控制功能來說，系統(tǒng)采取三級控制層：手動、自動以及中央監(jiān)控。手動控制具有最高的控制優(yōu)先級，由就地電控柜的控制按鈕完成；自動控制是指由PLC控制器按照預(yù)先設(shè)計的程序?qū)υO(shè)備進行自動控制，控制級別高于中央控制；中央監(jiān)控管理站監(jiān)控是指中控室根據(jù)生產(chǎn)要求對生產(chǎn)過程進行調(diào)度，調(diào)度指令通過控制網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場PLC控制站實施。
這樣的設(shè)計使生產(chǎn)運行更加安全、可靠，如果上位機或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，不會影響現(xiàn)場PLC站的工作，而且如果現(xiàn)場控制站PLC出現(xiàn)故障，操作人員也可以通過手動控制按鈕完成設(shè)備的啟停。
一般設(shè)備的監(jiān)測參數(shù)主要有運行、故障、現(xiàn)場“手動/自動（遠控）”轉(zhuǎn)換開關(guān)位置指示，重要設(shè)備增加其運行監(jiān)測參數(shù)提供更詳細的工作狀態(tài)。對于使用較頻繁或有控制指標反饋的設(shè)備，PLC根據(jù)參數(shù)設(shè)定值自動完成設(shè)備的開停，對不經(jīng)常使用的設(shè)備，PLC按照中控室操作人員的指令工作，所有被控設(shè)備均具有中控室監(jiān)控計算機的遠方手動功能。當設(shè)備處于遠控方式時，PLC對所控的設(shè)備采取故障保護措施，設(shè)備處于手動控制方式時，由現(xiàn)場電氣控制箱對設(shè)備采取故障保護，但是系統(tǒng)不論在哪一種控制方式，中央監(jiān)控管理站都會監(jiān)測到設(shè)備和生產(chǎn)的運行情況，出現(xiàn)故障會報警提示。
CASS池工藝分4個周期控制，如下：
（1）曝氣階段：由曝氣裝置向反應(yīng)池內(nèi)充氧，此時有機污染物被微生物氧化分解，同時污水中的NH3-N通過微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N。
（2）沉淀階段：此時停止曝氣，微生物利用水中剩余的DO進行氧化分解。反應(yīng)池逐漸由好氧狀態(tài)向缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化，開始進行反硝化反應(yīng)?；钚晕勰嘀饾u沉到池底，上層水變清。
（3）潷水階段：沉淀結(jié)束后，置于反應(yīng)池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液。此時反應(yīng)池逐漸過渡到厭氧狀態(tài)繼續(xù)反硝化。
（4）閑置階段：閑置階段即是潷水器上升到原始位置階段。
CASS反應(yīng)池通常按曝氣、沉淀、排水和閑置四個階段根據(jù)時間依次進行，連續(xù)進水，間斷排水。CASS在反應(yīng)階段是曝氣的，微生物處于好氧狀態(tài)，在沉淀和排水階段不曝氣，微生物處于缺氧甚至厭氧狀態(tài)。因此，反應(yīng)池中溶解氧是周期性變化的，氧濃度梯度大、轉(zhuǎn)移效率高，這對于提高脫氮除磷效率、防止污泥膨脹及節(jié)約能耗都是有利的。實踐證實對同樣的曝氣設(shè)備而言，CASS工藝與傳統(tǒng)活性污泥法相比有較高的氧利用率。
5 結(jié)束語
該工程于2009年2月份開始實施，2009年5月份設(shè)備移交廠方運行，迄今為止其自控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確、出廠水質(zhì)符合國家標準。系統(tǒng)投入使用后，操作人員在中央管理中心就能夠全面了解整個工廠的運行情，并能對泵閥等主要設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)進行自動控制，大大降低了值班員的勞動強度。該系統(tǒng)的投運解決了值班人員勞動強度大、操作易出錯、出水水質(zhì)不穩(wěn)定、生產(chǎn)過程無法集中監(jiān)控的問題，并取得了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。
本文標簽：基于對PLC的污水廠CASS池的控制
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