1、基于S7300的污水处理控制系统设计毕业设计基于S7300的污水处理控制系统设计摘 要随着近年来各国工业水平的飞速发展，人口密度的不断增长和自然资源的日益匮乏，环境污染也越加的严重，人类和生物的生存环境变得愈加的严峻。而水污染作为现今世界重要的环境污染之一，污水处理工艺显得更加重要。污水处理是一个复杂且多变量的控制过程，传统的污水处理工艺，主要以手动控制为主，根据操作人员的经验来进行控制。本设计采用的是集散控制系统来对污水处理进行控制。它实现了在线管理、操作和显示的集中，又实现了功能、负荷和危险性的分散。集中控制，分散管理，很大的提升了控制过程中的安全性和稳定性。同时采用了SBR，间歇性活性污
2、泥法进行污水处理。根据SBR法污水处理工艺流程进行了各传感器的选型并根据各个污水处理区段进行工艺流程图的编写和相对应的PLC的自动控制程序。关键词： 污水处理工艺 SBR法 PLCABSTRACTWith the rapid development of national industrial level in recent years, increasing population density and growing scarcity of natural resources, environmental pollution has become increasingly serious,
3、 the human and biological survival environment has become more serious. Water pollution as one of the most important environmental pollution in todays world, more important is the sewage treatment process. Sewage treatment is to control the process of a complex and variable, the traditional wastewat
4、er treatment technology, mainly by the manual control, according to the experience of the operator to control.This design is used in distributed control system to control the sewage treatment. It realized the on-line management, operation and display the concentration, and the dispersion function, l
5、oad and dangerous. Centralized control, decentralized management, greatly improved the control process in the safety and stability. At the same time adopted the SBR, intermittent activated sludge wastewater treatment. And according to the method of SBR sewage treatment process for the selection of t
6、he sensor and the automatic control program written for process flow diagram of each sewage treatment section and the corresponding PLC.Key words: Sewage treatment process The SBR method PLC CONNECTSChapter 2 Sewage Treatment Technology And The Main Structure Of 第1章 绪论1.1本设计的研究背景与意义1.1.1 本设计的研究背景水处理
7、是长期以来倍受关注的领域之一，它是改善居民生活环境、提高人民健康水平的重要手段。如今，随着人口的不断增长，科技、工业迅速的发展，不可再生资源的不断短缺，人类和社会正在面对这严峻的资源问题。又随着工业生产的飞速发展，给人们带来经济利益的同时，也给自然带来很大程度的污染，并严重的影响着人们的日常生活环境。因此，环境保护在经济建设中显得尤为重要。其中水污染是当今较为严重的污染之一。工业废水中的成分较为复杂，含有有害物质和腐蚀性强的物质，有很大的处理难度，同时，其直接排放会污染到江河湖海，对人们的饮用水质量和农业生产带来严重的威胁，对水中生物的生命也带来了威胁，同时也导致其周围环境恶化。现今，污水处理
8、已被社会高度关注，是急需解决的问题。经过深度处理后的污水，可被企业再次引用使用，相比从其他地区引来水资源要经济适用的多，同时也保护了水资源；也可用来灌溉农田、城市绿化等。为此，污水处理已成为当今的新兴产业。虽然中国污水处理行业正在飞速的发展，但是相较于国外的处理行业，中国的水处理仍在发展阶段。1.1.2 本设计研究的意义随着中国城市化、工业化的迅速发展，水资源的需求也日益增大。首先，水资源短缺与其过低的利用率正严重的制约着我国城市化快速进程。其次，对环境保护要求的日益提高，对工业污水的排放和生活污水的处理都在努力的追赶世界上的发达国家，并争取与国际标准接轨。再次，为了人们健康安全的生活环境，饮
9、用水和生活用水的质量要求也在不断的有所提升。我国污水处理自动化控制起步较晚，进入上世纪90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高，在这样的背景下，污水处理行业很快成为了新兴产业。但是，中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段，一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距1。我国是个缺水的国家，同时也正面临着经济社会快速发展与水资源短缺的社会与自然资源之间的矛盾，水
10、资源的过度开发与滥用与生态环境之间的矛盾，并且矛盾日益明显，水的回收再利用也面临这严峻的挑战。特别是我国的北方城市，水资源更为短缺。这种情况下，污水更加不能随便排除，而是要净化之后合理的利用。所以合理开发水资源的重要战略对策，也是实现我国社会经济的可持续发展的重要保证。要解决水资源问题需要采取合理措施，大规模范围内进行环境治理、推行环保措施、消除水污染、大力推广清洁生产工艺。因此建设符合我国具体情况的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改造环境、建立可持续发展社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。1.2 国内外污水处理控制现状污水出处理主要的处理方法是活性污泥法、生物膜法、反渗透法、离子交
11、换法等，而目前污水处理最广泛最普遍的应用处理工艺是活性污泥法，它是利用自然界中的活性微生物的活动来清楚污水中的有机污染物。国外的污水处理早在二战后就有所展开，为了治理上世纪50年代因经济的快速发展而给后代带来的严重的环境污染。发达国家不仅重视污水处理的新的理论和技术，还更加重视污水处理的自动控制问题，先后研究并开发了许多智能型和集约型的高效性的污水和自动控制仪表，并采用了计算机自动控制处理工艺，并取得了较为显著的效果2。如活性污泥法与其他的处理工艺不同，活性污泥法的工艺效果很大程度上的取决于与其配套的污水处理自动化水平，因此研究自动控制系统是当前污水处理行业最重要的环节。又由于活性污泥法是生物
12、污水处理技术，处理过程具有很大的时变性，有很多地方需要考虑，而控制的对象复杂又易变，面对这样复杂的系统，常规的控制方式很难确保系统能过适应控制系统的参数变化和工作条件的变化，不能够很好的达到预期的理想处理效果，同时制约着污水处理的出水质量3。因此，进一步提高污水处理自动控制水平显得尤为的重要。国外污水处理控制系统的特点：（1）采用集散控制系统和现场总线控制系统，按照企业厂区的自身情况和工艺分成若干个控制站，相互之间一般独立运行。并设有中央控制室，在这里进行数据的记录和管理。（2）在线检测水质和其他因素的传感器被大量采用，实施对水质的实时监控，提高检测精度。（3）处理工艺中还采用智能控制和通信遥
13、控设备，为监控系统的运行提供相应的调整控制方式和信息。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，但随着投资和科技的发展，我国污水处理控制系统的自动化水平有了很大的提高，从外国引进污水厂的自动控制系统已广泛采用集散式控制系统，应用了自动化程度提高的检测仪表，各种新工艺、新设备的大量出现并得到应用。但依然存在这许多不足4：（1）大部分以前建造的污水处理厂自动化程度仍然很低，不能很好的实现。（2）国产在线仪表的稳定性还没有达到要求，急需进一步的提高。（3）目前使用的大多是进口仪器、仪表，在使用和维护方面仍存在许多问题。（4）污水处理厂控制系统的监控和通讯功能在硬件和软件开发利用方面存在极大不足，妨
14、碍了处理过程的高效、经济运行。 通过对比，不难看出整体上国外相比我国的污水处理的自动控制系统仍有很大的优势，我国与国外还是存在着很大的差距。但是，我国的应用前景却非常的广泛、有很大的潜力。第2章 污水处理系统的工艺及主要构筑物2.1 污水处理工艺一般是采用传统活性污泥法工艺，将污水中的污染物分离出来或转化为无害的物质，从而使污水得到净化。污水处理方法分类：（1）物理处理法。如过滤法、沉淀法。（2）物理化学法。如混凝沉淀法。（3）生物处理法：利用微生物来吸附、分解、氧化污水中的有机物，把不稳定的有机物降解为稳定无害的物质，从而使污水得到净化。活性污泥法是生物处理法的一种。活性污泥法是一种生物处理
15、方法，用于除去污水中的有机物，主要利用微生物的代谢来获得能量和产品。广泛应用于处理各种工业废水和城市污水。活性污泥法属于好氧生物处理，由好氧微生物及其代谢和吸附的有机物和无机物组成，具有降解污水中有机物的能力5。活性污泥法的工艺过程为吸附、代谢和固液分离主要的三个过程，主要的工艺构筑物有调节池、沉淀池、曝气池、污泥回流系统和剩余污泥排放系统组成。在曝气期间，鼓风机送来压缩空气，通过曝气池底的空气扩散装置来增加污水中的溶解氧的含量，将污水和活性污泥用搅拌器搅动，形成悬浮状态。溶解氧、活性污泥和污水充分混合、充分接触，正常的进行活性污泥反应。在活性污泥法的预处理中，污水中的大型垃圾由格栅机拦截下来
16、，在调节池中，污水中大的有机污染物被分解成小分子有机物。在活性污泥法中的二级处理中，微生物与充足的氧气接触，吸收这些被分解的有机物，并进行氧化分解，为自身的增殖繁衍提供能量和物质条件。这样反应进行之后的结果为，污水中的有机污染物得到降解除去，活性污泥得以繁殖增长，污水得以净化处理。经过活性污泥净化后的混合液进入二次沉淀池，悬浮着的活性污泥和其他杂质沉淀下来与水分离，澄清后的污水被排到指定地点进行再利用。而二次沉淀池底的活性污泥再由污泥回流泵抽回到曝气池中，保证曝气池中的微生物浓度，进行循环利用。2.1.1 间歇式活性污泥法（SBR）介绍近年来，采用生物法处理各种浓度的有机废水、生活城市污水等已
17、成为一种趋势，而污水生物处理技术中的间歇式活性污泥法(SBR) 在水质水量变化大的中小城镇的生活污水和易生物降解的工业废水的处理中取得了成功并得到了广泛的应用。SBR活性污泥法（Sequencing Batch Reactor）又称序批式活性污泥法、间歇式活性污泥法，其污水处理机理与普通活性污泥法完全相同。该工艺在1914年由英国Alden与Lockett等人发明，但是由于该工艺的操作过程比较繁琐，与其他工艺相比较SBR所需控制的参变量较多，对仪表的精度和可靠性有较高的要求，而当时的自动化控制水平很低，也不可能有精度和可靠性都较高的仪表，限制了SBR工艺的发展和推广。随着科学技术的迅猛发展，特
18、别是自动化水平的提高，对污水处理过程进行全自动化的管理和监控称为可能。近年来，随着监测控制技术与设备的发展，尤其是计算机系统的广泛应用使SBR法的潜力又充分地体现出来,SBR法也显示了自身的价值。20世纪70年代由美国Natre Dame大学的R Irvine博士将老式的充排系统改进并发展而成,并于1980年在美国环保局EPA的资助下,在印第安那州改建并投产了世界上第一个SBR法污水处理厂6。我国于20世纪80年代中期开始了研究与应用，上海市吴淞肉联厂污水处理站是我国第一座应用SBR工艺的污水处理单位。2.1.2 SBR工艺的基本原理活性污泥法就是以含于废水中的有机污染物为培养基，再有溶解氧存
19、在的条件下，连续地培养活性污泥，再利用其吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中的有机污染物。SBR系统分为以下5个阶段：进水、曝气、沉淀、滗水、闲置。分别依时间完成这5步的操作，从而完成一个周期的运行7。（1）污水流入工序污水流入曝气池前，该池处于操作周期的待机（闲置）工序，此时沉淀后的清夜已排放，曝气池内留有沉淀下来的活性污泥。污水流入的方式主要有3种，即进水、进水同时曝气、进水同时缓速搅拌，至于选用哪一种方式，则根据设计要求而选定。进水污水流入，当注满后再进行曝气操作，则曝气池能有效地调节污水的水质水量。进水同时曝气当污水流入的同时进行曝气，则可使曝气池内的污泥再生和恢复活性，并对污水起到预曝气
20、的作用。进水同时缓速搅拌当污水流入的同时不进行曝气，而是进行缓速搅拌使之处于缺氧状态，则可对污水进行脱氧与聚磷菌对磷的释放。（2）曝气工序曝气池：在池中使废水中的有机污染物与活性污泥充分接触，并吸附和氧化分解有机污染物质。沉淀下来的活性污泥回流到曝气池中，继续使用。曝气系统：曝气系统供给曝气池生物反应所必须的氧气，并起混合搅拌作用。当污水注满后，开始曝气操作，这是一道很重要的工序，如果要去除有机物、硝化和磷的吸收则需要曝气，如要反硝化则应停止曝气而进行缓速搅拌。一般要进行4.5小时。（3）沉淀工序使混合液处于静止状态，进行泥、水分离，沉淀时间一般需进行1小时。（4）滗水工序排除曝气池沉淀后的上
21、清液，留下活性污泥，作为下一个操作周期的菌种。（5）闲置工序剩余污泥的排放可以放在这一阶段。此外这阶段SBR池处于空闲状态，主要是与其他反应池进行匹配，也即等待相邻的SBR池的某一过程的结束，再开始本池下一个操作周期。2.1.3 SBR工艺的技术特征与传统的污水处理工艺不同，SBR的优点有8：（1）SBR法是目前为止公认的防止污泥膨胀的最好工艺，具有理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。（2）运行效果稳定，具有较强的耐冲击负荷能力，能处理高浓度有机废水及有毒工业废水。（3）由于SBR法本身的间歇运行特点，它很适用于处理废水流量变化大甚至间歇排放的
22、工业废水。（4）处理设备少，结构简单，便于操作和维护管理，同时系统适用于组合式结构方法，利于废水处理厂的扩建和改造。（5）SBR法在沉淀阶段属于静止沉淀，由于不采用污泥回流，所以沉淀效果好，并可以维持反应阶段较高的污泥浓度，以提高处理效率。（6）它的运行方式可以灵活控制，很好的实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷的效果。（7）工艺流程简单、造价低。主体设备只有一个序批式间歇反映器，无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省略，布置紧凑、占地面积省。综上所述，SBR法的这些优越性表现了其强大的生命力与广阔的应用前景，这也被近年来的实践所证明2.1.4 溶解氧在SBR法中的作用溶解氧
23、指的是溶解于水中的氧气，也是水中生物的生存条件，如同我们的空气。溶解氧的来源有两个途径：一是大气中的氧气渗入到水中；二是水中的植物进行光合作用释放出氧气。溶解氧随着温度盐分和气压而变化，一般温度越高。盐分越高，溶解氧浓度越低；气压越高，水中的溶解氧的浓度就越高。而当水被有机污染物污染后，水中的溶解氧的浓度要降低，因为水中的溶解氧不仅要为水中的微生物呼吸和水中的好氧微生物在分解水中有机物时所消耗掉，还要被水中的硫化物、亚铁离子和亚硝酸根等还原性物质所消耗。当溶解氧的的消耗速率大于氧气溶解于水中的速率时，此时的厌氧微生物开始繁殖，使水体恶化9。所以溶解氧可以直观的反应出水受到有机物污染的程度，也是
24、衡量水体质量的重要的综合指标。SBR法是需氧代谢的过程，溶解氧的浓度在此过程中有着重要的影响因素，它关系到污水处理过程的效率和出水的水质等。曝气池中的氧气的不足和过量都影响这微生物的生存环境。氧气不足时会使污泥膨胀，也会降低细菌的分解速度，延长处理时间，最后导致生物处理失败；而氧气过量会导致悬浮固体的沉降变差，并过高的消耗能量。2.2 污水处理系统的主要构筑物根据污水厂污水处理系统的工艺流程，从功能上可将其分成三个阶段：污水一级处理（污水预处理），污水二级处理（生物处理），污泥处理。废水在进入主体处理构筑物之前，通常需要先进行水质、水量的调节，为后续构筑物的运行创造必要条件。2.2.1 污水一
25、级处理（污水预处理）污水一级处理，一般可以分为四段：格柵段、调节段、除砂段和初沉段。1、格柵段 格栅段主要由粗格栅、提升泵、细格栅组成。格栅段格栅系统主要设备是阶梯型机械格栅除污机。检测仪表有PH在线测量仪，用来实时检测污水的PH值。在一些特殊情况下，还包括有筛网。格栅机由一组平行的金属或者非金属栅条制成，一般呈60至75度倾斜安装于污水入口渠道或者提升泵集水池进口处，用来截留大块的固形物，如草木、树叶、纤维、果皮、菜叶、塑料制品等，以防漂浮物阻塞构筑物的孔道、闸门和管道或损坏水泵等机械设备。因此，格栅起着净化水质和保护设备的双重作用。所以在进入初沉池之前设置格栅间。而在污水通过粗格栅，进入细
26、格栅前，要设置两台提升泵，和两台备用泵将粗格栅处理后的污水提升至细格栅渠道，依靠重力流经后续构筑物。用于产生控制信号的仪表是液位计和液位差计。液位计提供调节池液位值，用于提升泵运行时间、泵运行台数的控制并且产生溢流液位报警信号；液位差计放置在粗格栅和细格栅的前后，测格栅前后液位的差值。为了使提升泵能够有效的运行，并能延长使用寿命，三台提升泵需轮流运行。2、调节段 为确保构筑物正常工作，不受废水的的高峰流量或浓度变化的影响，因此需要设置调节池。这样便可以将高浓度和低浓度的废水混合均匀再排出，调节水量和水质。3、除砂段除砂段一般由沉砂池和砂水分离器组成。从污水中分离出密度较大的砂粒等颗粒的构筑物叫
27、做沉砂池，其沉淀特性属于自由沉淀。在沉淀过程中，颗粒自由沉淀，互不干扰；沉淀图呈直线；颗粒形状及大小密度等不会发生变化。沉砂池一般设置在虹吸管、泵站、沉淀池前，保护水泵和管道免受磨损和堵塞，减轻沉淀池负荷。 4、初沉段初沉段是由沉淀池组成的。沉淀池是利用重力的作用下，使悬浮液中密度大于水的悬浮固体下沉，从而与水分离的水处理方法。它的去除对象，主要是悬浮液中粒径在10m以上的可沉固体。一般位于调节池、格栅和沉砂池之后，主要去除以无机物为主体的密度大的固体悬浮物。旋流曝气沉砂池也是沉淀系统的一个组成分。在各种水处理系统中，沉淀的作用有所不同，大致如下：（1）作为化学处理与生物处理的与处置。（2）用
28、于化学处理或生物处理后，分离化学沉淀物、分离活性污泥或生物膜。（3）污泥的浓缩脱水。（4）灌溉农田前做灌前处理。该部分的主要机械设备包括旋流除砂机和砂水分离器。其控制由时间顺序完成。2.2.2 污水二级处理（生物处理）污水二级处理，包括污水生物处理、沉淀和加药三个过程，其中污水的生物处理是整个污水处理工艺的核心。沉淀和加药两个过程均在为处理后的水体排放做准备。SBR法的实质是将污水中的有机物作为培养基，向污水中投加活性菌种并同时供养曝气，加强池内有机物和微生物与溶解氧的接触。SBR池是污水厂污水处理系统最关键的环节，因此其控制量较多、控制较复杂。污水处理阶段包括一次分配井、氧化沟、二次分配井、
29、污泥泵房、二次沉淀池、接触消毒池等，是污水二级处理的核心构筑物10。1、一次分配井：为一圆形构筑物，在一次分配井内设置两套调节式手电两用闸门，每套闸门有一支道管和一套氧化沟相连，打开一次分配井闸门，可以向对应的氧化沟进水。2、氧化沟：污水通过氧化沟的外沟底部进水管进入氧化沟，经过多次循环后沿外、中、内的顺序进入内沟循环，外沟、中沟和内沟之间互有水位差。最后由内沟的出水堰门流至二次分配井。3、二次分配井：氧化沟的出水最终全部汇集到这里。二次分配井设置手电两用出水堰门两套，每套对应一个二次沉淀池。打开对应的出水堰门。即可向对应的二次沉淀池注水。4、二次沉淀池：二次沉淀池用以分离曝气池出水中的活性污
30、泥，从曝气池流出的混合液在二次沉淀池中进行泥水分离和污泥浓缩，澄清后的出水外排，浓缩的污泥部分回流到曝气池中，其余作为剩余污泥外排。采取周边进水、周边出水的圆形幅流式结构，每座二次沉淀池上安装有中心传动单管吸泥机一套。每座二次沉淀池设置一套超声波液位计用来确定其运行液位。流入二次沉淀池的污水和污泥经过沉淀后，上层清液流入接触消毒池，下层污泥被吸泥机至污泥回流泵房。5、接触消毒池：经过处理后的清水流入接触消毒池。这里清水和消毒药剂混合，经过量COD、流量后，排出。2.2.3 污泥处理污泥处理包括储泥池、加药装置和污泥脱水装置。储泥池负责接收剩余污泥泵输送来的剩余污泥，储存到一定的量后，启动污泥处
31、理设施进行污泥处理。在储泥池中设置污泥搅拌器，以防在储存过程中发生污泥板结11。污泥脱水主要是对于来自污泥浓缩池的剩余活性污泥进行脱水处理。这些剩余活性污泥的主要成分是污水处理过程中新产生的微生物及其残渣，以有机物为主（约占60%-70%），含水率约99.2%-99.6%，不易脱水。所以污泥脱水系统中有一个加药车间，其主要作用是向剩余污泥中加入聚丙烯酸胺以增加污泥的凝结性，便于污泥脱水。2.3污水处理自控过程和监控系统的作用2.3.1 污水处理自动控制过程传统的污水处理主要采用继电器触点控制方式，但是由于控制现场条件比较恶劣，尤其空气中带有具腐蚀性的分子，对继电器触点有较大的腐蚀性，使触点间导
32、电性能降低，影响自动控制的效果。近年来，随着计算机技术的飞速发展，工业控制也逐步由传统的单机控制走向网络化，工业控制中多采用PLC来实现自动控制。本污水处理监控系统采用改良型SBR法，其自动控制过程描述如下：在污水一级处理（污水预处理）中，PLC主要是对格栅机、格栅除污机、栅渣输送机、提升泵、旋流除砂机以及砂水分离器的运行状态进行实时监测与控制。在污水二级处理（生物处理）中，PLC主要对进水阀门、提升泵、搅拌器、鼓风机、污泥回流泵、滗水器和剩余污泥泵等进行监测和控制。根据监测的污水厂排出的废水，分析其废水的成分、PH值等参数，从而为了节约成本，一些对污水成分检测的仪表可以节省掉，对污水处理设备控制直接按时间进行控制，也使控制系统变得简单。根据表2.1确定设备的工作状态。表2.1 SBR池工艺过程的四种工作状态状态连 续 进 水12345进水曝气沉淀滗水进水注：三
