1、污水处理方案*公司污水厂节能改造方案 *公司 地址： 联系电话： 服务电话： 传 真： 邮 编：一、项目概况 污水处理属能耗密集型行业,其消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等潜在能源,其中电能消耗为 0.20.4kW.h/m3，平均电能消耗为 0.29 kW.h/m3，电耗占总能耗的60%90%，化学除磷加药单位水量处理成本为 0.1元/m3左右，占污水单位水量处理成本的 20%30%。一座处理量为 10万m3/d的污水厂，每年电耗可达 1058.5 万 kwh，每年药剂消耗可达 350 万元以上。我国已建成并投入运行的1993 座城市污水处理厂年用电消耗总量超过 111 亿 kWh，能耗总量较
2、大，约占全社会用电量的 0.3%。城市污水处理系统的节能降耗技术革新可分为两类：一类是通过工艺创新，从源头减少生物处理对曝气量和化学药剂的需求，另一类是采用自动控制技术，在工艺过程中实现精确供气、加药等。 *污水处理厂设计规模 12.5 万吨/d，实际处理规模约 10 万吨/d，每年电消耗总量约 1000万kwh；*污水处理厂设计规模 15万吨/d，实际处理规模约15 万吨/d，每年电消耗总量约 1300万kwh，能耗总量巨大；尤其是近几年以电费为主的能耗费用不断上涨，因此在能保障污水处理量和尾水达标排放的前提下，对污水处理厂运行进行优化管理，节约能源费用，降低处理成本是保障污水处理厂正常运行
3、的必要手段。根据初步估算，*污水处理厂仍有约10%左右的节电空间，所以进行污水处理厂生化池的曝气系统控制来降低电耗耗是污水处理厂亟待解决的问题。 污水处理厂化学除磷加药基本无自动控制系统，普遍采用固定加药量和人工调节的形式，过量投加化学除磷药剂现象普遍存在，但污水厂为了节约药耗依据历史数据进行加药人工调节，存在出水总磷超标的问题；采用化学除磷工艺精确控制技术，实现化学除磷药剂投加的最优控制。 根据*集团统计数据，*污水处理厂化学除磷的每日药耗费用约为 6 吨，*污水厂化学除磷的每日药耗费用约为 10 吨；调研中发现，该*污水处理厂实际日处理量为 1011 万立方米左右，其每年化学除磷药耗费用达
4、70万元，*污水处理厂实际日处理量为 12.515万立方米左右，其每年化学除磷药耗费用分别达 70 万元和 116 万元，根据初步估算，化学除磷药耗量仍有 510%和 10%以上的节药空间，所以进行污水处理厂化学除磷加药精确控制来降低化学除磷的药耗是污水处理厂亟待解决的问题。 二、污水处理厂精确除磷控制系统 (一) 现状及主要存在的问题 从日出水 TP 指标和实际出水 TP 可以看出，*厂 TP 的日排放平均值为0.5mg/L左右， 而*厂由于进水TP含量偏高，具有更高的TP的日排放平均值，因此两厂常有高于国家一级 A排放标准（0.5mg/L）的排放情况出现。同时，从实时的实际出水指标记录也可
5、以看出每两小时的出水TP也时常有远低于国家一级 A 排放标准的数据存在。这说明日处理化学除磷过量加药仍旧存在，有一定的节约空间；超标情况需要借助自动控制手段来抑制。 除磷加药系统被控对象的主要特点： 1）动态复杂性：由于具有生物反应加入，对象特性随时间不断变化，具有时变性和高度的非线性；流入污水的流量、成分及磷的浓度不断变化，使过程一直处于复杂外部环境的动态扰动之中； 2）时滞性：污水处理系统是一个惯性大、滞后长、变量和参数多的系统，若仅靠检测出水的总磷对加药进行闭环反馈控制则很难选择合适的控制算法以达到预期的效果。 3）在线实施测量困难：磷在线检测设备比较昂贵，测量滞后大，测量间隔大，单纯依
6、赖磷在线检测仪的控制方案同样难以实施精确控制。 因为进水的TP含量、环境温度、曝气池中的污泥浓度等都会影响生物除磷的效率，化学除磷所需的药量往往不是固定的。目前的人工加药方式不仅存在加料过量的浪费，而且不能保证出口TP水平始终达到国家一级A排放标准。因此需要采用在线实时控制进行精确的自动加药。 (二) 改造方案*厂和*厂的污水处理工艺和处理能力设计上相同， 总体设计采用了三级控制系统，实现污水磷处理工艺流程的监测以及相关工艺设备的运行状态的监控：第一级：现场手动控制。在各电气站点设置就地控制箱，可单独启停各操控设备及各执行机构（目前两厂均已具备条件）。第二级：PLC 逻辑联动控制。由PLC 根
7、据现场各测试设备采集的数据及系统设备运行逻辑关系，自动控制各站点内的电气设备运行状态。第三级：中央控制计算机监测、修改PLC 控制参数、上位机点动控制，实现实时监控。手动控制及自动控制可以分别通过中央控制室的“手自动转换开关”进行切换。这样的控制方式能最大限度地保证污水处理装置安全操作的需要。其中，自动控制系统的结构图如下：图1 污水处理系统结构图 图 1中的专家系统是控制策略的生成部分，也是系统结构的上层部分，为整个监控的主环。系统可分为四个级别：本地控制级，数据级，分布式知识级和监控级。专家系统基于已有的科学知识和实际系统操作经验来系统化关于过程的知识。因此不仅要设计大量的在线测量得到的历
8、史数据，而且还要涉及操作人员积累起来的大量知识。该部分通过后续磷含量的测量，适当调整前序工段的控制器的给定值。并利用大量专家经验和知识来进行控制器的改进。1）除磷加药系统的在线测定系统 除磷加药系统所需要的在线测量参数包括提升泵处的进水流量，生物池后方的TP 含量，以及出口 TP 含量。其中，目前的进水流量检测装置和出口TP 检测设备均已具备。但目前两厂的进水磷含量检测仪表采样间隔（2 小时）过大，不足以满足在线控制的需要，因此需重新安装一台TP 浓度分析仪。综合考虑后置加药的工艺和成本，可将其同样安装在生物池后二沉池前。监控内容为磷处理过程中的各因素，包括进口磷的含量，出口磷的含量，加药量，
9、加药罐液位，污水进口流量，还有用于控制加药罐液位的状态，用于实施加药量控制的PLC的状态等，并实时的显示在监控画面上。上位机在系统中实现的主要功能有： 1. 显示：以强大的数字、文本、图像格式为用户显示主要设备的运行状态、主要测量参数的实时值以及报警记录，提供整个生产过程的系统工艺图和历史趋势图。2. 监控：根据生产情况要求，操作员可以直接从计算机上通过键盘、鼠标修改设定值和调整过程控制参数并控制电机的启停。3. 报警：过程报警事件发生在自动过程中，例如过程信号超出极限。操作报警在操作过程变量时产生，例如当改变一个闭环控制器的模式时，如果使用了库中所提供的操作员显示，操作报警就会自动产生。提供
10、在生产过程中出现的故障，这些故障信息通过声音报警、画面显示的形式提醒操作人员。4. 报表：监控系统提供了一套集成的报表系统，数据库里的所有过程点都可以打印输出。它可以将在过程中录入的数据按以下方式输出，输出的页面格式是自由的，用户自定义的：信息顺序记录、信息归档报表、操作者记录报表、系统信息报表、用户报表、硬拷贝根据实际需要创建重要工艺参数及产量的电子表格，并可以打印。2）加药控制 加药控制是为了保证化学除磷中的反应药剂供给，并且在保证出口污水磷含量不超标的情况下，尽量节省药剂的投放量，以节约成本和避免二次污染。加药的控制系统需要考虑的因素很多，复杂程度也高。由于分析仪时滞的存在，直接的反馈变
11、得没有意义，即使是单纯的前馈，也存在着几十分钟的时滞，这会使得控制性能大大减低，这样的过程必然会产生明显的超调和较长的调节时间。综合各方面考虑，采用前馈-反馈+专家系统的控制方案，其控制系统方块图如下： 现有方案固定加药量，没有任何自动控制。若已知进水中的总磷量，就可以计算出需要采用化学法除磷的量，也就可以计算出所需要的化学药剂量。 以上面预测的磷含量为据构件污水流量、含磷量与添加剂的比值控制系统，把当前加药泵出口流量作为反馈进行闭环反馈控制。选取参数合适，则系统的调节速度和准确性都能满足要求，从而实现自动加药控制。 同时，由于加药点设置在生物池后二沉池前，该处没有流量计，即无法得到加药点处的
12、实际水流量 F2，只能采用提升泵后的流量计读数值 F1。结合该厂的生物池采用推流式，为了将F1与加药点处的流量 F2 等效，可以认为 F2是F1的滞后一定时间的数值，即F2(t)=F1(t- ), 值可以根据水流的流速 V和从流量计位置到加药点位置的水流行程S 估计出来( =S/V)，如图4所示。在污水处理过程控制中，简单的加药过程的在线控制可采用 PID控制。这种控制器被广泛应用的主要原因是其结构简单，鲁棒性强，在实际过程中容易实现和掌握。PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又费力，加之实际系统时变性、滞后、非线性等因素，使 PID参数的整定有一定的难度，致使许多 P
13、ID 控制器没能整定得很好，这样控制系统自然无法工作在令人满意的状态。 建议采用基于除磷加药模型的前馈的方法和常规PID控制串级的形式进行加药控制，通过对 P含量的有效预测，基于此构成基于 P含量的添加剂流量控制回路。副环用 PID 控制器保证控制的可靠性。 最后在出口进行磷含量的测量，利用专家系统构成整个系统的闭环控制。根据整个控制效果，适当调整控制量。 采用国际领先的对象建模软件、内模及预测 PID参数整定与优化软件，使用过程模型和最优化方法，可以对以上 4个装置进行控制器形式的优化、控制器参数的整定，使目前处于手动控制状态的控制回路投自动，处于自动控制状态的回路达到控制平稳、波动小、基本
14、最优。实施该项后，预期控制效果会大幅上升，基本不用操作工干预的情况下实现高质量运转。3）分析系统分析系统是保证控制系统长期可靠和稳定运行的重要部分。分析系统接收仪器采集的实时数据，并且保存有一定数量的历史数据，通过对分析历史和实时的数据，为专家系统提供判断的依据。(三) 专家系统构成 1）化学法除磷的影响因素 1. PH值和搅拌时间：对化学沉淀法除磷影响最大的是pH 值的大小。不同的金属离子的化合物有不同适宜的pH 值的沉淀范围。 2. 药剂的添加量：从化学反应的观点来看，药剂的投加量取决于磷的存在量。但一般情况下，实际中化学药剂的投加量都是大于根据化学计量关系式计算的投加量，这是因为污水中的
15、氢氧根离子和金属离子生成了氢氧化物的沉淀而耗去了一定数量的金属离子，虽然氢氧化物的沉淀也能吸附一部分的磷, 但是不能去除废水中溶解的磷。 3. 污水池中的污水温度：温度是影响化学反应的重要因素之一，在污水池中反应时间一定的前提下，污水温度的差异会影响反应的程度。 2） 控制影响因素除了工艺本身的影响因素之外，对于控制而言，还有其它的影响因素，有些因素直接制约着控制的实施，必须认真考虑。 1. 采样时间：在该项目的控制过程中，采样时间是最大也是最重要的影响因素，由于出入口被控变量不能及时的检测出来，严重影响控制策略的实施，这也是引入专家系统的直接因素。 2. 历史数据：由于以前的磷检测采用的是分
16、时采样，综合检验的方法，所以对于控制来说数据粗糙，对于构建专家系统来说，可能会影响知识库的完备性。 3. 其他因素：对于本过程来说，影响因素还包括季节性影响的磷成分的构成，以及磷含量的随节假日生活和成产变化而突增的情况。 3） 专家推理机制 按照控制器在整个专家控制系统中的作用，可以将专家控制系统分为两类：直接专家控制系统和间接专家控制系统。 由于直接专家控制系统缺乏一些分析控制性能的方法，并且势必会使得调节过于频繁，不符合控制器操作要求，所以我们采用系统底层为模糊控制算法的间接专家控制系统， 我们设计的专家系统推理结构如下：系统将采集到的数据分两路，一路进入分析处理模块，另外一路进入自学习模
17、块。进入分析处理模块的数据，首先判断出口磷的含量是否超标，若超标，则输出专家控制给定的控制调节量，并报警；若出口磷含量并未超标，则进入下一环节，判断入口磷的含量。根据入口磷到的含量，将按给定的划分将其划分为五种情况，每种情况对应不同的操作：表1分类名称划分依据对应处理超低磷含量很低，超出自动调节范围调节值处于最低，并报警偏低磷含量较低，但在可调范围内输出特定的较低值正常磷含量在自动调节范围内按模糊区间划分，对应处理偏高磷含量较高，但在可调范围内输出特定的较低值超高磷含量很高，超出自动调节范围调节值处于最高，并报警当入口磷处于正常的情况下时，将其按照模糊分类的方法分为若干种处理方法（具体划分区间
18、待定），然后按照给定的模糊对应关系，得到输出，含磷量与对应的调节量输出的关系。 另外，由于考虑到前馈仍然有的延迟，所以若本次测得的含磷量比上次的含磷量有较大的变化，这种变化可能在几十分钟以前已经发生，这就使得按照上述关系进行的调节不能够做得很好。考虑难道这种情况，我们引入一定的阈值和变化量X表2分类名称划分依据对应处理 1X(n)-X(n-1) Y=f(X+X)2 𝛂 𝐗(𝐧) 𝐗(𝐧 𝟏) 𝛂Y=f(X)3X(n)-X(n-1) P_minY=f(X)+T欠加药Qi Q_maxY=
19、f(X)-T其中Pi 为第i个区间的过加药数据的累计数量，Qi为第i个区间的欠加药数据的累计数量，P_min，Q_max分别为对应的给定值，T为函数规则的修改量。 (四) 除磷系统监控方案 污水处理厂除磷系统监控是污水处理监控的一部分，主要是解决除磷过程中的控制滞后，以及由此引发的原料浪费和再度污染的问题，并对整个过程中的各参数进行实时监视，当设备故障、参数超标等情况下发出报警。 1）系统构成： 为了保证系统的稳定性和可靠性，设计中采用了两级控制方案对整套污水处理系统进行监控，上位机选用工业控制计算机，下位机为PLC。 上位机的作用是提供一个人机交互界面，使操作人员可以通过 CRT和模拟屏直观
20、的了解现场各工艺参数及故障报警，根据生产需要发出相应的控制指令。另外可以使用大容量存储器记录历史数据，为提高生产效率制定新的生产方案提供可靠的依据。控制核心采用 PLC，其特点是体积小、功能多、可靠性高。编程后的PLC 能够按照内部程序对系统进行实时监控，程序启停现场设备。 操作人员通过上位机向 PLC 发出相应的控制指令后，由 PLC 对现场进行直接控制。此时即便上位机出现故障（如死机、掉电等），也不会影响系统的正常工作，这样做大大提高了系统的安全稳定性。PLC 与上位机的通讯采用 RS485方式，这种方式传输距离远，技术可靠。 2）测控方式： 各模拟量参数通过相应的变送器输出 420ma的
21、标准信号，通过屏蔽电缆接至PLC 的AI模块。各模拟量输出控制信号是以 420ma的标准信号，从 PLC 的AO模块通过屏蔽电缆接至相应设备。这些设备包括变频器、启闭阀门。数字输入信号为24V直流电信号，通过电缆接至 PLC 的DI模块。数字输出控制信号为24V直流电信号，从 PLC 的DO模块通过电缆接至现场设备。每台现场设备原则在其相应现地箱上输出有三个状态信号：故障、运行/停止、手动/自动；和一个启动信号。为了使现场与 PLC 完全隔离，PLC 所有数字量模块与现地箱中间必须加辅助继电器。所有输出信号（包括模拟量和数字量）由 PLC 内部程序或上位机指令控制。 现场的仪器仪表、机电设备的
22、运行数据采用 GPRS/CDMA 无线网络、工业以太网、RS485 总线等通讯方式经由 I/O Server 实现设备的实时数据快速采集。 3）软件设计： 上位机软件可采用西门子的SIMATIC WinCC作为监控平台，WinCC 是一个集成的人机界面(HMI)系统和监控管理系统，是视窗控制中心(Windows Control Center)的简称。它包括变量管理、结构变量、图形编辑器、报警记录、变量记录、全局脚本、文本库、用户管理等功能，使其具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据管理功能。在大量的实践中，WINCC 已得到了广泛的应用。 监控内容为磷处理过程中的各因素，包括进口
23、磷的含量，出口磷的含量，加药量，加药罐液位，污水进口流量，还有用于控制加药罐液位的状态，用于实施加药量控制的PLC 的状态等，并实时的显示在监控画面上。 整套系统建设有多幅实时监控画面。在电机运行方式为手动时，用鼠标点击画面下排电机启动按钮可远程启动现场设备。传感器的瞬时值依据实际安装位置被分别标注到不同的分布工艺流程图中，其实时数据和历史数据被做成相应分布图的子画面，可在分布工艺流程图中直接点击按钮进入。整个软件界面呈树状排列，查阅、操作简便。数据库是上位机监控软件的核心所在，因此必须依据实际需要首先将其建设好，然后将各功能模块进行恰当的组合。实际编程过程中在定义变量时，记录可设定为不计录、
24、数据变化时记录和定时记录，要根据实际情况选择相应的设置，从而节省存储空间。报表分为实时报表和历史报表 2种。 现场数据的采集及监控画面的展示由 SCADA监控软件完成。 报警分为四种方式：断线报警（包括设备故障报警）、超标报警、开关设备报警和异常情况报警。可以灵活设定报警条件，并和现场人员的手机、短信绑定，在满足报警条件时，自动发送报警信息。系统实时监测到远程设备的启停、工作状态，远程设备的报警信息可迅速的反馈到中心控制室。该系统能实现实时监控，故障报警，历史数据的存储与查询，报表的查询与打印等多项功能，用户界面简单清晰，易于操作人员学习管理，大大降低了劳动强度提高管理水平。 4）专家控制设计
25、：专家系统包括：总体趋势图、实时监控数据、系统当前状态、系统当前控制策略、当前日期时间、报警信息。对各个部分的功能作如下说明：1、总体趋势图：该部分可分为历史趋势图及实时趋势图两大部分。主要包括：入口水流量趋势曲线、入口磷含量趋势曲线、出口磷含量趋势曲线、变频器给定曲线。操作人员可通过历史趋势图来观察最近的除磷加药负荷，并可以通过人机界面的补偿来修正专家系统的输出值。2、实时数据：给出了系统当前一些关键检测数据，包括入口水流量、入口磷含量、出口磷含量、变频器的给定值。以供操作人员在线观察和监督系统是否正常输出。3、当前运行状态：这是系统当前状态，并给出相应的提示信息，以供操作人员参考。4、当前
26、控制策略：给出了专家系统给定变频器设定值的依据以供操作人员进行参考及监督专家系统是否运行正常，主要考虑的因素包括入口磷含量、出口磷含量、入口磷含量的变化率、出口磷含量的变化率、人机界面补偿值。5、当前运行：提示系统当前运行在手动控制、自动控制还是定值控制状态。6、报警信息：提示信息主要包括入、出口总磷在线分析仪的工作状态、磷含量检测值是否正常、当前系统是否正常运行、当前是否为汛期、是否有工业废水的注入、入口磷含量是否超高并在窗口中提出相应的操作建议。(五) 其他控制方案优化 （1） 数据采集系统 利用OPC标准可与污水处理系统PLC进行通信，因为OPC标准的统一性，在开发管理系统软件中可以方便
27、地采用统一的接口，实现 EIC（电气控制、仪表控制、计算机系统）的一体化。 (2) 算法实施 在以上技术放案的基础上进行了相关软件的开发，软件的基本功能如下： 1. 数据读取； 2. 优化算法参数设置； 3. 控制系统仿真设计； 4. OPC； 5. 帮助； 其中，数据读取过程中所采用的技术包括：数据通信与采集技术。数据通信与采集技术是本软件包的基础，软件应用这项技术获取先进控制所需数据，操纵生产装置参数以及输出控制参数。软件采用基于 OPC（OLE for Process Control）的通信技术与 PLC 进行通信，采用 DAO、ADO 和 OLE DB 数据库访问技术保存从生产装置获取
28、的数据以及对已保存数据的访问方法等。 (六) 实验方案设计本试验通过现场烧杯实验和设置小型反应装置，真实模拟污水处理厂生产性污水处理流程，同时结合污水厂现场监控装置，确定生物除磷效率，优化工艺控制参数，重点考察化学除磷环节的条件控制。主要研究化学除磷关键技术，优选工艺控制参数，分析A/A/O系统化学除磷效率，同时根据水质水量变化建立化学除磷药剂投加量的数学模型。(七) 案例分析按照专家系统给定进行加药后，在保证了出水磷含量的实时值达标情况下，出水磷含量稳定在0.5mg/L以下，表现出普遍优于手动控制方案的性能。三、污水处理厂精确曝气节能方案 根据*集团统计数据，*污水处理厂设计规模 15万吨/
29、d，实际处理规模约15万吨/d，每年电消耗总量约 1300万kwh，其中鼓风机运行耗电量占其中的 30%35%，调研中发现，该污水处理厂实际日处理量为 1516万立方米左右，平均每吨水的耗电量为较高，所以进行污水处理厂鼓风机节能来降低吨水的耗电量也是污水处理厂亟待解决的问题。 (一) 现状及主要存在的问题 污水厂鼓风机运行状况如下：污水厂鼓风机运行状况如下：一台常开，一台根据运行经验手动开启。根据生物池溶解氧值，生物池末端过量曝气的情况普遍存在，溶解氧浓度达 8mg/L左右，而生化前端溶解氧浓度为0.3mg/L，说明有一定的节电空间。 存在的问题： 1）鼓风机的开机台数和运行功率一般按照曝气池
30、的溶解氧来调节，生物池曝气不均匀给溶解氧准确检测带来了困难。 2）为了满足控制需要，需要设计多台鼓风机协调控制。 因为进水流量对曝气有较大影响，而该厂的进水流量是时变的，因此，鼓风机向曝气池输送的供气量不是固定的， 手动控制鼓风机开关难以适应供气量的变化，需要采用在线实时控制。3）*厂和*厂鼓风机风压和风量相同，但是电功率不同，拟更换成高效率的鼓风机，在保证原有风量、风压的的情况下，降低运行电功率，达到节能的目的。(二) 建议方案污水处理系统整体方案结合实际工艺情况，设计采用了三级控制系统，实现污水磷处理工艺流程的监测以及相关工艺设备的运行状态的监控：第一级：现场手动控制。在各电气站点设置就地控制箱，可单独启停各操控设备及各执行机构。第二级：PLC 逻辑联动控制。由PLC 根据现场各测试设备采集的数据及系统设备运行逻辑关系，自动控制各站点内的电气设备运行状态。第三级：中央控制计算机监测、修改PLC 控制参数、上位机点动控制，实现实时监控。手动控制及自动控制可以分别通过机房或中央控制室的“手自动转换开关”进行切换。这样的控制方式能最大限度地保证污水处理装置安全操作的需要。 1）单台鼓风机的控制 单台鼓风机的启动和关闭由现场控制盘实现,该盘由 PLC、触摸屏及控制元件、电加热器、出口阀门等电器组成, 完成对单台鼓风机的监控及保护功能, 并且具
