基于MBR工藝的污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1.引言

廣州市京溪污水處理廠（又名廣州京溪地下凈水廠），是廣州市亞運(yùn)會(huì)配套城市河涌改造項(xiàng)目，日處理量10萬(wàn)噸，位于廣州市白云區(qū)犀牛村，采用當(dāng)前世界最為先進(jìn)的“膜生物反應(yīng)器（MBR）處理工藝”。整廠處理工藝設(shè)備采用“地下全埋式”，主體結(jié)構(gòu)分兩層，深20米，為目前亞洲最大的地下室污水處理廠，也是國(guó)內(nèi)單位水量占地面積最小的污水處理廠，僅相當(dāng)于傳統(tǒng)工藝正常占地面積的十分之一。配套有污泥處理、臭氣處理、地面園林景觀等建筑物，出水水質(zhì)同時(shí)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)及廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物排放限值》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，尾水直接排入沙河涌作為下游河道景觀補(bǔ)水，最終進(jìn)入珠江，即處理了污水，又治理了河涌，同時(shí)又節(jié)約了土地資源，可謂一舉三得。

本次由廣州東芝白云自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司實(shí)施承建的廣州市京溪污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程，自動(dòng)化程度要求非常高。負(fù)責(zé)對(duì)轄區(qū)內(nèi)工業(yè)污水以及生活污水處理，污水先經(jīng)細(xì)格柵及曝氣沉砂池，除去水中的大顆粒雜質(zhì)；經(jīng)精細(xì)格柵對(duì)微小雜質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步處理后，進(jìn)入生物池進(jìn)行生化處理，再流入生物膜池濾池進(jìn)行深度過濾處理，最終通過紫外線消毒后進(jìn)行景觀排放，部分排放水進(jìn)行RO膜反滲透處理后作為回用水使用。此外還對(duì)剩余污泥進(jìn)行脫水壓濾外運(yùn)處理，最終與城市垃圾一并衛(wèi)生填埋。污水處理工藝流程圖如圖I所示。

2.自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成

廠區(qū)中控室是整個(gè)人機(jī)信息交換的中心，由兩臺(tái)互為熱備的數(shù)據(jù)服務(wù)器，一臺(tái)電能服務(wù)器、客戶端操作計(jì)算機(jī)、DLP投影系統(tǒng)、打印機(jī)及UPS等組成。主要負(fù)責(zé)把過程量的信息集中化，把各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)配置的測(cè)控站的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并通過簡(jiǎn)單的操作完成過程的顯示、各種圖形的顯示、趨勢(shì)曲線的顯示和控制系統(tǒng)生成等工作。自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵從“集中管理、分散控制”的理念，由中央監(jiān)控系統(tǒng)（上位機(jī)/服務(wù)器）、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制站（PLC）、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)共三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，各層間具有相對(duì)獨(dú)立性，并通過千兆光纖工業(yè)煥網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的工藝、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和預(yù)先設(shè)定的工藝控制目標(biāo)，自動(dòng)制定各PLC的控制參數(shù)，下傳到各PLC控制站。PLC控制器按照這些工藝參數(shù)，根據(jù)控制范圍內(nèi)工藝狀態(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，按照預(yù)先編制的控制程序，將工藝控制自動(dòng)分解成對(duì)所控制的各執(zhí)行器（變頻器、軟啟動(dòng)器、繼電/接觸器、電動(dòng)執(zhí)行器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等）控制變量，對(duì)這些執(zhí)行器進(jìn)行合理控制，實(shí)現(xiàn)各工段工藝控制目標(biāo)。

廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制站（PLC）直接與各種傳感器、變送器和設(shè)備的電氣回路相連，負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)采集及與PLC從站進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場(chǎng)的各種檢測(cè)儀表將各種水質(zhì)參數(shù)和物理量參數(shù)傳遞給現(xiàn)場(chǎng)控制單元，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元內(nèi)置程序計(jì)算后，控制相應(yīng)設(shè)備動(dòng)作，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)PLC單元將檢測(cè)量和控制量通過通訊系統(tǒng)傳給調(diào)度主機(jī)，確保最終出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。對(duì)于異常的工藝參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)向中控室發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)中控室的指令進(jìn)行應(yīng)急處。

主要工藝設(shè)備的控制均具有自動(dòng)、機(jī)旁手動(dòng)、人機(jī)界面手動(dòng)功能。手動(dòng)/自動(dòng)切換平滑，并可以分工段、分機(jī)臺(tái)手動(dòng)/自動(dòng)切換，充分考慮維修和維護(hù)的方便，讓工藝設(shè)備能平穩(wěn)地從工藝運(yùn)行中切入和切出?？刂瞥绦蚓哂袊?yán)格的安全連鎖、互鎖，確保設(shè)備、生產(chǎn)安全運(yùn)行。

污水廠自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸圖如圖II所示：

3.自動(dòng)化控制系統(tǒng)特點(diǎn)

作為膜生物反應(yīng)器（MBR）處理工藝的核心，自動(dòng)化控制系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

（1）控制點(diǎn)數(shù)多，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜：自動(dòng)化控制系統(tǒng)涵蓋全廠生產(chǎn)工藝的電氣設(shè)備，整體控制點(diǎn)數(shù)超過3000點(diǎn)，主要工藝段實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

（2）關(guān)鍵部位冗余配置：生物膜池主PLC控制站點(diǎn)采用雙CPU冗余配置，中控室數(shù)據(jù)服務(wù)器也采用雙服務(wù)器冗余模式，極大提高系統(tǒng)可靠性和安全性。

（3）能源監(jiān)控管理的應(yīng)用：中控室配置獨(dú)立的電能管理系統(tǒng)，對(duì)廠區(qū)400多個(gè)主要用電設(shè)備進(jìn)行能源監(jiān)控管理，有效優(yōu)化和檢測(cè)電能消耗，降低運(yùn)行成本。

（4）采用總線通訊方式：現(xiàn)場(chǎng)儀表與PLC控制站之間，主PLC控制站與從PLC控制站之間均采用PROFIBUS-DP總線方式通信，既節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)電纜，也提高系統(tǒng)通信的穩(wěn)定可靠性。

（5）設(shè)備抗腐防潮程度高：由于該項(xiàng)目為全地下式，對(duì)電氣及自控設(shè)備抗腐防潮程度非常高，所有控制站柜體IP等級(jí)均達(dá)到IP55，有效保護(hù)柜內(nèi)控制設(shè)備。

4.膜處理工藝自動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)

膜生物反應(yīng)器（MBR）處理工藝段分為東西兩套獨(dú)立單元，每套單元配置十個(gè)膜池，主要分為產(chǎn)水、反沖洗及抽真空，配套輔助工藝段為消泡工藝和吹掃風(fēng)工藝。

正常產(chǎn)水工藝控制：

當(dāng)每個(gè)膜池液位大于最低液位時(shí)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)基本條件滿足，產(chǎn)水啟動(dòng)：十組間隔依次自動(dòng)啟動(dòng)并運(yùn)行（間隔時(shí)間為1分鐘），運(yùn)行時(shí)按運(yùn)行9分鐘停止1分鐘間斷產(chǎn)水。

產(chǎn)水泵產(chǎn)水模式分恒流出水和恒頻產(chǎn)水兩種模式可選。

恒流出水：系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的單組流量260噸/h（100～400噸可調(diào)），通過做PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)控制泵頻率實(shí)現(xiàn)恒流出水。

恒頻出水：系統(tǒng)按設(shè)定的單組水泵運(yùn)行頻率（20～50Hz可調(diào)），控制產(chǎn)水泵（SP205A～T）恒頻率出水。

反沖洗工藝控制：

當(dāng)每個(gè)膜池正常產(chǎn)水運(yùn)行后，對(duì)產(chǎn)水運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，當(dāng)產(chǎn)水累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定值（可調(diào)）時(shí)，則對(duì)運(yùn)行膜組依次進(jìn)行1次在線化學(xué)反洗操作，反洗系統(tǒng)中設(shè)定四種加藥類型（酸、堿、Naclo、H2O）可選按鈕，反洗前需選定。

反洗程序按“自動(dòng)請(qǐng)求/強(qiáng)制反洗”兩種運(yùn)行方式；當(dāng)需強(qiáng)制反洗，在“強(qiáng)制反洗膜組設(shè)定”項(xiàng)輸入膜組號(hào)，并強(qiáng)制啟動(dòng)即可，如有另外的膜組正在反洗中，則無法強(qiáng)制，需等待該膜組反洗完畢才可啟動(dòng)。

反沖洗時(shí)先停止該組產(chǎn)水泵、關(guān)閉產(chǎn)水氣動(dòng)閥、真空閥等，然后啟動(dòng)一臺(tái)反沖洗泵，按設(shè)定目標(biāo)流量（可調(diào)），同時(shí)打開反沖洗閥，啟動(dòng)加藥計(jì)量泵，執(zhí)行化學(xué)反沖洗程序，清洗10分鐘后進(jìn)行浸泡10分鐘，反復(fù)進(jìn)行60分鐘后，關(guān)閉反洗泵，關(guān)閉加藥計(jì)量泵，完成反沖洗過程。

抽真空工藝控制：

當(dāng)每個(gè)膜池產(chǎn)水啟動(dòng)后膜組流量連續(xù)1 分鐘內(nèi)產(chǎn)水流量不足，無法到達(dá)最低產(chǎn)水流量時(shí)，需要進(jìn)行抽真空處理；如多個(gè)膜組進(jìn)入請(qǐng)求抽真空，則按請(qǐng)求先后順序進(jìn)行排隊(duì)。

抽真空程序按“自動(dòng)請(qǐng)求/強(qiáng)制抽真空”兩種運(yùn)行方式，當(dāng)需強(qiáng)制抽真空時(shí)在“強(qiáng)制抽真空模組設(shè)定”項(xiàng)輸入模組號(hào)，并強(qiáng)制啟動(dòng)即可，如有另外的膜組正在抽真空中，則無法強(qiáng)制，需等待該膜組抽真空完畢才可啟動(dòng)。

抽真空時(shí)先關(guān)閉該組產(chǎn)水泵關(guān)閉需抽真空膜組的產(chǎn)水閥，然后打開相應(yīng)膜組的抽真空閥，同步啟動(dòng)1臺(tái)真空泵，對(duì)該膜組抽真空處理，直到流量開關(guān)打開或運(yùn)行3分鐘完成一次抽真空過程。當(dāng)遇到1小時(shí)連續(xù)三次抽真空后產(chǎn)水流量達(dá)不到設(shè)定值，則關(guān)閉該組之退出運(yùn)行，并報(bào)警，及時(shí)進(jìn)行膜組維護(hù)處理。

5.結(jié)束語(yǔ)

作為廣州市亞運(yùn)會(huì)配套城市河涌改造項(xiàng)目，該廠自2010年投產(chǎn)以來，以膜生物反應(yīng)器（MBR）處理工藝為核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行，未發(fā)生過任何故障，出水水質(zhì)穩(wěn)定，完全達(dá)到設(shè)計(jì)及環(huán)保要求，生化需氧量BOD<10mg/L，總磷TP<0.5mg/L，總氮<15mg/L，化學(xué)需氧量（COD）<40mg/L，懸浮物（SS）<10mg/L，氨氮<5mg/L，pH在6～9之間，并且多次接受環(huán)保部門和政府相關(guān)部門的檢查參觀，均受好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

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