MBR 處理工藝的自控設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 軒

（北京燕山玉龍石化工程股份有限公司，北京 102500）

工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的污水是造成環(huán)境污染，特別是水污染的主要因素。工業(yè)污水中含有隨水流失的工業(yè)生產(chǎn)用料、中間產(chǎn)物、副產(chǎn)品以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物[1]，這些都嚴(yán)重威脅著人類的健康和安全。隨著國家對污水治理力度的加大，越來越多的企業(yè)投入到了污水處理工程的建設(shè)中。

目前，水處理行業(yè)的工藝技術(shù)眾多，而MBR 工藝作為國內(nèi)新型的處理技術(shù)，得到了廣泛關(guān)注。MBR（Membrane Bio-Reactor），全稱膜生物反應(yīng)器，是一種由傳統(tǒng)活性污泥生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的新型水處理技術(shù)，其中的膜組件是一種過濾精度小于等于0.1 微米的浸沒式中空纖維超濾膜絲。膜絲在使用過程中極易附著污泥，輕則使膜堵塞，影響產(chǎn)水能力，重則導(dǎo)致設(shè)備損壞，裝置停運(yùn)，影響下游裝置正常運(yùn)行。因此，選用正確合理的自動控制方案是污水處理裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 工藝流程介紹

1.1 污水處理裝置工藝簡述

中天合創(chuàng)鄂爾多斯煤炭深加工示范項(xiàng)目為新建大型煤化工項(xiàng)目，主要以煤為原料生產(chǎn)甲醇，由甲醇轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙烯、丙烯。污水處理裝置是項(xiàng)目配套的公用工程裝置之一，主要收集煤化工裝置的生產(chǎn)廢水、烯烴裝置的生產(chǎn)廢水以及其他公用工程、輔助設(shè)施排出的生產(chǎn)、生活污水等，經(jīng)壓力流匯至污水處理裝置處理，達(dá)到設(shè)計(jì)出水水質(zhì)后，送至各污水回用裝置。該污水處理裝置的主要工藝流程框圖如圖1 所示。

圖1 污水處理裝置工藝流程框圖

圖中均質(zhì)/調(diào)節(jié)池主要起均衡水質(zhì)和調(diào)節(jié)水量的作用。一級好氧池進(jìn)行好氧曝氣處理，利用微生物的同化作用，將部分有機(jī)污染物進(jìn)行碳化，達(dá)到降解的目的。中間沉淀池進(jìn)行泥水分離，活性污泥被分離出來通過回流泵回到一級好氧池。二級生化A/O 池包括缺氧池和好氧池，缺氧池主要功能是脫氮，好氧池主要功能是進(jìn)行碳化和硝化反應(yīng)。二級生化A/O 池的污泥混合液自流進(jìn)入MBR膜分離池，在MBR 產(chǎn)水泵的抽吸作用下，使用膜過濾的方式實(shí)現(xiàn)完全的固液分離，直接得到高質(zhì)量的產(chǎn)水。膜分離池設(shè)置污泥回流泵，根據(jù)來水水質(zhì)和處理程度要求可將污泥分別回流至缺氧池和好氧池[2]。污水處理過程中，一級好氧池、中間沉淀池和二級生化A/O 池會產(chǎn)生惡臭氣體，為了防止這些氣體直接擴(kuò)散到空氣中，使用拱頂蓋密閉抽氣至生物除臭系統(tǒng)。本裝置無外排污水，合格的產(chǎn)水均回用于循環(huán)水場。因此，污水處理裝置的可靠性還關(guān)系著其他工藝裝置的正常運(yùn)行。

1.2 MBR 單元的工藝流程

在整套污水處理工藝流程中，MBR 處理單元是核心的組成部分。污水在MBR 處理單元上游經(jīng)過了一級好氧和二級生化A/O 的生物培養(yǎng)后形成了高濁度的原水，再通過MBR 膜絲的超濾作用，使膠體、蛋白質(zhì)、微生物及大分子有機(jī)物被截留在膜池里，僅有小分子物質(zhì)和溶解性固體（無機(jī)鹽）等能夠通過。整個(gè)MBR 處理單元共有8 個(gè)膜系列，每個(gè)膜系列設(shè)有10 套膜組件，置于1 個(gè)膜池內(nèi)，8 個(gè)膜池并排設(shè)立。圖2 所示為MBR 單元的工藝流程圖，上游污水注入膜池總進(jìn)水渠，通過膜池內(nèi)手動閘板閥進(jìn)行膜池選用分配。本單元使用的浸入式膜組件是一種將水由外向內(nèi)負(fù)壓抽吸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)出水管線需要通過電機(jī)驅(qū)動水泵將產(chǎn)出水抽離膜池。

圖2 MBR 單元的工藝流程圖

2 MBR 單元控制方案的設(shè)計(jì)

MBR 處理單元共設(shè)有8 個(gè)膜系列（A～H），膜系列之間采用并聯(lián)運(yùn)行方式，相互不受影響，均可獨(dú)立運(yùn)行。這種模塊化的設(shè)計(jì)，在單個(gè)系列修補(bǔ)和更換時(shí)，不會影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

MBR 處理單元的自動控制主要對整套工藝的長周期穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行控制和保護(hù)。本文圍繞著膜產(chǎn)水順序控制，膜產(chǎn)水循環(huán)控制，膜反洗順序控制和聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)這四個(gè)部分內(nèi)容，具體描述MBR 單元自動控制方案。

2.1 膜產(chǎn)水順序控制方案的設(shè)計(jì)

產(chǎn)水過程從膜系列A 開始依次進(jìn)行產(chǎn)水，延時(shí)1 分鐘啟動膜系列B，以此類推至膜系列H。在膜系列H 啟動的同時(shí)，膜系列A 停機(jī)1 分鐘。系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行，每個(gè)膜系列運(yùn)行7 分鐘，停機(jī)1 分鐘。也就是8 個(gè)膜系列至多同時(shí)有7 個(gè)膜系列產(chǎn)水，至少有1 個(gè)膜系列停機(jī)。為了防止MBR 膜絲污染，在每個(gè)膜系列停機(jī)的1 分鐘內(nèi)，需要利用鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的大孔氣泡對膜絲進(jìn)行振蕩沖洗，避免污染物累積，清除膜表面的污染物。

在每個(gè)膜系列啟動前，要確認(rèn)各管線自動閥門的開關(guān)狀態(tài)，以膜系列A 為例，這里并行分支要在維護(hù)反洗閥門XV-02A 和連續(xù)吹掃風(fēng)閥門XV-03A 均關(guān)閉的同時(shí)，確認(rèn)疊加吹掃風(fēng)閥門XV-04A 保持關(guān)閉狀態(tài)。在并行分支全部確認(rèn)后，進(jìn)入下一步啟動膜產(chǎn)水泵P-01A，膜產(chǎn)水出水閥門XV-01A 延遲5 秒開啟，用以保證膜產(chǎn)水管線內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)。產(chǎn)水維持7 分鐘后停泵P-01A，同時(shí)關(guān)閉產(chǎn)水閥門，打開疊加吹掃風(fēng)閥門XV-04A，對膜絲進(jìn)行振蕩沖洗。1 分鐘后關(guān)閉疊加吹掃風(fēng)閥門并再次進(jìn)入產(chǎn)水階段。

2.2 膜產(chǎn)水循環(huán)控制方案的設(shè)計(jì)

前文已經(jīng)描述了膜系列A 的順控方案，把8 個(gè)膜系列A～H 聯(lián)系起來構(gòu)成循環(huán)運(yùn)行方式，就需要用到自定義功能塊功能。

在組態(tài)中以“CS”（意為Cycle System）為名稱建立“模塊”，如圖3 所示。功能塊左側(cè)為輸入端，右側(cè)為輸出端。模塊引腳MODE 是功能塊執(zhí)行方式：0 為自動，1 為手動。CMD 是命令操作功能：1 為啟動，2 為暫停，3 為重啟，4 為繼續(xù)，5 為停止，6 為終止，7 為復(fù)位。STATUS 是輸出當(dāng)前所處的狀態(tài)。AUTO1～AUTO8 依次是各膜系列確認(rèn)信號，如果某個(gè)膜系列確認(rèn)進(jìn)行產(chǎn)水則信號為1，不產(chǎn)水為0。右邊OUT1～OUT8 為執(zhí)行各膜系列產(chǎn)水程序。時(shí)鐘信號TS1 為啟動產(chǎn)水間隔時(shí)間，這里給定值設(shè)置為60 秒。具體情況說明，若膜系列A 未投入運(yùn)行，則AUTO1 輸入為0，其他膜系列確認(rèn)運(yùn)行。循環(huán)系統(tǒng)啟動，當(dāng)0秒時(shí)刻，膜系列A 應(yīng)該啟動，但由于用戶設(shè)置不投運(yùn)，則0 秒時(shí)刻各膜系列均不動作。當(dāng)?shù)?0 秒時(shí)刻，模系列B才啟動。所以某個(gè)膜系列是否投運(yùn)，對其他膜系列不產(chǎn)生影響。

圖3 自定義功能塊實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制示意圖

結(jié)合以上順控圖和自定義模塊完成系統(tǒng)邏輯組態(tài)，實(shí)現(xiàn)膜系統(tǒng)自動順序運(yùn)行和自動循環(huán)控制。例如，當(dāng)系統(tǒng)處于第7 分鐘時(shí)刻，膜系列H 啟動產(chǎn)水程序，而膜系列A停止產(chǎn)水并進(jìn)入吹掃階段。

2.3 膜反洗順序控制方案的設(shè)計(jì)

MBR 膜處于高濃度污染物介質(zhì)中，膜表面易受微生物及其代謝物污堵，難以用氣洗方式清除。若膜絲長時(shí)間未清洗，會減少裝置產(chǎn)水量，膜污堵導(dǎo)致通量下降，導(dǎo)致下游裝置進(jìn)水不合格，因此需要通過反洗，以恢復(fù)膜通量。維護(hù)反洗的要點(diǎn)是加藥反洗，利用低濃度次氯酸鈉溶液通過產(chǎn)水端注入膜絲，持續(xù)浸泡30 分鐘，達(dá)到去除膜絲表面污物的目的。

維護(hù)反洗需要每隔4～6 天（視膜污染情況）進(jìn)行一次，當(dāng)其中一個(gè)膜系列進(jìn)行維護(hù)反洗，其他膜系列依然正常運(yùn)行。正常情況下，不允許兩個(gè)膜系列同時(shí)進(jìn)行維護(hù)反洗。以膜系列A 為例，清洗步驟如下：首先停止該膜系列的產(chǎn)水程序，關(guān)閉產(chǎn)水泵P-01A 和產(chǎn)水閥門XV-01A。確認(rèn)完畢后開啟維護(hù)反洗閥門XV-02A 和次氯酸鈉加藥閥門XV-03A，同時(shí)開啟維護(hù)反洗泵P-02A（與P-02B 一用一備）和次氯酸鈉加藥泵P-03A（與P-03B 一用一備），使低濃度次氯酸鈉溶液從產(chǎn)水端通過膜絲注入膜池。5分鐘后停止注入次氯酸鈉溶液并關(guān)閉維護(hù)反洗閥門和所有吹掃風(fēng)閥門，開始靜置浸泡。靜置10 分鐘后開啟所有吹掃閥門，吹掃5 分鐘后即算完成一次加藥反洗過程。一般需要進(jìn)行數(shù)次加藥共持續(xù)40～60 分鐘左右，本程序的加藥次數(shù)手動設(shè)置為3 次。維護(hù)反洗后，確認(rèn)停止維護(hù)反洗泵P-02A 和次氯酸鈉加藥泵P-03A，關(guān)閉維護(hù)反洗閥門XV-02A。自動加入產(chǎn)水排隊(duì)程序，恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.4 聯(lián)鎖保護(hù)的設(shè)計(jì)

為了保證整套產(chǎn)水工藝流程順利進(jìn)行，以及防止膜絲斷裂，需要在程序運(yùn)行前和運(yùn)行中確認(rèn)各項(xiàng)工藝參數(shù)是否滿足運(yùn)行條件。首先，在膜池中安裝液位儀表，分別確認(rèn)8 個(gè)膜池中是否有足夠的污水，以保證膜組件完全浸入污水中。污水液位高于膜組件的上表面高度（約3.5m），才能保證產(chǎn)水管道中沒有外部氣體進(jìn)入。其次，在產(chǎn)水管線內(nèi)安裝壓力儀表，以檢測每條產(chǎn)水管線內(nèi)的真空度，防止管道內(nèi)混入空氣，使跨膜壓差過大，當(dāng)跨膜壓差大于50kPa 時(shí)會損壞膜絲。最后，在產(chǎn)水管線內(nèi)安裝流量儀表[3]，以檢測每條產(chǎn)水管線的進(jìn)水量。具體的聯(lián)鎖保護(hù)方案如下：

（1）當(dāng)膜池的液位測量值達(dá)到4.0m 時(shí)，允許該膜系列啟動。當(dāng)膜池的液位測量值低于3.6m 時(shí)，該膜系列聯(lián)鎖停機(jī)。如果液位高于4.5m，高位聯(lián)鎖停機(jī)并報(bào)警。

（2）正常工況下，產(chǎn)水管線內(nèi)的壓力要維持在-5kPaG左右。當(dāng)產(chǎn)水管線內(nèi)的壓力值在持續(xù)3 分鐘以上時(shí)間都小于-50kPaG 時(shí)，則系統(tǒng)會禁止該膜系列運(yùn)行或聯(lián)鎖停機(jī)。

（3）在膜系列投入運(yùn)行過程中，當(dāng)產(chǎn)水流量在持續(xù)1分鐘以上時(shí)間都低于150m3/h 時(shí)，則該膜系列聯(lián)鎖停機(jī)。涉及到電機(jī)控制的聯(lián)鎖邏輯，需要用到MOTOR 電機(jī)控制功能塊。功能塊左側(cè)為輸入端，其中部分需要使用的端口如下：RUNSTA 為運(yùn)行狀態(tài)，STOPSTA 為停止?fàn)顟B(tài)，AUTRUN 為自動啟動命令，是連接該膜系列的自動啟動信號。AUTSTOP 為自動停止命令，NOT 模塊把自動啟動信號的反信號送至此端口。EMRUN 為聯(lián)鎖啟動命令，EMSTOP 為聯(lián)鎖停止命令。將上述的流量模擬信號FT-01A、壓力模擬信號PT-01A 和液位模擬信號LT-01A 進(jìn)行邏輯運(yùn)算。當(dāng)流量模擬信號數(shù)值小于150 時(shí)輸出開關(guān)量為1，當(dāng)壓力模擬信號數(shù)值小于-50 時(shí)輸出開關(guān)量為1，當(dāng)液位模擬信號數(shù)值小于3.6 時(shí)輸出開關(guān)量為1。再經(jīng)或運(yùn)算，當(dāng)其中一個(gè)條件滿足時(shí)，輸出為1，將開關(guān)量送至EMSTOP 中，經(jīng)MOTOR 模塊處理后送至右側(cè)STOP 停止命令輸出端口，最終將信號賦給YSP-P01A 開關(guān)量輸出。詳細(xì)聯(lián)鎖邏輯圖如圖4 所示。

圖4 膜系列聯(lián)鎖邏輯圖

3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

本裝置采用浙江中控公司W(wǎng)ebField 系列的ECS-700 分散控制系統(tǒng)。ECS-700 分散控制系統(tǒng)具有分域管理功能，可以根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，將控制系統(tǒng)劃分為一個(gè)或多個(gè)控制域及操作域，每個(gè)操作域可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)控制域。本裝置作為整個(gè)過程控制網(wǎng)中的一個(gè)控制域，由其所在分組的操作域監(jiān)控，通過分域管理，有效地減少了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，從而保證了在大規(guī)模系統(tǒng)構(gòu)建下過程控制網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性[4]。

ECS-700 分散控制系統(tǒng)由控制節(jié)點(diǎn)、操作節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。污水處理裝置的正常生產(chǎn)操作站設(shè)置在全廠中央控制室（CCR）內(nèi)的公用工程裝置操作區(qū)域，對生產(chǎn)裝置進(jìn)行全部的控制、監(jiān)視、報(bào)警及報(bào)表等操作?？刂葡到y(tǒng)的過程控制站、操作站、工程師站和通信設(shè)備設(shè)置在現(xiàn)場機(jī)柜室（FAR），其中工程師站用于開車時(shí)調(diào)試和系統(tǒng)維護(hù)。所有現(xiàn)場儀表信號傳送到現(xiàn)場機(jī)柜室，再從現(xiàn)場機(jī)柜室通過冗余通信光纜傳送到中央控制室。

4 結(jié)論

本裝置自投用以來，通過了長時(shí)間、連續(xù)地運(yùn)行，工藝流程處理效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了MBR 處理工藝的技術(shù)指標(biāo)。裝置運(yùn)行穩(wěn)定，控制可靠，操作方便靈活，控制功能滿足工藝的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，為同類型污水處理裝置的工程設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路和一定的參考價(jià)值。