——天津開發區污水處理廠DAT-IAT自控淺析

天津經濟技術開發區污水處理廠
關代宇　李會元　李健

　　天津經濟技術開發區污水處理廠是采用國際上比較先進的SBR生產工藝。SBR法是序批式活性污泥法［Sequencing Batch Reactor］的簡稱。該工藝在1914年就面世了，但是由于該工藝的操作過程比較繁瑣，與其它工藝相比較SBR所需控制的參變量較多，對儀表的精度和可靠性有較高的要求，而當時的自動化控制水平很低，也不可能有精度和可靠性都較高的儀表，限制了SBR工藝的發展和推廣。隨著科學技術的迅猛發展，特別是自動化水平的提高，對污水處理過程進行全自動化的管理和監控成為可能，所以SBR法近年來得到迅速的推廣。在國內，SBR工藝的應用還不多見，其工藝過程和原理并不十分復雜，但對過程控制的各種參數要求很高，對儀表的穩定性和準確性有一定的要求。

　　天津經濟技術開發區污水處理廠采用SBR工藝中的DAT-IAT法，日處理污水十萬噸，它是一種連續進水、間歇曝氣、間歇排水的工藝，整個污水廠實行集中控制，分散管理的方式。它把管理層和控制層分開，降低誤操作對整個工藝的影響，增加了系統運行的可靠性。
　　開發區污水處理廠在控制方面實行三級管理。第一級為互為熱備的兩臺主機，確實保證整個控制過程的連續性和安全性。兩臺主機的基本任務是對整個工藝過程進行實時監控，顯示設備的運行狀態，修改部分工藝參數，對報警和各種報表的自動記錄和打印，關健數據的歷史記錄的保存，各種參數的瞬時和歷史曲線的顯示，第二級為現場控制站，它是由水區、泥區、模擬屏三個PLC構成，分別對水區、泥區的信號進行采集和控制。第三級為就地控制級，是分布全廠的四個馬達控制中心。
　　污水流入廠內的第一道工序是粗格柵，對粗格棚的控制有兩種方式，一種為時間控制，另一種為液位控制，通過粗格柵前后的超聲波液位計計算差值，運行方式的選擇在上位機進行。與粗格柵相配合動作的還有螺旋壓榨機，把粗格柵清除的污物壓擠打包，與粗格柵同步起動，但停止時間滯后于粗格柵半分鐘。污水經由格柵進入進水泵房，進水泵房有六臺潛水泵，由于開發區污水廠地處工業區，水量的供應極不平衡，變化系數比較大，這就需根據進水泵房超聲波液位計反饋的水位信號來起動進水泵的臺數，按照先開先停，后開后停，優先起動累計運行時間最短的原則來控制進水泵的起停，并設有液位超高報警和泵的干運轉保護。為了避免進水泵的頻繁起停，每臺泵起停前均有兩分鐘的延時，以消除瞬間干擾，并且單臺每小時起動次數不得高于五次，每臺泵都有溫度和濕度的保護，信號直接傳給PLC。污水經提升后進入細格柵，對于細格棚的控制與粗格柵完全相同，這里不再贅述。
　　污水經由細格柵進入對稱的兩座鐘式沉砂池，每座鐘式沉砂池內置一帶變頻裝置的攪拌器，通過調節變頻器，改變攪拌的速度，以達到工藝要求的最佳點。鐘式沉砂地采用旋流方式清除大的無機顆粒，由安裝在沉砂池底部的砂泵打出。上面的污水則由巴式計量槽進入配水井，在計量槽上安裝有PH計、溫度計、流量計，當測得的PH值低于5.5或高于8.5時，立刻關閉進水閥門，以保護反應池中的活性污泥。在配水井前有六個淹沒式配水堰，控制進入各組反應地的水量。我廠共有六組SBR反應地，每組又分為兩段，即DAT池和IAT池，如下圖所示：

　　在DAT和IAT的地底設置微孔曝氣器，DAT池內裝有溶解氧儀、污泥濃度計，IAT池有溶解氧儀、污泥回流泵、剩余污泥泵，在DAT和IAT池上的空氣支管分別裝有空氣調節閥。其工藝控制過程如下：DAT和IAT的曝氣由空氣調節閥控制，而空氣調節閥的開起度與溶解氧儀反饋的信號有關，溶解氧的設定根據水質、水的溫度等情況在上位機設置。當DAT污泥濃度低于設定值時，回流污泥泵起動，把活性污泥從IAT打到DAT池，當高于設定值時，剩余污泥泵起動，把活性污泥從IAT打到儲泥地中。回流污泥泵、剩余污泥泵均在IAT曝氣時起動，對它們的控制分為時間控制和儀表控制兩種，儀表一但有問題就改成時間控制。潷水過程是由氣鎖虹吸式潷水器完成的，由安裝在潷水器排氣管上的電磁閥來控制排水和結束。DAT為連續爆氣過程，IAT有三個周期，即曝氣、沉淀、潷水各一個小時，由于受到進水的不規律性和出水泵能力的限制，影響反應周期的正常運行，這些問題在PLC編程中得到充分的考慮。正常情況下，六組池子日處理污水十萬噸，為了避免六組池子同時潷水，把它們分成三組，間隔為一小時，即1-4、2-5、3-6相互間隔一個周期，對應每一組反應池，都設有一個軟開關，控制該組反應地是否投入運行，用以根據水量確定投入的池子數和利于以后對池子的檢修方便。以上的設置在上位機完成。同時我們還考慮到對一些特殊情況的處置，假如進水水量過小或斷流，雖到了潷水周期，但由于反應池水位低而無法進行潷水，則這組池子的潷水自動延時二十分鐘，同時在上位機上作出潷水延時的報警。若延時二十分鐘后仍沒到潷水水位，潷水周期取消，改為繼續沉淀，等待下一個周期的到來。若到了潷水水位，則執行潷水程序，延長的時間計算在下面的曝氣時間內，即縮短了下一個周期的曝氣時間，使以后的周期能夠正常進行。這樣就會出現另外一個問題，隨著污水的不斷流入或許沒到下一個潷水周期，但對于這組池子而言已到了潷水水位，則部分污水由溢流管排出。在任一時刻，只允許兩個池子潷水。以上的控制由水區PLC完成。通過以上的控制確保生產的連續運營，同時增強了自控對一些特殊情況的應變能力。
　　出水泵的控制與進水泵的相同。在出水之前還有最后一道工序——加氯消毒，一般僅在夏季，由于細菌、病菌的增多，需對處理完的污水進一步消毒，加氯是由加氯機自動完成，其本身自成一套系統，只對外傳送狀態信號，并有漏氯報警和漏氯吸收裝置。
　　鼓風機是污水廠的心臟，我廠共有四臺丹麥HV-TURBO產的KA22S—GL225型鼓風機，單機的能力為18000立方米/小時。每臺單機都有一小型PLC，對單機的運行環境、運行狀況和準備工作進行監控，并能自動報警停機。此外還有一主控盤，負責四臺聯機時的控制。主控盤的作用可以分為兩部份，一是負責設置鼓風機的起停順序，另一部份為PI調解器，可以在其上設置所要求的空氣管道壓力值。每臺風機的操作可分為手動和聯動，手動時，可手動調整出口導葉的角度；當四臺聯機時，由主控盤依據先前設定好的次序起動鼓風機，根據需要起動鼓風機的臺數。通過在鼓風機主控盤上的PI調節器，對設定壓力值和空氣主管上的壓力計反饋信號進行比較，調節出口導葉片的角度，以確保壓力的均衡。當壓力不足需再起動鼓風機時，在起動過程中，先將前一臺的開起度降低，同時起動后一臺，待后一臺完全起動后，出口導葉片的開起度自動打到零位，根據需要增加前一臺的開起度，假若打到全開還不夠，則再增加后一臺的開起度，以防止壓力波動太大。鼓風機自成一套系統，無須人為干涉，并對外傳送鼓風機的狀態信號和報警信號。
　　對于泥處理其自動控制相對于水的就簡單多了。剩余污泥泵把活性污泥從IAT打到儲泥地，儲泥地內有大孔振動曝氣器，防止活性污泥的厭氧。儲泥地有起落式潷水器，當活性污泥達到要求液位，停止曝氣開始沉淀，一小時后，起落式潷水器根據污泥界面計的值下潛，潷掉儲泥地的上清液，潷水完畢拉起潷水器。由潛水污泥泵打入脫水機房，在脫水機房污泥與高分子絮凝劑混合進人脫水機。機房內共有三臺德國ROEDIGER公司產的脫水機，經過旋轉預脫水和帶式濾布傳送，圓輥的擠壓，把泥漿壓擠成泥餅運出廠區。
　　整個泥區由泥區PLC控制，剩下的都由水區PLC完成。泥區共有模擬量四點，數字量二百多點，水區共有模擬量近八十點，數字量五百多點。水區的為SIMATIC的S7-400，泥區和模擬屏的為S7-30O。模擬屏PLC只是接收水區、泥區的信號，并輸出給模擬屏。PLC具有很強的抗干擾能力和很高的穩定性，水區、泥區在上位機或總線出現故障時，仍能完成各自的任務，確保工廠的運行。
　　各現場控制站和中控室的上位機用通訊纜連在一起，構成總線型的拓撲結構，采用SIMATIC的SINECL2組網方式。上位機通過SINECCP5412通訊處理器與總線相連，它是上位機與L2通訊的接口。上位機采用美國Intllution的FIX32數據監控和采集軟件，一臺為運行版，一臺為開發版。Intllution公司是世界知名的工業控制方面的專業軟件公司，其設計理念十分貼近工業自控的實際。FIX是以WINDOW NT為操作平臺，其以DRAW、VIEW、DATABASE三個部分為核心，用DRAW設計工廠的工藝流程和所需控制的設備儀表等人機界面，它有豐富的圖集以共使用；用VIEW完成數據連接，顯示工藝流程、儀表數據和設備的實時狀態，各種數據的存取以DATABASE為中心。其中對于整個工藝而言部分經常需改動的參數直接可在上位進行修改。圍繞上述功能塊，對報警進行打印和儲存，通過DDE SERVER，使用EXCEL對重要的數據進行記錄和生成日報表，并打印所需報表。
　　通過對全過程的監控，實現了整個工廠的全自動化運行，大大提高了生產的穩定性和連續性，減少了由于人為的因素而帶來的干擾，大大地減輕了勞動強度。
　　隨著計算機和網絡的飛速發展，自動控制的技術也正在迅猛發展。在我們所引進的自控儀表中，有部分額外附帶具有HART協議的智能化儀表，HART［Highway Addressable Remote Transducer］協議最初由美國Rosemount公司開發，HART協議采用FSK技術，它在模擬信號上疊加數字信號，使用OSI的1、2、7三層。如今除了HART之外，還有PROFIBUS、CAN、FF等幾種應用范圍較廣的影響較大的現場總線技術。這些智能儀表都帶有微處理芯片，這就使它們有了一定的計算能力，同時還具有通訊能力，它們不再依靠控制室的計算機或PLC的控制，不僅能輸出4-20mA的模擬信號，還能輸出數字信號，這就能使之直接連入網絡，成為一個節點。這種網絡就是目前自動控制領域現在和未來的發展趨勢——現場總線。現場總線控制系統是把各種控制儀表用雙絞線連在一起，按照標準化、公開化的通訊協議，形成的一個底層的控制網絡。它是繼DCS系統后的新一代控制系統，打破了集散系統專用的閉鎖的框子，在標準化、公開化的通訊協議下，把不同廠家的不同設備連在一起。極大的提高了系統的分散度，簡化了系統的結構，提高了系統的安全性，最大限度的降低故障的影響范圍。隨著社會的發展，幾種應用范圍較廣影響較大的現場總線技術必將會有一個統一的規范和標準，從而真正形成一個高度開放的互連系統。
　　隨著科學技術的發展和社會對環保的重視，必將有更多的新技術廣泛地應用到污水處理行業，使污水處理行業有更大的發展。