自动化在线检测仪表在污水处理中的应用.docx
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自动化在线检测仪表在污水处理中的应用
自动化在线检测仪表在污水处理中的应用
自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。
一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成：
①传感器，利用各种信号检测被测模拟量；②变送器，将传感器所测量的模拟信号转变为4～20mA的电流信号，并送到可编程序控制器（PLC）中；③显示器，将测量结果直观地显示出来，提供结果。
这三个部分有机地结合在一起，缺少其中的任何一部分，则不能称为完整的仪表。
自动化检测仪表以其测量精确、显示清晰、操作简单等特点，在工业生产中得到了广泛的应用，而且自动化检测仪表内部具有与微机的接口，更是自动化控制系统中重要的部分，被称为自动化控制系统的眼睛。
随着科学技术的发展，自动化检测技术也得到了很大的发展，自动化检测仪表在污水处理中也得到广泛的应用，使污水处理厂不仅节约了大量的人力、物力，更重要的是可以及时对工艺进行调整。
本文将以南宁市琅东污水处理厂为例介绍自动化检测仪表在污水处理中的应用。
1 工程概述
南宁市琅东污水处理厂工程1993年底立项，1997年11月27日正式开工建设；1999年9月28日通水试运行，2000年2月满负荷正常运转。
南宁市琅东污水处理厂，一期工程设计一级污水处理能力24万m3/d，二级污水处理能力10 万m3/d。
设计服务范围30.5km2，规划服务人口34.3万人。
经过琅东污水处理厂净化后的清洁水，一部分直接排入竹排冲，一部分用于南湖回灌水，以改善南湖的水污染问题。
2 处理工艺
南宁市琅东污水处理厂全套引进国外最先进的水处理工艺设备，采用二级生物处理工艺的传统活性污泥法，并针对南宁市污水水质污染物浓度低的特点，在其核心部分--曝气的工艺中采用OOC工艺。
该工艺具有能耗低、运行费用少、出水水质好、管理简便、运行稳定等优点。
从厂外污水干管收集到琅东污水处理厂的污水，首先进行预处理。
在进水泵房经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过5台大型污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在曝气沉砂池去除污水中的砂粒和油类；然后进入计量槽，计量污水处理量。
预处理后的污水在初沉池进行一级处理，去除约30%的有机物；初沉池出水进入二级处理，先在生物处理工艺的核心部分--曝气池，进行生物降解有机物；曝气池的混合液输送到二沉池进行沉淀，泥水分离。
上层澄清液作为净化后的清洁排放水；沉淀下来的污泥一部分回流曝气池后再生利用，一部分作为剩余污泥回流到初沉池。
初沉池的污泥用泵输送到污泥浓缩池，进一步浓缩池，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼。
工艺流程见图1。
图1 污水处理厂工艺流程
3 主要应用仪表介绍
3.1 超声波液位计、液位差计、流量计
（1）格栅运行控制。
粗格栅、细格栅各安装了1台超声波液位差计，通过格栅前后的液位差来反映格栅阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析计算。
当液位差超过预设的数值，控制格栅运行，清除垃圾，保障正常过水，且合理的减少了设备磨损。
（2）提升泵运行控制。
为实现进水提升泵的自动控制，在进水泵井处安装了2台超声波液位计，用以测量泵井的水位，实时传输到PLC控制器及上位机，进行系统分析。
根据测量值对应控制程序，自动控制提升泵的运行组合。
这样可以根据厂外来水量准确及时地调整泵运行状态，减少设备疲劳；同时可以取消传统泵站三班倒的人力资源耗费。
（3）流量及处理量实时监测。
对于污水处理厂的运行管理，水量是一个重要的控制参数。
准确及时地掌握进水量，对工艺控制及提高污水厂抵抗水力负荷冲击能力有重要作用。
传统的水量测量采用堰板或文丘里流量槽等，都存在着不能实时监测、实时显示的缺点。
琅东污水处理厂计量槽采用超声波流量计结合文丘里槽，能在现场和上位机实时显示流量及累计处理量，达到了准确计量处理水量，以及为运行管理提供实时流量的目的。
3.2 溶解氧计、氧化?
还原电位计、污泥浓度计
（1）曝气池溶解氧控制。
南宁市琅东污水处理厂采用的是传统活性污泥法的OOC改良工艺在4个圆型曝气池内圈好氧区，分别安装了测量范围是0.05～10mg/L的溶解氧计，实时监控溶解氧浓度，传输到PLC及上位机。
当实测浓度小于设定浓度时，自动控制系统启动鼓风机，给曝气池充氧；相反地，当氧气充足时，就会停止运行鼓风机。
通过溶解氧计控制鼓风机可以精确地根据好氧菌群对溶解氧的需求控制鼓风机的启动和停止，在保证了菌群良好生化能力的同时节约了能耗，保护了设备，增强了好氧菌群的分解能力。
（2）曝气池好氧段与缺氧段的控制。
在每个曝气池的外圈的好氧区与缺氧区的临界面都安装了测量范围是-500～500mV的氧化?
还原电位计，通过测量的氧化?
还原电位可以控制鼓风机的高速运行，给外圈供氧，形成强好氧曝气阶段和缺氧阶段的交替，进而提高处理工艺中除磷脱氮的能力。
如果没有安装氧化?
还原电位计。
那么鼓风机的运行只能通过时间控制，这样一来就会明显降低除磷脱氮的效果。
（3）曝气池污泥浓度控制。
曝气池的污泥浓度是一个重要工艺参数。
在传统的污水处理厂，污泥浓度依靠实验室使用旧的试验方法进行监测，在数据提供的及时性和精确性上，存在很大的缺陷。
难以及时进行回流污泥和剩余污泥量的工艺调整，就造成时间上和准确度上的误差。
南宁市琅东污水处理厂在每个曝气池上都安装了一个测量范围是为0.5～10g/L在线污泥浓度测量计，很好地解决了这个问题。
安装污泥浓度计可以随时根据精确测量的污泥浓度，适时地调整曝气池的工艺，同时减轻了实验室工作人员的劳动强度。
3.3 电磁流量计、气体流量计
在回流污泥管道和剩余污泥管道中南宁市琅东污水处理厂安装了5台测量范围是0～1200m3/h的电磁流量计测量回流污泥和剩余污泥的流量。
安装流量计后，值班人员可以根据显示的流量是否正确，从而判断回流污泥泵和剩余污泥泵工作是否正常，解决了潜水泵无法简单判断工作是否正常的难题，而且电磁流量计还具有安装方便，维护简单的特点。
鼓风机与曝气池间的空气管道上直接安装的4台测量范围0～4000m3/h（标准状况）的气体流量计。
气体流量计的安装可以使值班人员随时了解鼓风机向曝气池提供气体的量。
4 运行管理体会
4.1 运行管理经验
南宁市琅东污水处理厂自2000年2月正式运行，在两年多的运行管理中，总结了保证自动化检测仪表正常运行几点经验如下：
（1）保持自动化检测仪表传感器的清洁。
定期专人清洗探头，保证数据采集准确性。
因为仪表在污水环境中工作，所以仪表的清洁工作就显得尤为重要，特别是直接与污水接触的溶解氧计、氧化?
还原电位计及污泥浓度测量计等分析仪表，为了保证仪表的正常工作，我们定期由专人清洗，每7天就全面清洗1次仪表，清洗时要求使用柔软的材料，以免损坏仪表。
（2）定期校正各种仪表。
仪表在长期运行过程中难免会产生测量误差，这就需要定期校正，以保证仪表测量的准确性，对分析仪表我们制订了每两月定期校正1次；而且要求实验室工作人员利用分析方法分析对应的检测项目，并与现场仪表监测结果比较，如果偏差太大，那么应适时对仪表进行校正，确保准确。
（3）保证仪表供电电压的稳定性，延长仪表的使用寿命。
瞬间的高电压冲击往往使仪表很容易烧坏。
南宁市琅东污水处理厂运行过程中，就发生了多次因供电电压不稳定，而使超声波液位差计和超声波液位计的变送器损坏，从而影响了自控系统的正常工作的情况。
南宁市琅东污水处理厂正进行技术改造避免供电电压不稳定对仪表造成的损坏，降低运行成本，提高经济效益。
4.2 几点体会
在运行过程中，我们还有以下体会：
（1）要提高污水处理厂的经济效益和管理水平仅有以上这些仪表是不够的，还应增加鼓风机出口压力计、初沉池污泥泵出口流量计等监测仪表，对大鼓风机出口压力和浓缩池进口流量等参数进行监测和调节。
（2）进口仪表的备件、部件昂贵而且购买困难，影响仪表的使用、维修。
例如，一个因供电电压不稳定而损坏的超声波液位差计变送器维修费需8000多元，更换新变送器需15000多元；更换一个氧化?
还原电位计电极需2000多元，而且氧化?
还原电位计电极使用期限一般为两年；一般的企业很难长期支付这一昂贵费用。
进口仪表的标准化校对困难，一般的质量检验部门都不接收污水处理仪表的检测。
国产仪表的普及仍跟不上，价格优势不能很好的体现，一定程度上影响了自动化检测仪表在污水处理厂中的应用。
总体来讲，自动化检测仪表在污水处理厂的应用中发挥很大作用，但在实际应用中仍存在一些问题，我们相信今后自动化检测仪表将会为中国的环保事业发挥更大的作用。
组合工艺处理印染废水设计
某印染有限公司是一家以染色、印花为主的加工型乡镇企业，废水主要来源分三个部分：
①染料车间，主要由各类坯布染色后排放的含染料的废水混合而成，其中包括整个工艺中所需前处理水；②印花车间，半成品水洗及滚筒冲洗水等；③各类生活用水。
印染混合废水具有如下特点：
①废水量大，约占印染用水量的70%～90%；②水质复杂，色度高，有机物含量高，耗氧量大，悬浮物多，并且含有微量有毒物质；③受原料、季节、市场需求等变化的影响，使水质水量变化很大。
研究所于1996年8月承担了该项目的设计，针对印染废水的具体特点，采用了O/A/O生化组合工艺。
在进水CODCr为1600mg/L（大于设计标准）的情况下，出水各项水质指标均达到了GB8978—88一级标准，取得了满意的效果。
该项目总投资280万元，征用土地3350m2，投运一年多来运行稳定、情况良好，于1998年12月通过了嘉兴市环保局验收。
1废水处理工艺
工艺流程如下：
设计原水水量：
2000m3/d。
设计原水水质为印染混合废水：
CODCr≤800mg/L，BOD5≤250mg/L，色度＝500（倍），pH＝8～10。
设计出水达到GB8978—88一级标准，即CODCr≤100mg/L，BOD5≤30mg/L，色度＝50（倍），pH＝7～9，SS≤70mg/L。
1.1预处理部分
①格栅井。
格栅井尺寸为1.2m×1.0m×1.0m。
设粗、细格栅各一道，前道粗格栅的栅条间隙为20mm，后道细格栅的栅条间隙为10mm。
60°角倾置，人工清渣。
②调节池。
容积为450m3，地下式，水力停留时间5h。
内设穿孔管曝气搅拌，防止沉积，同时起到预曝气的作用并去除部分CODCr。
③竖流式沉淀池。
容积为380m3，上升流速为0.23mm/s，中间设涡流反应器一个。
集泥方式为重力排泥。
通过泵前加药（铁系混凝剂）强化一级处理，可去除50%～60%的CODCr，并且使色度大大降低。
设我院研制的中文智能pH在线监控仪一台，使pH值控制在8～9，可得到稳定的加药去除效果，确保后续O/A/O生化工艺处于良好状态。
1.2生化处理部分
①一好氧池。
水力停留时间2.5h，穿孔管鼓风曝气，内置弹性立体填料200m3，设计气水比20∶1，容积负荷为2.0kgCODCr/（m3·d），CODCr去除率为本段进水的40%。
②兼氧池。
分两段，前段水力停留时间2.5h，后段水力停留时间5h。
采用我院设计制造的长轴生化搅拌机作底部水力搅拌，内置弹性立体填料共600m3，增加了污泥浓度。
CODCr去除率为本段进水的15%，此段主要起水解酸化作用，提高B/C。
③二好氧池。
水力停留时间5.0h，穿孔管鼓风曝气，内置弹性立体填料400m3，设计气水比25∶1，容积负荷1.0kgCODCr/（m3·d），CODCr去除率为本段进水的70%。
1.3后处理部分
气浮池的停留时间为5h，采用30%出水作回流溶气水，型式为竖流式，CODCr去除率为本段进水的30%。
通过气浮去掉二好氧池出水中被剥落的生物膜和其他SS，气浮污泥回流至二好氧池。
气浮池进水采用中文智能pH在线监控仪作pH监控，使出水pH值稳定达标。
2工程调试运行
本工程1997年5月初开始生物驯化和设备调试。
工程调试接种微生物取自杭州印染厂二沉池干污泥。
一好氧、兼氧、二好氧采用先间歇培养后用印染废水连续驯化的方式培养微生物，好氧池半个月，兼氧池一个月后，微生物培养驯化基本完成。
1997年11月开始在初沉池进行加药试验，经一周后出水水质稳定达标。
1998年11月18日--19日经嘉兴市环境保护监测站进行连续两天采样监测，结果见表1。
表1 环保监测结果
采样时间
采样点
PH值
SS（mg/L）
色度（倍）
CODCr（mg/L）
BOD5（mg/L）
11月18日
9：
20
进水
10.68
686
160
1570
276
出水
7.69
34
8
76.7
10.7
11月18日
11：
20
进水
10.10
644
100
1960
857
出水
7.71
40
8
61.3
10.5
11月18日
13：
20
进水
9.71
600
160
1710
704
出水
7.65
26
8
60.7
9.45
11月18日
15：
20
进水
9.78
594
160
123060.7
203
出水
7.78
22
8
72.0
14.5
11月19日
9：
20
进水
6.92
256
100
1390
675
出水
7.72
32
8
60.0
10.2
11月19日
11：
20
进水
7.12
428
160
2000
730
出水
7.59
40
8
62.0
9.22
11月19日
13：
20
进水
9.61
481
160
1840
644
出水
7.78
34
8
64.7
8.69
11月19日
15：
20
进水
10.32
1000
100
1540
120
出水
7.79
46
16
78.70
14.4
从表1可见，治理设施出口各主要污染物指标八次监测均达到设计标准，出水水质较稳定，主要污染物的去除率均较高（平均去除率CODCr为95.99%，BOD5为97.91%，SS为94.44%，色度为93.48%）。
验收后二年来，处理设施一直稳定运转。
3经济分析
①电费：
按100kW计，功率系数取0.8，电费为0.86元/（kW·h），则1651.2元/d，即0.826元/m3废水。
②药剂费：
铁系混凝剂按0.15%投加，350元/t药剂，计0.525元/m3废水。
聚合碱或酸按200元/d计，为0.10元/m3废水。
PAM0.02元/m3废水。
共计：
1910元/d，即0.645元/m3废水。
③人工费：
共4人，平均每人每天工资25元，则100元/d，为0.05元/t废水。
④固定资产折旧为0.15元/m3废水。
⑤维修费、污泥装运费等为0.05元/m3废水。
⑥处理成本为1.721元/m3废水（直接成本1.521元/m3废水）。
4结果讨论
4.1O/A/O处理工艺机理分析
O/A/O生物处理工艺综合了厌（兼）氧、好氧和A—B法处理工艺的优点，克服了各自的缺点，使得三种工艺相得益彰，达到了环境目标和能源目标的统一。
①突破了传统的A—B工艺生物吸附—氧化概念。
首先在形式上，将仍属活性污泥法范畴的传统A—B工艺改为生物膜法（接触氧化），增加了MLVSS，提高处理效率，缩短水力停留时间，减少投资；其次在微生物降解机理上，将通常与吸附段伴存的污泥再生池省去，使得微生物再生在生物膜这一微生态系统内得以实现；再是在功能上，革新了传统A—B法只适于高效处理高浓度易生物降解有机废水，而对可生化性差的工业废水无能为力的概念，本工艺丰富了B段的内容，采用A/O克服了上述弱点。
最后，本工艺保留了A—B法的优点，通过人为地制造浓度梯度，产生高效率的有机物去除效果。
②通过分格（兼氧分二格）分段的方法，使不同格段具有不同的优势微生物种群，其表现出来的优点为：
处理有机物的种类更加多样化，对各有机物的去除更为彻底。
③对A/O工艺的改进。
这里的“A”是指兼氧水解（酸化）。
首先传统的A/O法由于A段前置，为了达到除磷脱氮的效果，最后的好氧处理出水必须有几倍于处理水量的水回流至A段，导致建设费用较大。
本工艺在第一个O/A中已达到了去除磷、氮的效果；其次传统的O/A法为了达到较好的出水，在O段必须有足够长的泥龄，同时在A段为了保持较高的MLVSS而必须添加营养，O/A/O工艺很好地解除了上述限制，解决了矛盾，因为有了“二氧化”的把关，第一个好氧池可以大大缩短泥龄；最后，更重要的是水解（酸化）—好氧处理技术，较大地提高了B/C比，有效去除难降解有机物，缩短了常规反应时间。
4.2O/A/O组合工艺参数选择
O/A/O组合工艺从根本上说，是根据生物可降解性的不同，把废水中含有的不同性质有机物在空间上放在不同格段处理而达到经济目的。
虽然除此之外还有其他的作用和要求，但应该以此为主要设计依据，其他要求为辅或作为验算依据。
在第一好氧段，以进水中易降解COD数据为设计依据，按照好氧处理要求选择设计参数，达到基本去除易降解COD的要求。
兼氧段，宜根据进水中难降解COD数据，按照兼氧理论中水解段要求选择设计参数，达到大分子化为小分子、提高废水可生化性的目的。
第二好氧段，根据兼氧段出水和排放标准，按照好氧处理要求选择设计参数，一般宜设计成延时曝气形式。
4.3监控系统
采用自动监控系统，对泵、阀实现自动监控，运行过程基本无须人工干预。
由于pH影响生物结构和处理效果，工程采用我院研制的中文智能型pH在线监控仪，在加药、加酸、加碱控制pH在所要求的范围内。
在Y/Δ启动控制之外，监控系统对2台风机实施了风压监控和自动卸压装置，使风机空载关停，改善风机使用条件，这些都对O/A/O生化组合工艺的稳定运行提供了有效保障。
4.4其他
①本工程利用脱水活性污泥接种的方式启动，与传统的活性污泥法和SBR法相比，启动周期大大缩短。
O/A/O生化组合工艺处理保证了运行效果（出水水质）稳定，总有机物去除率达95%以上，具有极强的抗冲击负荷能力，微生物恢复期较短。
②采用气浮池去除好氧池出水中含有的被剥落和淘汰的生物膜等固体悬浮物，半年的稳定运行表明：
与二沉池相比，气浮物具有明显的优越性，它占地面积小，建设费用省，去除SS效果好，有效地克服了二沉池污泥膨胀等缺点。
③各段实际运行的有机物（CODCr）去除效率：
一好氧45%，兼氧15%，二好氧75%，达到了预计处理效率。
④从经济分析看运行费用基本与应收排污费持平，但取得了较好的环境效益和社会效益。
5结论
①O/A/O组合工艺不仅具有较高的有机物去除效率，而且容易得到较好的出水水质，在有脱氮除磷要求时可同时得到去除氮磷的效果。
②实际运行表明：
O/A/O组合工艺使较大部分好氧污泥在工艺内部消化，大大减少了剩余污泥量，可以不必建单独的好氧污泥装置。
③O/A/O组合工艺很好地体现技术经济的优点，减少了建设费用和运行成本（与其他工艺相比，减少了停留时间，即减少了电耗）。
④实践证明，O/A/O组合工艺对处理有机物成分复杂的废水，特别是对既含有易降解有机物又含有难降解有机物这一类具有一定可生化性但可生化性较差的混合废水的处理，提供了一条经济有效的思路
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