污水处理必须遵循水循环基本规律.docx
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污水处理必须遵循水循环基本规律
污水处理必须遵循水循环基本规律
系统论认为，水的自然循环是具有自组织结构的非平衡开放系统，水的社会循环是具有人工组织结构的平衡系统。
水的自然循环
从地球诞生，可能就有水的存在。
以水为介质地球完成了物质、能量和信息三要素之间的交换，由水平啄收和储存太阳能，完成能量的转换，使地球由一个“死球”进化为一个“活球”，从此有了生命的产生。
可以说是水孕育了生命的发生、发展，也孕育了地球的整个变迁过程。
在无人类参与或人类干预很小的条件下，水的存在形式主要包括云，地表水（包括海洋、冷雪、湖泊、沼泽、河流等），地下水和生物水四部分。
这四部之间呈四面体状的相互关系，云由其余三种水体通过蒸发而形成，再通过雨、雪、雾和冰雹等，分别进入其余水体；地表水体的大部分水源来自于云和地下水体，同时自身也进行着各种形式的转变，这其中也完成着物质、能量和信息的转换过程；地下水体主要来源于地表水体的下渗和云；生物水和其余三个方面都有不可分割的关系，但从总量上来看相对小了很多，所以可以认为云、地表水体和地下水体起了决定性作用，决定着水的循环方向和整体特性。
这三种水体之间的循环主要依靠太阳能来推动的，生物能相对作用较小，自然系统起了决定性的作用。
自然水体利用太阳能和生物能在循环过程中携带和产生物质和
能量，保持熵值的稳定，即水体自净。
水的社会循环
水的社会循环是水自然循环的一个子系统，又包括农业灌溉、工业用水和居民生活用水三个系统。
这些系统通过取水系统和排水系统相互连接成一个复杂的网络系统。
与自然循环相比，社会循环具有可控制性和系统完成有序化以及在时间上的及时性。
人类诞生以来，对水循环的干预作用越来越大，尤其在工业革命以来，大量的水被应用，大量的含有高浓度有机物和无机物的水被排放到自然水体，大大超过了水体自然循环中太阳能和生物能所能带走的负荷，造成大量物质在水体中积累，也增加了人类的利用成本。
水循环系统的熵值增加，原有的平衡被打破，新的平衡即将建立。
水自然循环是一种开放的自组织系统，维持地球物质、能量和信息的交换，由于太阳能和生物能的参与作用使系统维持相对稳定的有序状态。
由于人类活动的参与作用，输进了原本没有的新物质和能量，打破了原有的有序状态，向一种新的有序状态演变。
人类的社会活动是一种有组织的活动，不同于自然循环的自组织活动。
多年来人类活动的结果表明，人类的有组织活动违背了水自组织活动的基本规律，这就是水危机产生的根源，也是生态环境恶化的根源。
水处理发展状况
我国的水污染经历了一个从工业废水到生活污水，从行业重视到国家重视，从国家重视到全民重视，从直接排放到末端治理；从单独分散的点源治理到流域性和区域性的水污染防治发展；工业废水从末端治理转移到清洁生产为主的“污染综合预防”；生活污水从合流集中处理排放到分流、分散处理回用的发展过程。
这期间除了经济、社会以及环保观念等因素制约处，渗透着人们对水和水污染控制认识逐渐深入的过程。
我国工业废水城市污水排放量大，到2000年排放量达到3000亿m3。
工业废水的治理始于六、七十年代，到“七五”期间（1986～1990）被列入国家科技攻关重点项目，“九五”期间国家攻关课题中工业废水的研究内容彻底由末端治理向清洁生产转移，把污染控制和生产过程紧密结合起来，提出通过加强生产环节的管理、技术设备改造以及工艺流程改进，提高水利用率，减少工业废水和污染物排放量。
80年代以前城市污水多为直接排放，从“七五”开始国家科技攻关逐步研究一些城市污水处理技术，随着“八五”、“九五”的开展，在城市污水处理方面已经具备了成熟的处理技术。
随着水源短缺，城市污水成为重要的城市杂用水水源，污水回用也成为城市污水处理面临的主要问题。
我国“七五”期间提出了回用水质标准，到“八五”、“九五”这一技术也取得了长足的进步。
多年来，从借鉴国外经验消化吸收到自行研制设计，我国的水处理技术已经步入国际先进行列。
但是由于我国经济基础相对薄弱，城市化、工业化进程还需要大量资金扶持，环保资金相对投入较小，已经建设的处理设施跟不上城市建设和工业改造的步伐，所以水处理率还远远不能达标，致使我国的环保事业存在严重的瓶颈。
污水生态处理
污水生态处理的提出
水的社会循环由于人类的干预作用增加了原来没有的物质和能量，导致系统有序性的失衡。
必须要解决两个问题：
一是利用人工方法恢复打破的有序性，就是污水的净化处理；另一个方面自省人类的干预活动，以更接近自然循环的方式、方法进行生产活动。
最根本的方法就是站在实现自然循环的角度，对生产过程中产生的污染物进行必要的污染治理，减少人类干预对水自然循环的不良影响，实行污水生态处理，通过对水社会循环的有效控制，解决对自然循环的破坏作用，避免自组织和系统有序化时间上的滞后性对人类行为带来的不良后果。
生态学是研究生物与自然环境之间关系的科学，这里的“生态”表示人类活动与污水处理之间的关系。
污水生态处理并不是技术上的突破，是一种污水处理理念的转变。
对于现有技术来说，基本可以实现污水的有效处理，但是对于我们来说，要解决的主要问题并不是单一的污水处理问题，要从整体性和水循环的角度充分考虑环境保护、生态建设等多含总因素，包括城市规划，地面、地下水体特点，水系功能定位，气候条件以及下游水体特点等等，确定处理工艺。
1995年水处理提出水工业的概念，将水作为一种商品，包括给水排水以及用水等一系列过程，也就是水作为商品从生产、使用到最终处理全生命周期的动作过程。
这也是污水生态处理另一个方面的体现。
学科发展的需求
近代给排水系统的水处理流程实际上是效仿水循环中，在生态学、地球化学作用下自然发生的水质变换过程，通过集中增加电力等能源，达到比自然快得多的水质变换速度。
尤其是近几年水污染控制领域增加了可持续发展的要求，发展方向定位于清洁生产和流域、区域治理。
这两方面都是站在水自然循环的角度来规划、控制人类干预下水的社会循环，所以污水生态处理在人们的研究方向、研究内容、思维领域和学科专业上已经有了准备，只需要进一步的理解和认识。
近年来随着可持续发展的提出，水工业成为以水为主的主要学科部门。
水质科学与工程学是水工业的匹配学科，以水质处理/控制为核心内涵，研究水工业为水资源可持续提供社会和各种用水服务所需的科学技术的学科。
学科中突出了水概念的重要性，应该看到水资源的主要问题在于水质，污染治理的主要目标是保护水质免遭破坏，水自然循环有序性的打破，究其原因是由于人类活动改变了水体的水质，增加了不能净化的新物质或超过了水体的净化能力。
我国水工业的总体发展目标是尽快实现水的良性社会循环。
多年的研究实践中，人们已经意识到水循环和水污染控制之间不可分割的关系，实现水的良性循环，必须控制水的良性社会循环，良性循环产生的关键就是立足于污水生态处理的水污染控制措施。
经济发展的需求
追求经济的协调发展是人类一直的梦想，可以为经济的发展注入生机和活力。
经济发展是一把双刃剑，一方面提高了人类认识自然、改造自然的能力，另一方面在改造自然的同时不同程度地在破坏自然，人类承受着自然的惩罚。
经济发展与环境保护之间是一对矛盾，国际上对此曾提出各种不同的见解，先发展还是先治污，还是边发展边治污，各有见解。
我们认为之所以出现不协调是因为人类活动没有遵循自然发展的基本规律，破坏了水自然循环和地球生态系统的有序性，原有的平衡被打破，熵值增加，迫使全球系统向一个新的可能不利于现有生物生存的平衡演变。
污水生态处理是为了保证人类生活与水自然循环之间建立良好关系而提出的。
维持经济的协调发展，不能以耗费有限资源为代价，使与自然界间的开放式循环代谢按环境负荷最小的方式与自然耦合。
经济发展始终是追求低投入、高产出的活动模式，多年来人类对于水资源的开发和利用方式表明是一种极端违反经济规律的活动。
应当看到，将经济发展和资源利用两方面连环考虑进行综合规划的思路还处于初级阶段。
人类已进入地球环境时代，原有的区域分割时代已经行将结束，单单强调给、排水和水处理是不够的，水的利用需要进行全新的设计和总结。
应当明确认识到人类活动与水自然循环的相互关系，明确水质是水循环的关键。
结语
污水处理并不是简单的达标排放，多年来人类由于控制和管理不当，水的社会循环已经严重影响到水的良性自然循环。
人类还不能改变水的自然循环，用社会循环取而代之。
只有充分认识到水自然循环的重要性，才能在人类活动中，有效控制水的社会循环，实现水的良性自然循环，对水的利用才能从必然王国走向自由王国。
污水生态处理从水循环利用的角度出发，分析人类活动与水循环之间的基本关系，提出污水处理必须遵循水循环的基本规律，是可持续发展的要求，也是实现水良性社会循环的关键。
污水处理厂SBR法工艺自动化管理系统
污水厂的管理目前大都停留在经验决策阶段，因此污水处理质量极大程度上受管理人员素质的制约。
随着污水处理水质要求的日趋严格，污水处理工艺过程更趋复杂，控制要求越来越高，管理水平将是污水处理事业进一步发展的障碍之一。
近年来从国外引进设备的污水厂基本上都采用计算机管理，一般都取得了较好的效果。
本文就污水处理厂SBR法工艺自动化作些探讨。
1.1微机自动化管理系统的设计
目前国际上普遍采用的自动化管理系统一般都采用这一模式：
人←→计算机←→PLC←→现场设备
PLC是这一模式中的关键设备，PLC中事先已输入工艺运行的程序，PLC可以根据工艺参数按运行模式自动监控、运行设备。
计算机在这一模式中起三个作用：
①实时显示运行工况。
②实时向PLC传送调整设备运行状态的指令。
③建立数据库，储存记录运行中各参数、指标等资料。
人可以通过计算机随时改变工艺运行的模式。
PLC根据工艺运行的模式自动调整设备的运行，并对工况运行的数据库加以整理保存。
1.2微机自动化控制系统的特点
1.2.1将分散在工艺流程上各控制点的监测数据经处理后作为PLC控制的依据。
1.2.2将监测的数据作为计算机选择运行模式的依据，实现PLC对各设备有效的、自动的控制。
1.2.3计算机实现对全厂运行情况有序的、集中的管理，保证操作人员对整个系统的监控。
2 SBR法工艺流程
SBR工艺是一种间歇（批式）处理污水的工艺技术，它采用单个反应池通过时间序列来完成进水、反应、沉淀、排水、闲置等功能。
在SBR池进水阶段，利用污水进水中所含有机碳源，将上一批反应排水后残留在池内污水中的硝酸盐氮予以还原，经过一段时间后，开始曝气，在含碳有机物被氧化的同时，先后进行氧化和硝化反应，曝气结束后进行沉淀，然后将上部澄清液排出，并保留部分处理后污水供下一周期反硝化反应。
对于SBR污水处理工艺，管理控制可分为两个层次，它与连续流不同，处理操作需要开、关反应池进水阀门，在预定的进水时间内，根据反应池的充满程序，确定启、停鼓风机、滗水器等一系列操作，这些均需PLC来控制。
另外，由于季节变化污水量少、水质浓度的变化，处理效果需要通过调整周期内时间配置来调节。
如出水氨氮过高，则需延长曝气时间，出水NOX-N过高则需增加反硝化时间等，一般可以在PLC内预先设置几套周期配置模式，以便根据实际水量、水质、水温等因素，在一段时间内选用一种周期模式，或昼夜用不同的周期模式。
此外，PLC内还具有意外情况下的处理对策，如突然停电一段时间后，应以何种措施过渡恢复等，这些均是SBR法有别于连续流工艺控制管理的方面。
3 PLC硬件的配置
污水处理厂进行自动化控制、管理的主要手段是可编程序控制器（PLC）和计算机。
自动化管理系统一般都采用分散控制集中管理的模式，即按工艺要求将全厂的控制系统分成若干个单元，每个单元由一台PLC控制，PLC与PLC之间可由专用通讯电缆连接，构成主、从PLC模式。
主PLC与计算机之间有通讯线相连。
PLC的配置，首先应当结合工艺、土建解决好PLC的单元布置，主要解决集控室与PLC、PLC与PLC之间的距离问题。
各控制单元之间的距离应尽量短。
如果各控制单元的距离不大于200米，可采用主、从PLC控制模式，主PLC设在集控室，可通过通讯口与计算机直接连接，从PLC采用专用通讯线与主PLC连接。
这种模式较为经济。
如果PLC与PLC之间的距离较大，则通讯干扰大，可靠性差，不宜采用上述模式。
可以采用具有网络功能的PLC，PLC之间构成一个网络结构并与计算机相连。
每个PLC独自控制一个单元，但这一模式的工程造价较高。
4 SBR法工艺自动化控制管理系统
4.1设计规模及处理目标
进水水质：
BOD5=150～3O0mg/l，
CODcr=250～500mmg/l，
NH3-N=25～40mg/l。
出水水质：
BOD5≤20mg/l，
CODcr≤7Omg/l，
NH3-N≤15mg/l。
日处理量 5000m3/d。
4.2 设计原则
4.2.1适用于规模较小的城市污水处理，昼夜水量变化大；
4.2.2流程简洁，日后水量增长时可改为连续流常规活性污泥法工艺；
4.2.3具有较好的脱氮除鳞功能（本例子未考虑脱磷）；
4.2.4控制、管理实现自动化，降低能耗，减少运行费用和劳动强度。
4.3设备及仪表配制
设置二个控制单元：
进水泵房单元（PLC1）；鼓风机房单元（PLC2）。
集控室与进水泵房单元合在一起。
鼓风机房单元电机运行状态可以通过PLC1在模拟屏上显示出来。
PLC采用OMRON产品：
PCC20OHS。
PLC1：
D1=128DO=128A1=16AO=0
PLC2：
D1=128DO=48A1=16AO=0
控制室配计算机一台、打印机一台。
4.4 工艺操作系统
污水厂的进水泵房部分一般包括入流总闸门及放泄道、格栅、集水池和提升泵。
进水总闸门是为了部分进行维修需要而设置，一般情况下不操作，所以一般采用电动阀门就地操作，其工况集中显示。
格栅一般采用电动清捞，根据定时或格栅前后的液位差自动运行。
此外，还需配制垃圾皮带输送机或压榨机，整个格栅除污系统采用现场联动操作，集控室显示。
在集水池内设浮球开关及液位计，进水泵的开启台数根据集水池液位升降由PLC控制启停。
一般SBR不设初沉他。
反应池假设为三组，每组容积1600m3，每组反应池设鼓风机二台（30m3/min；20m3/min），设置浇水器二台（每台流量450m3/h），设置搅拌机四台。
周期设计为进水2小时，曝气4.5小时，沉淀0.75小时，排水0.75小时，整个周期为8小时。
1.首先第一组进水，开启第一组进水电动阀门，同时给出信号，进水泵准予启动；
2.第一组反应池液位上升至某一设定值时，启动水下搅拌器；
3.第一组反应池内液位达到设定最高值时，关闭进水电动阀门；
4.鼓风机开启受二个因素制约，一是时间，时间控制主要是反硝化搅拌反应需一定时间；二是液位，进水后反应池充满到一定程序再开鼓风机。
二个条件必须同时满足。
开启鼓风机的同时，关闭搅拌机；
5.鼓风机启动台数需根据反应池溶解氧数值来确定。
一般有如下三种方案：
方案一、方案二采用先同时开启两台风机，当溶解氧到达某一设定值后，可改为一台，继续曝气，直到设定曝气时间结束再停机。
方案三采用大小风机交替使用，使溶解氧到达某一设定值；
6.第一组反应池进水结束后，如第二组反应池已做好进水准备，则打开第二组电动进水阀。
如第二组不能进水，则给出信号，停进水泵，等到第二组反应池允许进水时打开电动进水阀，同时启动进水泵；
7.在曝气结束前，根据时间设定，打开排泥阀，排反应池混合液，排泥量可通过时间或反应池液位由工艺设计根据泥龄来确定，并可调整；
8.停机后开始计时，即反应池进入沉淀阶段。
一般沉淀45分钟后即可滗水；
9.沉淀阶段结束时，给出信号，开启滗水器。
滗水器开启时间主要受液位控制（即排水量要求），滗水总量（以液位反应）到达后，给出信号关闭滗水器，此时进入闲置期待命，再转入进水期；
10.第二、第三个反应池操作也相同；
11.当发生停电或其他意外事故使反应池中断工作，再恢复时，由于外管道内积存污水较多，需及时抽送，可选改为人工操作，待正常后再切入自动运行。
或由PLC按照事先设定的应急程序操作，再过渡到正常运行；
12.由于冬季、夏季水质水量水温的变化，需要调整曝气时间、排泥量、污水排出比等，因此可按照设计要求，形成多套运行周期程序，根据排水水质来选择合适的周期；也可在一天中采用不同周期运行。
图四是其中一种运行周期程序。
4.5计量监测系统：
4.5.1集水池内设上、中、下液位开关及液位计，并设上、下限报警；
4.5.2SBR反应池内设上、下液位开关；
4.5.3进出水流量，显示瞬时值及积算值，并在计算机内存放，提供日处理量供打印报表；
4.5.4在集水井监测进水PH及进水温度，其日最高值和平均值供报表打印；
4.5.5鼓风机空气量需计量积算，提供日报表打印；
4.5.6SBR池溶解氧供日报表打印；
4.5.7排泥量积算并提供日报表打印。
5 PLC过程控制
本系统采用两种模式来实行控制。
5.1 手动，现场“手动/自动”选择开关切换到手动，可由现场开关直接控制设备，这是最高优先级的控制，在这一模式下，PLC仅对运行状态作监视。
5.2 自动，现场“手动/自动”选择开关切换到自动，在这一模式下PLC能根据测量参数自动控制设备的运行。
自动模式又可分为2种控制方式，我们在PLC的运行程序中设置了上位机控制方式与PLC控制方式。
5.2.1 上位机控制方式：
在计算机上，可以将控制方式切换到上位机控制，这时PLC接收上位机发出的指令，也即我们可以通过计算机直接遥控现场设备。
5.2.2PLC控制方式，PLC按上位机设定的运行模式自动控制设备运行，出现故障会及时报警。
（1）格栅单元
进水闸门现场控制，PLC监视。
格栅装置：
现场设置格栅、皮带转送机、压榨机联动控制系统，可由现场控制，也可由PLC控制。
（2）集水井单元
PLC根据液位仪测量值及上、中、下液位开关自动控制泵。
关闭泵后须等待10分钟才能启动，以保证泵不频繁启动（紧急启动不受此限制）。
在启动、停止过程中，PLC自动检查泵的运行状况，判别是否出现故障并报警。
计算机自动记录各泵的运行时间，并使之尽量相等。
进水流量、PH值、温度测量信号经PLC的Ato转换后送计算机显示、存储。
（3）SBR池单元
溶解氧测量值及上、下液位开关信号送PLC，PLC根据设定的时间参数、上下液位开关信号启闭进水电动阀门和滗水器，计算机自动记录进水、出水时间。
（4）应急措施
突然停电：
计算机会自动检查停电时刻设备运行状况，提示用户紧急处置的步骤、停电时期的注意事项及复电开机的步骤。
6 监控及管理界面的开发
监控及管理界面采用人机界面（MMI）软件包二次开发而在。
我们采用了用于控制系统数据采集、图形组态监控和管理的通用软件包—FAGM，该软件在MicrosoftWindows3.2/95中文环境中运行，运用软件设计了SBR法工艺总流程图和相应的各个控制单元的图形界面，控制及管理软件具有如下功能：
6.1 工艺流程图监控、仪表面板；
6.2 数据记录和统计报表；
6.3 数据保存、分析和数据记录追忆；
6.4 报警显示、保存和打印；
6.5 设备工作状态控制和工艺参数设定；
6.6 用鼠标点动控制设备输出。
本系统已在太阳岛污水处理工程、吉化丙烯腈废水预处理工程、金玉兰广场污水处理工程中实现，控制效果良好。
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