基于MBR工艺的污水处理厂自动化控制系统
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1.引言
广州市京溪污水处理厂（又名广州京溪地下净水厂），是广州市亚运会配套城市河涌改造项目，日处理量10万吨，位于广州市白云区犀牛村，采用当前世界最为先进的“膜生物反应器（mbr）处理工艺”。整厂处理工艺设备采用“地下全埋式”，主体结构分两层，深20米，为目前亚洲最大的地下室污水处理厂，也是国内单位水量占地面积最小的污水处理厂，仅相当于传统工艺正常占地面积的十分之一。配套有污泥处理、臭气处理、地面园林景观等建筑物，出水水质同时满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准及广东省地方标准《水污染物排放限值》一级标准，尾水直接排入沙河涌作为下游河道景观补水，最终进入珠江，即处理了污水，又治理了河涌，同时又节约了土地资源，可谓一举三得。
本次由广州东芝白云自动化系统有限公司实施承建的广州市京溪污水处理厂自动化控制系统工程，自动化程度要求非常高。负责对辖区内工业污水以及生活污水处理，污水先经细格栅及曝气沉砂池，除去水中的大颗粒杂质；经精细格栅对微小杂质进行进一步处理后，进入生物池进行生化处理，再流入生物膜池滤池进行深度过滤处理，最终通过紫外线消毒后进行景观排放，部分排放水进行RO膜反渗透处理后作为回用水使用。此外还对剩余污泥进行脱水压滤外运处理，最终与城市垃圾一并卫生填埋。污水处理工艺流程图如图I所示。
2.自动化控制系统构成
厂区中控室是整个人机信息交换的中心，由两台互为热备的数据服务器，一台电能服务器、客户端操作计算机、DLP投影系统、打印机及UPS等组成。主要负责把过程量的信息集中化，把各个现场配置的测控站的数据进行收集，并通过简单的操作完成过程的显示、各种图形的显示、趋势曲线的显示和控制系统生成等工作。自动化控制系统设计遵从“集中管理、分散控制”的理念，由中央监控系统（上位机/服务器）、现场设备控制站（PLC）、生产调度系统共三层网络构建，各层间具有相对独立性，并通过千兆光纤工业焕网进行数据交换。
自动化控制系统根据整个系统的工艺、设备状态参数和预先设定的工艺控制目标，自动制定各PLC的控制参数，下传到各PLC控制站。PLC控制器按照这些工艺参数，根据控制范围内工艺状态参数和设备状态参数，按照预先编制的控制程序，将工艺控制自动分解成对所控制的各执行器（变频器、软启动器、继电/接触器、电动执行器、电磁阀、调节阀等）控制变量，对这些执行器进行合理控制，实现各工段工艺控制目标。
厂区现场设备控制站（PLC）直接与各种传感器、变送器和设备的电气回路相连，负责辖区内设备的控制、数据采集及与PLC从站进行通讯。现场的各种检测仪表将各种水质参数和物理量参数传递给现场控制单元，经现场控制单元内置程序计算后，控制相应设备动作，同时现场PLC单元将检测量和控制量通过通讯系统传给调度主机，确保最终出水水质达标。对于异常的工艺参数，通过网络，及时向中控室发出报警信号，并根据中控室的指令进行应急处。
主要工艺设备的控制均具有自动、机旁手动、人机界面手动功能。手动/自动切换平滑，并可以分工段、分机台手动/自动切换，充分考虑维修和维护的方便，让工艺设备能平稳地从工艺运行中切入和切出。控制程序具有严格的安全连锁、互锁，确保设备、生产安全运行。
污水厂自控系统网络拓朴图如图II所示：
3.自动化控制系统特点
作为膜生物反应器（MBR）处理工艺的核心，自动化控制系统具备以下特点：
（1）控制点数多，系统构成复杂：自动化控制系统涵盖全厂生产工艺的电气设备，整体控制点数超过3000点，主要工艺段实现全自动控制。
（2）关键部位冗余配置：生物膜池主PLC控制站点采用双CPU冗余配置，中控室数据服务器也采用双服务器冗余模式，极大提高系统可靠性和安全性。
（3）能源监控管理的应用：中控室配置独立的电能管理系统，对厂区400多个主要用电设备进行能源监控管理，有效优化和检测电能消耗，降低运行成本。
（4）采用总线通讯方式：现场仪表与PLC控制站之间，主PLC控制站与从PLC控制站之间均采用PROFIBUS-DP总线方式通信，既节约了现场电缆，也提高系统通信的稳定可靠性。
（5）设备抗腐防潮程度高：由于该项目为全地下式，对电气及自控设备抗腐防潮程度非常高，所有控制站柜体IP等级均达到IP55，有效保护柜内控制设备。
4.膜处理工艺自动控制功能实现
膜生物反应器（MBR）处理工艺段分为东西两套独立单元，每套单元配置十个膜池，主要分为产水、反冲洗及抽真空，配套辅助工艺段为消泡工艺和吹扫风工艺。
正常产水工艺控制：
当每个膜池液位大于最低液位时，自动化控制系统基本条件满足，产水启动：十组间隔依次自动启动并运行（间隔时间为1分钟），运行时按运行9分钟停止1分钟间断产水。
产水泵产水模式分恒流出水和恒频产水两种模式可选。
恒流出水：系统根据设定的单组流量260吨/h（100～400吨可调），通过做PID运算，调节控制泵频率实现恒流出水。
恒频出水：系统按设定的单组水泵运行频率（20～50Hz可调），控制产水泵（SP205A～T）恒频率出水。
反冲洗工艺控制：
当每个膜池正常产水运行后，对产水运行时间进行累计，当产水累计运行时间达到设定值（可调）时，则对运行膜组依次进行1次在线化学反洗操作，反洗系统中设定四种加药类型（酸、碱、Naclo、H2O）可选按钮，反洗前需选定。
反洗程序按“自动请求/强制反洗”两种运行方式；当需强制反洗，在“强制反洗膜组设定”项输入膜组号，并强制启动即可，如有另外的膜组正在反洗中，则无法强制，需等待该膜组反洗完毕才可启动。
反冲洗时先停止该组产水泵、关闭产水气动阀、真空阀等，然后启动一台反冲洗泵，按设定目标流量（可调），同时打开反冲洗阀，启动加药计量泵，执行化学反冲洗程序，清洗10分钟后进行浸泡10分钟，反复进行60分钟后，关闭反洗泵，关闭加药计量泵，完成反冲洗过程。
抽真空工艺控制：
当每个膜池产水启动后膜组流量连续1 分钟内产水流量不足，无法到达最低产水流量时，需要进行抽真空处理；如多个膜组进入请求抽真空，则按请求先后顺序进行排队。
抽真空程序按“自动请求/强制抽真空”两种运行方式，当需强制抽真空时在“强制抽真空模组设定”项输入模组号，并强制启动即可，如有另外的膜组正在抽真空中，则无法强制，需等待该膜组抽真空完毕才可启动。
抽真空时先关闭该组产水泵关闭需抽真空膜组的产水阀，然后打开相应膜组的抽真空阀，同步启动1台真空泵，对该膜组抽真空处理，直到流量开关打开或运行3分钟完成一次抽真空过程。当遇到1小时连续三次抽真空后产水流量达不到设定值，则关闭该组之退出运行，并报警，及时进行膜组维护处理。
5.结束语
作为广州市亚运会配套城市河涌改造项目，该厂自2010年投产以来，以膜生物反应器（MBR）处理工艺为核心的自动化控制系统可靠运行，未发生过任何故障，出水水质稳定，完全达到设计及环保要求，生化需氧量BOD
参考文献
[1]DB44/26—2001《广东省地方标准水污染物排放限值》
[2]GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》
[3]GBJ93-86 《工业自动化仪表工程施工及验收规范》
[4]化学工业出版社.《污水处理系统的建模、诊断及控制》