1、上海大学硕士学位论文城市污水处理厂DCS自动控制系统设计及研究姓名：刘明全申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：屠大维;朱德胜20080201上海大学硕士学位论文摘要人类对水资源的需求以惊人的速度扩大和日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。目前城市生活污水处理已经受到各地政府和许多研究人员的关注。为了提高污水处理的效果和管理，实现污水处理自动化控制是关键。当前我国污水处理自动化控制还比较初步，有待于迸一步的提高和完善。本文针对污水处理工艺的特性，结合当前自动化控制技术，系统地研究了DCS系统在污水处理中的实现。并对以下内容进行较为深入的分析和研究：首先分析了改良SBR工艺(C
2、AST工艺)的特点，针对该工艺提出各个子控制站详细的控制方案，并且对污水处理提升泵房控制站设计了自适应控制器和改进型PID控制器两种优化控制方案，分别应用于连续进水和间歇进水两种不同场合。相对以往常用的控制方案，此方案减少了潜水泵的启停次数，并提高了潜水泵持续在高液位运行的机率和潜水泵的使用寿命，同时相应的有着很好的节能效果。DCS控制系统方案设计采用“PC机PLC智能仪表“模式，实现中央控制室集中监控和管理，远程分散控制。提出了基于工业以太网、Modbus总线和OMRON Controller Link总线三层通信网络结构设计。其中，中央控制室监控系统通过工业以太网和远程控制站通信；远程IO
3、子控制站通过Controller Link总线和远程控制站通信中转，实现和中央控制室通信；智能仪表通过Modbus总线和远程控制站PLC通信经由工业以太网将数据传输到中央控制室主监控系统中。文章对其设计过程及实现进行了详细的分析和研究。监控系统的设计：利用组态王强大的监控与显示能力，对监测系统的生产过程监视、数据采集、实时控制、报警功能、安全操作功能和生产数据功能进行组态设计，并通过对组态王监控系统的网络配置、驱动连接设置和网络发布，实现了中央监控和远程浏览监控功能。关键词：污水处理、SBR工艺、DCS、Modbus、Controller Lilllc上海大学硕士学位论文Ab stractHu
4、man demand on water resources at an alarming rate and the expansion of theincreasingly water pollution erode the large number of water for consumptionNowthe governments and many researchers in the world have paid much attention to theurban wastewater treatmentIn order to improve the effectiveness of
5、 wastewatertreatment and management，wastewater treatment automation is the keyBut thewastewater treatment automation in 0111“country has been still in preliminary level，therefore，there is much work to be done to improve the performance of wastewater仃eatment automationConsidering the characteristics
6、of wastewater treatment technology and thepresent automation technology,we had systematically researched the DCS to beapplied in the wastewater treatmentIn the dissertation，we firstly had analyzed the characteristics of the mendingSBR technologyme CAST，and in allusion to these characteristic detmled
7、 controlprojects adapted to sub-control stations had been put forwardFor the pump station,here presented two optimal controllers used respectively at wastewater inletcontinuous occasion and intermittent occasion,the self-adaptive controller and theimproved PID controller，Compared with the usual cont
8、rol methods，these twocontrollers have decreased the startstop times of the pumps，increased the rate thatkeeping the pump running at a rugh water level and extended the pump uselife，alsobrought perfect effect of energy savingDCS control system design using”PC machinesPLCIntelligent Instrumentmode to
9、achieve the central control room centralized monitoring and management,and remote decentralized contr01Based on industrial Ethemet，Modbus and OMRONController Link Bus threetier communications network structure design，the centralcontrol room monitoring system through the Industrial Ethernet communica
10、ted withthe remote control stationAnd the remote IO substation connected to the remoteII上海大学硕士学位论文control station by Controller Lil墩busThe intelligent instruments through ModbusBus communicated with the remote control station PLCIn the dissertation there hadbeen a detailed analysis and study on the
11、design process and implementationMonitoring System Design：Using powerful capabilities of monitoring anddisplaying of the Kingview，to process configuration design about the productionprocess monitoring,data acquisition,real-time control，alarm functions，securityfeatures and production data capabilitie
12、s of the monitoring system，and throughnetwork configuration，driver connection settings and Web publishers of Kingviewmonitoring system，had achieved the central surveillance and remote control functionhereKeywords：Wastewater Treatment，SBR Technology，DCS，Modbus、ControllerLirll【III上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所
13、呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：型2堂日期：旦必本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)日期：2墨!照!堡上海大学硕士学位论文第一章绪论11课题的研究意义111污水处理的意义及现状【1】20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。全球水资源状况迅速恶化
14、，“水危机”日趋严重。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源21。中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，同时近年来江南水乡出现严重干旱，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。截至2005年底，全国661个设市城市中，已有383个城市建成污水处理厂792座，污水处理率由2000年的34提高到52，并形成了适合国情的污水处理技术路线和管理机制。其中，有135个城市的污水处理率己达到或接近70，单厂处理规模达到每天100万
15、立方米。中国将在“十一五”期间投资3000亿元以推进城市污水处理和利用，中国污水处理行业由此迎来高速发展期。虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。一方面，中国目前的污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。另一方面，中国的污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。112污水处理自动控制研究意义及现状污水处理系统的社会效益巨大，但运行成本高，经济效益差。降低运营成本，提高污水处理率，一直是污水处理行业面
16、临的最现实的问题。耗电大及规模设施范围大是污水处理系统的主要特点之一，所以应用计算机控制技术和现代控制策略，实现污水处理工艺的半自动化、全自动化监控，提高污水处理的技术管理水第1页共89页上海大学硕士学位论文平，合理使用和配置处理设施，充分发挥污水处理工艺的作用，具有非常现实的意义。采用计算机技术、跟踪经常变化的水处理情况，检测不同时间的水质指标数据，在计算机上动态现实，对这些数据进行分析处理，并记录下来，以备在需要的时候查阅。通过分析数据趋势走向，随时调整个设备及工艺过程参数，使其达到优化控制状态，经济运行，节省能耗。采用计算机代替人工操作，减少事故，保证安全，降低劳动强度，节约人力，甚至可
17、以完成许多人工难以完成的任务，提高运行的可靠性。欧美国家一些城市污水处理厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式。如果美国爱阿华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20，并且提高了管理水平，稳定了水质。此外前苏联莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制，取得了较理想效果【31。现在美国大中型水厂均由一套集散型自控控制系统进行控制，其中包括沉淀、过滤及反冲洗、臭氧处理、化学药剂投放、泵房等。设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中收集数据，并提供图表、曲线、各个设备
18、动作记录、设备故障报警等。在自动控制系统发生故障时，每个自动控制过程都可切换成手动控,tjt41。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，进入90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂中应用很少。截止至今目前还是有不少污水处理厂以手动控制为主，或者单体自动控制。更有甚者，有些处理厂虽然具备有自动控制的条件，但没有发挥利用，只是作为简单的中控室点动和仅供现场参考用。112自控控制系统技术发展现状当今，计算机技术和信息技术正以惊人的速度向前发展，它对工业控制技术及其发展趋势产生了重大的影响【51。对于工业生产过程进行计算机控制是提
19、高产品质量、降低成本、减少环境污染的必由之路，计算机控制系统已成为生产设备及过程控制等重要的组成部分，它代替人的思维成为工业设备及工艺过程控制、产品质量控制的指挥和监督中心。目前工业控制系统按结构层次基础可划分为：直接数字控制系统(DDCDirect第2页共89页上海大学硕士学位论文Digital Control System)、监督控制系统(sccSupervisory Computer ControlSystem)、集散型控制系统(DCSDistributed Control System)和现场总线控制系统(FCSField Bus Contr01)等。DCS是集4C技术(Compute
20、r,Control，Communication，CRT)为一体的高技术系统。Computer同时含有信号处理技术和控制算法；Control同时包含有传感器、变送器和终端设备等控制部件；Communication包含有计算机网络、数据传输和通信；CRT是人机交互的重要窗口。DCS控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理，而将对现场装置的控制分散实现的一种新型控制技术。它既不同于分散的仪表控制系统，又有别于集中式计算机控制系统，而是在吸收了两者的优点的基础上发展完善起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力。自从1975年世界第一套集散型控制系统TDC2000一经问世，立即吸引业界
21、人士的目光，并在全球范围内掀起了DCS的开发和应用热潮。20多年来，集散型控制系统广泛应用于电力、石化钢铁等行业。目前所使用的集散型控制系统有环形、总线型和分布式几种。以分布式控制系统为例，它由分散过程控制(DDC级)、监督控制(SCC级)和生产管理(MIC级)等组成。分散过程控制级是DCS的基础，用于直接控制生产过程。它由各工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级收集的数据供监控级调用，各工作站接收监控级发送的信息，并依次工作。可见分散过程控制级基本上属于DDC系统的形式，但将DDC系统的职能由各个工作站分别完成。因此局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避
22、免了集中控制系统中“危险集中”的缺点。监控级的任务是对生产过程进行监视与操作。监控级根据生产管理的技术要求，确定分散过程控制级最优给定量。监控级能全面地反应各工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可以据此直接干预系统的运行。管理级则是整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务要求，编制全面反应整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达命令。由于早期的DCS开发，从组态到IO部分及通信部分，几乎都是DCS厂商第3页共89页上海大学硕士学位论文一家来完成，造就了开发成本昂贵、产品投放时常周期长且彼此间无法兼容，这种开发思路已远远不能适应竞争
23、日益激烈的现代社会的需要，于是涌现了现场总线技术和许多专门的自控软硬件提供商。现场总线是20世纪80年代中期发展起来的。它是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它的出现为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。与传统DCS的现场控制级设备相比，现场总线具有成本低、互操作性好、系统扩充和维修投资少、安全性高、可以分布到现场等特点。现场总线技术是工业自动化发展的前沿。国际众多大公司为了在技术上的领先地位，纷纷致力于总线技术的开发。目前国际上大大小小的现场总线多达40多中，而且相互间的兼容性也很差。为此早在1984年
24、就开始进行现场总线的标准化工作，直到1999年底，才通过了经过妥协的ICE61158规范。但该规范也包括了8种互不兼容的现场总线。计算机技术的进步是推动计算机控制系统发展的根本动力。目前网络通信的发展，使得以太网，TCPIP的工业化正成为当前工业控制领域研究的热点。监控软件也随着各种通信技术的发展也得到了迅速的扩展和改进。同时PLC技术也不再是最初的模型，它已经集嵌入式技术、数据采集与处理、模拟量的处理、通信技术和控制技术于一体，逐渐具备工控机的一般特性，PLC的模块化和通信技术，联合现场总线技术及以太网网络技术和PC机，俨然实现了DCS集散型控制系统的特性，并且具备低成本、易维护和易扩展的特
25、点。先进控制理论从本质上解决了一般多变量的控制问题，包括线性系统、时变系统、非线性系统等，且在理论上发展得也较为成熟，但真正将其软件工程化并将其投入应用的则不多。目前，国内外许多科研单位和厂家都在致力于先进控制理论的工程化研究，并也推出了不少成熟的算法软件包(如浙大中控APCHiecon多变量控制预测软件包、APCPFC预测函数控制软件包等)。预测控制、鲁棒控制、专家控制、神经网络控制、模糊控制、过程监督和在线诊断等理论的成熟和工程化，将大大丰富DCS的控制功能。但PID控制仍是当前DCS采用的控制算法主流。【6】第4页共89页上海大学硕士学位论文12本课题研究的主要内容污水处理所涉及的控制系
26、统规模大，系统工艺复杂，各工艺过程的地理位置较为分散71，所以采用DCS控制系统较为合适。在研究生期间，本人有幸参与了多个污水处理厂工程项目的设计和调试以及底层控制调试系统的研发。在实践参与的过程中深感对污水处理厂进行自动化控制系统进行系统性研究的必要性。从2002年起，部分高校就已经开始做污水处理自动控制系统的研究，据各种论文资料显示，重庆大学、大连理工大学、天津科技大学、湖南大学、贵州大学等在这方面已经做了不少工作，但对整体框架设计思路的研究、经济型控制系统的研究及对实际应用指导的作用来看，还有待进一步研究。基于此目的及结合实际工程项目，本课题挑选自动化控制要求高的改良SBR工艺作为研究对
27、象，课题研究的主要内容是通过对污水处理工艺的分析研究，开发基于PCPLC及工业以太网和Interact网双网结构的城市生活污水处理集散型控制系统。下位机选用欧姆龙CJlG HCJlM PLC，采用Controller Link总线及ModBus RTU总线控制系统，主要完成数据的采集、电量监测、逻辑控制和简单PID控制；上位机选用惠普PC机，以亚控科技组态王652作为软件开发平台，主要实现流程画面、状态监视、实时曲线、工艺变量和控制参数设定、远程操控、报警显示和确认、操作记录及参数报表、高级控制策略等功能；采用基于TCPIP协议的工业以太网实现上位机与下位机的通讯，并通过Internet网络与
28、厂长办公室相联，从而实现管控一体化。通过对以上问题的分析与解决保证了污水处理系统按工艺要求良好运行，同时也为类似污水处理实现自动化控制提供了一定的借鉴经验。论文具体内容安排如下：第一章：绪论，主要介绍了城市生活污水处理的意义及现状，污水处理自动控制系统研究的必要性及目前自动控制技术发展现状。第二章：城市生活污水处理工艺，主要介绍了在城市生活污水处理中占有很大比例的活性污泥工艺特点及简要原理。对工艺的了解是设计一个很好污水处理的控制系统非常有必要的前提条件。第三章：城市生活污水处理自动控制系统设计，首先分析了改良SBR工艺流程，然后根据该工艺流程进行硬件模块配置，之后分析了整个工程项目各个单元的
29、控第5页共89页上海大学硕士学位论文制思路及流程，并且提出了基于工频方案和基于改进型PID变频控制方案的进水泵房潜水泵两种不同控制器的设计。第四章：现场通信系统设计及研究，通信是决定整个控制系统方案能否被执行的桥梁，本章从实际应用的角度详细分析了整个网络方案的设计，对Controller Lillk总线、工业以太网及ModBus RTU总线协议与欧姆龙PLC通信的应用进行了深入的研究。第五章：监控系统设计，本章主要分析了亚控科技组态王的特点，详细介绍了上位机和下位机的通信接口问题，以及网络发布注意事项，并且对组态王在本项目中应用做了部分介绍。第六章：结论与展望，总结了本论文研究所涉及到的内容，
30、并对污水处理厂自动控制系统的进一步研究方向做了一定的设想。第6页共89页上海大学硕士学位论文第二章城市生活污水处理工艺21污水处理工艺过程污水处理是将污水中的污染物质分离去除，使有害的物质转化为无害的物质、有用的物质，水得到净化，并使资源得到充分利用。城市生活污水处理工艺按流程和处理程序划分可分为预处理工艺、一级处理工艺、二级处理工艺、深度处理工艺和污泥处理工艺，以及最终的污泥处置。预处理工艺：主要是物理处理，通过格栅、沉砂池等将污水中大块污物拦截出来，保证后续单元的正常运行。预处理过程就去除污染物质而言，可能不起关键作用，但是至关重要。美英等国曾对数十座城市污水处理厂进行调查，发现60以上的
31、污水处理厂由于预处理过程存在问题而严重影响了后续处理过程的运转，尤其在现场调试初期阶段，好多水下设备造成过载而烧毁都是因为预处理不好，一些杂物将电机堵住了而造成的。预处理不好，对一级处理影响水质均匀及管道畅通、潜水泵的运转；对二级处理，沙粒进入曝气池，在池底沉积，减少有效容积，增大曝气阻力，有时还会堵塞微孔扩散器；对污泥处理，极易从格栅流走的一些破布条、塑料袋等杂物，进入浓缩池后将在浓缩机栅条上缠绕，影响排泥均匀，还将堵塞排泥管或排泥泵，如进入离心式脱水机，会使转鼓失去平衡，从而产生震动或严重的噪音，一些破布片、毛发有时会塞满转鼓与涡壳之间的空间，是设备过载。、一级处理工艺，主要是初次沉淀池，
32、目的将污水中悬浮物尽可能地沉降去除，一般初次沉淀可去除50左右的悬浮物和25左右的BOD5。二级处理工艺，主要是由曝气池和二次沉淀池构成，主要目的是通过微生物的新陈代谢将污水中大部分污染物转变成无害物质，处理效果根据不同的工艺有不同的针对性。深度处理，是为了满足高标准的受纳水体要求或者回用于工业等特殊用途而进一步处理。污泥处理，主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或者农用填埋等。【8】【9】第7页共89页上海大学硕士学位论文22活性污泥工艺活性污泥法以其经济、高效、安全可靠在污水处理事业中发挥了巨大作用，至今乃是是城市生活污水处理中使用最多的工艺方法，但活性污泥工艺有其致命的弱点一一污泥膨胀。一旦发
33、生污泥膨胀，整个处理系统将陷于瘫痪，而且短时间内很难恢复。因此衍生许多改进工艺，主要工艺有普通活性污泥法及其变型、氧化沟工艺、SBR工艺。活性污泥工艺原理：活性污泥工艺中降解有机物的主要菌种是菌胶团菌，它不仅能有效降解有机物，还有良好的沉降性能，经过短时间沉降就能实现泥水分离，得到高质量出水。而引起污泥膨胀的罪魁祸首是丝状菌，它们使污泥疏散，不易沉降和泥水分离，出水水质恶化。显然要防止污泥膨胀，就要抑制丝状菌的繁殖。研究发现，菌胶团菌与丝状菌的生物特性存在一下差异：1)大多数丝状菌在低有机物浓度条件下具有较高的增长速率，而菌胶团菌则在高有机物浓度条件下处于优势；2)在好氧环境中，当有机物浓度高
34、时，菌胶团菌不仅能优势利用有机物，而且对溶解性有机物还有很高的吸附性能，对一时降解不了的有机物，墼壹奎量1吸附，在随后的过程中逐渐降解，从而迅速生长繁殖，而丝状菌在这种环境中利用有机物的能力不及菌胶团菌，有缺乏吸附性能，在争夺有机物的竞争中处于劣势，失去了快速繁殖的机会；3)在缺氧条件下，混合液中没有溶解氧但有硝酸盐，绝大部分菌胶团菌能利用硝酸盐中的化合态氧进行生长繁殖，丝状茵则不能，会因缺乏氧源受到抑制；4)在厌氧环境中，菌胶团菌由于绝大多数都是兼性菌，可以进行厌氧代谢，继续繁殖，而绝大多数丝状菌都是好氧菌，在厌氧环境下无法增殖，处于劣势。利用两类菌的生物特性差异，创造有利于菌胶团茵快速增殖
35、同时又抑制丝状菌的环境，就可以认为优选菌胶团菌，抑制丝状菌，同时也把这样的装置称为生物选择器。第8页共89页上海大学硕士学位论文221 SBR工艺SBR(Sequencing Batch Reactor)工艺也叫序批式活性污泥法，它最根本的特点是在单一的反应池内，污水顺序按进水、曝气、沉淀、排水周期运行。最初的SBR工艺进水、曝气、沉淀、排水都是间歇式的，后来出现了各种改型，有的将进水改为连续，有的将部分反应池曝气改为连续，有的将出水改为连续，但只要还保留序批式处理、周期运行的特点，就仍属于SBR工艺的范畴。SBR工艺虽然操作及控制复杂，但它只需要一个反应池就能全部完成处理工序，省去了二沉池和
36、回流污泥设施，使处理构筑物大大简化，减少基础设施投资费用。正是由于这一优点，SBR工艺得以迅速推广，目前已在欧美、澳、日得到大力发展，成为传统活性污泥法的革新替代工艺，在国内也日益受到业内人士的青睐和采用。SBR工艺在实用中不断创新，像氧化沟一样，出现了多种各具特色的SBR工艺，到目前为止已有大量工程实例且广为人知的SBR工艺主要有：常规SBR工艺、ICEAS工艺、CAST工艺、DATIAT工艺、UNITANK工艺等，它们的共同特点是：流程简单：不设初沉池、二沉池、消化池和沼气贮存利用设施，整个工序不及常规活性污泥法的一半；管理方便、占地少、基建投资少、设各国产率高、处理成本低：处理效果好及缓
37、冲能力强：去除有机物效率高，大多有脱氮除磷功能，污水进入反应池后立即与大量池液混合，具有很强的承受冲击负荷能力，对水量水质变化剧烈的中小型污水处理厂特别有利，适应当前的污水排放标准；对自控要求和操作人员技术水平较高：人工操作基本上不可能正常运行，自控系统必须质量好，运行可靠，主要是技术型操作管理，要求操作人员具有一定的文化程度和技术水平。222 CAST工艺南通观音山污水处理厂工程项目采用的是改良SBR工艺CAST(CyclicActiveted Sludge Technology)第9页共89页上海大学硼士学位论立工艺，也叫循环式活性污泥法。它是在常规SBR工艺和Ic队s(hn印nit咖ny
38、CyclicExt血edAeraton闻歇式反应器体系的连续进水、周期排水、延时曝气好氧活性污泥工艺)工艺基础上发展起来的。随着除磷脱氮要求的提高，常规SBR工艺和ICEAS工艺难以满足要求，同时完全混合流态对防止污泥膨胀不利，也影响了运行的可靠性，于是产生了CAST工艺。CAST工艺的循环操作过程见图2-1所示。图2-I CAST工艺的循环操作过程图21显示了一个运行周期的全过程。圈中为进水曝气开始污泥同时开始回流，池水位逐渐上升，SBR反应池处于反应阶段。到圈、停止进水、曝气和回流污泥。反应时段结柬，进入沉淀时段，这时池水位达到最高，池中污泥开始沉降。到图沉淀阶段结束滗水器开始滗水，进入排
39、水阶段池液位逐第10砸共89页上海大学硕士学位论文渐降低。到图滗水阶段至此结束，剩余污泥排放也完成，池液位降低至最低，一个周期运行至此结束，然后又从图开始周期运行。图是进水一闲置阶段，一般设计中不设这个阶段，但当水量、水质变化需要调节运行周期时，可视情况确定是否安排。CAST工艺通常采用4h一个周期，其中2h同时进水反应，1h沉淀，lh滗水。在进水反应阶段，池中连续曝气，但曝气量要严格控制，确保反应时段前1h池中溶解氧小于05mgL，后期溶解氧达到2mgL。池首端设置生物选择器是CAST工艺的最大特点。通常采用缺(厌)氧选择器，在生物选择的同时，还发挥脱氮除磷功能。缺(厌)氧选择器的容积通常为
40、主反应池容积的510，如要求生物除磷则去最大值。污水首先进入选择池，从主反应区回流的污泥也同时进入，回流量一般为20，也可根据需要适当增大。缺(厌)氧选择池内不曝气，只搅拌，把原污水与回流污泥混合均匀，使菌种与原污水中的有机物和氮、磷充分接触，选择池内溶解氧为0，为反硝化和聚磷菌超量释磷创造最佳环境。主反应池进入沉淀、滗水时段，选择池也同时停止进水、回流污泥和搅拌，全池处于静止沉降状态。由于选择器的混合液在沉淀排水时段不进入主反应池，所有不要求整流，只要求原污水和回流污泥在选择池中充分混合反应，在水流不要形成短路直接进入主反应池，才能有效发挥选择池的作用。CAST工艺的结构形式和运行操作过程决
41、定了它的高效脱氮除磷功能，至于脱氮除磷效率，则取决于各种因素。1)脱氮功能。CAST工艺有两种脱氮机理。一是：在主反应池中同步硝化反硝化是CAST工艺的主要脱氮除磷机理，它的脱氮效率取决于泥龄和溶解氧控制，只要泥龄足够，溶解氧控制适当，可以达到很高的脱氮率。在水质、泥龄等因素相同的条件下，CAST工艺的脱氮效率与奥贝尔氧化沟相当。二是：缺(厌)氧选择器的脱氮机理与前置缺氧区类似，它可以进一步去除回流到选择器中的硝酸盐，一般情况下主反应池的同步硝化反硝化已去除大部分硝酸盐，只有少量硝酸盐随回流污泥进入选择器，在大量污水同时进入的条件下，回流的硝酸盐基本可全部被反硝化。但由于回流污泥量不大，所以对
42、全池脱氮的贡献有限，只占脱氮率的-d部分。第11页共89页上海大学硕士学位论文2)除磷功能。CAST工艺具有很好的除磷功能，因为回流污泥量不大，回流的硝酸盐浓度不高，进入选择池的硝酸盐量不大，因而所需碳源不多，在与其他工艺相同的条件下，CAST工艺选择池中有较多的碳源可用于聚磷菌释磷，这为生物除磷创造了有利条件。对于C瓜、CP比值不是过低的污水，CAST工艺应能达到较高的除磷效率。生物除磷的机理至今尚未彻底弄清，生物除磷效率更无从严格计算，CAST工艺同其他工艺一样，究竟能去除多少磷，量化指标难以确定，只是根据实际经验可以得到一个定性的结论当除磷效率要求不太高，污水CN、CP比值不过低时，生物
43、除磷可以达标；当除磷效率要求高，或出水有求TP(总磷)降至lmL以下，或原污水CN、CN比值偏低，单靠生物除磷就没有把握，通常都以化学除磷为后备，必要时投加化学药剂(比如加入聚合铝等)保证出水达标。23部分水质参数及其意义11】1121生物需氧量(BOD5)：水体通过微生物作用发生自然净化的能力标度，在水温为20的条件下，由于微生物(主要是细菌)的活动，将有机物氧化成无机物所消耗的溶解氧，成为生物化学需氧量或生物需氧量，代表了第一类有机物的浓度指标，即可生物降解有机物的数量，用mL表示。污水中BOD5的去除是靠微生物的吸附作用和代谢作用，然后通过泥水分离来完成的。化学需氧量(COD)：有机污染
44、物浓度的简易指标，用mL表示。为克服BOD5的缺陷而设定的。BOD5测定时间需5天，仍先太长，难以及时指导生产实践；如果污水中难生物降解有机物浓度较高，BOD5测定的结果误差较大。COD能较精确地表示污水中有机物的含量，测定时间很短，如本项目中采用光学检测仪，在数分钟之内就能测出结果，而且不受水质的限制，因此CODBOD20BOD5，COD和BOD20两者的差值大致等于难生物降解的有机物量。污水中COD去除原理与BOD5基本相同，污水厂COD的去除率，取决于原污水的可生化性，它与城市污水的组成有关。悬浮物浓度(SS)：代表悬浮物颗粒的浓度，用mL表示。悬浮物由于水中悬浮物或胶体颗粒物质引起。实
45、验室检测把一定量的水样在105110烘箱中烘干至恒重，所得到的重量即为总固体量；现场控制中常采用浊度代表悬浮物浓度作为参考值，通过光学原理检测。污水中SS的去除主要靠沉淀作用。污水中第12页共89页上海大学硕士学位论文无机颗粒和大直径的有机颗粒靠自然沉淀作用就可去除：小直径的有机颗粒靠微生物的降解作用去除，而小直径的无机颗粒则需要靠活性污泥絮体的吸附、网络作用，与活性污泥絮体同时沉淀被去除。氨氮(NH3一N)：水中氮的含量，用mgL表示。呈NH3形态对鱼有危害，用C12处理水时可产生有害的氯胺。氨氮的去除机理如前一节有关脱氮功能的叙述。总磷(TP)：水中磷的含量，用mgL表示。基本有三种形态：
46、正磷酸盐、聚磷酸盐和有机键合的磷酸盐是生命必须物质，可引起水体富营养化。磷的去除机理如前一节有关除磷功能所述。色度：感官性指标，水中悬浮物、胶体或溶解类物质均可生色。生活污水的颜色常呈灰色；但是当污水中的溶解氧降低至零，污水所含有机物腐烂，则水色呈黑褐色并有臭味。色度的去除主要靠吸附作用，工程中水解池本身具有良好的脱色功能，此外，二氧化氯具有一定的脱色功能，生物氧化也具有一定的脱色作用，或者增加其他脱色措施，如投加活性炭粉末，臭氧脱色等。溶解氧(D0)：溶解氧是指溶解在水里氧的量，用mgL表示。水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标溶。水里的溶解氧被消耗，要恢复到初始状态，所需时间短，说
47、明该水体的自净能力强，或者说水体污染不严重。否则说明水体污染严重，自净能力弱，甚至失去自净能力。它跟空气里氧的分压、大气压、水温和水质有密切的关系。在20、100kPa下，纯水里大约溶解氧9mgL。有些有机化合物在好氧菌作用下发生生物降解，要消耗水里的溶解氧。水里的溶解氧由于空气里氧气的溶入及绿色水生植物的光合作用会不断得到补充。但当水体受到有机物污染，耗氧严重，溶解氧得不到及时补充，水体中的厌氧菌就会很快繁殖，有机物因腐败而使水体变黑、发臭。它是曝气过程中一个很重要的控制参数。第13页共89页上海大学硕士学位论文第三章城市生活污水处理自动控制系统设计31污水处理工艺过程城市污水处理厂工程建设
48、和运行耗资较大，且受到多钟因素制约和影响。污水处理工艺的选择应根据污水的进出水水质、处理程度的要求、用地面积和工程规模等多因素综合考虑，污水处理工艺方案的优化对确保污水处理厂的运行性能及降低运行费用至关重要。本工程项目的进出水水质参数指标如表31所示：表31水质参数表参数 单位 进水浓度 出水浓度化学需氧量 mgL 500 60(COD)生物需氧量 mgL 300 20(BODs)悬浮物(SS) mgL 400 20氨氮(NH3N) mgL 35 805，水温小于12“C时的控制指标)总磷(TP) mgL 5 1色度 倍 80 30TN mgL 45 20PH 乱9 乱9各主要污染物去除率为：
49、COD88 ；BOD5_933SS_95 ；TP8CNH3-N77 ；TN556色度625进水BODCOD=06；该污水厂进水有三分之二是工业废水，工业废水中大部分是轻纺及印染废水，综合以上因素，为更好的降解有机物是处理水质达标，工程选择水解好氧处理组合工艺，同时考虑到处理量一期工程建设规模最高日第14页共89页上海大学硕士学位论文处理量为30万m3d；远期扩展为最高日处理量为60万m3d，属于中小型规模污水处理厂，综合比较各种工艺特性及处理效果和运营成本，好氧处理工艺确定为改良SBR工艺(CAST工艺)。工艺流程：原水首先进入格栅及进水泵房，分离水中的悬浮固态污染物质，通过潜水泵提升到水解池，之后经由水解池溢流至生物池中的选择池中和回流污水混合，进入改良SBR池，经历进水、曝气、沉淀、滗水四个阶段之后排放至接触池，加氯消毒之后排放附近河流。工艺流程如图31所示：图31工艺流程该工艺前置水解池，水解池为升游式厌氧污泥床反应器的改进型，适用处理高浓度的城市污水，能在常温下正常运行，基本上不产生沼气。水解池在
