水污染及其水資源危機(jī)是制約我國當(dāng)前城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，建立一個比較完善的、經(jīng)濟(jì)高效的生活污水回用處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)污水就地資源化和無害化,具有重大的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價值。生態(tài)建筑雨污水回用是上海市科委2003年科技攻關(guān)項(xiàng)目專項(xiàng)《生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)集成》的一個子項(xiàng)目，它主要是對示范工程——上海建科院莘莊園區(qū)，包括環(huán)境實(shí)驗(yàn)樓在內(nèi)的幾棟建筑每日所排放出的污水及雨水進(jìn)行回用處理。在比較目前的國內(nèi)外主流的幾種污水回用處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，作者采用了一種裝置集約化程度高、處理能力強(qiáng)、運(yùn)行方式靈活、自動控制和監(jiān)測、維護(hù)管理方便的改進(jìn)型SBR——ICAST （Intermittent or Cyclic Activated Sludge Technology，間歇 / 循環(huán)活性污泥技術(shù)）對生態(tài)建筑雨污水回用處理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，為實(shí)施國家建設(shè)部和水利部2001年提出的“現(xiàn)代綠色小區(qū)40%以上的生活污水經(jīng)處理后須回用”指標(biāo)，以及為逐步實(shí)現(xiàn)小區(qū)污水零排放打下基礎(chǔ)[1～5]。

1 污水回用處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 處理裝置

污水回用處理裝置系統(tǒng)如圖1所示，占地約20m2，污水水源為上海建科院莘莊園區(qū)包括環(huán)境實(shí)驗(yàn)樓在內(nèi)的幾棟建筑的全部建筑污水和部分幕墻測試中心的沖墻排水及雨水，設(shè)計(jì)承擔(dān)處理水量為20m3/d。

該系統(tǒng)的污水處理主要裝置包括調(diào)節(jié)池、ICAST反應(yīng)池、二沉池、中間池、過濾柱及消毒池，ICAST反應(yīng)池由兼氧區(qū)和好氧區(qū)（主曝氣區(qū)）組成，連接管道采用PVC塑料管。主要處理裝置及其材料如表1所示。

1.2 工藝流程

ICAST是作者基于SBR及其衍生的ICEAS、CAST/CASS/CASP處理技術(shù)發(fā)明的一種改進(jìn)型的活性污泥技術(shù)。該專利技術(shù)采用靈活的運(yùn)行方式，可根據(jù)實(shí)際需要自由選擇間歇式或連續(xù)式的運(yùn)行方式。

工藝流程如圖2所示，生態(tài)建筑雨污水經(jīng)調(diào)節(jié)池進(jìn)入ICAST反應(yīng)池進(jìn)行生化處理。ICAST反應(yīng)池可以采用間歇式和連續(xù)式兩種運(yùn)行方式?？紤]到維護(hù)的方便，本次設(shè)計(jì)采用連續(xù)式運(yùn)行（如圖3所示）。連續(xù)運(yùn)行為連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水，流入ICAST反應(yīng)池的污水，在兼氧區(qū)與活性污泥充分混合后進(jìn)入主曝氣區(qū)進(jìn)行好氧分解，自然停留一段時間后溢流入二沉池，沉淀后上清液出水至中間池，處理過程中回流主曝氣區(qū)內(nèi)的部分污泥至兼氧區(qū)。

這里將ICAST反應(yīng)池設(shè)計(jì)分為一個較小的兼氧區(qū)和一個較大的好氧區(qū)，目的在于兼氧區(qū)不僅可有效地緩沖進(jìn)水水質(zhì)波動對好氧區(qū)活性污泥的沖擊，而且可起到生物選擇的作用，抑制絲狀菌生長，控制污泥膨脹。運(yùn)行過程中，兼氧區(qū)還可減輕好氧區(qū)部分的有機(jī)物負(fù)荷，使殘留有機(jī)物更有效地去除。

此外，考慮到進(jìn)水水質(zhì)可能有較大波動，因此在原污水污染物濃度較大時可在中間池加入微量混凝劑。由中間池出水經(jīng)過濾柱進(jìn)行過濾，并送至清水池，消毒后的出水水質(zhì)可達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)（CJ/T 95—2000）。在處理過程中，各工藝階段的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)及其分析方法如表2所示。

采用ICAST技術(shù)對生態(tài)建筑雨污水進(jìn)行處理，裝置一體化程度高，可以節(jié)省基建費(fèi)用，連續(xù)式運(yùn)行時，為保證在相對較短的停留時間內(nèi)取得理想的處理效果，通過增設(shè)污泥回流系統(tǒng)，使回流混合液NH3-N在兼氧區(qū)內(nèi)利用原水中的碳源反硝化，提高脫氮效果，處理量較大。

1.3 回用系統(tǒng)

將生態(tài)建筑雨污水經(jīng)調(diào)節(jié)池處理后進(jìn)入ICAST池生化處理并由過濾消毒后的出水（其水質(zhì)達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)）用于回用的系統(tǒng)，稱為中水回用系統(tǒng)，一般由管道、水泵及噴嘴等組成。中水經(jīng)回用系統(tǒng)可用于生態(tài)建筑樓頂平臺澆灌綠化、景觀水池用水、清潔道路等。

2 自動控制及監(jiān)測系統(tǒng)

利用上述污水回用處理裝置，在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，進(jìn)行處理運(yùn)行和監(jiān)測水質(zhì)的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 研究內(nèi)容

a、ICAST處理流程可以通過PLC和計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動控制。包括控制進(jìn)水泵、鼓風(fēng)機(jī)、過濾泵、污泥回流泵等設(shè)備的啟動、運(yùn)行和停止及不正常運(yùn)行時的報(bào)警等。

b、監(jiān)控污水回用處理的整個過程，監(jiān)測進(jìn)出水水質(zhì)的主要指標(biāo)CODcr、NH3-N及濁度；ICAST生化反應(yīng)池內(nèi)的DO和pH值；當(dāng)各工藝階段的水質(zhì)指標(biāo)達(dá)不到預(yù)定目標(biāo)時，可由計(jì)算機(jī)通過PLC適時調(diào)整運(yùn)行參數(shù)等。

c、對污水回用處理過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和定時存貯，根據(jù)需要可查詢?nèi)我鈺r刻各種設(shè)備的故障記錄及儀表的歷史記錄，且對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分析。

2.2 設(shè)計(jì)原則

a、以出水水質(zhì)為目標(biāo)監(jiān)測及控制

自控系統(tǒng)除了監(jiān)測進(jìn)、出水的水質(zhì)以外，應(yīng)對ICAST反應(yīng)池內(nèi)的DO和pH值作在線監(jiān)測記錄，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)確定反應(yīng)池內(nèi)生化反應(yīng)條件與處理出水之間的關(guān)系，并以此為依據(jù)在自控界面上對ICAST反應(yīng)池的運(yùn)行和曝氣量大小進(jìn)行調(diào)整，使出水水質(zhì)可達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)。

b、實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性

自控系統(tǒng)采用進(jìn)口和國產(chǎn)設(shè)備及電器結(jié)合，設(shè)計(jì)和編程考慮主要設(shè)備的自動運(yùn)行，在保證可靠的前提下盡可能節(jié)約成本。通過對系統(tǒng)主要設(shè)備的選型，可使其造價比國內(nèi)同類型系統(tǒng)價格有較大幅度的降低。

c、安全性與可靠性

自控系統(tǒng)控制部分具有故障報(bào)警及故障處理功能。從設(shè)計(jì)到設(shè)備選型和安裝施工及運(yùn)行維護(hù)均應(yīng)盡可能確保系統(tǒng)的安全可靠性。

2.3自控硬件及軟件

自動控制系統(tǒng)I/O量共計(jì)約38個點(diǎn)，目前可編程控制器（PLC）的種類有很多，如歐姆龍的CPM2A系列、西門子公司的S7200系列和S7300系列、A-B Rockwell公司及三菱公司的產(chǎn)品等。依據(jù)作者的選型經(jīng)驗(yàn)及比較各設(shè)備的特點(diǎn)，西門子公司和A-B公司的中小型PLC質(zhì)量好，但對本系統(tǒng)而言價格較貴；歐姆龍公司和三菱公司的小型PLC質(zhì)量及價格優(yōu)勢明顯，其性價比較高，且在同行業(yè)中應(yīng)用較廣泛；同時考慮到上位機(jī)組態(tài)軟件的選用，因此選用歐姆龍公司的CPM2A系列。它具有處理速度可滿足系統(tǒng)要求、基本指令豐富、程序易于修改、維護(hù)工作量小、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)容易等特點(diǎn)。

監(jiān)控軟件是在Delphi軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，該軟件可使系統(tǒng)維護(hù)人員在極短時間掌握，其性能在國內(nèi)許多企業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用檢驗(yàn)。此外，該軟件獲得技術(shù)支持容易，其性能完全滿足本系統(tǒng)需要，而價格卻比其它同類型軟件要低。

2.4 自控工藝

2.4.1自控工藝流程

打開計(jì)算機(jī)，進(jìn)入自控檢測界面，輸入密碼及相關(guān)原始設(shè)定值，開始運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)過程控制自動化。

生態(tài)建筑雨污水經(jīng)提升泵從集水井輸送到調(diào)節(jié)池，根據(jù)調(diào)節(jié)池中的液位信號控制開停泵的時間，調(diào)節(jié)池低位時開泵，高位時停泵。經(jīng)調(diào)節(jié)池沉淀處理后出水，由進(jìn)水泵輸送到ICAST生化池，進(jìn)水泵根據(jù)調(diào)節(jié)池和生化池的液位信號以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)一同控制。經(jīng)連續(xù)式ICAST處理后出水則自流至二沉池去掉細(xì)小顆粒，再溢流至中間池。中間池內(nèi)蓄水由過濾泵輸送至微濾池進(jìn)行過濾，過濾后出水加消毒劑送至消毒池停留一段時間即為中水。其中過濾泵靠中間池水位控制，高位開泵、低位停泵；加藥泵與過濾泵聯(lián)動。

2.4.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

依據(jù)國內(nèi)外常用的自控系統(tǒng)形式，本系統(tǒng)采用PC+PLC結(jié)構(gòu)，與常規(guī)智能直接數(shù)字控制儀表相比，具有投資少，壽命長，易維護(hù)且故障率低等特點(diǎn)。

現(xiàn)場控制站主要負(fù)責(zé)所有設(shè)備和過程的數(shù)據(jù)采集控制和參數(shù)調(diào)節(jié)，由PLC完成該功能且通過PLC承擔(dān)事故預(yù)處理并與控制室計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊?？刂剖铱商峁〤RT顯示及故障報(bào)警、部分參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程人工干預(yù)操作和數(shù)據(jù)存儲等工作。控制室通常由1臺工控機(jī)來完成，該管理機(jī)除含有現(xiàn)場操作功能外，還具備數(shù)據(jù)處理、報(bào)表打印等功能。

2.4.3自控系統(tǒng)組成及功能

根據(jù)地理位置及工藝功能劃分，本系統(tǒng)由控制室和現(xiàn)場控制站組成，控制室與處理裝置相鄰，回用系統(tǒng)的噴泉景觀池與住宅樓相連。本系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、畫面顯示、參數(shù)修改、存儲及打印等功能，具體可由4大部分組成。

a、工藝流程圖動態(tài)顯示

流程圖共5張，包括總工藝流程圖、進(jìn)水部分流程圖、生化處理部分流程圖、中間池和二沉池處理部分流程圖、過濾及加藥消毒部分流程圖。這5張流程圖、管道和設(shè)備都可以動態(tài)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。設(shè)備故障時用聲光報(bào)警并可作適當(dāng)處理。

b、實(shí)時監(jiān)測和顯示有關(guān)數(shù)據(jù)

通過擴(kuò)展的模擬量模塊，可將相應(yīng)的儀表數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和顯示有關(guān)數(shù)據(jù)，包括進(jìn)水的流量、進(jìn)出水的CODcr、NH3-N指標(biāo)值、出水的濁度值、以及ICAST反應(yīng)池中的DO值和pH值。

c、設(shè)備控制及參數(shù)設(shè)定

可以在自動控制的狀態(tài)下強(qiáng)行控制某臺設(shè)備的開關(guān)，根據(jù)處理的要求進(jìn)行多種參數(shù)的設(shè)定，同時，可根據(jù)在線監(jiān)測儀器的反饋值自動調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。

d、數(shù)據(jù)采集查詢及處理

根據(jù)要求對處理過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和保存，可以查詢?nèi)我鈺r間各種設(shè)備的故障記錄及儀表的歷史數(shù)據(jù)，提供歷史趨勢圖功能，自動生成24小時、1個月、1年的趨勢圖，同時提供數(shù)據(jù)報(bào)表功能，生成班報(bào)表和日報(bào)表。

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上所述，作者在上海理工大學(xué)校園內(nèi)，設(shè)計(jì)加工搭建了ICAST用于18高層住宅的雨污水就地回用處理的自動控制運(yùn)行和監(jiān)測水質(zhì)的裝置系統(tǒng)，并經(jīng)2003年6—8月３個月的調(diào)試運(yùn)行，其出水水質(zhì)達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明，該處理裝置、自動控制運(yùn)行及監(jiān)測水質(zhì)的系統(tǒng)是可行的，為生態(tài)建筑雨污水回用處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

3 結(jié)論

a、以出水水質(zhì)達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)為目的，設(shè)計(jì)了生態(tài)建筑雨污水回用的ICAST處理裝置系統(tǒng)。

b、采用在線監(jiān)測儀器對出水水質(zhì)、ICAST反應(yīng)池內(nèi)的運(yùn)行條件以及系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、水量和ICAST反應(yīng)池內(nèi)DO值，自動設(shè)定各工藝階段的運(yùn)行參數(shù)，可經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理運(yùn)行和水質(zhì)監(jiān)測的自動化。

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