污水处理厂系统解决方案

一、工艺流程

    典型的城市污水处理工艺流程主要包括机械处理、生化处理、污泥处理等工段，如图1。由机械处理以及生化处理构成的系统属于二级处理系统，其BOD和SS去除率可达到90%～98%。处理效果介于一级和二级处理之间的一般称为强化一级处理、一级半处理或不完全二级处理，主要有高负荷生物处理法和化学法两大类，BOD去除率可达到45%～75%。具有生物除磷脱氮功能的二级处理系统通常称为深度二级处理。为了去除特定的物质，在二级处理之后设置的处理系统属三级处理，例如化学除磷、絮凝过滤、活性炭吸附等。

机械处理工段

    机械（一级）处理工段包括格栅、污水提升泵房、沉砂池、初沉池等构筑物，以去除粗大颗粒和悬浮物为目的，处理的原理在于通过物理法实现固液分离，将污染物从污水中分离，这是普遍采用的污水处理方式。机械（一级）处理是所有污水处理工艺流程必备工程（尽管有时有些工艺流程省去初沉池），城市污水一级处理BOD和SS的典型去除率分别为25%和50%。

生化处理工段

    生化处理是整个污水处理过程的核心，因此我们称污水处理工艺是特指这部分，如氧化沟法、SBR法、A/O法等。污水生化处理属于二级处理，以去除不可沉悬浮物和溶解性可生物降解有机物为主要目的。目前大多数城市污水处理厂都采用活性污泥法。生化处理的原理是通过生物作用，尤其是微生物的作用，完成有机物的分解和生物体的合成，将有机污染物转变成无害的气体产物（CO2）、液体产物（水）以及富含有机物的固体产物（微生物群体或称生物污泥）；多余的生物污泥在沉淀池中经沉淀固液分离，从净化后的污水中除去。

污泥处理工段

    生化处理工段的污泥，先到污泥泵房，部分污泥回流至生化处理工段，另一部分污泥（剩余污泥）用污泥泵快速输入到污泥浓缩池。污泥浓缩池浓缩一定时间后，上清液回流到污水提升泵房的集水池；浓缩后的污泥再回到另一格污泥调节池，用污泥泵提升到污泥脱水机房。污泥在脱水机房脱水后，制成泥饼外运。

二、常见的污水处理工艺

    目前，常见的污水处理工艺有A2/O法、氧化沟法、SBR法、CASS法、CAST法、AB法、生物接触氧化法（BOC）、曝气生物滤池（ BAF）、生物膜法等。

A2/O法

    A2/O生物脱氮除磷工艺是传统活性污泥工艺、生物消化及反消化工艺和生物除磷工艺的综合，其工艺流程图如图2。生物池通过曝气装置、推进器（厌氧段和缺氧段）及回流渠道的布置分成厌氧段、缺氧段、好氧段。在该工艺流程内，BOD5、SS和以各种形式存在的氮和磷将一一被去除。A2/O生物脱氮除磷系统的活性污泥中，菌群主要由硝化菌和反硝化菌、聚磷菌组成。在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入到大气中，从而达到脱氮的目的；在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷除去。以上三类细菌均具有去除BOD5的作用，但BOD5的去除实际上是以反硝化细菌为主。

以氧化还原电位（ORP）和溶解氧（DO）为主要控制参数，来对曝气系统、内回流系统、外回流系统、剩余污泥排放系统进行控制，以实现良好的除磷脱氮效果，有效地降低污水中的BOD5，同时最大限度地节约能源，使整个系统高效稳定地运行。

氧化沟法

    氧化沟又名氧化渠，因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名。它是活性污泥法的一种变型。因为污水和活性污泥在曝气渠道中不断循环流动，因此有人称其为“循环曝气池”、“无终端曝气池”。氧化沟的水力停留时间长，有机负荷低，其本质上属于延时曝气系统。

    氧化沟利用连续环式反应池（Cintinuous Loop Reator，简称CLR）作生物反应池，混合液在该反应池中一条闭合曝气渠道进行连续循环，氧化沟通常在延时曝气条件下使用。氧化沟使用一种带方向控制的曝气和搅动装置，向反应池中的物质传递水平速度，从而使被搅动的液体在闭合式渠道中循环。

    氧化沟一般由沟体、曝气设备、进出水装置、导流和混合设备组成，沟体的平面形状一般呈环形，也可以是长方形、L形、圆形或其他形状，沟端面形状多为矩形和梯形。其工艺流程图如图4。

氧化沟法由于具有较长的水力停留时间，较低的有机负荷和较长的污泥龄。因此相比传统活性污泥法，可以省略调节池，初沉池，污泥消化池，有的还可以省略二沉池。氧化沟能保证较好的处理效果，这主要是因为巧妙结合了CLR形式和曝气装置特定的定位布置，是氧化沟具有独特水力学特征和工作特性。

    随着氧化沟工艺的发展，目前，在工程应用中比较有代表性的形式有：多沟交替式氧化沟（如三沟式、五沟式）及其改进型、卡鲁塞尔氧化沟及其改进型、奥贝尔（Orbal）氧化沟及其改进型、一体化氧化沟等。

SBR法

    SBR是序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统，其工艺流程图如图3。

SBR法工艺具有以下特点：

工艺运行简单，基本实现无需搬运操作，进水、曝气、沉淀、排水、闲置五道程序可由PLC实现程序控制，运行的程序也可根据水质变化情况重新编排，使本来十分繁琐的操作变成全自动运行；

耐冲击负荷。污水逐渐进入池内，被池内的水缓慢稀释，污水与原池内的水的比例是逐渐提高的，所以耐水质变化的冲击；

出水水质好。池内水沉淀时是在水平流速为零的理想静止状态下沉淀，沉淀效果好。池内溶解氧值交替变化。沉淀排水时，溶解氧接近零，抑制了丝状菌的生长，污泥沉淀性能好；

能耗低。由于池内溶解氧的交替变化，使溶解氧浓度梯度大，提高了氧的利用率。没有污泥回流系统，节省了能耗，降低了运行费用；

SBR可实现连续进水，污水量较小时只需设置一个池子即可运行，省去了污水流量随时间变化分配的自动控制阀门，只设一台滗水器，池子结构形式也更为简单。

ì     CAST法

    CAST工艺（Cyclic Activaled Sludge Technolohy）是一种循环活性污泥法，CAST系统是一个间隙式反应器，在此反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断地重复进行，该法将生物反应过程和泥水分离过程在一个池子中进行。其工艺流程图如图5。

    CAST工艺是一种“充水和排水”活性污泥法，废水按一定周期循环处理，CAST工艺是SBR工艺的改进型，其每一个循环有下列各个附段组成：充气／曝气、充水／沉淀、撇水、闲置。各个阶段组成一个循环，并不断重复循环，开始时，由于充水，池中水位由某一最低水位开始上升，在经过一定时间的曝气和混合后，停止曝气，以使活性污泥进行絮凝并在一个静止的环境中沉淀,在完成沉淀阶段后，由一个移动式撇水堰排出已处理的上清液，使水位下降至池子设定的最低水位，然后再重复上述全过程。

    CAST法的池子分三个区，即首选择区，兼氧区，主曝气区；在选择区中，废水中的溶解性有机物质能通过酶反应机理而迅速去除，选择区可以恒定容积，也可以变容积运行，多池系统的进水配水池也可用作选择区，回流污泥中的硝酸盐可在此选择区中得到反硝化，选择区的最基本功能是防止产生污泥膨胀；兼氧区内微量曝气，亦可调节曝气区进行缺氧除磷；主曝气区内主要进行降解有机物和硝化，同时也进行着硝化—反硝化过程。

ì     CASS法

    CASS（Cyclic Activated Sludge System）工艺是循环活性污泥技术（CAST）的一种型式。其主要原理是：把序批式活性污泥法（SBR）的反应池沿长度方向分为两部分，前部为预反应区，后部为主反应区。在预反应区内，微生物能通过酶的快速转移机理迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，对进水水质、水量、pH和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，可有效防止污泥膨胀；随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程，完成对污水中有机物质的降解。CASS工艺同时能够比较充分发挥活性污泥的降解功能。也能够减轻二沉淀池的负荷，有利于提高二沉池固液分离效果。

ì     AB法

    AB法（Adsorption Biodegradation）是一种新型的两段生物处理工艺，与普通活性污泥法相比，它具有高效、稳定、节省能耗、造价低等优点。典型的AB工艺流程：污水——格栅——沉沙池——A段曝气池——中间沉淀池（污泥回流至A段曝气池）——B段曝气池——二次沉淀池（污泥回流至B段曝气池）——出水。AB法技术上的突破主要在A段：该段前省去了初沉池，A段曝气池在高负荷[≥2kgBOD5/（kgMLSS•d）]、短停留时间（30min）、低溶解氧（0.5～1mg/L）、短泥龄（0.5～0.7d）的条件下运行。但是，目前对A段工艺的工作机理研究尚未取得突破性进展，例如A段工艺在无污泥再生的条件下却能保持微生物的活性和良好的污泥沉降性能，这是传统的微生物吸附氧化机理所不能解释的。

具有优良的污染物去除效果，较强的抗冲击负荷能力，良好的脱氮除磷效果和投资及运转费用较低等。

 （1）对有机底物去除效率高。

 （2）系统运行稳定。主要表现在：出水水质波动小，有极强的耐冲击负荷能力，有良好的污泥沉降性能。

 （3）有较好的脱氮除磷效果。

 （4）节能。运行费用低，耗电量低，可回收沼气能源。经试验证明，AB法工艺较传统的一段法工艺节省运行费用20%~25%。

ì      生物接触氧化法（BOC）

       生物接触氧化法（Biologrcal eolllaet oxidation prceess，BOC）是一种浸没型生物膜法，废水与填料上的生物膜相接触，在生物膜上的微生物作用下，废水得以净化。其处理构筑物是浸没曝气式生物滤池，也称生物接触氧化池。

生物接触氧化池内设置填料，填料淹没在废水中，填料上长满生物膜，废水与生物膜接触过程中，水中的有机物被微生物吸附、氧化分解和转化为新的生物膜。从填料上脱落的生物膜，随水流到二沉池后被去除，废水得到净化。在接触氧化池中，微生物所需要的氧气来自水中，而废水则自鼓入的空气不断补充失去的溶解氧。空气是通过设在池底的穿孔布气管进入水流，当气泡上升时向废水供应氧气，有时并借以回流池水。

与活性污泥法比较，生物接触氧化法具有下列特点：

（1）由于填料的比表面积大，池内的充氧条件良好。生物接触氧化池内单位容积的生物固体量高于活性污泥法曝气池及生物滤池，因此，生物接触氧化池具有较高的容积负荷；

（2）生物接触氧化法不需要污泥回流，也就不存在污泥膨胀问题，运行管理简便；

（3）由于生物固体量多，水流又属完全混合型，因此生物接触氧化池对水质水量的骤变有较强的适应能力；

（4）生物接触氧化池有机容积负荷较高时，其F/M保持在较低水平，污泥产量较低。

ì      曝气生物滤池（ BAF）

曝气生物滤池（Biololgical Aerated Filter，简称BAF）技术是在生物接触氧化工艺的基础上，引入饮用水处理中过滤的思想，而产生的一种好氧废水处理工艺。其突出特点是在一级强化处理的基础上将生物氧化与过滤结合在一起，滤池后部不设沉淀池，通过反冲洗再生实现滤池的周期运行。

（1）预处理系统：包括格栅、污水提升泵、曝气沉砂池及初沉池等，污水经过处理后，靠自然水位差流入曝气生物滤池。

（2）多级曝气生物滤池：各级曝气生物滤池和不同层面生物载体接触的废水水质不同，形成的微生物群体组成不尽相同，每个层面都生长着适合于流到该层废水水质的微生物菌群。

（3）后处理系统：高效气浮代替了传统的二沉池，污泥直接排入污泥池贮存，经消化后，入带式压滤机或涡螺离心机处理，泥饼外运或作农肥。

ì      生物膜法

    生物膜法工艺是通过布水器使污水均匀流过滤料、生物转盘或填料表面的生物膜，生物膜具有较大的表面积、含大量的微生物，能够吸附氧化分解污水中的有机物，在分解有机物的同时，膜上的微生物快速繁殖增长，更新换代，老化的生物膜从表面脱落，随水流排出，这样使污水得到净化。生物膜法有曝气生物滤池、生物转盘、接触氧化等工艺类型。

三、控制系统设计

3.1概述

    污水处理厂的控制系统设计于现代先进控制思想，采用分散控制、集中监测管理的控制方式，采以和利时公司LK系列可编程控制器（PLC）为核心的控制系统。基于LK自动化控制系统应用于污水处理厂，完全能满足氧化沟污水处理工艺的要求，提供了一种高可靠性、低成本、更优化的控制方案。

LK是和利时公司在总结十多年控制系统设计和几千套工程项目实施经验基础上推出的适用于中、高性能控制领域的产品，CPU模块集成工业级处理器（主频可达533MHz），指令处理速度可达13ns。相对传统PLC而言，LK可编程控制器充分融合了DCS和PLC的优点，采用了高性能的模拟量处理技术、小型化的结构设计、开放的工业标准、通用的系统平台、使产品不仅具有强大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的开放性和易用性。

3.2系统结构

    整个系统由1个中央控制室、3个现场PLC控制站组成。现场PLC控制站，由可编程序控制器（PLC）系统及检测仪表组成，对污水处理厂各工艺过程进行分散控制；再由中央控制室（CCR），对全厂实行集中管理。中央控制室、PLC控制站之间的数据通讯采用高速的、实时的工业以太网，网络结构为环形，通讯速率为100Mbps，传输介质为光纤。中央控制站设于综合楼中控室；现场控制站设三个，分别位于进水泵房（1＃PLC控制站）、鼓风机房（2＃PLC控制站）、污泥浓缩脱水机房（3＃PLC控制站），采用和利时公司 LK系列PLC。

    全厂通讯网络分成二级，即第一级为中控/现场监控级，现场控制站至中央控制站采用工业以太网光纤环网；第二级为数据传输级，为现场控制站至设备控制箱的常规I/O电缆连接。

    污水处理厂自动化控制系统控制方式设计为现场设备就地手动控制、自动化控制系统远程手动控制、自动化控制系统远程自动控制三种控制方式。三种方式的级别由高到低依次为就地手动控制、远程手动、远程自动。

3.3工艺控制策略

格栅控制

格栅控制采用时间控制和液位差控制两种模式。正常情况下，格栅根据预先设定的时间间隔及持续时间进行运行，当格栅前后的液位差大于设定值，则格栅除污机开始连续工作，直至液位差小到满足要求后，恢复正常的格栅除污机操作。

栅渣输送压榨机与格栅联动运行。

提升泵房

根据集水池液位自动控制变频调速泵的转速及水泵的开/停。根据集水池最低液位，自动停泵，实现泵的干运转保护。每一台泵的起动次数和总的运行小时数均衡。初始设定使每台泵的运转时间相等。控制系统监视泵的运行过程，如泵故障报警并自动投入备用泵。

沉砂池及砂水分离机

沉砂池的输砂泵等电机、砂水分离机自成系统，由所带控制箱控制。

氧化沟

PLC根据各沟道的溶解氧测量值大小调节转碟的运行及其转速，并控制推进器刮泥桥的运行。

回流及剩余污泥泵房

回流污泥泵的开停及运行时间由PLC根据生物池中检测的混合液浓度反馈控制。

变电站

PLC不参与变电站的控制，通过RS485或其它接口与电站自动化监控系统通信。

污泥浓缩池

污泥浓缩池搅拌器连续运行，由现场电气控制箱手动启停或由PLC控制。

污泥脱水机房

污泥脱水机及其辅机由污泥脱水机控制箱控制，当污泥脱水机工作时，其污泥泵、加药装置、投配泵等联动运行。

鼓风机房

鼓风机控制系统以气体信号为主控信号，氧化沟溶解氧信号为辅助信号，根据实际负荷的大小进行自动控制调节阀的开启度，达到控制出水水质的目的。每一台鼓风机的起动次数和总的运行小时数均衡。

四、典型案例

案例1：长春北郊污水处理厂

长春市北郊污水处理厂升级改造及污水再生利用工程设计规模为污水39万吨/日，中水回用10万吨/日，处理工艺为改良型A2/O工艺+生物滤池，主要处理来自市中心、二道、南湖、小南和八里堡五个排水区的生活用水和工业废水，经过处理后的污水可以直接排到伊通河内，不会污染伊通河水质，能有效改善沿岸周边居民的生活环境，回用水深度水处理设施可以用于热电厂的循环水，缓解了长春市用水紧张的局面。

长春市北郊污水处理厂升级改造及污水再生利用工程主要包括粗格栅、提升泵房、细格栅、旋流沉砂池、改良型A2/O生化池、变配电间、配水井及污泥泵房、二沉池、紫外线消毒池、鼓风机房和污泥浓缩脱水机房等主要工艺生产设施。

案例2：江西省南昌市象湖污水处理厂

江西省南昌市象湖污水处理厂设计处理规模为20万吨/日，处理工艺为氧化沟工艺，南昌市象湖污水处理厂的建设，将彻底改变象湖区目前污（废）水未经处理随意排放、污染严重的现象，南昌市象湖污水处理厂建成后，每年将减少向南昌市水体排放COD、BOD、氨氮等污染物2万余吨，从而极大地减轻受纳水体象湖的压力，显著改善象湖的水体水质和周边的生态环境，使象湖的水更清澈，为南昌市构建和谐社会、全面建设小康做出贡献。

南昌市象湖污水处理厂主要由粗格栅间、提升泵房、细格栅间、漩流沉沙池、氧化沟、集配水井和综合泵房、沉淀池、浓缩池、污泥脱水机房等构成。