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1、第一章第一章 绪绪 论论1.11.1 应用应用 PLCPLC 技术处理污水的背景技术处理污水的背景地球虽然有 70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的 0.26，而且分布不均。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， “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。全世界每天约有 200 吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染 8 升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国 40的水资源流域被加工食品废料
2、、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲 55 条河流中仅有 5 条水质差强人意。20 世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了 5 倍。世界上许多国家正面临水资源危机：12 亿人用水短缺，30 亿人缺乏用水卫生设施1 。我国更是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的 1/4。 而且我国的水资源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。因此近些年来，我国的城市水资源情况进一步紧张，许多城市严重缺水。与此同时，水资源的污染日益严重，也因此许多城市都规划和建设了污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。我国城市污水处理事业是在 80 年代初逐步发展起来的，经过几十年的发展已经
3、初具规模，但是，与国外同期的城市污水处理厂相比，我国的污水处理事业则呈现出效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂无疑向着高度自动化和无人职守的方向发展。目前由于 PLC 在稳定性和高度自动化程度不断加强，使 PLC 成为在城市自动化污水处理方面的首选。应用 PLC 技术处理污水的意义污水处理是能源密集(energy intensity)型的综合技术。一段时期以来,由于能耗大、运行费用高等一系列的不便，在一定程度上阻碍了我国城市污水处理厂的建设,建成的一些处理厂也因能耗原因处于停产和半停产状态。在今后相当长的一段时期内,能耗
4、问题将成为城市污水处理的瓶颈。能否解决污水厂的能耗问题，合理进行能源分配，已成为决定污水处理厂运行效益好坏的关键因素。能耗是否较低，也是未来新的污水处理厂可行性分析的决定性因素，开发能效较高的污水处理技术，合理设计及运行污水处理厂，必将是未来污水处理厂设计和运行的必由之路。1.21.2 国内外污水处理自控系统的发展形势国内外污水处理自控系统的发展形势1.2.11.2.1 国外污水处理自控系统的发展状况国外污水处理自控系统的发展状况国外的一些发达国家，如美国、日本、德国等国，由于这些国家经济十分发达，并较早地实现了工业现代化。由于工业的高度发展，因此环境污染问题特别是水资源污染的严重性也较早的体
5、现出来，同时也得到了国家政府的重视，因此投入了大量的人力、物力进行污水处理的研究。这些国家在研究污水处理新理论和新工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。同时有些国家也开始重视污水的净化回收利用问题，列如以色列的污水回收率达到了 90%。污水回用是一项很有发展工程，不仅能解决污水污染问题还能创造经济价值。由于控制技术的飞跃发展，国外的污水很早就实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS 系统。同时国外较早的将 SCADA 技术引入到给水排水工程中，并取得了良好的经济和社会效益。国外还注重污水处理中的 PLC 的开发，如 AB 公司的 SLC 系列、Siemens 的 S7 系列等。国外也重视仪
6、表的研究，国外污水处理自控系统主要存在以下特点：（1）采用集散控制系统 DCS 和现场总线控制系统 FCS。按照厂区的自身情况和工艺来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以使上下级关系，站与站之间一般独立运行。（2）大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。（3）生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式。1.2.21.2.2 国内污水处理自控系统的发展状况国内污水处理自控系统的发展状况我国是一个以农业为主的国家，因此工业发展较晚，污染问题不是很严重，解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染
7、程度很低，且提倡污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，所以全国仅有几个城市建设了污水处理厂，致使污水处理技术处于落后的状态。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和 DCS 系统；到九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂得建成投产，我国污水控制系统的自动化水平才有了很大提高。从国外引进污水厂的自动控制系统和各种新工艺、新设备。可以说我国污水处理自动化的现状是：手动与自动皆备，自制与引用并举。我国的污水处理自控系统有以下特点：（1）对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并
8、存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。（2）国产仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的仪表，但是由于进口的价格昂贵，所以应用并不是很广泛。（3）各个控制站之间完全独立，无信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。1.31.3 设计的主要研究内容设计的主要研究内容论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和 PLC 控制系统设计，主要包括以下内容：1、介绍了旋转流管式膜微滤污水处理的基本内容，包括污水处理的发展、现状以及污水处理的工艺流程；2、介绍了 PLC 的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设
9、计分析3、具体分析设计污水处理的硬件系统4、具体分析设计污水处理的软件系统第二章第二章 污水来源及污水处理的概述污水来源及污水处理的概述2.12.1 污水来源概述污水来源概述按污水来源分类，污水处理一般分为生产污水处理和生活污水处理。生产污水包括工业污水、农业污水以及医疗污水等，而生活污水就是日常生活产生的污水,是指各种形式的无机物和有机物的复杂混合物，包括：漂浮和悬浮的大小固体颗粒；胶状和凝胶状扩散物；纯溶液。 按污水的性质来分，水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。当前对水体危害较大的是人为污染。水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。污染
10、物主要有：未经处理而排放的工业废水；未经处理而排放的生活污水；大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水；堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；水土流失；矿山污水2。污水处理成本能耗基本都是高能耗、低效率。目前城市生活污水排放已是我国城市水的主要污染源，城市生活污水处理是当前和今后城市节水和城市水环境保护工作的重中之重，这就要求我们要把处理生活污水设施的建设作为城市基础设施的重要内容来抓，而且是急不可待的事情。2.22.2 污水处理概述污水处理概述2.2.12.2.1 污水处理行业发展污水处理行业发展地球虽然有 70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一
11、部分，仅占地球总水量的 0.26，而且分布不均。全世界每天约有 200 吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染 8 升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国 40的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲 55 条河流中仅有 5 条水质差强人意。20 世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了 5 倍。世界上许多国家正面临水资源危机：12 亿人用水短缺，30 亿人缺乏用水卫生设施3。2007 年，中国水污染治理投资达到 3387.6 亿元，比上年增加 32%，占当年 GDP 的1.36%。中国水环境质量总体保持稳定。2007 年，共取缔一级水源保护区内排污口 942个，停
12、建二级水源保护区内可能造成污染的建设项目 1294 个，限期治理 931 个。截至 2008 年 10 月，全国设市城市、县及部分重点建制镇共建成污水处理厂 1459座，日处理能力 8553 万吨（36 个大城市共建成 288 座，日处理能力为 3497 万吨） ，分别比“十五”末期增加 60.5%和 42.6%，全国设市城市污水处理率已由 2005 年的 52%增加到 2007 年的 63%；在建城镇污水处理项目 1033 个，设计日处理能力约 3595 万吨。2008 年 1 至 10 月，全国已投入运行的城镇污水处理厂累计处理污水达 190 亿吨，运行负荷率达到 76%，同比分别增长了
13、21%和约 3 个百分点4。因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。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。2.2.22.2.2 污水处理中的几个常见指标污水处理中的几个常见指标1、BOD（biochemical oxygen demand）：即“生化需氧量”或“生化耗氧量” ，又称生物需氧量，是水中有机物含量的一个间接指标。一般指在 1L 污水或待测水样中所含有的一部分易氧化的有机物，当微生物
14、对其氧化、分解时，所消耗的水中的溶解氧毫克数（其单位为 mg/L） 。BOD 的测定条件一般规定在 20下 5 昼夜，故常用 BOD5符号表示。2、COD（chemical oxygen demand）：即化学需氧量，是表示水体中有机物含量的简便的间接指标，指 1L 污水中所含有的有机物在用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数（单位为 mg/L） 。常用的化学氧化剂有 K2Cr2O7 或 KMnO4。其中常用K2Cr2O7，由此测得的 COD 用“COD Cr”表示。3、TOD：即总需氧量，指污水中能被氧化的物质（主要是有机物）在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。4、DO：即溶解氧量，指溶
15、于水体中的分子态氧，是评价水质优劣的重要指标。5、SS：即悬浮物含量，指污水中不溶性固态物质的含量。6、TOC：即总有机碳含量，指水体内所含有机物的全部有机碳的量。可通过把水样中的所有有机物全部氧化成 CO2 和 H2O，然后测定生产 CO2 的量来计算5。2.2.32.2.3 污水处理的方法污水处理的方法污水处理的方法有物理法、化学法和生物法。各种方法都有其特点，可以相互配合、相互补充。目前应用最广的是生物学方法，其优点是效率高、费用低、简单方便。污水处理按程度可分为一级处理、二级处理和三级处理。一级处理也称为预处理，主要通过格栅等过滤器除去粗固体；二级处理称为常规处理，主要去除可溶性的有机
16、物，方法包括生物方法、化学方法和物理方法；三级处理称为高级处理，主要是除氮、磷和其他无机物，还包括出水的氯化消毒，也有生物、物理、化学方法。（1）一级处理主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD 一般可去除 30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。（2）二级处理主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（BOD，COD 物质） ，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。（3）三级处理进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。2.32.3 我国的水资源现状和污水处理现状及存在的问题我国的水资源现状和污水处理现状及存在的问题2.3.12.3.1 我国的水资源现状我国的水资源现状改革开放以来，我国城市化也进入快速发展时期，城市数量由 1978 年的 193 个增加到 2001 年的 664 个，城镇人口由 17，245 万人增加到 48
