生態(tài)建筑雨污水ICAST回用處理系統(tǒng)設計研究
水污染及其水資源危機是制約我國當前城市建設可持續(xù)發(fā)展的重要因素，建立一個比較完善的、經(jīng)濟高效的生活污水回用處理系統(tǒng)，實現(xiàn)污水就地資源化和無害化,具有重大的社會、經(jīng)濟和環(huán)保價值。生態(tài)建筑雨污水回用是上海市科委2003年科技攻關項目專項《生態(tài)建筑關鍵技術研究與系統(tǒng)集成》的一個子項目，它主要是對示范工程——上海建科院莘莊園區(qū)，包括環(huán)境實驗樓在內(nèi)的幾棟建筑每日所排放出的污水及雨水進行回用處理。在比較目前的國內(nèi)外主流的幾種污水回用處理技術的基礎上，作者采用了一種裝置集約化程度高、處理能力強、運行方式靈活、自動控制和監(jiān)測、維護管理方便的改進型SBR——ICAST （Intermittent or Cyclic Activated Sludge Technology，間歇 / 循環(huán)活性污泥技術）對生態(tài)建筑雨污水回用處理系統(tǒng)進行設計研究，為實施國家建設部和水利部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，以及為逐步實現(xiàn)小區(qū)污水零排放打下基礎[1～5]。
1 污水回用處理系統(tǒng)設計
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)境實驗樓在內(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，設計承擔處理水量為20m3/d。
該系統(tǒng)的污水處理主要裝置包括調(diào)節(jié)池、ICAST反應池、二沉池、中間池、過濾柱及消毒池，ICAST反應池由兼氧區(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。
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表1 主要處理構(gòu)筑物及其材料
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1.2 工藝流程
ICAST是作者基于SBR及其衍生的ICEAS、CAST/CASS/CASP處理技術發(fā)明的一種改進型的活性污泥技術。該專利技術采用靈活的運行方式，可根據(jù)實際需要自由選擇間歇式或連續(xù)式的運行方式。
工藝流程如圖2所示，生態(tài)建筑雨污水經(jīng)調(diào)節(jié)池進入ICAST反應池進行生化處理。ICAST反應池可以采用間歇式和連續(xù)式兩種運行方式？紤]到維護的方便，本次設計采用連續(xù)式運行（如圖3所示）。連續(xù)運行為連續(xù)進水、連續(xù)出水，流入ICAST反應池的污水，在兼氧區(qū)與活性污泥充分混合后進入主曝氣區(qū)進行好氧分解，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反應池設計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。運行過程中，兼氧區(qū)還可減輕好氧區(qū)部分的有機物負荷，使殘留有機物更有效地去除。
此外，考慮到進水水質(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)過濾柱進行過濾，并送至清水池，消毒后的出水水質(zhì)可達到中水回用標準（CJ/T 95—2000）。在處理過程中，各工藝階段的水質(zhì)監(jiān)測指標及其分析方法如表2所示。
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表2 水質(zhì)監(jiān)測指標及其方法
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采用ICAST技術對生態(tài)建筑雨污水進行處理，裝置一體化程度高，可以節(jié)省基建費用，連續(xù)式運行時，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)池處理后進入ICAST池生化處理并由過濾消毒后的出水（其水質(zhì)達到中水回用標準）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[6]的基礎上，進行處理運行和監(jiān)測水質(zhì)的自動控制系統(tǒng)設計。
2.1 研究內(nèi)容
a、ICAST處理流程可以通過PLC和計算機進行自動控制。包括控制進水泵、鼓風機、過濾泵、污泥回流泵等設備的啟動、運行和停止及不正常運行時的報警等。
b、監(jiān)控污水回用處理的整個過程，監(jiān)測進出水水質(zhì)的主要指標CODcr、NH3-N及濁度；ICAST生化反應池內(nèi)的DO和pH值；當各工藝階段的水質(zhì)指標達不到預定目標時，可由計算機通過PLC適時調(diào)整運行參數(shù)等。
c、對污水回用處理過程中的數(shù)據(jù)進行采集和定時存貯，根據(jù)需要可查詢?nèi)我鈺r刻各種設備的故障記錄及儀表的歷史記錄，且對歷史數(shù)據(jù)進行一定的分析。
2.2 設計原則
a、以出水水質(zhì)為目標監(jiān)測及控制
自控系統(tǒng)除了監(jiān)測進、出水的水質(zhì)以外，應對ICAST反應池內(nèi)的DO和pH值作在線監(jiān)測記錄，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)確定反應池內(nèi)生化反應條件與處理出水之間的關系，并以此為依據(jù)在自控界面上對ICAST反應池的運行和曝氣量大小進行調(diào)整，使出水水質(zhì)可達到中水回用標準。
b、實用性與經(jīng)濟性
自控系統(tǒng)采用進口和國產(chǎn)設備及電器結(jié)合，設計和編程考慮主要設備的自動運行，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警及故障處理功能。從設計到設備選型和安裝施工及運行維護均應盡可能確保系統(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量共計約38個點，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)驗及比較各設備的特點，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)中應用較廣泛；同時考慮到上位機組態(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、維護工作量小、網(wǎng)絡組態(tài)容易等特點。
監(jiān)控軟件是在Delphi軟件的基礎上進行編程，該軟件可使系統(tǒng)維護人員在極短時間掌握，其性能在國內(nèi)許多企業(yè)已經(jīng)得到應用檢驗。此外，該軟件獲得技術支持容易，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
打開計算機，進入自控檢測界面，輸入密碼及相關原始設定值，開始運行，實現(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，由進水泵輸送到ICAST生化池，進水泵根據(jù)調(diào)節(jié)池和生化池的液位信號以及設備運行狀態(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
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，易維護且故障率低等特點。
現(xiàn)場控制站主要負責所有設備和過程的數(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承擔事故預處理并與控制室計算機進行通訊。控制室可提供CRT顯示及故障報警、部分參數(shù)設置、遠程人工干預操作和數(shù)據(jù)存儲等工作。控制室通常由1臺工控機來完成，該管理機除含有現(xiàn)場操作功能外，還具備數(shù)據(jù)處理、報表打印等功能。
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)可通過計算機界面實現(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、管道和設備都可以動態(tài)顯示當前的工作狀態(tài)。設備故障時用聲光報警并可作適當處理。
b、實時監(jiān)測和顯示有關數(shù)據(jù)
通過擴展的模擬量模塊，可將相應的儀表數(shù)據(jù)傳入上位機，在上位機上實現(xiàn)實時監(jiān)測和顯示有關數(shù)據(jù)，包括進水的流量、進出水的CODcr、NH3-N指標值、出水的濁度值、以及ICAST反應池中的DO值和pH值。
c、設備控制及參數(shù)設定
可以在自動控制的狀態(tài)下強行控制某臺設備的開關，根據(jù)處理的要求進行多種參數(shù)的設定，同時，可根據(jù)在線監(jiān)測儀器的反饋值自動調(diào)整運行參數(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)進行采集和保存，可以查詢?nèi)我鈺r間各種設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)報表功能，生成班報表和日報表。
2.5 試驗驗證
根據(jù)以上所述，作者在上海理工大學校園內(nèi)，設計加工搭建了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)試運行，其出水水質(zhì)達到中水回用標準。調(diào)試運行結(jié)果表明，該處理裝置、自動控制運行及監(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)的設計提供了可靠的依據(jù)。
3 結(jié)論
a、以出水水質(zhì)達到中水回用標準為目的，設計了生態(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反應池內(nèi)的運行條件以及系統(tǒng)設備的運行參數(shù)等進行監(jiān)測，根據(jù)進水水質(zhì)、水量和ICAST反應池內(nèi)DO值，自動設定各工藝階段的運行參數(shù)，可經(jīng)濟、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)處理運行和水質(zhì)監(jiān)測的自動化。
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