南昌航空大学：水处理工程教育实验系列设备

我公司中标南昌航空大学（招标编号：JXHZ2011-G370）水处理实验设备，为其提供的设备能够实现物化处理、生物处理系统、深度处理功能，各系统既可实现全部单元装置的独立运行，又可实现任意关联单元之间的组合运行，包含上位工控组态系统-现场控制单元-水质传感器测控系统的独立与组合运行。

我公司制作的方案部分内容如下：

一、建设目标

1、设备组成
一级物化处理系统（含原污水调节池、格栅除渣、还原反应池、氧化反应池、综合调节池、混凝池、沉淀池、气浮池和中间调节池）
二级生物处理系统（含水解酸化池、中间调节池、接触氧化处理系统、二沉池和中调节池）
三级深度处理系统（石英砂过滤系统、中间调节池、活性炭吸附、中间调节池、离子交换系统、中间储水池、超滤系统、反渗透系统、紫外线消毒、加氯系统、反冲洗系统和压滤系统（用十层过滤膜））
自动化控制系统（含自动控制机柜、手动控制机柜、工业平板电脑、工业控制系统、编程电缆、网络系统、相关软件与附件）

2、主要功能
水处理综合实验系统能够实现物化处理、生物处理系统、深度处理功能，各系统既可实现全部单元装置的独立运行，又可实现任意关联单元之间的组合运行，包含上位工控组态系统-现场控制单元-水质传感器测控系统的独立与组合运行。系统能实现手动控制和自动控制。适合处理生活废水、含油废水和重金属废水等多种来源的废水。
污水处理厂自动化处理系统总体结构框架如下：
 
二、系统特色

1、覆盖应用现场的典型工艺
本次方案主题为综合污水处理，将系统分为一级物化处理，二级生物处理，三级深度处理，全面涵盖了典型的污水处理工艺，再现了污水处理工厂典型的工艺流程。

2、结合自动化与网络通信技术
本实验室采用了先进的工业自动化技术，以高性能服务器作为工程师站，人机界面HMI作为现场工作站，系统架构为主从式结构，组成一个完整的工业控制网络。
自动化控制系统采用工控机，PLC系统，操作器及一次仪表组成。
工控机采用工业平板电脑作为人机交互设备，并具有触摸功能。主要完成工艺参数的设定、修改、工艺流程的动态显示，对流量、压力实时控制，故障监测及报警，关键数据的存储、查询和打印等。
整个实验室系统以多台计算机为共用操作平台，统一建立在工业以太网之上，实现了数据的远程采集以及现场设备的远程监控。

3、综合教学实践与完善科研平台
（1）工艺单元的学习和研究
系统涵盖了行业内主流工艺单元，师生可以完成对各种水处理工艺单元的学习、实践和研究。
（2）处理工艺的对比性实践
通过采用不同工艺单元对相同的水质进行处理，可得出不同工艺对此类水质的处理效果差异。
（3）处理工艺的组合性实践
系统的各单元可通过阀门切换灵活组合，从而构成不同的处理工艺组合，以完成对特殊水质的处理，可承担其对特定工艺组合的学习和实践。
（4）从定性到定量
系统对控制参数可实现在线监测与自动控制，数据集中显示和记录，完成了从定性到定量的转变。师生可以通过参数调节达到预期的处理效果。
 
三、实验室建设规划

1、建设内容及整体布局
水污染控制技术实验室建设主要包括一级物化处理、二级生物处理与三级深度处理三部分实验系统，新建系统可再现多种典型的、代表当前发展方向的水污染控制工艺单元。一、二、三级实验系统可实现全部单元装置的独立运行和任意关联单元之间的组合运行，包含上位工控组态系统－现场控制单元－水质传感器测控系统，可实现对主要监控对象的远程数据在线监测、处理与控制。所有设备、辅件及支架全部采用304不锈钢材质制作，UPVC工程化布管穿线，整个系统结构紧凑、美观、实用。
实验室一面墙布设本处理系统总体结构框架模型，实验室平面布局设计规划见附图

2、实验项目及其能力目标
水污染控制技术实验室建成后可开设的单体验证性实验和工艺组合性实验两大类别。
单体验证性实验通过改变各单元设备的运行参数，观察研究该污染物在该单元工艺的处理效果，能开设的单体验证性实验项目包括格栅除渣、曝气沉砂、药剂调配、混凝沉淀、溶气气浮、水解酸化、接触氧化、砂滤、超滤、反渗透、消毒等。主要实验项目及其能力目标如表1。
工艺组合性实验通过管路切换，将单元设备自由组合，以实现电镀废水、高浓度化工有机废水、含油废水及生活污水等多种污水的处理工艺。主要实验项目及其能力目标见表2。

3、设备工艺流程图
本项目实验装置一、二、三级水处理的工艺流程框图如图1、图2、图3所示

4、实施要求
建成的装置要求如下：
（1）设备材质：304不锈钢
（2）各单元可通过阀门切换灵活组合，构成不同的处理工艺，根据教学和科研的需要完成各种实验，进行工艺研究和技术开发；
（3）独立单元实验、工艺组合实验和分组实验可在同一套装置上实现；
（4）重要控制参数实现在线检测与自动控制，集中显示和记录；
（5）采用计算机远程自动控制，控制系统分自动与手动两个控制系统，且两种控制系统都可以独立工作，完成对本系统的控制调节和参数显示功能。
其中：手动控制系统包含二个手动工业控制机柜，分别对一级、二级和三级水处理系统进行控制调节，可脱离自动控制系统独立工作。重要参数可直接显示。
自动控制系统采用工控机，PLC系统，操作器及一次仪表组成。工控机采用工业平板电脑作为人机交互设备，并具有触摸功能。主要完成工艺参数的设定、修改、工艺流程的动态显示，对流量、压力实时控制，故障监测及报警，关键数据的存储、查询和打印等。系统建立在工业以太网之上，实现了数据的远程采集以及现场设备的远程监控。
（6）装置计算机的操作界面主要由主界面、运行方式选择界面、工艺流程选择界面、工艺流程操作界面、实时数据报表界面、历史数据报表界面、历史曲线界面、报警界面、硬件测试界面和单元设备结构与设计参数界面等，各界面之间可自由切换。
（7）系统整体应具有操作灵活、运行稳定、适应性强、自动化控制等特点。
（8）系统原水水质要求：
① 一级系统采用调配的含泥沙等悬浮物的污水，浊度在50-100NTU，pH等不限；
② 二级系统采用配制的高浓度有机废水或一级系统出水，原水COD在5000mg/L以上，TN在50mg/L左右，TP在7.0左右，pH在6.0-6.5，SS在1500mg/L左右，厌氧出水COD在600-800mg/L左右；
③ 三级系统采用配制的有机废水或二级系统出水，分子量在2万以上，COD浓度在100mg/L左右，含盐量低于2000mg/L。
 
四、设计说明
整个系统的总处理设计流量为30L/h，可运行负载25-35L/h。
生活污水、电镀废水、化工废水、高浓度有机废水、工业含油废水等作为水源，管道为304不锈钢材质。

1、一级水处理系统 
（1）工艺说明
采用格栅、沉砂、加药沉淀等工艺主要针对水中物理颗粒物杂质进行处理，也是其他处理工艺的前置处理工艺。
（2）技术要求（理论）
① 原污水池可供系统连续运行12h以上。
② 原水进水集水池，由一级提升水泵将污水提升到格栅中进行处理，通过智能流量型蠕动泵控制并显示水泵出水流量（能显示瞬时值和累计值），通过数字通讯接口远传至工控系统。进水泵的开停兼受低位液位开关的控制；
③ 细格栅采用较细的不锈钢丝网模拟栅条，栅前渣量比较多时需手动清渣；
④ 格栅处理后的水经过自流进入还原反应池或氧化反应池，由加药泵分别加入氧化剂和还原剂，加药量由智能流量型蠕动泵控制并显示加药流量，通过数字通讯接口远传至工控系统。并远程监测pH、ORP、充氧量；之后流入综合调节池对水质进行PH调节。由智能流量型蠕动泵控制并显示加药流量，通过数字通讯接口远传至工控系统，再搅拌混合并时时监测PH值。经过PH调节后的污水由提升泵提升至斜板混凝沉淀池进行加药混凝沉淀沉，再流入气浮池去除水中悬浮性颗粒。出水流至一级出水调节池，调节池的污水将做为一级处理出水供二级处理系统。
⑤ 混合反应和絮凝沉淀采用机械搅拌，混合时间2min，絮凝时间6-15min。
⑥ 混合反应池的溶液可以自流入斜板沉淀池进行沉淀；斜板沉淀池的表面负荷3m3/(h.m2)。也可以经过射流泵进入气浮池进行分离。
⑦ 中间调节池设有高低液位开关，可以通过液位开关来控制水泵的开停；
（3）主要测点说明
① 原污水调节池：调节池的高、低液位开关、搅拌混合
② 进水系统：提升泵的流量在线调节、显示、远程数字通讯
③ 格栅：需手工清渣
④ 还原反应池：监测pH、ORP、在线控制加药量调节、显示、远程数字通讯、搅拌混合
⑤ 氧化反应池：监测pH、ORP、在线控制加药量调节、显示、远程数字通讯、曝气系统
⑥ 综合调节池：调节池的高、低液位开关、监测PH值、控制加药量、搅拌混合
⑦ 混凝沉淀池：变频调速搅拌电机转速、远程数字通讯
⑧ 加药系统：在线控制加药量调节、显示、远程数字通讯
⑨ 气浮池：容气泵、电磁流量计显示溶气水流量并远程通讯、刮渣机开关，容器压力
⑩ 一级出水调节池：调节池的高、低液位开关，浊度、COD手工离线取样分析。

2、二级水处理系统
（1）工艺说明
二级系统以厌氧（缺氧）、好氧生物处理为主导，体现了当前厌氧、缺氧、好氧技术中的典型工艺，系统可以串接组合成A/O等工艺。主要工艺装置为水解酸化池、活性污泥缺氧池以及接触氧化曝气池，二沉池为竖流式沉淀池，主要去除水中的COD。各主要工艺装置之间设有中间调节池以及旁路系统，根据原污水COD含量的不同或者教学课程的不同可以选择不同的组合方式进行实验。
（2）技术要求（理论）
① 一级水处理出水或配制的污水（如高浓度有机废水，原水BOD在3500 mg/L以上，COD在5000mg/L以上，TN在50mg/L左右，TP在7.0左右，pH在6.0-6.5，SS在1500mg/L左右，厌氧出水COD在600-800mg/L左右）作为水源。
② 二级储水池设计可供系统连续运行12h。
③ 原水通过提升泵分别提升至水解酸化池与接触氧化池或进入氧化沟处理系统。两路并联，通过切换阀门选择其中一种工艺进行生物处理，在线监测 pH、ORP、DO、充氧量等。接触氧化池的曝气量由风量计显示，风量由变频器控制风机来实现。氧化沟的充氧量可通过变频器调节机械曝气器的转速来实现充氧量的调节。经生化处理后流入二沉池进行固液分离，部分污泥回流至水解酸化池，剩余污泥排至板框压滤机处理。上清液排至二级出水调节池，调节池的污水将做为二级处理出水供三级处理系统。
（3）主要测点说明
① 二级配水系统：提升泵的流量在线调节、显示、远程数字通讯
② 水解酸化池：监测pH值、ORP、风量显示、变频器控制风机频率、远程数字通讯
③ 接触氧化池：监测pH、ORP、DO、风量显示、变频器控制风机频率、远程数字通讯
④ 氧化沟：监测pH、ORP、DO、变频器调节机械曝气器转速控制充氧量、远程数字通讯
⑤ 二沉池：污泥回流泵流量（在线控制回流流量调节、显示、远程数字通讯），出水BOD、COD手工离线取样分析；
⑥ 混合液回流系统：混合液回流泵流量（在线控制回流流量调节、显示、远程数字通讯）
⑦ 二级出水调节池：调节池的高、低液位开关。

3、三级水处理系统 
（1）工艺说明
系统可选择程序进行或单独进行砂滤、超滤、反渗透、消毒等单元，部分流程可以实现旁路。
（2）技术要求（理论）
① 二级处理后污水进入三级处理系统，由提升泵流入砂滤系统、活性炭吸附系统、超滤系统、反渗透系统、离子交换柱、紫外消毒系统或加氯消毒系统后，出水进入清水池，且清水池储水可做为砂滤反冲洗用水，通过反冲洗泵对砂滤池进行反冲洗，反冲洗强度由变频器控制，电磁流量计显示反冲洗流量。并远传至工控系统。
② 各主要工艺装置之间设有中间调节池以及旁路系统、切换用电磁阀，可以选择不同的组合方式进行实验。
③ 三级储水池设计可供系统连续运行8h。
④ 超滤组件：中空纤维膜组件；产水量：30L/h；截留分子量：10K；
⑤ 反渗透组件：脱盐率大于96%，产水量30L/h
⑥ 紫外线消毒器：流量：2L/min；功率：6W
⑦ 反冲洗系统：离心泵,扬程≥20m，流量≥2.5m3/h
⑧ 污泥处理系统：板框压滤机（过滤精度：0.5um;适用粘度：20pas；设出水堰）
（3）主要测点说明
① 整个系统的总处理设计流量为20L/h，可运行负载10-25L/h。
② 砂滤系统：提升泵的流量在线调节、显示、远程数字通讯
③ 中间调节池：调节池的高、低液位开关
④ 活性炭过滤：提升泵的流量在线调节、显示、远程数字通讯
⑤ 中间调节池：调节池的高、低液位开关
⑥ 超滤系统：提升泵的流量在线调节、显示、远程数字通讯
⑦ 反渗透系统：压力显示，反冲洗时间控制
⑧ 中间调节池：调节池的高、低液位开关
⑨ 离子交换系统：提升泵的流量在线调节、显示、远程数字通讯
⑩ 中间调节池：调节池的高、低液位开关
⑪ 紫外消毒系统：紫外灯开关、提升泵的流量在线调节、显示、远程数字通讯
⑫ 加氯消毒系统：在线控制加氯量调节、显示、远程数字通讯、机械搅拌混合
⑬ 清水池：调节池的高、低液位开关
⑭ 反冲洗系统：变频器控制反冲洗泵工作频率，电磁流量计显示流量、反冲洗时间控制。
⑮ 板框压滤系统：板框压滤机的起停，需人工卸泥。
 
五、控制系统

1、硬件控制系统
整个污水处理装置由工艺设备和控制系统两部分组成，工艺设备由一级、二级和三级水处理系统组成，控制系统则由手动和自动两个可独立工作的控制系统组成，完成对本系统的控制调节和参数显示功能。
控制系统分自动与手动两个控制系统，且两种控制系统都可以独立工作，完成对本系统的控制调节和参数显示功能。
其中：手动控制系统包含二个手动工业控制机柜，分别对一级、二级和三级水处理系统进行控制调节，可脱离自动控制系统独立工作。重要参数可直接显示。
自动化控制系统基于百兆工业以太网的自动监控系统，采用工控机，PLC系统，操作器及一次仪表组成。
工控机采用工业平板电脑作为人机交互设备，并具有触摸功能。主要完成工艺参数的设定、修改、工艺流程的动态显示，对流量、压力实时控制，故障监测及报警，关键数据的存储、查询和打印等。
PLC系统作为下位机控制系统，采用研华的ADAM-5000系列工业级I/O控制模块构成。网络采用级联方式，共配有ADAM5510/TP 四块、ADAM5050八块、ADAM5017五块、ADAM5024七块。系统设有两套PLC系统。其中PLC1#负责对一级、二级系统的控制，并通过工控机1#进行人机交互，PLC2#负责对三级系统的控制，并通过工控机2#进行人机交互。每套系统中，ADAM5050、ADAM5017实现对水质参数、压力、液位、浊度等的数据采集，并通过背板总线送入ADAM5510，提升泵、加药泵、变频器等设备采用modbus总线与ADAM5510进行数据交互，并从工控机接受数据分别对操作器、电磁阀和泵以及变频器等进行控制。
现场设备上的一次仪表都是标准的常规仪表，主要完成对处理过程中的参数检测（流量、液位、pH值等），其输出信号为标准的4-20mA和0-5V模拟电信号。模拟信号经ADAM5017模块转换滤波后变成工程量进行计算。

2、软件控制系统
工控机以“组态王”为软件设计平台。组态王具有良好的开放性、丰富的功能模块、强大的数据库功能，从而缩短了开发周期，减少了开发费用，提高系统的可靠性。
在本监控系统中，根据污水处理的流程和控制要求，对不同的实验可以自由切换选择，所有自动控制仪表的状态及测量值都能够单独自动控制，快速、准确，且可以灵活简便地在各种运行方式之间进行切换。主要设计了以下主要功能：
（1）系统登陆：通过用户名和密码验证来控制用户对系统的操作，同时设置画面的操作权限，只有具有一定权限的用户登录才能进行设备的启停。
（2）实验项目设置：通过画面选择相应的实验流程组合和相应的测试参数选择，以完成不同的实验项目。
（3）过程显示：在系统主页上动态模拟显示污水处理原理与过程，所有水池和管道显示水位及水流状态；显示所有设备的运行状态和运行参数，所有用电设备闪烁显示工作故障，击活后进入操作对话框（含不工作设备）故障详情；参数主页显示当前数值，击活后进入数据统计。
（4）设备操作：在系统运行的画面上，可以通过触摸操作实现设备的启停。
（5）报警功能：报警功能是监控系统必须具有的重要功能。所有用电设备出现故障，主画面上相应设备以黄色闪烁报警，弹出报警窗口供操作员确认，同时将报警信息写入报警数据库。
（6）报表和数据统计：污水处理过程中需要统计大量的数据，并需要对数据进行统计分析。在本系统中，分别设计了时报、日报、月报、年报四种报表。时报可以查看到当前小时的实时数据和平均值；日报记录的内容包括一天24小时内每小时的平均值以及一天的平均值和累计值；月报记录的内容包括该月中每一天的平均值和该月的平均值；年报则记录一年中每月的平均值。
（7）硬件测试：该界面用于单独测试在线检测仪表（液体流量计、pH计、压力计、溶解氧计、风量计、温度计、液位计等）、执行机构（变频器、电动阀等）、液位开关、电磁阀、搅拌电机、水泵等的性能。
（8）设备操作界面主要由主界面、运行方式选择界面、工艺流程选择界面、工艺流程操作界面、实时数据报表界面、历史数据报表界面、历史曲线界面、报警界面、硬件测试界面和单元设备结构设计图与设计参数界面等，各界面之间可自由切换。
（9）远程登陆：通过网络发布，实现用户远程登陆，实时获取系统的工作状态信息。