污水处理系统自动加药系统
目录
摘要 ........................................................................................................................ I Abstract ..........................................................................................................................II 1 污水处理概述 (1)
1.1本课题研究的意义 (1)
1.2污水处理厂工艺流程 (3)
1.3污泥脱水过程中加药系统的国内外现状 (3)
1.4本文的主要研究内容及目的 (5)
2 全自动加药系统的工艺及控制要求 (7)
2.1污泥的产生 (7)
2.2污泥的处理处置 (9)
2.3絮凝剂的使用 (9)
2.4全自动加药系统的工艺流程 (10)
2.5控制要求 (11)
3 全自动加药系统主要设备的设计 (13)
3.1絮凝剂浸润系统的总体构成 (13)
3.2搅拌轴设计[1] (14)
3.2.1强度计算 (14)
3.2.2搅拌轴刚度校核 (15)
3.2.3临界转速校核 (16)
3.3搅拌器的设计 (17)
3.3.1特性与结构 (17)
3.3.2确定搅拌器功率N (17)
3.3.3强度计算 (19)
3.4 电动机功率 (20)
3.5搅拌罐的设计 (21)
3.6 搅拌附件的设计 (22)
3.7计量加药装置的设计 (23)
3.7.1计量加药装置的结构 (23)
3.7.2螺旋设计[2] (23)
3.8加热料仓设计 (27)
3.9给水加料系统 (28)
4 自动化控制系统的设计 (30)
4.1工作过程 (30)
4.2设计方案 (33)
4.2.1系统硬件设计 (33)
4.2.2系统PLC的选择 (33)
4.3主电路电器组件的选择 (33)
4.4操作面板的布置 (34)
4.5系统软件设计 (35)
4.5.1 PLC的1/O分配表 (35)
4.5.2电气控制设计 (35)
5 总结与展望 (40)
5.1设备部分 (40)
5.2控制系统 (41)
5.3总结 (41)
致谢 (42)
参考文献 (43)
摘要
在水资源异常宝贵的今天，污水处理及回用尤成为当今世界性的重大问题，在目前的各种污水处理方案中，絮凝剂、助凝剂的使用是其中必不可少的一种辅助措施，这样用于溶解及投加这种物质的设备在污水处理工程中的应用就非常的普遍。
在过去传统的污水处理中，这种投药装置多采用人工控制。这种控制存在的问题是，药剂用量的不准确，控制缺少及时性等，这就直接影响到水质的处理结果，而且对于几万元一吨造价昂贵的高分子絮凝剂来说，长期非科学性的用量造成的资金损失也是非常可观的。
本文根据污水处理工程中的实际应用，提供一种全自动加药系统。对在搅拌过程中容易产生振动和偏摆的搅拌轴和搅拌浆叶，用有限元法进行子分析，确定了搅拌轴的临界转速，校核了搅拌桨叶的强度；并通过分析核算给出整个系统中其它主要设备的设计说明。
本系统的主要优点为：
1)溶药罐和储药罐均设有液位计，罐内液位、各环节工作信息传送至PLC控制系统，从而使加药系统全自动运行，药液浓度恒定，投加准确；
2)储药罐的容积设计合理，既能满足溶药罐每2个小时为周期的排药储存，又能满足用药计量泵连续向絮凝器供药的流量要求。
3)通过搅拌机2个小时的搅拌，形成了独特的药剂浸润技术，避免了絮凝剂的溶解不均；具有加热性能的料仓结构，避免了干粉絮凝剂受潮结块；
4)利用可调转速的螺旋供料器保证可调的加药量，根据现场情况确定有效的药液浓度；
5)控制系统先进，设备运行连续、平稳安全可靠。
通过本文的论述旨在找到一种实用价值更高，应用前景更广阔的产品，从而达到环境效益与经济效益的统一。
关键词：污水处理全自动加药装置；PLC控制；絮凝剂搅拌
Abstract
Nowadays water resources are becoming more and more precious. As a result,sewage disposal and recycling become major issues worldwide. Among varioussewage disposal techniques, the use of flocculating agent and coagulation-supporting agent is an auxiliary measure that is absolutely necessary. Thus, the use of the equipment for dissolving and feeding such agent in the process of sewage disposal is quite common.
For the old-fashioned and traditional sewage disposal techniques, mostly their agent-feeding devices are controlled manually. With such controlling method certain problems exist：the inaccuracy of the quantity of the agent, lack of timely response etc. Those problems directly affect the quality of sewage disposal. Moreover, as the price of macromolecule flocculating agent is extremely high, the financial losses caused by the inaccuracy of the quantity of the agent to be added are highly considerable.
According to the practical operation in sewage disposal, this thesis provides a completely automatic agent-feeding system. The mixing axle and the oar-shaped vane are apt to vibrate and sway during the mixing process. In order to solve this problem, the finity block was used to determine the critical speed of the mixing axle, and the strength of the oar-shaped vane was examined. Through analysis the design specifications of the other main equipment of the whole system were given.
The main strong points of this system：
1) Both the dissolution tank and the storage tank are equipped with level indicators. The liquid level in the tanks and the operation information of various parts are transmitted to PLC controlling system. Thus, the operation is completely automatic, the density of the agent is constant, the quantity of the agent is accurate；
2）The design of the storage tank's volume is reasonable. It can meet both the requirement for the dissolution tank to let off the agent every two hours, and the flow requirement for the measuring pump to feed the flocculating device continuously.
3) After two hours' mixing in the mixing machine, a unique technique of agent soakage is achieved. The uneven dissolution of the flocculating agent is avoided. The heating depository can prevent the dry flocculating agent from agglomeration due to damp.
4) The rotate speed of the spiral feeder is adjustable. Hence, the quantity of the agent can be adjusted according to the worksite conditions, the effective density of the agent is ensured；
5）The controlling system is advanced, the operation is continuous, stable, safe and reliable；The aim of this thesis is to find a product whose practical value is higher and whose application is wider. Ultimately, both environmental and economic benefits can be obtained.
Key Words：sewage disposal completely automatic agent-feeding device PLC controlling flocculating agent finity block mixing
1 污水处理概述
1.1本课题研究的意义
世界任何国家的经济发展，都会推向社会进步、促进工农业生产能力得到提高，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程序的环境污染。污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。中国政府历来重视环保治理工作，敬爱的周恩来总理提出了“全国规划，合理布局，综合利用，化害为利，领先群众，大家动手，保护环境，造福人民”32字方针，历届政府提出根治海河、三河三湖的治理的要求。由于各国政府的高度重视，我国的污水处理事业得到了长足的发展，但是我们要清醒的看到，我国工业农业生产发展的步伐很快，特别是改革开放的20年乡镇企业的诞生使我国的企业结构发生了变化，有些企业在追求经济效益时忽视了社会、环境效益，若长此下去将带来环境受到严重污染的后患。为此当今环境污染的治理不能停留在各级政府的重视，而要深化到全民族每位公民环保意识的提高。我们不仅要达到经济发展了，生活水平提高了，还要做到经济与环境保护协调发展，生活的质量不断提高。为此我们要唤起民众为21世纪可持续发展目标的实现，为人类健康的生存，为子孙后代留下优质的环境而努力付出自己的责任吧。
随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断增长。目前全国已建成运转的城市污水处理厂约427座，年处理能力为113.6亿立方米。根据有关预测，我国城市污水量在未来二十年还会有较大增长，2010年污水排放量将达到440×106m3/d；2020年污水排放量达到536×108m3 /d。
城市废水指城市内生活污水、工业废水和大气降水的混合物，其性质因城市规模、气候条件、排水体制等因素，特别是城市中工业的多少和性质、工业废水预处理程度等而异，但当对工业所排放的特殊污染物，如重金属、酸、碱、有毒物质、油类等有一定的内部治理措施时，一般的城市废水的性质是相似的。城市废水所形成的水污染，以有机污染最为严重，表现为水体中的BODS, COD超标，还含有不少难以被生物降解的、甚至是有毒有害的有机物。此外，氮磷物质引起的富营养化污染也非常严重。传统上废水的处理方法分为物理法、化学法和生物法。物理法的去除对象是水中不溶解的悬浮物质。化学法是指向废水中投加化学物质，通过化学反应达到净化废水的目的。生物法指采取一定的人工措施，创造微生物生长、繁殖
的环境，使微生物大量繁殖，从而提高微生物氧化、分解有机污染物的一种技术。目前，在城市废水处理中尤以活性污泥法的应用最广。
无论哪种处理方法，污泥都是污水处理后的副产品，成为污水污泥。污泥量通常占污水处理量的1%~2%(质量)，如果是日处理量为4万吨的水厂，其日产污泥量400800吨，是一个不少的数量。如果属于深度处理，污泥量会增加0.5~1倍。污水处理效率的提高，必然导致污水污泥数量的增加。而污水处理后的污泥中还会含有97%的水分，成为污水污泥。
目前，我国对污水污泥的处理处置还没有象污水处理那样引起足够的重视，大部分污水处理厂对含有各种有害污泥多采用直接排放、用于农肥和填埋的办法，这对环境就造成了二次污染，对人体健康造成转移性危害，大大削弱污水处理厂水质净化的积极作用，也造成了经济上的巨大损失。所以，对污泥进行无害化处理具有极强的必要性和紧迫性。
在目前的各种污泥处理方案中，为了节约占地面积，减少脱水设备的体积和数量，絮凝剂、助凝剂的使用是其中必不可少的一种辅助措施，以往的絮凝剂和助凝剂的添加都是靠人工控制，经常使用的絮凝剂是聚丙烯酰胺，而聚丙烯酰胺只有充分溶解于水中才能最好的发挥其絮凝作用，其溶解时间大约是1-2个小时，(1)人工倾倒的药剂直接进入浓缩池的污泥中，药剂又没有经过溶解，有时聚丙烯酰胺还会聚集在池底成陀，其絮凝效果受到了很大的影响；(2)人工撒药无法实现量的控制，而药量的大小也会影响到絮凝效果；(3)人工加药缺乏及时性，药剂撒落不够均匀。以上这些最终都会影响到水质的处理结果。对于几万元一吨的高分子絮凝剂来说，长期非科学性的用量造成的资金损失也是非常可观的。
本文所设计的全自动加药系统，能克服人工加药的弊病。(1)聚丙烯酰胺通过计量加药系统加入溶药罐，保证了药剂用量上的控制；(2)聚丙烯酰胺在溶药罐里被搅拌2个小时后才加入到絮凝器中，经过充分搅拌的药液其絮凝效果最好；(3)药液通过加药泵实现量的控制并被连续不断地送出，和污泥在管道中混合后被一起送入絮凝器，实现了药剂与污泥的均匀混合；(4)整个加药系统通过PLC自动控制，减少了人工操作，使絮凝过程更及时、准确、高效、降低了成本；(5)以往的水处理厂，大部分设备都很现代化，洁净、明亮、高效，唯独在絮凝加药的环节上显得落后不配套，本设计的使用也弥补了现代化水厂的这一缺陷，使污水处理厂更洁净、无味、现代化。
该工程的实施有利于水资源的综合治理，有利于走可持续发展的道路，有利于水环境质量的提高。
1.2污水处理厂工艺流程
由于絮凝剂和助凝剂的使用大大简化了污水处理厂的结构设置，使原来的浓缩、消化、再浓缩过程简化为一个直径0.5m，高 1.2m的絮凝罐，大大减少了污水厂的占地面积。其工艺流程如图1-1所示。一沉池和二沉池中的污泥通过污泥泵被送入管道集中输送，与絮凝剂在絮凝罐里混合，二者经过不到十秒钟的停留，提前制备好的絮凝剂在絮凝罐里使污泥迅速絮凝成团，破坏了污泥的亲水性，使泥份与水分分离开来，为后期的脱水做好了准备。污水经絮凝后从絮凝器顶部排出进入脱水车间，通过带式压滤机压榨成泥饼。
图1 污水工艺处理流程
1.3污泥脱水过程中加药系统的国内外现状
建国50年来我国污水处理行业的成长历程
1、50-60年代的状况：
解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡利用污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用做为经验进行推广，如著名的沈抚灌渠等，所以全国仅有几个城市建设了近十座污水处理厂，（还包括1921年
1926年间外国人兴建的三座污水处理厂），在处理工艺上有的还是一级处理，处理的规模也很小，每天只有几千立方米，最大的也只有每天5万立方米左右，致使污水处理技术和管理水平处于较落后的状态。
2、70-80年代的发展变化
随着工农业生产的不断发展，人民生活水平的逐步提高，城市污水的成分也随之而变化，污染程度由低向高逐渐演变，一些发达的资本主义国家由于污水的污染，使人民身体健康受到威协的沉痛教训，（日本国骨疼病、水俣病的出现）引起人们的关注和我国政府的高度重视，建立了国家级环保组织（国务院环境集保护办公室），大学也陆续设置环境工程系或环境工程专业，国务院环保办投资在天津兴建污水处理实试验厂（天津市纪庄子污水处理试验厂），70年代末开始兴建，处理规模：一级处理0.1立方米/秒，二级处理0.025立方米/秒，北京高碑店污水处理试验厂也先后运行。国家和地方都为筹备建设国内大型污水处理厂，并于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模26万立方米/天。天津市纪庄子污水处理厂的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白，引起了中央领导的高度重视。李先念主席、彭真委员长、乔石主席、倪志福主席、李瑞环主席都先后来厂视察。纪庄子污水处理厂自投产运行后多年来达到设计出水水质标准，使黑臭的污水变为清流，得到全国人大、全国政协委员们的赞扬，并通过他们向全国各地政府呼吁，加速建设污水处理厂的步伐，发展污水处理事业，消除污水对环境的污染。由于纪庄子污水处理厂是我国第一座大型城市污水处理厂，也引起各省市领导的高度重视，纷纷带队来厂参观取经，他们的到来将污水处理的种子带到祖国各地开花结果。在他们的决策下，北京、上海、广东、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂，使我国的污水处理厂由60年代的十几座发展到几十座，天津市纪庄子污水处理厂的设计、施工、管理的成功经验，为我国大型城市综合污水处理厂的建设起到了工程建设的示范作用，也为我国80年代污水处理事业大规模的发展起到了奠基作用。
3、20世纪末污水处理技术的发展和污水处理厂建设的成就。
国家“七五”、“八五”“九五”科技攻关课题的建立，使我国污水处理的新技术、污泥处理的新技术、再生水回用的新技术都取得了可喜的科研成果，某些项目达到国际先进水平。十一届三中全会以来在邓小平建设有中国特色社会主义理论的指引下，随着改革开放大好形势的不断深入，我国的污水处理事业也得到了快速的发展。国外污水处理新技术、新工艺、新设备被引进到我国，在活性污泥法工艺应用
的同时，AB法、A/O法、A/A/O法、CASS法、SBR法、氧化沟法、稳定塘法、土地处理法等也在污不处理厂的建设中得到应用。由过去只具有去除有机物功能的污水处理工艺技术发展为具有除磷脱氮多功能的工工艺技术，国外一些先进的、高效的污水处理专用设备进入了我国污水处理行业的市场。如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备。
由于建设大型城市污水处理厂的投资很大，我国的建设奖金有限，无法适应水污染治理的需要。为此引进国外奖金建设污水处理厂成为建设奖金的重要组成部分，从而也加快了我国城市污水处理厂的建设速度。一批大型的城市污水处理厂利用国外贷款项目相继建成投产。如：我国20世纪最大的污水处理厂高碑店污水厂，处理规模一期50万立方米/天，二期可达100万立方米/天，天津东郊污水处理厂，处理规模为40万立方米/天。成都三瓦窑污水处理厂处理规模为40万立方米/天，杭州四堡污水处理厂处理规模为40万立方米/天，沈阳北部污水处理厂规模为40万立米米/天，郑州王新庄污水处理厂处理规模40万立方米/天。这些大型污水处理厂的建设标志着我国污水处理事业的不断壮大，标志着污水处理技术在我国发展的成果，标志着我国政府对污水处理事业的重视，也标志着我国污水处理事业发展到一个崭新的阶段。
1.4本文的主要研究内容及目的
在综合了解絮凝剂填加的国内外现状后，为了简化污水厂结构设置，提高PAM 的加注效果，降低加注成本，我们设计了全自动加药系统。
絮凝剂和助凝剂的使用，使污水处理厂大大简化了结构设置，原来的污泥处理需要经过庞大的浓缩池、消化池、再浓缩池才能送到带式压滤机或板框式压滤机压成泥饼，而PAM通过自动加药系统的投加，可以使PAM和污泥一起直接进入直径0.5m高1.2m的立式絮凝器中，大大减少了占地面积。
论文论述了全自动加药系统中主要设备的选用及设计过程。在该加药系统中，涉及到的设备大小有几十种，其中重点论述了搅拌系统中搅拌轴、搅拌桨叶的设计，气力输送系统中输送管道的设计及风机的压力计算，计量加药系统的设计、以及独特的料仓设计、给水加料系统的原理和设计内容。
论述了整个系统自动化控制的原理和方案。自动化控制是提高PAM投加准确度、均匀度以及絮凝效果的前提，在最初的设计中使用的是继电器等电气控制，噪音大，占地面积大，同时由于使用环境比较潮湿，使控制系统控制的准确度和零部