MBR 處理工藝的自控設計及應用

李 軒

（北京燕山玉龍石化工程股份有限公司，北京 102500）

工業生產中所產生的污水是造成環境污染，特別是水污染的主要因素。工業污水中含有隨水流失的工業生產用料、中間產物、副產品以及生產過程中產生的污染物[1]，這些都嚴重威脅著人類的健康和安全。隨著國家對污水治理力度的加大，越來越多的企業投入到了污水處理工程的建設中。

目前，水處理行業的工藝技術眾多，而MBR 工藝作為國內新型的處理技術，得到了廣泛關注。MBR（Membrane Bio-Reactor），全稱膜生物反應器，是一種由傳統活性污泥生物處理技術與膜分離技術相結合的新型水處理技術，其中的膜組件是一種過濾精度小于等于0.1 微米的浸沒式中空纖維超濾膜絲。膜絲在使用過程中極易附著污泥，輕則使膜堵塞，影響產水能力，重則導致設備損壞，裝置停運，影響下游裝置正常運行。因此，選用正確合理的自動控制方案是污水處理裝置安全、平穩運行的關鍵。

1 工藝流程介紹

1.1 污水處理裝置工藝簡述

中天合創鄂爾多斯煤炭深加工示范項目為新建大型煤化工項目，主要以煤為原料生產甲醇，由甲醇轉化生產乙烯、丙烯。污水處理裝置是項目配套的公用工程裝置之一，主要收集煤化工裝置的生產廢水、烯烴裝置的生產廢水以及其他公用工程、輔助設施排出的生產、生活污水等，經壓力流匯至污水處理裝置處理，達到設計出水水質后，送至各污水回用裝置。該污水處理裝置的主要工藝流程框圖如圖1 所示。

圖1 污水處理裝置工藝流程框圖

圖中均質/調節池主要起均衡水質和調節水量的作用。一級好氧池進行好氧曝氣處理，利用微生物的同化作用，將部分有機污染物進行碳化，達到降解的目的。中間沉淀池進行泥水分離，活性污泥被分離出來通過回流泵回到一級好氧池。二級生化A/O 池包括缺氧池和好氧池，缺氧池主要功能是脫氮，好氧池主要功能是進行碳化和硝化反應。二級生化A/O 池的污泥混合液自流進入MBR膜分離池，在MBR 產水泵的抽吸作用下，使用膜過濾的方式實現完全的固液分離，直接得到高質量的產水。膜分離池設置污泥回流泵，根據來水水質和處理程度要求可將污泥分別回流至缺氧池和好氧池[2]。污水處理過程中，一級好氧池、中間沉淀池和二級生化A/O 池會產生惡臭氣體，為了防止這些氣體直接擴散到空氣中，使用拱頂蓋密閉抽氣至生物除臭系統。本裝置無外排污水，合格的產水均回用于循環水場。因此，污水處理裝置的可靠性還關系著其他工藝裝置的正常運行。

1.2 MBR 單元的工藝流程

在整套污水處理工藝流程中，MBR 處理單元是核心的組成部分。污水在MBR 處理單元上游經過了一級好氧和二級生化A/O 的生物培養后形成了高濁度的原水，再通過MBR 膜絲的超濾作用，使膠體、蛋白質、微生物及大分子有機物被截留在膜池里，僅有小分子物質和溶解性固體（無機鹽）等能夠通過。整個MBR 處理單元共有8 個膜系列，每個膜系列設有10 套膜組件，置于1 個膜池內，8 個膜池并排設立。圖2 所示為MBR 單元的工藝流程圖，上游污水注入膜池總進水渠，通過膜池內手動閘板閥進行膜池選用分配。本單元使用的浸入式膜組件是一種將水由外向內負壓抽吸的設計結構，所以產出水管線需要通過電機驅動水泵將產出水抽離膜池。

圖2 MBR 單元的工藝流程圖

2 MBR 單元控制方案的設計

MBR 處理單元共設有8 個膜系列（A～H），膜系列之間采用并聯運行方式，相互不受影響，均可獨立運行。這種模塊化的設計，在單個系列修補和更換時，不會影響整個系統的運行。

MBR 處理單元的自動控制主要對整套工藝的長周期穩定運行進行控制和保護。本文圍繞著膜產水順序控制，膜產水循環控制，膜反洗順序控制和聯鎖保護設計這四個部分內容，具體描述MBR 單元自動控制方案。

2.1 膜產水順序控制方案的設計

產水過程從膜系列A 開始依次進行產水，延時1 分鐘啟動膜系列B，以此類推至膜系列H。在膜系列H 啟動的同時，膜系列A 停機1 分鐘。系統循環運行，每個膜系列運行7 分鐘，停機1 分鐘。也就是8 個膜系列至多同時有7 個膜系列產水，至少有1 個膜系列停機。為了防止MBR 膜絲污染，在每個膜系列停機的1 分鐘內，需要利用鼓風機產生的大孔氣泡對膜絲進行振蕩沖洗，避免污染物累積，清除膜表面的污染物。

在每個膜系列啟動前，要確認各管線自動閥門的開關狀態，以膜系列A 為例，這里并行分支要在維護反洗閥門XV-02A 和連續吹掃風閥門XV-03A 均關閉的同時，確認疊加吹掃風閥門XV-04A 保持關閉狀態。在并行分支全部確認后，進入下一步啟動膜產水泵P-01A，膜產水出水閥門XV-01A 延遲5 秒開啟，用以保證膜產水管線內的負壓狀態。產水維持7 分鐘后停泵P-01A，同時關閉產水閥門，打開疊加吹掃風閥門XV-04A，對膜絲進行振蕩沖洗。1 分鐘后關閉疊加吹掃風閥門并再次進入產水階段。

2.2 膜產水循環控制方案的設計

前文已經描述了膜系列A 的順控方案，把8 個膜系列A～H 聯系起來構成循環運行方式，就需要用到自定義功能塊功能。

在組態中以“CS”（意為Cycle System）為名稱建立“模塊”，如圖3 所示。功能塊左側為輸入端，右側為輸出端。模塊引腳MODE 是功能塊執行方式：0 為自動，1 為手動。CMD 是命令操作功能：1 為啟動，2 為暫停，3 為重啟，4 為繼續，5 為停止，6 為終止，7 為復位。STATUS 是輸出當前所處的狀態。AUTO1～AUTO8 依次是各膜系列確認信號，如果某個膜系列確認進行產水則信號為1，不產水為0。右邊OUT1～OUT8 為執行各膜系列產水程序。時鐘信號TS1 為啟動產水間隔時間，這里給定值設置為60 秒。具體情況說明，若膜系列A 未投入運行，則AUTO1 輸入為0，其他膜系列確認運行。循環系統啟動，當0秒時刻，膜系列A 應該啟動，但由于用戶設置不投運，則0 秒時刻各膜系列均不動作。當到60 秒時刻，模系列B才啟動。所以某個膜系列是否投運，對其他膜系列不產生影響。

圖3 自定義功能塊實現循環控制示意圖

結合以上順控圖和自定義模塊完成系統邏輯組態，實現膜系統自動順序運行和自動循環控制。例如，當系統處于第7 分鐘時刻，膜系列H 啟動產水程序，而膜系列A停止產水并進入吹掃階段。

2.3 膜反洗順序控制方案的設計

MBR 膜處于高濃度污染物介質中，膜表面易受微生物及其代謝物污堵，難以用氣洗方式清除。若膜絲長時間未清洗，會減少裝置產水量，膜污堵導致通量下降，導致下游裝置進水不合格，因此需要通過反洗，以恢復膜通量。維護反洗的要點是加藥反洗，利用低濃度次氯酸鈉溶液通過產水端注入膜絲，持續浸泡30 分鐘，達到去除膜絲表面污物的目的。

維護反洗需要每隔4～6 天（視膜污染情況）進行一次，當其中一個膜系列進行維護反洗，其他膜系列依然正常運行。正常情況下，不允許兩個膜系列同時進行維護反洗。以膜系列A 為例，清洗步驟如下：首先停止該膜系列的產水程序，關閉產水泵P-01A 和產水閥門XV-01A。確認完畢后開啟維護反洗閥門XV-02A 和次氯酸鈉加藥閥門XV-03A，同時開啟維護反洗泵P-02A（與P-02B 一用一備）和次氯酸鈉加藥泵P-03A（與P-03B 一用一備），使低濃度次氯酸鈉溶液從產水端通過膜絲注入膜池。5分鐘后停止注入次氯酸鈉溶液并關閉維護反洗閥門和所有吹掃風閥門，開始靜置浸泡。靜置10 分鐘后開啟所有吹掃閥門，吹掃5 分鐘后即算完成一次加藥反洗過程。一般需要進行數次加藥共持續40～60 分鐘左右，本程序的加藥次數手動設置為3 次。維護反洗后，確認停止維護反洗泵P-02A 和次氯酸鈉加藥泵P-03A，關閉維護反洗閥門XV-02A。自動加入產水排隊程序，恢復正常運行。

2.4 聯鎖保護的設計

為了保證整套產水工藝流程順利進行，以及防止膜絲斷裂，需要在程序運行前和運行中確認各項工藝參數是否滿足運行條件。首先，在膜池中安裝液位儀表，分別確認8 個膜池中是否有足夠的污水，以保證膜組件完全浸入污水中。污水液位高于膜組件的上表面高度（約3.5m），才能保證產水管道中沒有外部氣體進入。其次，在產水管線內安裝壓力儀表，以檢測每條產水管線內的真空度，防止管道內混入空氣，使跨膜壓差過大，當跨膜壓差大于50kPa 時會損壞膜絲。最后，在產水管線內安裝流量儀表[3]，以檢測每條產水管線的進水量。具體的聯鎖保護方案如下：

（1）當膜池的液位測量值達到4.0m 時，允許該膜系列啟動。當膜池的液位測量值低于3.6m 時，該膜系列聯鎖停機。如果液位高于4.5m，高位聯鎖停機并報警。

（2）正常工況下，產水管線內的壓力要維持在-5kPaG左右。當產水管線內的壓力值在持續3 分鐘以上時間都小于-50kPaG 時，則系統會禁止該膜系列運行或聯鎖停機。

（3）在膜系列投入運行過程中，當產水流量在持續1分鐘以上時間都低于150m3/h 時，則該膜系列聯鎖停機。涉及到電機控制的聯鎖邏輯，需要用到MOTOR 電機控制功能塊。功能塊左側為輸入端，其中部分需要使用的端口如下：RUNSTA 為運行狀態，STOPSTA 為停止狀態，AUTRUN 為自動啟動命令，是連接該膜系列的自動啟動信號。AUTSTOP 為自動停止命令，NOT 模塊把自動啟動信號的反信號送至此端口。EMRUN 為聯鎖啟動命令，EMSTOP 為聯鎖停止命令。將上述的流量模擬信號FT-01A、壓力模擬信號PT-01A 和液位模擬信號LT-01A 進行邏輯運算。當流量模擬信號數值小于150 時輸出開關量為1，當壓力模擬信號數值小于-50 時輸出開關量為1，當液位模擬信號數值小于3.6 時輸出開關量為1。再經或運算，當其中一個條件滿足時，輸出為1，將開關量送至EMSTOP 中，經MOTOR 模塊處理后送至右側STOP 停止命令輸出端口，最終將信號賦給YSP-P01A 開關量輸出。詳細聯鎖邏輯圖如圖4 所示。

圖4 膜系列聯鎖邏輯圖

3控制系統結構及配置

本裝置采用浙江中控公司WebField 系列的ECS-700 分散控制系統。ECS-700 分散控制系統具有分域管理功能，可以根據系統規模，將控制系統劃分為一個或多個控制域及操作域，每個操作域可以同時監控多個控制域。本裝置作為整個過程控制網中的一個控制域，由其所在分組的操作域監控，通過分域管理，有效地減少了系統網絡負荷，從而保證了在大規模系統構建下過程控制網的實時性和可靠性[4]。

ECS-700 分散控制系統由控制節點、操作節點及系統網絡等構成。污水處理裝置的正常生產操作站設置在全廠中央控制室（CCR）內的公用工程裝置操作區域，對生產裝置進行全部的控制、監視、報警及報表等操作。控制系統的過程控制站、操作站、工程師站和通信設備設置在現場機柜室（FAR），其中工程師站用于開車時調試和系統維護。所有現場儀表信號傳送到現場機柜室，再從現場機柜室通過冗余通信光纜傳送到中央控制室。

4 結論

本裝置自投用以來，通過了長時間、連續地運行，工藝流程處理效果良好，各項指標達到了MBR 處理工藝的技術指標。裝置運行穩定，控制可靠，操作方便靈活，控制功能滿足工藝的要求，達到了設計的目的，為同類型污水處理裝置的工程設計提供了設計思路和一定的參考價值。