摘要:給水工程中的超濾膜處理工藝控制過(guò)程比較復(fù)雜，自控系統(tǒng)的編程、調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等直接影響到超濾膜處理效果和運(yùn)行成本。廊坊市地表水廠一期工程規(guī)模為 15 ×10 4 m 3 /d，采用超濾膜工藝，其控制流程包括膜池過(guò)濾控制流程、維護(hù)性清洗控制流程、恢復(fù)性化學(xué)清洗控制流程、膜完整性檢測(cè)控制流程。2016 年底投入運(yùn)行以來(lái)，超濾膜池自動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定，既保證了產(chǎn)水水質(zhì)，又提高了運(yùn)行效率，可為同行業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，供水保證率和供水安全度要求日益提高，使得超濾膜工藝在給水工程中得到推廣應(yīng)用［1 －3］ 。該工藝需要依靠完整的自控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，自控系統(tǒng)的編程、調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等直接影響到超濾膜處理的效果和運(yùn)行成本。
廊坊市地表水廠采用超濾膜處理工藝，該水廠是南水北調(diào)的配套工程，擔(dān)負(fù)著廊坊市的主要供水任務(wù)。廊坊市屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，水源僅為開(kāi)采地下水，人均水資源量只有 260 m 3 ，隨著地下水的水質(zhì)受到了不同程度的污染，供水安全性受到威脅。
新建廊坊地表水廠 30 ×10 4 m 3 /d 的規(guī)模，分兩期實(shí)施，一期規(guī)模為 15 ×10 4 m 3 /d，于 2016 年底建成，將南水北調(diào)的水引進(jìn)廊坊市，為城市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展提供重要保障。

1 水廠工藝概述
根據(jù)南水北調(diào)工程取水口多年來(lái)的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，原水水質(zhì)大多數(shù)指標(biāo)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅱ ～ Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，常年濁度都不高。
該水廠的主要水處理建(構(gòu))筑物有:格柵間及取水泵房、混合絮凝池、沉淀池、超濾膜池、清水池、送水泵房及變配電間、加藥加氯間及排泥水處理車間等。
工藝流程見(jiàn)圖 1。
主要處理單元為浸沒(méi)式超濾膜池，共 16 組膜池，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 1。 浸沒(méi)式超濾系統(tǒng)既可抽真空虹吸出水，又可以泵抽吸出水，每池設(shè) 1 臺(tái)變頻水泵，單泵流量為 450m 3 /h，揚(yáng)程為 100 kPa。
膜池反沖洗采用水泵直接沖洗，反沖洗水泵共4 臺(tái)，2 用 2 備。膜的化學(xué)清洗分為維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗，均為在線清洗。

2 水廠自控系統(tǒng)概述
根據(jù)工藝需要，水廠自控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)控、管理，分散控制”的集散型系統(tǒng)，整個(gè)自控系統(tǒng)分為三個(gè)層次，即管理監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)控制層和設(shè)備層，由管理監(jiān)控中心和 5 個(gè) PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制主站、16 個(gè)膜池控制子站組成全廠實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)。
控制層 PLC 和設(shè)備層之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;控制層 PLC 和中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間通過(guò) 10/100 M TCP/IP 光纖單環(huán)網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行高速大容量數(shù)據(jù)交換;管理層各節(jié)點(diǎn)通過(guò)交換機(jī)構(gòu)成星型以太網(wǎng)。
水廠自控系統(tǒng)見(jiàn)圖 2。 3 超濾膜車間自控系統(tǒng)配置
3. 1 管理監(jiān)控中心
該廠一期工程的監(jiān)控中心設(shè)在超濾膜處理車間，主要由兩臺(tái)中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、視頻監(jiān)視計(jì)算機(jī)、拼接大屏幕等構(gòu)成，作為管理控制中心。
兩套中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)互為冗余，采用 Kingscada上位監(jiān)控軟件，主要完成對(duì)膜池以及全廠其他處理段的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)等。在中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作界面上含有膜系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的顯示，如過(guò)濾周期、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)、液位、壓力、跨膜壓差、維護(hù)性清洗周期的計(jì)數(shù)等。對(duì)于膜系統(tǒng)不正常的運(yùn)行狀態(tài)或是應(yīng)有的操作未按照程序執(zhí)行，設(shè)立相應(yīng)的報(bào)警信息，以方便運(yùn)行人員采取相應(yīng)的對(duì)策。
數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用 KingHistorian 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)采集的各類數(shù)據(jù)，包括工藝流程參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信號(hào)等，具有定時(shí)巡測(cè)、隨機(jī)點(diǎn)測(cè)、分組監(jiān)測(cè)等功能，建立各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)提供相應(yīng)權(quán)限級(jí)別的數(shù)據(jù)服務(wù)。

3. 2 現(xiàn)場(chǎng)控制站
超濾膜處理車間設(shè)一套 PLC 控制主站，采用雙CPU 冗余，具有更高的可靠性，主要負(fù)責(zé)膜池的反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、維護(hù)性清洗系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)的設(shè)備自控和數(shù)據(jù)采集。在每個(gè)膜池設(shè)置一個(gè) PLC子站控制臺(tái)，負(fù)責(zé)單個(gè)膜池的信號(hào)采集和自動(dòng)運(yùn)行。子站控制臺(tái)嵌有觸摸屏，可以顯示膜池的閥門狀態(tài)、池內(nèi)液位、產(chǎn)水量、跨膜壓差、出水濁度等多項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。
每個(gè) PLC 子站通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與控制主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC 根據(jù)膜工藝要求進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)定，并可在觸摸屏上進(jìn)行修改。

3. 3 在線儀表的設(shè)置和作用
每座膜池設(shè)置超聲波液位計(jì)，控制膜池恒水位過(guò)濾;膜池出水管設(shè)置壓力變送器，檢測(cè)阻塞情況，控制反沖洗的進(jìn)行;在出水管設(shè)電磁流量計(jì)，計(jì)量抽吸泵的產(chǎn)水量;膜池出口設(shè)置濁度計(jì)，檢測(cè)膜池的過(guò)濾效果;膜池總出水設(shè)置顆粒計(jì)數(shù)儀，檢測(cè)膜池的水質(zhì)、監(jiān)測(cè)膜的完整性。

4 超濾膜池的控制流程
超濾膜池的整體控制流程見(jiàn)圖 3。 4. 1 膜池過(guò)濾控制流程
沉淀池來(lái)水由進(jìn)水配水渠、進(jìn)水閘，經(jīng)配水堰進(jìn)入每組膜池，自外而內(nèi)穿過(guò)膜絲經(jīng)集水系統(tǒng)虹吸或泵抽吸至清水渠，最后由總出水管送至清水池。在沉淀后出水注滿膜池后(達(dá)到設(shè)定過(guò)濾水位)，首先啟動(dòng)真空抽虹吸裝置，虹吸形成后緩緩啟動(dòng)清水抽吸泵或打開(kāi)出水調(diào)節(jié)閥。裝置投入運(yùn)行后，由膜池液位控制抽吸泵的轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)出水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以保證超濾裝置的恒流過(guò)濾。

4. 2 膜池反沖洗控制流程
正常的膜池反沖洗根據(jù)時(shí)間或跨膜壓差狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行。反沖洗采用透過(guò)液(超濾出水)進(jìn)行反洗，水反洗的同時(shí)膜箱底部曝氣。
膜池反沖洗過(guò)程由下列步驟組成:
① 膜池氣動(dòng)進(jìn)水閘關(guān)閉，產(chǎn)水繼續(xù)運(yùn)行，膜池降低水位，約 1 min;
② 關(guān)閉抽吸泵或出水調(diào)節(jié)閥;
③ 啟動(dòng)擦洗鼓風(fēng)機(jī)，開(kāi)啟該膜池的氣動(dòng)進(jìn)氣閥，膜池曝氣;
④ 開(kāi)啟反沖洗水閥、反沖洗水泵，氣水同洗約2． 5 min;
⑤ 停止鼓風(fēng)機(jī)，關(guān)閉該膜池的氣動(dòng)進(jìn)氣閥;關(guān)閉反洗泵，關(guān)閉反洗閥;
⑥ 打開(kāi)排水氣動(dòng)提板閘，排污一定水量后，約1 min，關(guān)閉提板閘;
⑦ 打開(kāi)氣動(dòng)進(jìn)水閘進(jìn)水，達(dá)到液位后(約 1min)重新開(kāi)始過(guò)濾。

4. 3 維護(hù)性清洗控制流程
維護(hù)性清洗程序根據(jù)計(jì)數(shù)至 M 次排空周期后，進(jìn)入維護(hù)性清洗程序。通常而言，維護(hù)性清洗周期為7 ～14 d。不同膜池間的維護(hù)性清洗輪流進(jìn)行，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，設(shè)置一鍵式維護(hù)性清洗模式。該步驟在膜系統(tǒng)運(yùn)行的任何階段均可有效插入。

4. 4 恢復(fù)性化學(xué)清洗控制流程
恢復(fù)性化學(xué)清洗的周期可根據(jù)膜污染程度而定，一般為 2 ～4 個(gè)月，由堿洗、酸洗以及漂洗三部分組成。

4. 5 膜完整性檢測(cè)控制流程
膜完整性檢測(cè)(MIT)過(guò)程為全自動(dòng)，每次耗時(shí)約10 min。檢測(cè)頻率根據(jù)需要確定，即在產(chǎn)水濁度、顆粒計(jì)數(shù)異常時(shí)進(jìn)行。
若壓力衰減速率≤3 kPa/min，膜完整性檢測(cè)通過(guò)，系統(tǒng)恢復(fù)正常過(guò)濾狀態(tài)，即開(kāi)啟抽真空引水，啟動(dòng)抽吸泵過(guò)濾;若壓力衰減速率 ＞ 3 kPa/min，膜完整性檢測(cè)失敗，PLC 報(bào)警，該膜過(guò)濾池停機(jī)，然后需要人工找出破損部位，并進(jìn)行修復(fù)。

5 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)
在膜池自動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中，運(yùn)行參數(shù)和重要數(shù)據(jù)均設(shè)有報(bào)警信號(hào)，提示運(yùn)行人員處理。
① 膜池低液位:在過(guò)濾以及停池階段，保證水位沒(méi)過(guò)膜絲。
② 膜池不能正常反洗報(bào)警:如果不能正常反洗，連續(xù)過(guò)濾時(shí)間超過(guò)兩個(gè)過(guò)濾周期，系統(tǒng)報(bào)警，并強(qiáng)制反洗。
③ 膜池不能正常排空?qǐng)?bào)警:膜池每“過(guò)濾 －反洗”循環(huán)幾個(gè)周期后排空一次，如果不能正常排空，則報(bào)警，提示運(yùn)行人員強(qiáng)制排空。
④ 膜池降液超過(guò)設(shè)定時(shí)間報(bào)警:打開(kāi)排污閥輔助降液，運(yùn)行人員看到降液報(bào)警后，該膜池進(jìn)入維護(hù)清洗程序，完成后再重新運(yùn)行。

6 結(jié)論
廊坊市地表水廠一期工程于 2017 年 4 月 11 日正式通水并投入運(yùn)行，并獲得了中國(guó)建筑工程“魯班獎(jiǎng)”。出廠水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006) 和《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T206—2005)，出廠水濁度≤0． 3 NTU，確保城市居民獲得優(yōu)質(zhì)安全的飲用水。
該水廠的自控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)超濾膜池的連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)反沖洗、自動(dòng)維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗，日常無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的人為參與，既提高了運(yùn)行效率，又保證了產(chǎn)水質(zhì)量。