污水處理自動(dòng)控制系統設計及研究

摘要：人類(lèi)對水資源的需求以驚人的速度擴大和日益嚴重的水污染蠶食大量可供消費的水資源。目前城市生活污水處理已經(jīng)受到各地政府和許多研究人員的關(guān)注。為了提高污水處理的效果和管理，實(shí)現污水處理自動(dòng)化控制是關(guān)鍵。當前我國污水處理自動(dòng)化控制還比較初步，有待于迸一步的提高和完善。

關(guān)鍵詞：污水處理；自動(dòng)控制系統設計

一、污水處理的意義及現狀

中國水資源人均占有量少，空間分布不平衡。隨著(zhù)中國城市化、工業(yè)化的加速，同時(shí)近年來(lái)江南水鄉出現嚴重干旱，水資源的需求缺口也日益增大。在這樣的背景下，污水處理行業(yè)成為新興產(chǎn)業(yè)，目前與自來(lái)水生產(chǎn)、供水、排水、中水回用行業(yè)處于同等重要地位。雖然由于國家和各級政府對環(huán)境保護重視程度的不 斷提高，中國污水處理行業(yè)正在快速增長(cháng)，污水處理總量逐年增加，城鎮污水處理率不斷提高。降低運營(yíng)成本，提高污水處理率，一直是污水處理行業(yè)面臨的最現實(shí)的問(wèn)題。

采用計算機技術(shù)、跟蹤經(jīng)常變化的水處理情況，檢測不同時(shí) 間的水質(zhì)指標數據，在計算機上動(dòng)態(tài)現實(shí)，對這些數據進(jìn)行分析處理，并記錄下來(lái)，以備在需要的時(shí)候查閱。通過(guò)分析數據趨勢走向，隨時(shí)調整個(gè)設備及工藝過(guò)程參數，使其達到優(yōu)化控制狀態(tài)，經(jīng)濟運行，節省能耗。采用計算機代替人工操作，減少事故，保證安全，降低勞動(dòng)強度，節約人力，甚至可以完成許多人工難以完成的任務(wù)，提高運行的可靠性。

二、污水處理工藝過(guò)程

污水處理是將污水中的污染物質(zhì)分離去除，使有害的物質(zhì)轉 化為無(wú)害的物質(zhì)、有用的物質(zhì)，水得到凈化，并使資源得到充分 利用。城市生活污水處理工藝按流程和處理程序劃分可分為預處 理工藝、一級處理工藝、二級處理工藝、深度處理工藝和污泥處 理工藝，以及最終的污泥處置。預處理工藝：主要是物理處理， 通過(guò)格柵、沉砂池等將污水中大塊污物攔截出來(lái)，保證后續單 元的正常運行。預處理過(guò)程就去除污染物質(zhì)而言，可能不起關(guān)鍵作用，但是至關(guān)重要。預處理不好，對一級處理影響水質(zhì)均勻及管道暢通、潛水泵的運轉；對二級處理，沙粒進(jìn)入曝氣池，在池底沉積，減少有效容積，增大曝氣阻力，有時(shí)還會(huì )堵塞微孔擴散器；對污泥處理，極易從格柵流走的一些破布條、塑料袋等 雜物，進(jìn)入濃縮池后將在濃縮機柵條上纏繞，影響排泥均勻，還將堵塞排泥管或排泥泵，如進(jìn)入離心式脫水機，會(huì )使轉鼓失去平衡，從而產(chǎn)生震動(dòng)或嚴重的噪音，一些破布片、毛發(fā)有時(shí)會(huì )塞滿(mǎn) 轉鼓與渦殼之間的空間，是設備過(guò)載。污泥處理，主要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或者農用填埋等。

三、污水處理自動(dòng)控制系統設計

系統控制設計采用近控/遠控方式，方式選擇通過(guò)提升泵控制箱中的二次回路、接觸器、中間繼電器、選擇開(kāi)關(guān)等的切換實(shí)現。正常情況下，選擇開(kāi)關(guān)置于遠控位置，當遠程控制系統出現 問(wèn)題時(shí)，需到現場(chǎng)切換為近控方式。遠控包含兩種控制方式：中控軟手動(dòng)（點(diǎn)動(dòng)）和自動(dòng)，切換方式在中控監控畫(huà)面中點(diǎn)擊點(diǎn)動(dòng) /自動(dòng)按鈕。每臺設備的控制方式都可以單獨選擇。

1.格柵單元控制。

格柵單元，作用是用來(lái)去除水中粗大的懸 浮物和雜物，以保護后續處理設施能正常運行的一種預處理方法。一般根據水源情況分別設有出格柵和細格柵兩個(gè)步序，粗格 柵去除的是那些可能堵塞水泵機組及管閥門(mén)的較粗大的懸浮物， 而細格柵用以去除粗格柵難以去除的呈懸浮物狀的細小纖維。 本項目中水源由泵站供應，泵站出水時(shí)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了粗格柵的 篩濾，所以只有兩臺細格柵和一臺負責運輸的螺旋輸送機。 控制前提及要求說(shuō)明：（1）水源不是很穩定，有時(shí)會(huì )出現 斷源；（2）水中大塊雜質(zhì)含量隨季節性及白晝交替而變化； （3）啟動(dòng)格柵之前，先啟動(dòng)螺旋輸送機；停止時(shí)反順序；（4） 盡量提高格柵的利用效能，力求有水流動(dòng)時(shí)才啟動(dòng)該單元系統。

2.進(jìn)水泵房單元控制。

進(jìn)水泵房潛水泵屬于整個(gè)污水處理廠(chǎng) 用電大戶(hù)之一，合理的控制效果能起到節能作用。很好的控制效 果應該能實(shí)現以下要求：1.避免泵啟停頻繁；2.盡量保持泵在高液位運行：3.保證所有的泵均衡使用。

傳統的控制由人工根據液位及經(jīng)驗人為手動(dòng)啟動(dòng)泵的臺數， 所以現場(chǎng)自動(dòng)控制很常用的就是根據液位分段運行，在不同的階 段啟動(dòng)的臺數不一樣，交替使用，通常低中液位階段液位差設置比較寬，高液位階段液位差設置比較窄。目的是為了避免低液位 階段泵啟停頻繁，而是為了盡量保證泵在高液位運行提高泵的運行效率。當然也有恒液位變頻控制，只是大多數用在設備為一用一備的場(chǎng)合，一臺變頻器拖兩臺泵，通常只有在小型污水處理廠(chǎng)或者工業(yè)污水預處理場(chǎng)合

對要求恒液位變頻控制本文提供兩種方案：（1）變頻器一 拖多，共兩套。為每臺泵配置一臺變頻器既不實(shí)惠也增加了自控 的干擾源�？刂圃�理是：液位達到控制目標液位時(shí)，變頻器啟動(dòng) （泵所在的那套系統的變頻器），拖動(dòng)停止時(shí)間最長(cháng)的那臺泵， 同時(shí)對該臺泵進(jìn)行運行時(shí)間累計，并清除停止時(shí)間，進(jìn)行改進(jìn)型 PID控制，當頻率大于等于50HZ時(shí)，工頻啟動(dòng)剩下的泵中停止時(shí) 間最長(cháng)的，依次類(lèi)推。（2）一臺變頻控制，剩下的泵全部為工 頻控制。本項目中采用的就是該控制方案，現場(chǎng)一臺變頻控制 泵，2臺工頻控制泵，遠期將再擴展兩臺工頻泵；該控制方案設 計簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是如果要實(shí)現恒液位控制，變頻控制的泵將長(cháng)期運 行，為了解決這問(wèn)題，我們在程序上做了點(diǎn)工作，選擇一個(gè)擇中的辦法，使其達到很好的運行效果。

3.改良SBR池單元控制。

改良SBR池閥門(mén)及設備繁多，時(shí) 段控制要求高，操作復雜，應采用全自動(dòng)控制，盡量減少人為 手動(dòng)操作或者人為中控點(diǎn)動(dòng)操作。改良SBR池設有4組SBR池。 SBR池系統按一定的循環(huán)過(guò)程進(jìn)行。每一循環(huán)可劃分下列階段： （1）進(jìn)水/曝氣；（2）沉淀；（3）潷水。每組循環(huán)操作由PLC 自動(dòng)控制。整個(gè)過(guò)程中各階段安排是預先編制的，但需要時(shí)，可 在PLC系統中適當調整。程序控制說(shuō)明如下：（1）現場(chǎng)進(jìn)水不 穩定也沒(méi)有規律，進(jìn)水流量大時(shí)，如果滿(mǎn)周期運行，SBR池可能 會(huì )溢出，進(jìn)水閥還應受液位限制，當達到高液位（液位值可在上位機組態(tài)操作界面中設置）時(shí)，進(jìn)水閥門(mén)應該關(guān)閉而不是等到周 期結束才關(guān)閉。（2）由于SBR池工藝中，同時(shí)進(jìn)行著(zhù)硝化/反 硝化過(guò)程，因此曝氣量的調節十分重要。要求進(jìn)水同時(shí)曝氣時(shí)間 可靈活設置，曝氣量控制在0.5mg/1以下，通過(guò)調節電動(dòng)閥門(mén)的 開(kāi)度來(lái)控制，具體又現場(chǎng)調試之后確定；曝氣階段的曝氣量閥門(mén) 全開(kāi)，曝氣量達到2mg/1，通過(guò)控制鼓風(fēng)機頻率來(lái)控制。此處進(jìn) 水時(shí)曝氣要求控制開(kāi)度，另一個(gè)主要原因是進(jìn)水的池子剛潷水完 畢液位相對低，所以反而會(huì )導致主曝氣池子得不到曝氣。此外也 可以添加小管道的小旁路氣路來(lái)解決該問(wèn)題，旁路開(kāi)度可以根據 現場(chǎng)事先設定好。由于主閥門(mén)的本身不是智能控制型的，本項目 最終選擇采用增添旁路控制。（3）鼓風(fēng)機作為最重要設備，在 系統運行的過(guò)程中通常常開(kāi)的，過(guò)程中不允許有氣路堵塞。所以 始終要保持有一個(gè)進(jìn)氣閥是開(kāi)到位狀態(tài)，現場(chǎng)進(jìn)氣閥是碟閥結 構，開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間都很短（約十秒左右），當需要關(guān)閉一個(gè) 進(jìn)氣閥時(shí)應先在需要開(kāi)啟的進(jìn)氣閥開(kāi)到位之后才能開(kāi)始關(guān)閉。 （4）當沉淀時(shí)間到達之后，潷水器開(kāi)始下降（潷水器為閘門(mén)式 潷水器），下降至有效液位（該液位值高于潷水器下降到位時(shí)的 位置，可在上位機組態(tài)操作界面中設置）時(shí)自動(dòng)上升，直到上升 到位，等待下一個(gè)周期工作。（5）排泥閥采用兩種控制方式可 供選擇（可在上位機組態(tài)操作界面中選擇），其一就是和進(jìn)水閥 門(mén)一起動(dòng)作，即進(jìn)水閥門(mén)打開(kāi)時(shí)排泥閥也打開(kāi)，亦即進(jìn)水的池子 同時(shí)排泥；其二就是和潷水器一起動(dòng)作，潷水器下降時(shí)排泥閥也 打開(kāi)，亦即潷水的池子同時(shí)排泥。（6）剩余污泥泵根據污泥濃 度點(diǎn)動(dòng)控制決定是否開(kāi)啟，啟動(dòng)時(shí)排泥閥屬于潷水時(shí)排泥。選擇 池中的液位達到高浮球液位時(shí)，強行停進(jìn)水泵，此處浮球的設定 也同時(shí)減少了進(jìn)水泵的頻啟停次數，只要選擇池液位沒(méi)有達到高 浮球液位，即使進(jìn)水閥門(mén)全部關(guān)到位，進(jìn)水泵只需要調低變頻泵 的頻率就行了，而不需要關(guān)閉。（7）當其中一個(gè)池子出現故障 時(shí)，剩余的SBR池依然照設定的周期運行，出現故障的池子改人 為手動(dòng)控制或者中控點(diǎn)動(dòng)，當只有部分閥門(mén)處于故障時(shí)，其他的 閥門(mén)依然可以照著(zhù)固定的周期自動(dòng)運作，操作工只需要操作出現 故障的閥門(mén)就行了，主要目的是減少人工參與，減少人工參與發(fā) 生誤操作的幾率。依據上述分析，閥門(mén)的控制要求非常靈活，牽 連因素也比較多，根據其要求做一個(gè)很明了的控制系統將會(huì )造成 編程困難和調試困難，所以我們經(jīng)過(guò)多次修改，采用了隱含性的 控制方法，即只針對閥門(mén)不針對系統來(lái)設計的整體到局部思想， 池子之間在總周期控制下各自獨立成為系統，相互之間不影響。

4.鼓風(fēng)機房單元控制。

曝氣系統是一個(gè)嚴重滯后的控制系統，所以采用一般PID控制算法在該系統中很難實(shí)現，結合實(shí)際 情況，比如2mg/L的溶解氧要求，是最低限，不要求精確控制到 目標值，同時(shí)DO檢測儀也有一定的誤差，只能作為近似參考， 且鼓風(fēng)機最低頻率不能太低，否則會(huì )很容易造成熱繼故障以及很 大的噪聲，現場(chǎng)鼓風(fēng)機最低頻率不能低于25HZ。

當已經(jīng)啟動(dòng)了一臺工頻鼓風(fēng)機且變頻鼓風(fēng)機也達到了45HZ 以上，如果此時(shí)DO值還是低于2m∥L，則提示報警，由人工檢 查是否管路有問(wèn)題，因為廠(chǎng)建之前一期工程鼓風(fēng)機是一臺變頻鼓 風(fēng)機控制，兩臺軟啟控制（一用一備），超出這范圍，肯定是現 場(chǎng)有其他原因，比如鼓風(fēng)機管路漏氣等。

此外鼓風(fēng)機設備是重要設備，所以保護措施非常重要，一次當如果所有進(jìn)氣閥出現關(guān)到位狀態(tài)，則立馬得停止所有鼓風(fēng)機； 且如果現場(chǎng)沒(méi)有進(jìn)氣閥處于開(kāi)到位狀態(tài)，但有半開(kāi)狀態(tài)信號，如果此種情況存在持續5s以上則也得停止鼓風(fēng)機設備。

5.加氯間單元控制。

加氯間設備共有兩臺軸流增壓泵（一用 一備），兩套二氧化氯發(fā)生器。采用順序控制方式，及先啟動(dòng)軸 流增壓泵，約30s左右再啟動(dòng)二氧化氯發(fā)生器，原因是消毒過(guò)程 采用的是負壓原理，只有在負壓達到一定的程度之后二氧化氯發(fā) 生器才能其作用將消毒液和水混合達到消毒的目的。停止時(shí)反順 序，兩增壓泵都發(fā)生故障或者兩個(gè)二氧化氯發(fā)生器都故障時(shí)，系 統自動(dòng)緊急停止。

6.脫水機房單元控制。

脫水機房設有三臺臺膿縮脫水一體機（遠期兩用一備）、一臺螺旋輸送機、兩臺加藥泵（一用一 備）、兩臺清洗泵（一用一備）、兩臺進(jìn)泥泵（一用一備）、兩臺除磷加藥泵、五臺攪拌器。

其中進(jìn)泥泵負責將濃縮儲泥池的污水運輸到脫水機；清洗泵負責清洗脫水機濾波，并消毒，水源來(lái)自加氯間單元的接觸池； 加藥泵負責將PAM池中的藥劑運輸到脫水機；除磷加藥泵主要用于改良SBR池在必要的時(shí)候進(jìn)行化學(xué)除磷。攪拌器，其中一臺負責聚合鋁池（除磷），一臺負責儲泥池污泥攪拌，剩余三臺負 責PAM池�？刂品绞剑合到y整體按照一定的順序啟動(dòng)，啟動(dòng)順 序為啟動(dòng)清洗泵和輸送機一>啟動(dòng)脫水機和PAM池攪拌器一。 啟動(dòng)進(jìn)泥泵和加藥泵。停止順序相反。儲泥池攪拌器在啟動(dòng)脫 水系統前1個(gè)小時(shí)及以上人工點(diǎn)動(dòng)，聚合鋁池的攪拌器和除磷加 藥泵不屬于脫水系統由人工點(diǎn)動(dòng)。系統啟動(dòng)之后只受控于濃縮儲 泥池的液位。脫水機目前是只需投入一臺設備，考慮到清洗閥、進(jìn)泥閥及加藥閥都是手動(dòng)閥，基于管路無(wú)法自動(dòng)控制，因此脫水 機的自控程序由人工選擇啟動(dòng)設備，只要設備投入自動(dòng)狀態(tài)下， 啟動(dòng)時(shí)就會(huì )運行，人工選擇設備時(shí)組態(tài)界面有提示確認管路是否正確。遠期的兩用一備也適合，因為脫水機系統非常開(kāi)運行的， 只是在需要的時(shí)候才會(huì )進(jìn)行適當排泥，采用該控制方案經(jīng)濟效果相對來(lái)說(shuō)不錯。PAM池攪拌器不影響系統的全自動(dòng)運行，但只要處于自動(dòng)控制狀態(tài)下將和脫水機同時(shí)啟動(dòng)，也可以切入到點(diǎn)動(dòng) 或近控狀態(tài)下由人工操作。

結論：

水是經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )可持續發(fā)展的一個(gè)重要因素，而城市污水則成為制約許多城市可持續發(fā)展的主要原因之一。到目前為止，世界各國已經(jīng)研究出不同的污水處理方法，我國環(huán)保理 論和工藝研究與國外的差距不大，差距比較大的是環(huán)保單元設備和自動(dòng)控制系統。本文通過(guò)分析污水處理的基本原理及工藝過(guò)程，結合所做過(guò)的實(shí)際工程項目，主要完成的工作和結論如下： 1.從工程實(shí)際項目出發(fā)，針對改良SBR工藝（CAST工藝）特性及要求，構架了完整的控制方案，展現了整個(gè)控制方案設計思想過(guò)程并進(jìn)行了詳細的分析，其中包括工藝分析、硬件配置、網(wǎng)絡(luò )配置、通信配置、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、自控設計、監控系統設計、遠程訪(fǎng)問(wèn)、現場(chǎng)調試等，對類(lèi)似的設計有很強實(shí)踐指導意義；2.結合PLC技術(shù)很好的實(shí)現了現場(chǎng)改良SBR工藝自動(dòng)控制要求，該系統已經(jīng)成功的投入運行，至今運行良好，可以作為相應工程的參考模板。

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