自控應用于寒冷地區中小型污水處理廠(chǎng)

目前，我國寒冷地區的中小城鎮污水處理廠(chǎng)普遍存在著(zhù)能耗高、運行穩定性低的問(wèn)題，其主要原因有污水處理廠(chǎng)所處地區的自然環(huán)境、運行負荷率、處理工藝以及污染物的性質(zhì)等。良好的污水廠(chǎng)運行管理能很大程度地改善污水處理廠(chǎng)的運行狀況，實(shí)現污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制是提高運行管理水平的重要途徑。榆樹(shù)市江北污水處理廠(chǎng)采用自動(dòng)控制系統獲得了穩定的出水水質(zhì)和較好的節能效果。

榆樹(shù)市江北污水處理廠(chǎng)位于中國吉林省長(cháng)春五棵樹(shù)開(kāi)發(fā)區，地處中國東北平原腹地，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區，冬季寒冷漫長(cháng)，工程（一期）的建設規模為：2.0×104m3/d，是典型的寒冷地區中小型污水廠(chǎng)。污水處理廠(chǎng)污水來(lái)源為開(kāi)發(fā)區的工業(yè)廢水和部分生活污水，處理工藝以CASS工藝為主體，前段為預處理系統，包括粗格柵、細格柵、旋流沉砂池以及酸化水解池等，后端為D型濾池、紫外線(xiàn)消毒渠。污泥采用濃縮脫水一體機處理后，運至垃圾填埋場(chǎng)填埋，處理工藝流程如圖1所示。

榆樹(shù)市屬中溫帶半濕潤溫和氣候區，四季分明，冰封期污水水溫較低。根據國內外大量的運行經(jīng)驗〕，低溫對污水廠(chǎng)氨氮出水達標率影響較大，需采取適當增大溶解氧、維持較高的污泥濃度、降低污泥負荷、延長(cháng)泥齡等措施；污水處理廠(chǎng)配套的管網(wǎng)不健全，設計不滿(mǎn)負荷，這對污水廠(chǎng)的運行管理是嚴峻考驗。采用自動(dòng)控制系統實(shí)時(shí)監控并對設備進(jìn)行調控可以使系統處于穩定的最佳平衡點(diǎn)，獲得穩定的出水水質(zhì)，同時(shí)減少了提升泵、曝氣泵、加藥裝置的頻繁啟動(dòng)和運行時(shí)間，減少電耗和藥耗，達到節能減排的目的。

歸納總結了榆樹(shù)市江北污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制系統設計方案和組成，并對其控制流程和控制策略進(jìn)行重點(diǎn)介紹，旨在為寒冷地區中小型污水處理廠(chǎng)的自控系統設計提供示范。

1自動(dòng)控制系統組成及功能
自動(dòng)控制系統由可編程序控制器（PLC）及自動(dòng)化儀表組成檢測控制系統，即現場(chǎng)分控站對各生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分散控制；再由通訊系統、數據服務(wù)器、監控計算機組成中央控制系統，即中央控制室，實(shí)行集中管理；各分控站與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數據通信�？刂葡到y如圖2所示。

1.1中央控制系統
中央控制系統以數據服務(wù)器為核心，監控工作站冗余配置，采用具有客戶(hù)機/服務(wù)器（C/S）結構形式的計算機局域網(wǎng)絡(luò )；中央控制室通過(guò)光纖冗余環(huán)和工業(yè)以太網(wǎng)交換機與各分控站連接，傳輸速率為100Mbps。

中央控制系統設有工程師站、操作站、數據服務(wù)器、數據圖表打印記錄等裝置。按照工藝及控制對象的功能、設備量，根據工藝流程和平面布置，工程設一個(gè)中央控制室（CCR）。中控室完成工程自動(dòng)控制和生產(chǎn)的管理，集中了監視、管理、控制生產(chǎn)過(guò)程和工藝過(guò)程。對生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制、自動(dòng)保護、自動(dòng)操作、總調節、以及工藝流程中的各重要參數、設備工況等都進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監控。

1.2現場(chǎng)監控系統
具有PLC的區域分控站LCS，可以獨立運行�，F場(chǎng)分控站通過(guò)PROFIBUSDP現場(chǎng)總線(xiàn)連接現場(chǎng)總線(xiàn)型測控設備。按照工藝及控制對象的功能、設備量，根據工藝流程和平面布置，設兩個(gè)現場(chǎng)分控站（LCS1和LCS2）。

1.2.1現場(chǎng)分控站LCS1
LCS1設在鼓風(fēng)機房，由主站PLC1和一個(gè)遠程I/O站RIO11以及測控區域內的自控儀表等組成。

PLC1包括1套可編程控制器、1臺HMI、1臺UPS電源，以變電所、鼓風(fēng)機房、生化池為監控范圍，I/O配置（含15%冗余量）為：DI=144（手動(dòng)/自動(dòng)、運行、報警信號），DO=38（開(kāi)停/控制信號），儀表4～20mA輸入信號AI=24，設備4～20mA變頻控制信號AO=9。

RIO11監控范圍為預處理間和初沉池，I/O配置（含15%冗余量）為：DI=120（手動(dòng)/自動(dòng)、運行、報警信號），DO=43（開(kāi)停/控制信號），儀表4～20mA輸入信號AI=15，設備4～20mA變頻控制信號AO=0。

1.2.2現場(chǎng)分控站LCS2
由主站PLC2和2個(gè)遠程I/O站以及測控區域內的自控儀表等組成。PLC2包括1套可編程控制器、1臺HMI、1臺UPS電源。LCS2設在綜合泵房?jì)�，監控范圍為綜合泵房，I/O配置（含15%冗余量）：DI=55，DO=20，AI=7，AO=0。RIO21設在污泥脫水間，I/O配置（含15%冗余量）：DI=63，DO=22，AI=7，AO=0。

RIO22設在D型濾池，I/O配置（含15%冗余量）：DI=150，DO=51，AI=15，AO=5。

2現場(chǎng)分控站監控流程及控制策略
針對臨江市污水處理廠(chǎng)規模較小、水質(zhì)水量變化大、污水水溫季節差異較大的特點(diǎn)，自動(dòng)控制系統的控制策略也將根據處理效果進(jìn)行調整。

2.1鼓風(fēng)機房LCS1站
主要對鼓風(fēng)機房、CAST生化池、變配電室進(jìn)行監測及控制。

2.1.1鼓風(fēng)機房
LCS1PLC站主要對鼓風(fēng)機進(jìn)行控制，保護風(fēng)機和調節風(fēng)量，優(yōu)化鼓風(fēng)量，在確保氧轉移效率的前提下最大可能地節省能耗。鼓風(fēng)機的控制流程為：安裝在好氧池的DO測定儀的檢測值輸入PLC站內，PLC根據該測定值與DO濃度設定值（一般為2mg/L）之間的差值來(lái)調節鼓風(fēng)機的轉速，自控系統利用溶解氧儀、流量計以及壓力表等設備實(shí)時(shí)監控反饋的信號Uf，與PLC中設定值Us比較，兩者作差得到控制量Ut，并根據Ut調節鼓風(fēng)機的開(kāi)動(dòng)及閥門(mén)的開(kāi)閉，實(shí)現閉環(huán)控制，如圖3所示。

當低溫等造成水處理效果下降時(shí)，可在一定范圍內提高PLC站內的DO濃度設定值，以保證該廠(chǎng)冰封期污水可達到排放標準。

2.1.2生化池LCS1
CAST生化池一期共2座，在每座池內設置液位計、pH/溫度檢測、溶解氧測量?jì)x和懸浮物濃度測量?jì)x。液位計用于監視池內的水位，控制潷水器；溶解氧儀用于監視每座池內溶解氧含量；每座池子在不同的時(shí)間段內按曝氣-沉淀-潷水-閑置順序工作；使生物池在同一時(shí)間按時(shí)間順序或液位分別潷水。

CAST生化池按連續進(jìn)水，間歇曝氣，周期排水運行，每個(gè)周期為6h，曝氣3h，沉淀1h，潷水1.5h，閑置0.5h。CAST生化池運行以時(shí)間過(guò)程控制，曝氣量根據池內溶解氧含量與控制程序中溶解氧的預先設定值對比來(lái)控制，所有控制均由PLC站自動(dòng)控制。

CAST生化池的曝氣量調節系統和鼓風(fēng)機房的壓力控制系統相互關(guān)聯(lián)，相互影響，最終使生化池的生物處理過(guò)程處在最佳狀態(tài)，實(shí)現生化池曝氣量的自動(dòng)調節，保證生化池中的生物處理過(guò)程能夠順利進(jìn)行。

泵池吸水井設置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。對水泵進(jìn)行輪值控制，并均衡各泵的運行時(shí)間。

進(jìn)入冰封期后，根據污水廠(chǎng)出水水質(zhì)、DO濃度值等參數調整運行周期內各階段時(shí)間，以保證該廠(chǎng)冰封期污水可達到排放標準。根據生產(chǎn)負荷，實(shí)現潛水攪拌器、內回流泵的運行控制。

2.2粗格柵、污水提升泵房、細格柵及沉砂池RIO11
RIO11主要對粗格柵間、污水提升泵房?jì)鹊脑O備進(jìn)行監測和控制。

根據粗格柵前后的水位差或者時(shí)間間隔起動(dòng)粗細格柵。由PLC根據集水池液位通過(guò)變頻器自動(dòng)調節水泵的流量，減少了電機頻繁起動(dòng)，另外在設計中利用PLC的計時(shí)、計數功能，對各泵的運行時(shí)間加以累計，然后自動(dòng)切換運行泵和備用泵，使各泵的運行時(shí)間基本一致，延長(cháng)泵的使用壽命。

細格柵間的控制對象主要有細格柵、輸送機、壓榨機、旋流沉砂池鼓風(fēng)機、旋流攪拌機。格柵的運行依據格柵前后水位差或時(shí)間間隔來(lái)控制。只要1臺格柵運轉，輸送機就會(huì )啟動(dòng)并持續至格柵停止運轉后一段時(shí)間。旋流沉砂池自帶控制箱，實(shí)現全系統閉路自動(dòng)運行。葉片隨來(lái)水連續轉動(dòng)，定時(shí)完成氣洗、氣沖、氣提動(dòng)作并保持砂水分離機和主機聯(lián)鎖。提砂后砂水分離機動(dòng)作，提砂停止后，砂水分離機滯后停止。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2.3綜合泵房及消毒間LCS2

2.3.1綜合泵房
泵房吸水井設置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。對水泵進(jìn)行輪值控制，并均衡各泵的運行時(shí)間。配合生產(chǎn)需要，對相關(guān)閥門(mén)進(jìn)行控制。

在綜合泵房集水井設置水質(zhì)分析監測點(diǎn)，內容有NH3-N、濁度（MISS）、酸堿度/溫度（pH/T）。泵房吸水井還設置有自動(dòng)取樣器，自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)水取樣，供化驗室分析和存樣。

2.3.2污泥濃縮脫水機房RIO21
在各污泥濃縮脫水機進(jìn)泥管和加藥管設置電磁流量計，數據送入污泥控制系統，為污泥濃縮脫水機進(jìn)行比例加藥控制提供參數。絮凝劑制備為全自動(dòng)控制裝置，但其與各濃縮脫水機、螺旋污泥輸送器等設備必須實(shí)行聯(lián)動(dòng)控制。

2.3.3D型濾池RIO22
D型濾池設置有反沖洗泵總管、鼓風(fēng)機總管、空壓機總管、每格濾池出水口壓力，鼓風(fēng)機總管空氣流量，每格濾池水位和出水口壓力，濾池出水濁度等；反沖洗泵房的吸水池設有液位計和液位開(kāi)關(guān)對反沖洗水泵進(jìn)行控制和保護。

濾池是污水深度處理工藝過(guò)程的核心部分，濾池控制的主要任務(wù)是要自動(dòng)控制濾池的運行和反沖洗。

濾池的過(guò)濾控制：根據每格濾池的水位自動(dòng)控制出水閥門(mén)的開(kāi)啟度，水位下降到設定低限時(shí)，減小閥門(mén)的開(kāi)啟度，反之，加大閥門(mén)的開(kāi)啟度，使得濾池內的水位在過(guò)濾過(guò)程中保持恒定。保證濾池有一個(gè)相對恒定的濾速，從而保證濾池正常、穩定的過(guò)濾。

濾池的反沖洗控制：每一濾池的反沖洗按照氣沖洗-氣水沖洗-水沖洗-表洗的程序步進(jìn)完成，同一時(shí)刻只能夠有1座濾池進(jìn)行反沖洗。反沖洗可分為自動(dòng)、手動(dòng)兩種方式。自動(dòng)控制濾池的反沖洗，可以保證濾池的過(guò)濾質(zhì)量，節約反沖洗水。

濾池反沖洗判斷功能：過(guò)濾周期控制方式——操作員根據工藝上提出的要求，在PLC的程序中設定濾池的最大過(guò)濾時(shí)間。在濾池開(kāi)始過(guò)濾運行時(shí)，PLC就開(kāi)始計時(shí)，并將實(shí)際的運行時(shí)間與設定的最大過(guò)濾時(shí)間相比較，兩值相等時(shí)PLC判斷該格濾池需要反沖洗。水頭損失控制方式——在PLC的程序中設定濾池的最大阻塞水頭損失，當濾池運行時(shí)，PLC通過(guò)超聲波液位計和出水管上的壓力變送器連續測量每格濾池的水頭損失，并將其值與設定值進(jìn)行比較，水頭損失大于其設定值時(shí)PLC判斷該格濾池需要反沖洗。

3運行結果
運行期間對12個(gè)月出水水質(zhì)指標、噸水耗電量等數據進(jìn)行監測記錄，取平均值，結果如表1所示。

計算得出12個(gè)月出水平均COD、BOD5、SS、TP、NH3-N分別為40.84、16.38、17.91、0.67、6.22mg/L，標準差分別為2.23、0.85、0.90、0.08、1.24，年平均噸水耗電量為0.31kW•h�？梢�(jiàn)，采用自動(dòng)控制系統對運行過(guò)程進(jìn)行監測、控制，使該廠(chǎng)運行穩定性和出水水質(zhì)達標率提高，且該廠(chǎng)的噸水耗電量也較低。

4總結
榆樹(shù)市江北污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統運行1a以來(lái)，取得了很好的處理效果，出水水質(zhì)達到（GB18918—2002）《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》一級標準中B標準，在保證出水水質(zhì)的同時(shí)噸水耗電量也較低。同時(shí)，污水處理達到了集中管理、分散控制的目的，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )化、數字化和智能化。實(shí)踐結果表明，該自動(dòng)控制系統應用于CAST工藝中小型污水處理廠(chǎng)是成功的，對于寒冷季節的出水達標有顯著(zhù)作用。