城市污水處理自動化技術的應用探討

許鐵強　胡曉峰　馮梁峰　許云海/紹興柯橋排水有限公司

城市污水處理自動化技術的應用探討

許鐵強胡曉峰馮梁峰許云海/紹興柯橋排水有限公司

目前，我國城市污水處理的最大矛盾是經濟發展和居民日益增長的生活水平同落后的污水處理水平。隨著計算機和傳感器技術的發展，以監控、自動控制和大數據技術為代表的污水處理技術必將成為發展方向，進一步提升污水處理智能化水平，降低運行成本，提高污水處理效率，保證水質穩定。

城市；污水處理；監控系統；自動控制；大數據技術；成本；效率

前言

近年來，我國的工業化發展進程急劇加快，在資源與環境問題上必然要以實現可持續發展戰略作為我國現代化建設的主題。居民生活水平不斷提高，生活區的生活污水也逐漸增多。生活污水與工業廢水存在極大的差別，在我國水資源緊張的不利形勢下，為了減少污水對生活環境的影響，污水處理自動化技術具有較大發展空間。

我國大多數污水處理廠存在自動化水平不高、安全性能低和管理不當的問題，導致處理效率普遍低于國際先進水平。隨著電腦及自動控制技術的快速進步，污水處理廠也開始逐漸采用先進技術來治理污水。污水處理系統中的設備啟停設備、數據通信和監控管理是當務之急。中國污水處理自動化技術相對落后，污水處理成本也居高不下，經處理后排放的污水的水質也不太穩定，研究如何建立有效和自動化系統，優化運行效果，降低運行費用，提升運行效率具有重要意義。

1.污水處理發展

在20世紀70年代第三次科技革命興趣的時候，美國很多污水處理工程將計算機技術應用于加藥環節。這種自動化操作模式流程簡單，釩用量可以得到精確控制，在廣大污水處理廠中很快得到推廣應用。經過幾十年的發展，污水處理自動化水平得到了逐步地提高，自動化程度也有了大幅度提升。

污水處理的自動化主要由監控系統和自動控制系統組成，其中，自動控制是污水處理自動化的執行部分。自動控制系統的工作原理是借助網絡通信，利用主計算機對控制設備、執行元件和檢測元件進行整體管控，以實現污水處理的集中調控、集成分析和數據集中處理。經過初期技術引進和中期消化吸收，我國的污水自動控制系統已經取得了長足進步。工業Ethernet結合FCS（現場總線控制系統）DCS（集散控制系統）和PLC（可編程控制系統）構成了我國最新一代的污水處理自動控制系統；中央監控系統、現場控制系統和模擬顯示系統構成了硬件部分；系統軟件、數據庫軟件和應用軟件組成了軟件部分。通過將遠程監控、現場監控和手動監控三者結合,使得信息獲取簡單、監督管理方便和操作簡易。

盡管我國污水處理自動化技術取得了不少成績，但不可否認，在具體操作中依然存在著一些問題：自動控制系統線性穩定性差、自動控制系統受制于多種因素、自動控制系統控制力缺失和自動控制系統本身存在缺陷。

除了要保障自動控制系統穩定性、重視工作人員技能素養構建和不斷拓展智能控制在污水領域的管理深度，本文重點從監控系統設計、自動控制系統和大數據技術三方面對城市污水處理的自動化技術加以探討。

2.監控系統設計

中國的發展必須走環境和經濟共同協調發展之路，實現可持續發展，改善居民生活環境。實施污水處理工程，將有效解決工業發展和人口增加帶來的工業廢水、生活污水和降雨徑流處理問題，更好地保護水環境，提升居民生活質量。為提高污水處理廠的管理水平和自動化程度，監控系統的運用十分必要。

2.1設計原則

污水處理的監控系統要根據生產過程及工藝流程要求進行設計，包括污水處理全過程控制系統和儀表自動檢測系統。在進行設備選型時要以技術先進、運行穩定、性能可靠和經濟合理為原則；在進行系統設計時要以分散控制、集中管理和信息共享為原則；在選用自動化儀表時要以可靠實用和便于維護為原則。若污水處理工程考慮分期作業，對于其硬件可以不考慮遠期工程，但要預留好擴展柜位，以便后期項目實施。

2.2系統組成

通常，污水處理工程控制系統由中央控制室和PLC控制站組成。水泵、風機和攪拌機等要求現場及遠程兩地控制，正常運行時按工藝程序自動控制，因此監控系統多采用二級分布式計算機控制系統。

中央控制室組成

一般而言，中央控制室設在RO（反滲透裝置）機房內，由交換機、工程師站和操作員站組成，包含工控機（主機、彩色液晶顯示器、功能操作鍵盤、鼠標及系統軟件和接口等）。監控計算機把現場PLC實時采集到的信息建立信息庫，并繪制出各類工藝參數值的趨勢曲線。該曲線不但可供管理人員分析比較，以便找出最佳運行規律，還可分析事故原因，優化設備運行，保證出水品質，提高經濟效益。

中央控制室系統要求

管理人員在中央控制室操作站集中監控和管理由現場PLC采集經現場工業以太網傳送的各種數據信息。同時，中央控制室主機的指令也可以通過該網絡傳送到現場PLC終端，以使PLC就地獨立運行，并受中央控制室遠程控制。通過現場聯網的監控設備和網絡交換機，實現了全部處理過程的計算機監控。為了提高傳輸效率，增強系統搞干擾能力，用光纖環網將中央控制室和現場內的各單體PLC控制系統連接。系統需具備自診斷功能，當發生故障時，可以及時、準確地確定故障狀態、故障時間和故障地點等一系列信息。

中央控制室系統軟件

工作人員通過上位機對污水處理站進行操作控制，把用戶所需要顯示和控制的點連接到畫面上，以便操作者了解生產情況并監視控制設備的運行。各個單體畫面（調節池進水、生化池處理、MBR系統、膠水機系統和RO系統）、參數設置畫面、歷史曲線畫面和報表畫面等組成了上位機畫面.

PLC控制站構成

PLC網絡系統要根據污水處理流程及設備平面布置形式加以確定。以5個PLC站為例，2個現場PLC和3個成套設備配套的現場PLC。其中，2個現場PLC包含配電間PLC和集水井泵PLC站； 3個成套設備配套的現場PLC包含MBR系統PLC站、RO系統PLC站和污泥脫水系統PLC站。5個PLC站分別控制不同部件的工作，由PLC根據編制程序控制設備的自動運行、手動控制，并檢測各項水質參數。系統根據污水池的進水量調整鼓風機的風量和位于加藥間加藥泵的加藥量，以達到最佳配合模式。

檢測儀表的選擇

在城市污水處理過程中，需要采用多種檢測PH、溫度、溶解氧濃度液位差、流量和污泥等參數的方法，以減少污染。若采用人工方式采集這些參數，不僅增加工作量，還會延長檢測時間，有時采集到的數據還不精確。

為便于與計算機系統連接和方便維修管理，檢測儀表全部選用智能型測量儀表。考慮到水質及現場環境條件，為防止探頭結垢，應盡量采用非接觸式、無阻塞隔膜式和自清洗式的傳感器。另外，戶外安裝的儀表變送器防護等級應達到IP65，浸沒在水下的傳感器防護等級則應達到IP68。同時，為保證儀表信號輸出的可靠性，儀表帶有溫度補償且采用4～20mA的輸出信號。

PLC軟件開發

PLC軟件開發要根據工藝和控制要求，進行相應控制邏輯的編制。通常，編程采用直觀的梯形圖語言。利用以太網，可以直接在中控室進行程序的修改和完善。PLC不僅可以完成各種各樣的控制功能，還可與其他計算機聯網通信。

注意事項

在進行PLC控制站設計時，要根據系統規模確定用PLC網絡還是PLC單機，且成套設備中自帶的PLC接口及網絡通信協議要求與工程中所選用的一致；根據工藝設備情況確定PLC輸出端的負載交直流性質及電流大小；一般運行速度較快、容量存儲越大的PLC價格越高，應根據系統大小合理選擇PLC產品；PLC對輸入電源的要求相對不高，通常較易滿足要求。但當供電線路存在干擾或電網波動劇烈時，為了保證PLC可以正常工作，應考慮在電源輸入回路加隔離變壓器、浪涌吸收器或采取穩壓措施。

將監控系統運用于污水處理工程，有利于工作人員在中央控制室對現場設備的監控，并可進行遙控操作，大大減少了管理人員的配置，降低了人力成本，提高了污水處理自動化程度。監控系統還可將污水處理運行情況生成數據報表后存儲留檔，一定程度上提高了污水處理廠的管理水平。

3.自動控制系統

城市污水在處理過程中在逐步應用科學的計算機技術，可以實時監測污水處理情況，使得污水處理自動控制得以實現。污水處理系統化運行，不僅使污水處理系統的運行成本得以降低，還可以獲得在線監控數據，為環保部門管理提供便利。

污水處理自動控制系統在工藝上主要是污水泵控制和鼓風機控制：

3.1污水泵控制

試驗于2014年3月～10月在甘肅省天祝縣哈溪鎮友愛科技示范園區進行。該試驗地位于祁連山東段北麓綠洲區，海拔1450m，土壤為山地栗鈣土，屬冷溫帶干旱區。年均氣溫7.7℃，≥10℃的積溫3300℃，年均日照2945.3h，極端最高氣溫40.0℃，最低氣溫-29.5℃，無霜期180d，年均降水量358.4mm。

開泵時，應嚴格按照先開泵后開閥的標準程序進行。若開泵后5s內控制系統未檢測到污水泵運行的信號，便會發出報警信號并關閉污水泵。若開泵后5s內系統接收到運行信號并發出開閥指令，有10s時間延遲檢測閥門是否已經打開。若閥門沒有完全打開則發出報警信號，在發出報警信號時閥門依舊未安全打開時，則關閉污水泵。

同樣，停泵時，則應先關閥門后關泵。準備停泵時，先發出與所停泵指令相關聯閥門的關閉指令。若指令發出5s內閥門未開始關閉則發出報警信號，在3min內未正常關閉，也會發出報警信號。

在進行水位控制時，實現自動控制系統精準控制水位對于外圍管網也十分重要。在實際進行開關泵時，每臺泵都必須嚴格按照相關信號條件進行操作； 設定水位時，可根據污水泵的詳細運行情況，在主控室計算機上進行開泵和停泵的具體水位值設置。

3.2鼓風機控制

控制溶解氧DO的數值是控制鼓風機的關鍵，為使曝氣池內的微生物能夠充分地產生生化反應，必須向曝氣池提供充足氧氣。在池內安裝溶解氧測定儀時，根據池內需氧量變化進行鼓風機進風導葉片或運行臺數的調節，有效減少曝氣充氧過程中電能的不必要消耗。在鼓風機使用過程中，通過主控制盤對鼓風機進行循環工作設定或調節，避免一臺鼓風機反復啟動。

城市污水處理自動控制系統實施后，可有效提高污水處理質量，降低處理廠運行總成本。同時，要克服技術設備缺失和污水處理儀器精度低的問題。

4.大數據技術

大多數的城市污水處理廠都在不同程度上采用了監控系統和自動控制系統，隨著物聯網技術的快速發展，大數據技術顯現出了強大的生命力，促使著大數據技術在在污水處理運營中的運用。其不僅促進污水處理領域的自動化和智能化發展，而且實現了污水處理工藝參數的在線監測、數據實時采集和傳輸以及故障報警等功能，并為企業提高污水處理質量、降低能源損耗和污水處理運營成本提供強有力的支持。結合監控系統、自動控制系統，作為污水處理新的發展方向，大數據技術在今后應用中應重點關注以下三方面：

4.1處理模型

污水處理具有較高的非線性和時變性特點，其復雜程度遠遠超出了人們的直覺閾。雖然數學模型在使用時不具備嚴格的科學性，但卻是污水處理過程中較為有效的方法。應用數據篩選和模型優化校核的方法，實現對污水處理模型的簡化和優化處理，并針對污水處理過程模型進行優化校核。

4.2仿真系統

通常，建立仿真系統需要通過Simulink軟件并實現相應模型的轉換。利用仿真系統進行計算分析降低項目投資成本和設備運行成本；對系統運行狀態進行模擬和預測，進行工藝優化；對能耗進行優化設計，保證系統的環境效益；模擬污水處理工藝相關操作流程，用于人員培訓；進行污水量的非線性動力學分析和適時預測，污水處理異常征兆模式研究以及活性污泥工藝優化設計。

4.3管理平臺

管理平臺對運行數據進行實時采集并傳輸，經工業標準在線傳感器以及工業無線傳感器上傳至管理平臺。經模型分析處理后，制定相應指標限值和超標處理方案，保證問題處理的時效性。管理平臺確保通過大數據計算分析得到污水處理的最佳工藝運行控制參數，保證系統處理實時最優工況，以提高污水處理效率。

5.結論

如果大量城市污水不加治理任意排放，會導致水體、土壤乃至空氣的嚴重污染，進而會破壞人們正常的生產和生活。必須對城市污水進行處理控制，改善受污染水體的水質，使之能滿足水體功能的要求。監控系統、自動控制系統和大數據技術的綜合運用，對污水處理運行系統的智能化水平有一定程度的提高，并有效降低人工勞動強度和系統運行成本，一定會成為今后污水處理發展的新方向。通過合理化的數學模型加強對污水處理機理的研究，保障污水處理運行系統的安全穩定和處理效率。隨著技術的不斷發展和完善，許多問題會得到解決，污水處理的明天也會更加美好。

[1]薛金平. PLC技術在污水處理系統中的應用[J]. 資源節約與環保，2016，04:37+42.

[2]于震. 關于污水處理中自動化控制系統的應用探討[J]. 黑龍江科技信息,2016,15:41.

[3]何博. 一種污水處理廠自動化控制系統的實現[J]. 通訊世界,2016,09:271.

[4]肖聃. 污水處理中PLC自動控制系統的應用研究[J]. 電子技術與軟件工程，2016,09:152.

[5]吳朋化. 自動控制在污水處理中的有效應用策略探討[J]. 信息系統工程,2016,05:15.

[6]莊慶明. 自動控制在污水處理中的應用分析[J]. 中國高新技術企業，2016，18:81-82.