基于“多模式A2/O”工藝污水處理廠控制系統節能設計

程丹丹 王亞曉 馮麗霞 邢國政 王夢南

（1天津市環境保護科學研究院 天津 300191 2天津市聯合環保工程設計有限公司 天津 300191）

基于“多模式A2/O”工藝污水處理廠控制系統節能設計

程丹丹1王亞曉2馮麗霞2邢國政1王夢南1

（1天津市環境保護科學研究院 天津 300191 2天津市聯合環保工程設計有限公司 天津 300191）

本文以某城鎮污水處理廠為背景，設計了一套“多模式A2/O-微絮凝過濾”工藝污水處理自動控制系統。該工藝能夠在去除有機物的同時，達到高效同步脫氮除磷。在實現氨氮減排的同時，也要節約能源消耗，為了實現這個目標，設計一套準確監測、快速響應、可靠性高、可維護性好的自動控制系統，是提高生產效率、實現節能減排關鍵因素之一。

多模式A2/O工藝；自動控制；快速響應；節能減排

1 工藝流程簡介

天津某工業園區污水處理廠的工程分期建設規模：近期(至2015年)1.5萬m3/d；遠期(至2020年)2.5萬m3/d。通過技術方案、經濟等方面比較后，確定污水處理廠的污水處理采用“多模式A2/O-微絮凝過濾”工藝，污泥處理采用“機械濃縮脫水”，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程框圖

污水由工業園區管網收集進入污水處理廠后，經粗格柵去除較大顆粒的懸浮物和漂浮物，由進水潛污泵提升經細格柵至旋流沉砂池，以進一步去除污水中的懸浮物和無機性的砂粒，沉砂池的出水進入A2/O生物反應池和二沉池處理系統，二沉池出水經絮凝過濾組合池后進入紫外消毒渠進行消毒，達標后的出水可用于中水回用系統。

2 控制系統節能設計

2.1 多模式A2/O工藝調控方式節能設計

本水廠生化處理工藝采用多模式A2/O工藝，可根據水質特性、進水水量、環境條件的變化，靈活調整運行模式，可按常規A2/O工藝、改良A2/O工藝、倒置A2/O工藝或其他處理運行模式運行，在提高處理效果的基礎上保證工藝的可靠性。本工程采用的多模式A2/O生物脫氮除磷處理工藝功能區布置見圖2。

圖2 多模式A2/O工藝功能區布置圖

多模式A2/O生物脫氮除磷處理工藝功能區同時設置2個進水點位，一部分進入厭氧池，一部分進入缺氧池的工藝可以從一定程度上彌補碳源的不足，避免由于投加碳源帶來的浪費[1]。通過可調節堰門配水調控，合理調配分流比例；設置2點混合液回流，通過水泵臺數或變頻調控，合理調控混合液回流比；通過空氣支管閥門調控，合理調控供氣區域；通過改變鼓風機運轉臺數、轉速、風管閥門開度實現供氣量的調節。通過以上方式最大程度的實現該處理工藝的高效性。

與常規A2O工藝相比，多模式A2O工藝在節能方面具有以下優點：

（1）設置機動調節區，可根據進水水質靈活調整流程，在滿足處理要求的前提下，降低好氧段能耗，提高缺氧段處理效果；

（2）由于污泥回流至缺氧段，缺氧段污泥濃度比好氧段高30～50%，反硝化速率明顯提高；

（3）根據不同季節情況下，不同進水水質，生物脫氮和生物除磷所需碳源的變化，調節分配至缺氧段和厭氧段的進水比例，系統反硝化作用及除磷效果均能得到有效保證。防止碳源不足而造成處理效果差的情況出現。

2.2 多模式A2/O工藝曝氣環節節能設計

多模式A2/O工藝能夠在去除有機物的同時，達到高效同步脫氮除磷。而處理氨氮造成的電能消耗是污水處理廠很大的一塊運行成本，一般來說，曝氣過程用電量通常會占全廠電能消耗的50%或以上，既要減排也要節能是工藝控制所追求的目標。

為了保證出水達到排放標準，污水處理廠一般采用保守“可靠”的運行方式，也就是說對處理工藝留有一定的“富余量”。這種為保證出水質量的“富余量”造成生產能耗過高，浪費極大。

A2/O反應池中的DO濃度是判別供氣量是否合適的直接指標，過高的DO濃度不僅增加曝氣能耗，而且通過內循環回流將大量溶解氧帶入缺氧區，嚴重影響反硝化的效果。因此在曝氣池內設置在線的DO濃度檢測儀，按DO的檢測值和設定值（曝氣區DO濃度控制在2mg/L左右）保持一致來調節供氣量，維持DO濃度的穩定，達到穩定和高效的處理效果。供氣量的調節可以通過改變鼓風機運轉臺數、鼓風機出風管電動蝶閥開度及變頻器調節羅茨鼓風機電機轉速實現。

在A2/O反應池中的缺氧和厭氧區內，DO濃度比較低，直接測量比較困難。因此在這兩個區域內設置ORP檢測儀，通過檢測氧化還原電位，能直接了解這兩個區內環境體系氧化態和還原態物質的數量比，間接表明該區域內的厭氧狀態。此外，為保證反應池的活性污泥維持在一個合理濃度范圍，保證生化反應正常，并實現高效的脫氮除磷效果，在A2/O反應池中設置MLSS污泥濃度計。污泥濃度計用于測量反應池內污泥濃度；在污泥井設置超聲波液位計，檢測污泥液位變化；回流污泥管上設置電磁流量計，用于檢測回流污泥量。

回流污泥是從反應池的污泥池回流至反應池的厭氧區，通過回流污泥維持各段污泥濃度，使之進行生化反應。回流污泥量不足，導致反應池內活性污泥濃度不夠，影響各階段生化反應速率。回流污泥的MLSS濃度通常控制在一定范圍內，回流污泥量的控制可以采用定MLSS濃度控制的方法，通過控制回流污泥的量，使反應池MLSS濃度維持在某一最優MLSS濃度目標值

剩余污泥的排放是通過污泥池的剩余污泥泵實現，通過改變剩余污泥排放量可以實現泥齡（SRT）控制，但是剩余污泥排放量屬于慢時速控制變量，隨著剩余污泥的排放，反應池內污泥種群的變化很慢。通過測定反應池內的MLSS濃度就可以確定維持指定污泥泥齡所需的剩余污泥排放量。

3 自動控制系統節能設計的實現

污水分點進水的多模式A2/O工藝控制和調節較常規A2/O工藝要復雜，對其工藝的控制主要是時間控制、溶解氧的閉環控制、進水點的設置及分流比例、混合液回流比控制、污泥回流比控制等。整個自控系統由監控系統、通訊系統、PLC及現場檢測儀表組成。

3.1 PLC分控站設置

根據污水處理廠的總平面布置，設計擬在綜合樓內設中央控制室。在廠區內共設置4個PLC分控站：

PLC1分控站，負責粗格柵和進水泵房、細格柵、沉砂池、初沉池、初沉污水泵房等構筑物內的電氣設備的運行、保護、控制和儀表信號的采集。

PLC2分控站，負責鼓風機房、A2/O反應池等構筑物內的電氣設備的運行、保護、控制和儀表信號的采集；PLC2分控站站下位設置1個遠程I/O站，位于A2/O反應池上，負責A2/O反應池等構筑物內電氣設備的運行、保護、控制和儀表信號的采集。遠程I/O站能和PLC現場站實時通信。它負責現場的信號采集，并能將PLC的控制信號傳送給相應的設備。遠程I/O站的設置能有效減少電纜敷設的長度，節省投資。

PLC3分控站，負責除磷加藥間、紫外消毒渠、二沉池、絮凝反應組合池及污泥回流泵房等構筑物內的電氣設備的運行、保護、控制和儀表信號的采集。

PLC4分控站，負責污泥脫水機房、污泥儲池等構筑物內的電氣設備的運行、保護、控制和儀表信號的采集。

所有的PLC分控站與MCC動力配電站設在同一地點，可以大大節省控制柜與PLC電纜之間的連接電纜。

3.2 通訊網絡

該自控系統由二層網絡構成：第一層是連接中央控制室與現場PLC站的通信網絡，該層網絡采用工業以太網。網絡結構為環形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。在出現故障時，在線增加或刪除任意一個節點，都不會影響到其他設備的運行和通訊。它除了具有良好的網絡通訊能力外，還具有與其它控制系統通訊功能和標準的對外通訊接口，以后可以任意擴展。第二層是現場PLC和電氣設備、檢測儀表以及工藝設備配套的控制柜PLC系統的通信網絡。

PROFIBUS-DP現場總線采用的是線形結構，總線的主站與從站之間采用數字信號進行通信。用一根總干線從控制器連接到受控對象，總線電纜從主干電纜分支到現場設備處，控制器PLC掃描所有I/O上的輸入，必要時還可發送信息到輸出通道，實現主-從方式和對等式通信。

結語

該污水處理廠所設計的控制系統具有以下特點：

（1）系統可靠性高、可維護性好、節約成本

由于采用遠程I/O取代了一對一的I/O連接，對于大規模I/O系統，減少了由接線造成的不可靠因素。由于用數字信號代替模擬信號，因而可實現一對電線上傳輸多個信號，同時又為多個設備提供電源，這種控制系統大量減少了導線和鏈接附件，提高了系統的可靠性和抗干擾能力。

同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，增強了系統的可維護性，節約維護和檢修成本；采用遠程I/O省去了大量的電纜及電纜敷設工程費用，降低了工程造價成本。

（2）準確監測、快速響應，提高生產效率

該自控制系統融合了先進的自動化技術、故障診斷技術和軟件技術，具有通信能力強、組網方便、維護方便、準確監測、快速響應等特點，對污水處理站污染物減排和運行管理有積極意義，具有較大的推廣價值。

[1]龐立．污水處理多模式A2/O工藝控制系統的設計與實現[D]．上海：華東理工大學，2011.

[2]高明遠．基于PROFIBUS總線技術的變頻恒壓供水控制系統[J].中國給水排水,2012,28(1):56-58.

程丹丹（1982－），女，天津人，工程師，環境工程碩士學位，主要研究方向為廢水處理工程及治理技術研究工作。