地下式污水處理廠自動化控制系統的設計與應用

高瑋寅

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125）

1 概述

虹橋污水處理廠設計規模為20 萬m3/d。整個污水廠縱向結構由地下一層，地面一層及頂部覆土綠化層構成。工程主體工藝如下：

（1）預處理工藝：采用粗格柵、提升泵房、細格柵和曝氣沉砂池。

（2）二級生物處理工藝：采用改良型多級 AAO 工藝＋平流沉淀池工藝。

（3）深度處理工藝：采用高效沉淀池+深床濾池工藝。

（4）污泥處理工藝：采用低溫真空脫水干化工藝，將污泥含水率降至 40%以下外運處置。

（5）尾水消毒工藝：采用紫外線消毒為主，次氯酸鈉為輔的消毒工藝。

（6）臭氣處理工藝：采用以生物除臭為主的復合式除臭工藝。

為更便于對一體化廠房內各功能區的管理，對各功能區的定義如下：

A 區（預處理區）：包括調蓄池、粗格柵及進水提升泵房、細格柵及曝氣沉砂池、輔助用房（分變電間、備品備用間等）；

B 區（生化處理區）：改良型AAO 生物池；

C 區（沉淀區）：平流沉淀池；

D 區（深度處理1 區）：高效沉淀池；

E 區（深度處理2 區）：深床濾池；

F 區（出水區）：出水泵房、紫外消毒渠、清水池、加藥區及中水泵房等；

G 區（鼓風區）：鼓風機房；

H 區（污泥區）：污泥脫水干化車間、儲泥池、調理池等。

K 區（輔助用房區）：變配電間、值班室；圖1 為一體化箱體內部分區示意圖。

圖1 一體化箱體內部分區示意圖

污水處理工藝流程為：進水→粗格柵→污水緩沖調蓄池→進水提升泵房→細格柵→曝氣沉砂池→改良式多段AAO 生化池→平流沉淀池→中間提升泵房→高效沉淀池→深床濾池→出水提升泵房→紫外消毒池→加氯接觸池→蘇州河。

2 自動化控制系統構成

全廠的自動化控制管理系統應基于現代先進控制思想即分布式計算機控制系統（集散型控制系統），集成當代計算機技術、高性能PLC 及智能化儀表的各自特點于一身，使其在污水處理廠的運行控制、設備管理及整體性能上滿足可靠性、先進性、經濟性和實用性。

可靠性——整個系統采用模塊化設計，分層分布式結構，控制、保護、測量之間既互相獨立又互相聯系。

先進性——系統的設計以實現“現場無人職守，分站少人值班”為目的，設備裝置的啟、停及聯動運轉均可由中央控制室遠程操縱與調度。

經濟性——系統具有較高的性能價格指標，主要監控設備應有較高聲譽公司和較好業績的產品。

實用性——系統設計多個控制層面，既考慮正常工作時的全自動化運行，又考慮多種非正常運行狀態下的各級運行策略。

整個系統由通訊系統和監控計算機組成的中央控制系統（中央控制室）對全廠實施集中管理。由分布在現場的可編程序控制器PLC 及現場儀表組成的檢測控制系統（現場站）對污水處理廠各個過程進行分散控制。由視頻監控系統監視生產區域工況、主要生產設施的運行狀態及廠區的安防。視頻監控系統、各現場站與中央控制室之間由工業以太網連接進行數據通訊。生產管理區設置由各個部門管理計算機組成工廠管理系統，采用工業以太網與中央控制系統連接，組成全廠計算機綜合管理控制系統。

3 全廠自動化監控系統架構

3.1 總體結構

按分散控制、集中管理的原則，建立污水處理廠的監控系統。設中央控制室對全廠生產過程進行監視和控制，在各工藝單體設置基于PLC 的控制設備，處理局部的數據采集和控制任務。根據虹橋污水處理廠工程的規模和監控內容，將分布位置近、工藝關聯性強的單體控制系統予以合并，以減少控制設備數量，減少工程投資。按照控制對象的功能、設備量和所在地理位置劃分，在1#變電所、鼓風機房、2#變電所和污泥濃縮脫水機房分別設置PLC 控制站，各PLC 控制站與中控室之間用光纜環網相互連接，實現中控室對全廠的集中控制和管理，實現全廠運行自動化。

3.2 控制方式

虹橋污水處理廠工程自動化控制系統由現場檢測執行級、車間就地控制級、中央監控管理級三級計算機控制設備組成。設備的具體控制方式和控制優先級依次為：手動方式：分現場手動和就地手動，現場手動方式通過現場設備操作箱上的按鈕對設備進行操作，就地手動方式通過MCC 柜上的手動按鈕實現對設備的啟停操作。自動方式：設備的運行完全由各就地控制PLC 站根據污水廠的液位、流量、水質數據等各工藝處理流程、各類機械設備的運行工況及相關參與控制的在線儀表檢測參數來自動控制工藝流程的正常運行，完成對全廠設備的啟停控制和連鎖保護等，不需要人工干預。遙控方式：即遠程手動控制方式。操作人員通過車間或中央控制室的集中控制設備控制現場設備。

3.3 PLC 控制站

PLC1 控制站，設在進水儀表間，監控范圍包括粗格柵及進水提升泵房、細格柵及曝氣沉砂池、緩沖調蓄池、進水水質檢測、3#分變配電間和4#分變配電間等。PLC1 控制站設置2 處遠程站，分別布置在3#分變配電間和4#分變配電間。

PLC2 控制站，設在主變配電間，監控范圍包括主變配電間和2#分變配電間等。

PLC3 控制站，設在主變配電間，監控范圍包括生化池（B-1B-2）等。PLC3 控制站設置3 處遠程站，均布置在生化池。

PLC4 控制站，設在主變配電間，監控范圍包括生化池（B-3B-4）等。PLC4 控制站設置3 處遠程站，均布置在生化池。

PLC5 控制站，設在5#分變配電間，監控范圍包括5#分變配電間、二沉池（C-1C-2）、高效沉淀池（D-1）和深床反硝化濾池（E-1）等。PLC5 控制站設置5 處遠程站，分別布置在二沉池、高效沉淀池和深床反硝化濾池。

PLC6 控制站，設在5#分變配電間，監控范圍包括二沉池（C-3C-4）、高效沉淀池（D-2）和深床反硝化濾池（E-2）等。PLC6 控制站設置5 處遠程站，分別布置在二沉池、高效沉淀池和深床反硝化濾池。

PLC7 控制站，設在出水提升泵房，監控范圍包括紫外消毒池、出水提升泵房、出水水質檢測、中水泵房和加藥間等。PLC7 控制站設置1 處遠程站，布置在出水儀表間。

PLC8 控制站，設在1#分變配電間，監控范圍包括1#分變配電間、儲泥池和脫水機房。圖2 為自動化控制系統架構圖。

4 各單體的儀表配置

4.1 調蓄池

每格調蓄池內分別設置一體化超聲波液位計，液位測量值作為潛水泵的控制依據。

4.2 粗格柵與進水泵房

粗格柵前后分別設置一體化超聲波液位計，測量格柵前后液位值，液位差值控制格柵的清污動作；格柵后液位測量值作為水泵的控制依據；格柵井除臭罩內設置一套雙探頭硫化氫檢測儀(含聲光報警裝置)，并配備1 套便攜式硫化氫檢測儀，作為工作人員安全保護用。

4.3 細格柵及曝氣沉砂池

細格柵前后分別設置一套一體化超聲波液位計，測量格柵前后液位值，液位差值控制格柵的清污動作；同時，細格柵前液位值參與進水泵運行控制，細格柵前液位值作為進水泵運行限值，超高液位時停止進水泵，防止因細格柵運行故障引起過水不暢而導致污水冒溢。曝氣沉砂池鼓風機房出風總管上設置壓力變送器、溫度變送器和空氣流量計。格柵井除臭罩內設置一套雙探頭硫化氫檢測儀(含聲光報警裝置)，并配備1 套便攜式硫化氫檢測儀，作為工作人員安全保護用。

4.4 生化池

本工程設有2 座生化池，每座又分為完全對稱的2 池，總計4 池。

每個生化池的厭氧區、缺氧區、預缺氧池和好氧/缺氧搖擺池內分別設置1 套ORP 檢測儀和1 套MLSS 檢測儀，合計16 套；每個生化池的出水端分別設置1 套復合氨氮&硝氮分析儀，合計4 套；在混合液外回流泵和混合液內回流泵處分別設置一套超聲波液位計，液位測量值作為泵的控制依據，合計8 套。

生化池設置精確曝氣系統，將每座生物反應池劃分成2個溶解氧控制區，實現對溶解氧的精確控制。

在每個溶解氧控制區對應的曝氣管上各安裝1 套氣體流量計，合計16 套；在每個溶解氧控制區對應的曝氣支管上安裝1 只電動調節閥，合計16 只。

在距離鼓風機房最遠端和最近端的曝氣管上各安裝1 臺壓力變送器，合計4 臺；在單座生化池好氧段安裝8 臺溶解氧儀，合計16 臺；在單座生化池安裝4 臺MLSS 儀，合計8 臺；在單座生化池安裝2 臺超聲波液位計，用于檢測各生物池的液位，合計4 臺。

4.5 平流式二沉池

本工程設有4 座平流式二沉池，每池8 個廊道。在每座池子第1、3、5、7 廊道內分別設置一套污泥界面計，合計16 套；在剩余污泥泵處分別設置一套超聲波液位計，液位測量值作為泵的控制依據，合計4 套。

4.6 高效沉淀池

每個集泥區內設一套一體化超聲波液位計，液位測量值作為污泥排放泵的控制依據。每個集水坑處設置一套浮球開關，輸出的超低液位報警信號直接連接至排水泵控制箱，防止排水泵干運行。

4.7 出水提升泵房

出水提升泵房集水井內設置一套一體化超聲波液位計，集水井液位測量值作為水泵的控制依據。出水加氯接觸池內設置一套余氯檢測儀。

4.8 出水流量計井

出水計量井內設一套DN2200 的電磁流量計，用于虹橋污水廠總出水流量的計量。

4.9 中水泵房

中水泵房出水總管上設置一套壓力變送器和一套電磁流量計。

4.10 鼓風機房

在鼓風機房每根出風總管上設置壓力變送器、溫度變送器和空氣流量計。

4.11 污泥脫水機房及料倉

污泥脫水機房內設置3 套雙探頭硫化氫檢測儀和2 套單探頭硫化氫檢測儀(含聲光報警裝置)，用于對脫水機房內的硫化氫濃度監測。污泥脫水機房設1 套便攜式硫化氫測量儀，作為工作人員安全保護用。

4.12 除臭系統

生物除臭裝置的出風管分別設置一套硫化氫檢測儀和一套氨氣檢測儀。

4.13 進出水水質檢測

在進水泵房集水井設水質取樣管，檢測進水水質。進水水質檢測內容包括酸堿度（pH）、溫度（T）、懸浮物濃度（SS）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH4-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。

在紫外消毒池設水質取樣管，檢測出水水質。出水水質檢測內容包括酸堿度（pH）、溫度（T）、懸浮物濃度（SS）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH4-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。

5 結語

自動化控制系統已在虹橋污水處理廠投入使用，且運行正常，取得了較好的效果。隨著時代的發展、科學技術的不斷進步，地下式污水處理廠模式將會得到越來越多的應用，該自動化控制系統的設計可以在類似模式的污水處理廠得以應用，并希望通過新產品的研發以及合適的科學的技術，進行綜合性的使用及改進，最終能夠實現提高工作效率，減少建設投資費用的目的。

圖2 自動化控制系統架構圖