自動化控制系統在污水處理廠的應用

陳 盈，董金治，吳鄭垚，李寶強，鄭 卉*

（1.浙江竟成環保科技有限公司，浙江 溫州325000；2.溫州市工業科學研究院，浙江 溫州325000）

隨著社會經濟水平的不斷進步，人民生活水平日益提高，樂清市下轄的清江鎮、南塘鎮、芙蓉鎮工業區的建設快速推進，以及清江鎮、南塘鎮、芙蓉鎮居住區由老城往外擴張，生活污水排放量將迅速增加，如不進行有效處理，水環境污染將日趨嚴重，已建成的處理規模0.35萬m3/d的污水處理廠遠遠不能處理發展中的三鎮的生活污水。因此，應堅持環境與基礎設施先行的原則，對清江污水處理廠進行擴建和改造。長期以來，污水處理的自動化控制一直是污水處理的核心，自動化水平的高低直接影響污水廠維護人員操作方便性及出水的穩定性。本項目將污水處理流程工藝過程參數、主要設備運行情況等數據信息傳輸至中控室，在中控室即可對生產情況和工藝參數進行PLC自動控制與調節。

1 污水處理廠概述

樂清市清江污水處理廠中期工程總規模為0.9萬m3/d，擴建規模為0.55萬m3/d，工藝技術方案采用A2/O工藝，是厭氧/兼氧/好氧組成的處理模式，利用生物處理法脫氮除磷，為深度二級處理工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準，詳見表1。

表1 進出水水質

主要工藝流程：市政污水→粗格柵渠→提升泵房→細格柵渠→旋流沉砂池→厭氧池→缺氧池→好氧池→二沉池→加藥終沉池→過濾池→紫外消毒池→計量外排池。

二沉池剩余污泥和加藥終沉池污泥依靠污泥泵至污泥貯池，在污泥貯池均質后通過廂式壓濾機脫水，脫水后的泥餅集中外運處置。

污水處理廠產生的廢氣通過密閉收集后通過引風機輸送至生物濾池，經過處理后15m高空排放。

2 設備配置和使用

2.1 主要設備配置

中期擴建工程主要設備的組成可根據作用功能分為：預處理單元、生化處理單元、物化沉淀單元、深度處理單元、污泥處置單元。清單詳見表2。

表2 主要設備配置

2.2 設備使用布局及作用

粗格柵機和污水提升泵屬于預處理單元設備，粗格柵機將較大的污物清除后，污水通過提升泵房的污水提升泵匯入原一期建有的細格柵渠和旋流沉砂池，經過預處理工序后排入后續生化處理單元。

生化處理單元主要由磁懸浮風機、潛水攪拌機、回流泵和污泥回流泵等設備組成。污水先匯入設有潛水攪拌機的厭氧池和缺氧池，在厭氧微生物的作用下分解污水中的有機物，去除大部分COD。缺氧主要是用于好氧配合，將好氧池內污水回流至缺氧池前段起到反硝化去除硝態氮的作用，達到脫氮的目的，同時去除部分BOD并在水解反應作用下提高了污水的可生化性。在好氧池內通過曝氣器和外置磁懸浮風機保持水里的溶解氧含量在2mg/l以上，好氧菌進一步將有機物分解為無機物，進入后續物化沉淀單元。

物化沉淀單元主要由反應攪拌機、加藥攪拌機、刮泥機、排泥泵、PVC計量泵等設備組成。好氧池內污水先匯入二沉池，通過刮泥機將原有污泥截留在二沉池內，污泥回流至好氧池前段，保證好氧池污泥濃度，剩余污泥排入污泥貯池。最后上清液流入加藥終沉池反應段，計量泵通過進水量調節投入反應池內的加藥量。在反應池內充分混合后進入沉淀區域，實現固液分離，刮泥機將終沉池內污泥集中至泥斗處，通過排泥泵將污泥排至污泥貯池，上清液至深度處理池。通過加藥終沉池的絮凝和沉析作用可去除生化處理單元無法去除的有機磷。

深度處理單元原一期已建，主要由V形濾池和紫外消毒池組成，將原有設施返修整改即可使用。污水經過加藥終沉池后為保證出水懸浮物在標準范圍內，設有V型濾池，經過濾池處理后的污水流入最終的紫外消毒渠，通過紫外燈的作用起到殺滅細菌的作用，達標廢水集中外排。

污泥處置單元主要由空壓機、氣動隔膜泵、壓榨泵、加藥系統、壓濾機、螺旋輸送機等設備組成。將匯入污泥貯池的二沉池剩余污泥和終沉池污泥均質后通過啟動隔膜泵至壓濾機內脫水干化處置，通過螺旋輸送機輸送至污泥斗內，外運集中處置。

3 自動化控制系統的配置

自動化控制系統主要由現場控制層、儀器儀表、通信網絡、中控WINCC系統四部分組成。

3.1 現場控制層配置

現場控制層配有PLC控制柜、MCGS觸摸屏、以太網交換機、UPS等，各處理單元配有就地控制柜，根據位置和作用的不同，中期擴建工程將現場控制柜分為8個，如下：提升泵房控制柜、細格柵間控制柜、風機控制柜、綜合處理池控制柜一、綜合處理池控制柜二、脫水機控制柜、過濾池控制柜、在線監測控制柜。MCGS觸摸屏可供現場巡檢人員操作，保障設備故障時可及時停機。

3.2 儀器儀表配置

為實現污水廠的自動化控制和處理過程監測配置，儀表分為過程儀表分析儀和在線監測分析儀。

過程儀表分析儀主要有：pH分析儀、ORP分析儀、污泥濃度儀、電磁流量計、渦街流量計、超聲波液位計等；過程儀表接入現場控制層PLC，在線監測數據除傳輸至平臺外，同時傳輸至中控室，便于運維人員對進水水質的把控與出水的監控。

各單元過程儀表配置情況如下：提升泵房設有超聲波液位計，用于液位保護；厭氧池和缺氧池內安裝pH分析儀、ORP分析儀，監測過程單元pH值、硝酸氮濃度和反硝化情況；好氧池內安裝溶解氧分析儀、pH分析儀、ORP分析儀、污泥濃度儀，作為控制信號和反饋信號，用于風機供氣量的計算和控制；在風機出口處安裝渦街流量計，用于計算風機出口風量，作為變頻器風量調節控制的反饋信號；在線監測分析儀根據監測因子和要求的不同進出水設備的配置具有一定差異。

為跟蹤超標排放的企業和防止進水超出設計水質范圍導致系統崩潰，進水在線監測房配置：pH分析儀、氨氮分析儀、總氮分析儀、總磷分析儀、COD分析儀、進水電磁流量計、數據采集儀。進水水質直接傳輸至泵站管理中心平臺，根據各泵站的來水分析大致確認違規排放的企業區塊，對企業勒令整改和處罰，保證污水廠穩定運行。

為監管運維單位和出水水質情況，出水在線監測房配備：pH分析儀、氨氮分析儀、總氮分析儀、總磷分析儀、COD分析儀、出水明渠流量計、數據采集儀、超標留樣儀。出水水質直接傳輸至國控環保在線監測平臺，加強水質監管，提高運行人員的責任心。

3.3 通信網絡配置

PLC自動控制系統通信網絡可分為管理層、單元層、現場執行層三層。

管理層，主要由服務器、打印機、主站PLC、工業以太網、監控等組成，用于監控管理的設備。

單元層，主要由各現場控制PLC柜和工業以太網組成，采用多模光纜，全雙工以太網傳輸。

現場執行層，主要由AS-I現場設備、執行器、傳感器等各類儀表組成。現場執行層設備主要采用485通信和4-20Ma模擬量信號連接。

3.4 中控WINCC系統配置

在中央控制室設有自控系統，配有：WINCC監控軟件和數據平臺、二套操作系統、一幕布投影設施、二臺打印機、一套數據服務器等。

二套操作系統互為備用，同時接收及處理現場采集的所有數據，集中控制與管理污水廠內現場控制層控制設備，記錄與查詢污水處理廠生產運行的主要數據和信息，在數據查詢平臺調用并打印數據。

通過組態軟件可將整個污水廠的平面布置和控制策略集成到一處，在中控室即可調看在線監測數據，過程儀表檢測數據變化情況以及系統的數據采集和處理并顯示設備運行情況、異常報警、歷史數據查詢、報表輸出等工作。

4 自動化系統控制

項目為擴建工程涉及一期工程的自動化整合和中期擴建工程的新建，將整個污水廠的污水自動化控制集中至一個中控室進行控制和處理，將原先合理的程序應用不變，將欠缺部分進行優化。

4.1 粗格柵控制

粗格柵是污水處理的第一步，直接關系到后續污水處理的清渣工作量和維修工作，主要目的是去除固體廢棄物垃圾，及時將其清理出工藝流程。

對格柵機的控制，需要監測格柵機兩側的液面差。通過格柵機前后的液位差來反映格柵機阻塞程度，進行分析計算。當液位差超過預設值后，系統控制清污機運行，清除大顆粒的污染物質，保障污水流動暢通；在液位差未超過設定值時，清污機處于停止狀態，這樣就可以大大減少設備損耗。若在液位差控制不采用的情況下可以切換控制方式采用時間控制，定時開啟粗格柵的運行進行清渣。

4.2 污水提升泵控制

污水提升泵采用變頻控制，由超聲波液位計取得液位信號及自動控制泵的開停及臺數。系統累積各臺泵的運行時間，自動輪換水泵，保證各臺泵累積運行時間基本相等。水泵設置低液位保護，低液位信號傳至PLC，PLC通過對數字量的校驗，做出相應的動作，并將該信號重新反饋至相應的水泵，所有水泵處于聯鎖狀態。

4.3 過程pH自動控制

pH值的控制是該污水處理系統中的重要指標。污水廠主要工藝流程的處理單元內，安裝pH值傳感器，4～20mA模擬信號送PLC，由PLC控制堿泵和電磁閥化學藥品的投加量，保證pH值在給定值。在中控室控制面板上數顯表顯示各處理單元pH數值及堿泵的運行狀態，并對故障信號報警。

4.4 好氧池自動控制

好氧池在污水處理上有著非常重要的作用，是去除污染成分的主要處理單元。用于好氧池充氧的鼓風機是污水處理廠的主要能耗源之一，風機的運行占據污水廠1/2至2/3的電能。降低能耗是自動控制重要的策略之一。

設定好氧池的DO濃度為2-4mg/l，當溶解氧濃度低于設定值時，開啟風機，根據溶解氧濃度確定變頻器的運行頻率，通過渦街流量計反饋流量信號，并計算出需要供給的氣量。當滿足設定條件的上限時，磁懸浮風機受變頻器控制改為低頻運行或停止運行，整個過程通過PLC實現PID調節。

4.5 加藥自動控制

在加藥終沉池和污泥脫水過程中為增加沉淀效果和污泥脫水性，使污水中懸浮顆粒能夠形成具有良好沉淀性能的絮凝體，達到泥水充分分離的處理效果，需進行絮凝劑投加。加藥終沉池的加藥量根據終沉池的進水量和進水濃度控制，脫水加藥根據脫水機的進泥量按照配比投加控制。

4.6 污泥回流控制

由于系統中不斷有新污水的排入，為保證好氧池中污泥濃度，需補充好氧池內污泥量，保證微生物分解能有效進行。活性污泥由二沉池回到好氧池的進口，形成污泥回流。好氧池內活性污泥的濃度直接影響分解有機物的效果。在污水處理系統中對回流污泥設置自動調節，同時工作人員可根據運行情況對回流污泥泵進行手動調節。

4.7 剩余污泥控制

整個系統中的污泥量由隔膜泵動力驅動流至處理設施，因此其流量基本為固定的，且污泥的產生與其加藥總量有著密切的關系，對加藥量的控制也是一定的，因此采用時間控制定時排泥，實現排泥無人看守。根據具體的情況設置排泥時間，排泥時間在中控室及觸摸屏上均可更改。時間控制進行排泥，大大降低了勞動強度，使原先復雜繁瑣的排泥更加自動化、人性化。

5 結束語

隨著污水廠處理系統的不斷完善，對環境保護和生態文明建設起到了巨大作用。PLC自動控制系統應用于污水處理廠不僅提高了污水處理生產效率，使得污水處理能力增強，而且大大降低了勞動力投入，降低了運行成本，產生了較高的經濟效益和社會效益。