小型污水處理廠智慧平臺的建設

楊 曦

（中海油節能環保服務有限公司，天津 300450）

隨著國內中小型污水處理廠發展成熟和環保政策持續收緊，傳統污水處理廠的運營管理模式已無法滿足現代污水處理廠高效率、精確化、智能化的運行要求。小型污水處理廠實施智慧平臺系統的建設越來越受到關注，同時這也是國家推行“智慧環保”實現環保產業智慧化、智能化、數字化轉型升級的內在需求和必然趨勢。智慧平臺系統屬于“新基建”，在2018年中央經濟工作會議上首次提出，后又被列入《2019年國務院政府工作報告》。它是結合了新一輪科技改革和產業革命特征，面向國家和企業科技創新需要而發展起 來的。

智慧化運維是確保污水處理廠科學、高效、安全運行的關鍵措施，智慧污水處理廠平臺建設融合了日常運維信息和多元化數據流，使管理決策更加規范[1]。智慧污水處理廠是運用工業通訊、云計算、大數據等新一代信息技術，實現污水處理設施數字化、信息可視化、控制智能化，在線監測實時化、調度科學化，促進污水處理規劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式。

1 項目描述

項目所在污水處理廠設計處理能力1 800m3/d，污水處理工藝為A2/O+砂濾+UF/RO深度處理工藝，為港區配套污水處理環保設施，主要接收和處理港區產生的生活污水和少量工業污水，生產系統主要分為污水生化處理系統、污泥處置系統、臭氣處理系統和深度處理系統，深度處理后的出水達到回用水水質標準，回用水進行綜合利用。通過對自控系統與智能化管理平臺的融合升級，包括：網絡拓撲規劃及安裝調試，中控系統重新組態，整合監控及巡檢功能等優化內容，進入模塊化智能管理平臺。實現現場生產數據、視頻實時監控和設備的全生命周期管理，重要生產數據開發關系型數據庫本地存儲，并提供報表、3D模型展示等功能，具體實現以下工程要求：

1）通過統一的數據采集、篩選及處理標準，實現污水處理廠設備管理的全生命周期流程，包括設備預警、設備壽命管理，建立從上至下的水務標準化、規范化運營管理，達到各層級管理的無差異化。

2）整體生產系統具備工藝實時監控、設備管理、設備報 警、自動報表系統、自動加藥系統的信息化管理。

3）建立在標準化運營及信息化管理的基礎上，提高運營管理質量，通過能源成本有效監控和設施設備的科學維護，實現精準運維。

2 智慧平臺實現的總體框架

智慧水務平臺集成的污水處理廠運營過程所需的模塊化子系統較多。有基于自動化系統的生產監控與數據管理系統，也有基于流程管理的運營和設備管理系統[2]。智慧平臺建設是由各功能模塊構成主體框架的平臺系統，主要模塊各自獨立運行，考慮到長遠規劃，采用穩定的、擴展性強的模塊來構建智慧水務管理平臺。通過模塊化組件單獨開發并作為軟件單元使用，同時采用服務器和瘦客戶機，承擔數據庫服務、數據存儲功能和數據處理服務的功能。采用服務器直接與PLC通訊的方式獲取數據。對于新建的場站，可隨時納入智慧平臺集中管理。整個系統分為三個主要部分：

1）三維可視化平臺，通過專業軟件完成整個水廠的工藝設備流程的三維展示。

2）生產SCADA平臺，將數據監控、設備管理、能源管理、藥劑管理、報表管理、預警管理、趨勢曲線、操作記錄以及權限管理均集在SCADA生產管理平臺（圖1）。

圖1 智慧平臺功能模塊示意圖

3）視頻監控平臺，用于監控全場攝像頭視頻數據。

3 智慧平臺建設目標

智慧水務是在水務信息化的基礎上高度整合水務信息資源并加以開發利用，通過物聯網技術、無線寬帶、云計算等新興技術與水務信息系統的結合，實現水務信息共享和智能管理[3]。通過小型污水處理廠智慧平臺建設項目的實施，使該污水處理廠的運營管理得到整體優化與提升，達到穩定高效運行和節能減排的目的。智慧水務系統能夠提高污水處理廠運行效率與管理水平，實現過程管理的標準化與精細化，從內部操作技術的提升到外延的運行管理都有一個質的提升，使污水處理廠日常運營成為標準智能化的管理模式。通過高效智能化的運行模式，提升運維人員的專業技能從而形成水處理專業運營管理團隊，使該污水處理廠成為水務運營示范平臺。

智慧水務平臺建設，通過統一的數據采集、篩選及處理標準，全生命周期的設備管理流程，建立從上至下的水務標準化、規范化運營模式，達到各層級管理的無差異化。實現電子化報表系統、工藝監控系統、設備管理系統、數據分析系統、報警管理系統，線上實時管理，任務及時下達的信息化管理。建立在標準化運營及信息化管理的基礎上，提高運營管理質量，降能減耗，建立設備預警和維保規程，實現污水處理廠精準運維。

4 智慧水務平臺主要建設內容

4.1 工藝運行控制

工藝設備遠程控制，根據水質水量數據設定水泵、風機設備的自動啟停及頻率調整操作；通過在線實時監控動設備，主要是鼓風機、潛水泵等的電流、電壓等參數，通過大量數據分析，掌握主要設備的故障模式和效率曲線，降低設備故障率，提高設備運行效率。

4.2 數據分析管理

污水處理廠實時運行信息與日常管理信息均來源于運營階段，包含：設備運行參數、在線監測裝置數據、水質化驗數據、巡檢消缺數據、設備臺賬、維保數據、視頻監控數據、備品備件、藥劑庫存數據等。對生產、化驗、設備運行狀態等數據進行記錄、存儲、輸出管理，可形成相應格式的報表、曲線圖。在平臺上直觀實時地展現所需要了解的信息。通過WiSCADA的自動報表功能，將生產數據自動生成報表，并存儲在虛擬報表服務器的數據庫。

4.3 設備維護管理

通過對設備信息的錄入，包括設備采購信息、技術協議、設備日常維護保養、維修信息等，實現智能化、預防性設備維護管理，通過數據積累，統計生產設備故障類型和原因，科學制定設備維護的周期和內容，實現生產的連續性和采購庫存的科學管理。

4.4 生產及預警管理系統

生產管理建設為統籌協調和有效預警的模式，能夠形成規范管理、合理分析、精確處理、高效運行維護的安全生產標準體系。根據污水廠工藝流程和運行現狀，對整體污水廠流程進行3D在線實時動態模擬，可以直觀地體現污水廠的實際運行情況，包括進水量、水位高低、設備運轉情況、水質達標情況、故障報警等。

根據各個設備的運行電流、功率進行電耗計算分析，實時顯示各個設備、工藝段以及全廠的能耗情況，判斷高能耗設備，提醒優化及調整。

4.5 精確加藥及曝氣控制系統

基于邊緣計算及先進控制策略的精確加藥及曝氣，以 DCS或 PLC控制為主的微循環自動控制。分析基于“前饋與反饋”的優化控制策略以自動控制加藥量，該系統以進水負荷和磷酸鹽濃度作為控制信號，可根據生化系統的實際運行情況自動調節除磷藥劑投加量，實現除磷藥劑的按需投加，在出水水質達標的前提下，降低藥劑投加成本。藥劑投加智能化以在線儀表數據為基礎，通過構建合理的數據模型，自動控制投加藥劑量，達到穩定生產，節約藥劑的目標。

4.6 自控系統

通過傳感器閉環控制維持系統運行和關鍵調整，通過執行機構對設備系統的運行和邏輯進行指揮，從設備及監測儀表最大程度收集數據，用數學軟件與PLC集中分析信息，以獲得系統的高級別潛在信息并制定各設備及終端工作邏輯，形成高水平自主控制體系，整個體系是基于智能分析體系分析結果的實際應用[4]。整體工藝設備、加藥系統，砂濾系統，中水系統、進出水在線監測系統分別設置遠程IO站，采集就地設備的狀態和控制信息，遠程I/O站和主控制器之間采用EtherNet/IP DLR環網技術實現網絡的冗余。

5 結論與建議

將智慧水務應用到污水處理廠運營過程中，可以借助大數據技術、先進的計算機與通信技術實現對污水工藝流程及時、準確的數據監測，這也成為污水處理廠運行管理的一種必然趨勢[4]。通過智慧平臺建設項目的實施，以新一代信息技術為手段，實現生產、運行、維護，調度和服務等全過程，各環節高度信息互通，反應快捷，極大提高了污水處理的管控效率，保證了污水水質的穩定達標。合理利用智慧平臺系統可以使水務運營更加規范化、智能化、精細化，不僅可以改進環保企業與政府以及社會公眾之間的信息對接，提高對水資源的管理和合理利用能力，也促進了人類社會與自然環境的協調發展[5]。

智慧水廠平臺建設項目的實施，以服務于港區居民及生產企業為主要目的，主要效益表現為對現有污水處理廠節能降耗以及出水穩定達標帶來的社會和經濟效益。項目實施后，污水處理廠出水水質將得到有效保障，水處理設施自動化水平提高，環境預警的建設，降低了由于人為運行帶來的環境風險，促進環保企業的優化組合。努力完善能源產業結構，激發地區與企業開發使用可再生的綠色能源。