污水處理生物轉盤工藝單機控制設計及創新

溫志軍

（北京中燕通科技開發有限公司，北京 101102）

0 引言

污水處理工藝中的生物轉盤工藝由進水提升泵、細格柵、旋流除砂、調節沉淀池、生物轉盤、濾布濾池、紫外消毒、脫泥機、PAC/PAM 加藥設備、進出口流量計和水質監測儀等設備組成。根據村鎮污水處理的現狀，設計了這套系統。本系統綜合應用各種自動化控制技術，能根據現場實際情況自動調整運行狀態，基本上不需要人工干預操作，可以實現無人值守的的目的。

1 生物轉盤工藝單機電控系統設計

1.1 進水提升泵

（1）關鍵技術——低液位保護。在低液位沒有水冷卻的情況下，提升泵如果不能自動停止就有燒毀的可能。這情況完全靠人工操作去控制是不可能的，需要自動控制。做法是：把液位計的輸出繼電器觸點串聯進提升泵的控制回路，只有提升泵全部被水浸沒且液位計測量可靠才會自動開啟提升泵。這時候的繼電器信號叫做“有水信號”。這樣會存在泵低液位停止后需要人工啟動的問題，解決的方法是將提升泵的啟動按鈕設計成自鎖按鈕。當然，“有水信號”的有和無之間要有一個緩沖區間，如液位高于1.2 m 后認為有水、液位低于1.1 m 時認為無水。這樣的緩沖區間基本上是0.1 m，以保證提升泵不必頻繁啟停。

（2）真正實用的技術——根據進水流量自動改變運行頻率。傳統的提升泵控制進水的方式，基本上是根據液位的高低啟停數量不同的提升泵，其缺點是有級調整，每次增加或減少一個泵的流量，系統的進水變化比較大。在變頻器價格比較昂貴的時期，該控制方式是比較適宜的。但是現在變頻器的價格比較低，采用變頻器調頻的辦法來控制進水流量更加合理。具體做法是把變頻器的頻率和提升泵池的液位關聯：當提升泵池的液位高時提升泵轉速高，反之提升泵的轉速低，這樣可以保證進水流量的連續可控。系統會使提升泵的頻率自動的找到管網進水流量和污水廠進水流量的平衡頻率，這時就使得污水管網平均來多少水量，提升泵就進多少水量到污水廠。這樣能充分利用管網分流的調節作用，使得污水廠進水流量比較穩定。當污水管網進水流量大的時候，提升泵的運行頻率高，進水流量也高，反之則提升泵的運行頻率低，進水流量也低、不過由于管網相對比較長，不平衡的管網水量經過長長的管網調節后，進水的瞬時流量基本上比較均勻。即利用《一種水處理的提升泵頻率控制方法》，該方法已經獲得國家發明專利（專利號：201810351894.7）。

1.2 細格柵

（1）傳統的控制方式——時間控制方式。這種方式下細格柵的運行停止時間是靠PLC 設定的，間隔一段時間后運行一段時間。運行時間和停止時間的設定需要在上位機設定，也可以采用本地PLC 現場設定、時間繼電器現場設定和邏輯控制器現場設定的方式。

（2）不太實用的控制方式——液位差計控制方式。細格柵前后的液位差是反應格柵過水能里的有用指標。當格柵堵塞時候，格柵前后的液位差變大，這時候就要啟動格柵來清除堵塞。具體控制方式和液位控制相同，也需要一個緩沖區間來防止格柵的頻繁啟停。例如，液位差大于0.2 m 啟動格柵，液位差小于0.1 m停止格柵。

（3）簡單實用高效的控制方式——變頻器控制方式。實踐中，用變頻器同時控制細格柵的各個設備的辦法更加理想，效果更好。這時候細格柵的各個設備有一臺變頻器統一拖動，頻率相同，而且連續運行，操作和控制機器簡單，運行人員調整方便，效果很好。

1.3 旋流除砂

旋流除砂系統主要由旋流機、羅茨鼓風機、砂水分離器、洗砂閥、提砂閥組成，其運行過程：旋流機旋轉1 h 以后，鼓風機啟動，同時打開洗砂閥閥門，開始洗砂，將砂斗里面的有機物和無機物砂子分離；15 min 后，洗砂結束，打開提砂閥，同時砂水分離器開始運行，將旋流除砂系統底部的無機物砂子用砂水分離器的螺旋輸送器排出；15 min 后鼓風機停止、提砂閥關閉和砂水分離器停止。旋砂機繼續運行開始下一個循環。

旋流除砂系統電控系統是個獨立的系統，采用施耐德公司的ZELIO 控制器實現工藝控制功能。系統啟動后能自動按程序循環運行，不需要人為干預。由于ZELIO 控制器的功能比較多，工藝運行時間參數可以認為設定修改，方便工藝人員調整。順序控制程序中各時間段的時間設定值是可以調整和斷電保持的，旋流除砂的電控設計是其最大的特點。

1.4 調節沉淀池

調節沉淀池主要是起到調節流量和沉淀污泥的作用。這里面，沉淀作用極其重要，這里也是系統中唯一的有沉降功能的地方。

調節沉淀池本身沒有執行元件，只是有高低液位的浮子液位開關。低液位只是用來指示調節池的液位狀態。高液位用來控制進水提升泵停止，使得調節池不因為溢流而浪費電能。只要把調節池的高液位信號串聯進提升泵的控制回流中，當調節池的液位升高時停止進水提升泵即可。

1.5 生物轉盤

生物轉盤主要由盤體、氧化槽、轉動軸和驅動裝置等部分組成。生物轉盤主要是通過電機的驅動使附著在盤片上的生物膜交替地與污水和空氣接觸，吸附和氧化污水中的有機物，使污水得以凈化，也是主要的生化反應器。

生物轉盤的主要電氣控制功能就是調速。當一個轉盤和氧化槽設計和建設好了以后，基本參數就定下來了。

生物轉盤的轉速和處理水量正相關，其計算公式如下：

式中 n0——轉盤的轉速，r/min

D——盤片的直徑，m

W′——氧化槽的凈有效容積，m3

Q1——每個氧化槽的污水量，m3/d

以半浸沒直徑3.6 m、日處理量500 t 的生物轉盤為例，當達到500 m3/d 最大處理量的時候的轉速約1.45 r/min。

生物轉盤變頻器頻率控制是先進可靠關鍵的生化系統的保障。生物轉盤的轉速主要是靠變頻器來調整速度。根據速度控制要求，生物轉盤變頻器輸出頻率的和生物轉盤的進水流量正相關，進水流量越大、變頻器輸出頻率越高，反之輸出頻率越低。由于采用的是普通變頻異步電機，如果變頻器的輸出頻率低于5 Hz，電機效率將下降，所以可以設置變頻器的最低輸出頻率為5 Hz，以保證轉盤電機的效率。同時，為保證進水量低時生物膜生長均勻，也需要設置變頻器的最低輸出頻率為5 Hz，否則生物轉盤長期停轉后生物膜將會單邊生長，導致轉盤偏重而無法運行。可以利用《一種生物轉盤掛膜厚度測量方法》來測量生物轉盤的掛膜厚度，該方法已經獲得國家發明專利（專利號：201710713014.1）。測量到生物轉盤的厚度后，可以利用《生物轉盤掛膜厚度的控制方法及系統》的方法控制生物轉盤的掛膜厚度。該方法已經獲得國家發明專利（專利號：201711366252.6）。

1.6 濾布濾池

濾布濾池主要由纖維轉盤，電動閥門和自吸泵等控制元件組成，主要靠濾布的物理過濾性能實現工藝目的。當濾布的過濾性能較好時，基本不用人為干預和設備運行。當濾布通過性變差時，可以用自吸泵抽吸掉濾布表面的附著物，同時旋轉纖維轉盤以保證均勻的吸附效果。

濾布濾池的電氣控制，是完美的污水處理工藝必不可少的環節。濾布濾池的自動控制采用西門子S7-200PLC 控制。電動閥門分為兩類，一類是濾布兩側的抽吸管道閥門，另一類為濾布濾池底部的排泥閥門。可以設定的參數有每個閥門的開啟時間、自動循環的的間隔時間、底部排泥閥門的運行間隔時間。同時，為了延長濾布的使用壽命，設置了超聲波液位計或浮子液位開關，當濾布堵塞后、濾布濾池的液位高到一定程度后自動運行排泥程序。濾布濾池內部液位達到運行高度后，PLC 會控制濾布兩側的管道上的電動閥門依次動作，同時自吸泵和轉盤運行，當電動閥門設定的打開時間到了以后自動切換到下一個閥門工作。傳統的多閥門控制方式有很多問題，可以利用《一種污水處理濾布濾池自動控制方式》的控制方式實現對濾布濾池的控制，該方法已經或者國家發明專利（專利號：201710707716.9）。

2 結論

除了傳統的控制方式，本系統還采用了很多創新性的控制技術。在該單機電控系統的設計之初，既要考慮每臺設備能分別獨立運行，同時全廠的設備必須能脫離操作人員的干預獨立自動運行，還要考慮在中心廠區設置集中控制室的集中控制和統一管理各分廠設備運行的需要。為了實現上述目的需要全面綜合應用繼電器控制、PLC 技術、變頻器、現場總線和組態軟件和數據庫技術以及遠程監控功能，目前設備開發的相關成果已經獲得國家發明專利。