某污水處理自動控制系統總體設計

馮慧淵

（忻州市神達潔源環境科技集團五寨水凈化有限公司，山西 五寨 036200）

引言

污水處理是對人類生產生活污水進行凈化的過程，是現階段實現污水“零排放、內循環”的重要途徑。然而，污水處理是復雜的生化反應過程，涉及的儀器儀表種類繁多，如污水電磁流量計、流量控制器、液位控制器和液位計等。傳統的人工控制污水處理廠技術在安全、穩定、長周期和優化運行等方面存在較大的缺陷，在廢水量激增時，處理成本超出預計，處理效果令人堪憂，人工控制方式已遠遠不能滿足現代社會經濟發展的需求。

自動化控制是機電一體自動化集成控制技術，主要包括過程自動化、管理自動化和機械制造自動化[1]。自動化控制系統是工業、農業、國防和科學技術現代化的重要條件，通過自動化控制對機器、設備和儀表進行自動調節、檢測，以達到增產提質、降低成本和勞動強度、保障安全等目標。因此，有必要采用包含控制器與控制對象的自動化控制方式，構建可視化的污水處理系統，提高污水處理的質量和效率，保障污水處理廠正常高效運行，節省人力、物力，最終實現滿足排放要求。

1 某污水處理廠工藝流程

本文以某企業煤三期項目為背景，遵循污水處理行業的發展趨勢，對污水處理的控制系統進行改進研究設計，實現了設備運行狀況的可視化及污水處理系統的自動控制，達到了企業的預期目標。

1.1 基本工藝

傳統污水處理的三個步驟為一級處理、二級處理和三級處理[2]。

1）一級處理。通過格柵去除污水中較大的固體污染物及顆粒較小的雜質，這里所說的格柵包括粗格柵和細格柵，污染物和雜質包括有機物質及無機物質，一級處理主要是物理處理，并沒有達到國家規定的污水排放標準，還需要通過化學方法對其進一步處理。

2）二級處理。經過一級處理后的污水，加入生化藥物進行二次凈化，通過具有活性污泥的曝氣池及沉淀池的處理，進一步降低污水中的雜質含量。二級處理后污水基本已經達到國家規定的污水排放標準，對保護環境起到了一定作用。

3）三級處理。為了進一步降低二級處理后水中的磷、氮和有機物、礦物質、病原體等，通過離心力進行深度處理，形成水與污泥的最終分離。三級處理是污水處理三個級別中的最后一級，可以較好地除去污水中的部分病毒以及細菌。

三級處理后的污水可以進入水道，實現污水資源化，可在一定程度上解決水資源短缺問題。但是，三級處理后的水仍不能作為生活用水使用。

1.2 煤三期污水處理工藝流程

本次煤三期污水處理工藝流程遵循污水處理的三級處理工藝。首先進行污水一級處理，通過格柵進行基本清理，初步降低水中的污染物及雜質含量。再進行污水二級處理，通過在反應池中加入藥劑的方式，對其進行生化藥物處理，使其變成無害的物質。對污水進行三級處理，將凈化后的污水注入沉淀池，在沉淀池中加入混凝劑和絮凝劑，最后污水通過脫水機進行分離。本項目的污水處理廠工藝流程如圖1所示。

污水處理中最重要的是二級處理，對污水中有害物質去除率最高。在本次優化設計的污水處理系統中，為了能夠實現自動化和可視化控制，系統在進水泵房的潛水泵上裝有液位傳感器，粗、細格柵兩端安裝有超聲波液位差計，氧化池中安裝有感應器的溶解氧儀及超聲波液位差計，它們皆可將檢測的信息傳送到PLC上，分別控制潛水泵、清污機和曝氣機的運行、停止。

2 污水處理廠系統功能分析

2.1 污水處理系統主要功能

PLC（可編程邏輯控制器）是一種專用于工業控制的計算機，通過數字或模擬方式控制各類機械或生產過程。本次設計的污水處理系統需實現以下功能：

1）控制操作。在中央控制室中可以實現對設備實時控制，即在線遠程控制設備啟動、停止等。

2）數據處理。獲得相關有用的經驗參數，為參數調整提供數據支撐。

3）設備信息的直觀描述。實現設備相關參數以及運行狀況的實時觀察。

4）報警功能。出現運行異常時，污水處理系統會自動發出報警信息，實現設備平穩快速地運行。

5）打印功能。實現數據的文本化歸檔。

2.2 控制系統性能要求

要實現污水處理的自動化控制，最終經過處理的污水達到國家規定的排放標準，需要滿足“穩”、“快”、“準”三個硬性標準。

1）“穩”，即當控制系統受到外界干擾后，可保持系統變化在一定誤差范圍內。

2）“快”，即當控制系統受到外界干擾后，自動控制系統能快速自動調節參數達到預設值。

3）“準”，即控制系統性能優異，給定系統的輸入值與系統相對應的輸出值之間差值較小。

3 控制系統總體設計方案

3.1 控制系統結構

被控對象及自動化裝置對實現污水處理的自動控制極為重要，其中自動化裝置一般通過可編程程序控制器來實現[3]。本次選定的被控對象主要有閥門、離心機、水泵及攪拌器等，自動化裝置主要有儀器儀表的測量部分、相應的參數調節裝置及發生故障的報警裝置等。本次設計的自動控制系統采用多層控制系統，以達到既定的控制目標及較好的控制效果，同時控制系統主要通過PLC、計算機監測及測量儀器儀表實現。控制系統基本結構如圖2所示。

控制層主要是實現污水處理系統的控制功能，一般采用PLC作為控制系統的主要控制器件。控制層的主要研究對象是系統的生產過程，將各個獨立的設備通過傳感器連接在一起，對生產過程中的設備運行狀況進行數據采集，通過綜合分析判斷，達到對控制系統的優化控制。

監控層主要是對運行中的設備狀態進行監控。監控層主要面對操作人員，可以通過顯示屏等輸出設備觀察設備的運行狀況及其參數，并對觀察到的信息進行判斷處理，以進一步改進控制系統的狀態，實現控制系統的優化升級。控制層主要由工控機、存儲信息的服務器及相應的設備組成，并利用成熟的組態軟件對控制系統進行軟硬件連接。

管理層一般是信息的管理與存儲。管理層可以實現信息的分類存儲，便于隨時調用信息，還可以實現歷史數據庫與實時數據庫的綜合評估，及時發現問題并處理，為參數的調整提供數據支撐，最終實現生產過程、質量管理及成本控制的綜合處理。

3.2 三大控制子系統

該系統主要由格柵機、泵房潛水泵和曝氣沉砂池控制子系統組成。其中，格柵機的啟停一般是根據注入池中的污水液位差來決定，故需要在格柵前、后安裝超聲波液位計等檢測液位的儀器，且啟停周期可以視水中雜質情況進行人工修改或者自動調整，更好地過濾掉污水中的雜質[4]。本次污水處理系統共有4臺潛水泵，三臺主泵機與一臺備用泵機為輪流啟動方式，采用液位分區的方式實現水泵的啟動。曝氣沉砂池主要實現污水中雜質的分離，在正常運行過程中，沉砂池中的污水通過攪拌機飛速旋轉，改變曝氣的強度就可改變污水旋流的速度，通過PLC程序設計實現吸砂機以及砂水分離器的啟停。

4 結語

以污水處理廠的工藝流程為理論基礎，采用多層控制的方式進行設計，通過PLC對運行過程進行控制，實現了對設備的實時監測，達到較好的污水處理效果。