城鎮污水處理過程設備自動控制的研究

王雨嬌

（江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211170）

隨著城市規模的擴大和城市總人口的大量增加，水污染和水體富營養化等一系列生態環境問題也相繼出現，水資源的污染增加了[1]。城鎮排放的污水能否得到充分凈化與污水處理技術密切相關，也與城市生態環境保護基礎設施的實施以及可持續發展理念的發展戰略有關。因此，科學研究對改善城市污水處理技術具有十分重要的意義，本文對廢水處理設備自動控制系統的科學研究對業界發展具有一定的啟迪作用。

1 污水處理現狀

1.1 進口設備大修及設備配件的開發

在中國，水處理設備多為進口，部分進口設備很容易產生不同程度的損壞。因此，對于國內外的技術人員來說，提高對進口設備的維修保養是十分必要的，相關人員應徹底掌握維修規范，還要有充足的備用備件。對于一些即將淘汰的設備，其零部件必須在國內自主生產、加工和制造。只有保證它們的正常運行，進口設備才能充分發揮其作用。否則，設備的破壞和備件的缺乏，將危及污水處理站的正常運行，造成巨額財產損失。

1.2 廢水處理效率低

中國雖然建成了很多污水處理站，但在城市的覆蓋率并不高。現階段，該市正準備啟動污水處理站建設規劃。然而，二三線城市尚未將污水處理設計納入城市建設議程。首要因素是缺乏開發資金，地方政府對污水處理不重視或不籌集資產加快水污染治理項目建設。

1.3 未結合本地實際情況

很多地區在選擇生活污水處理工藝技術時盲目跟風，沒有結合本地區的具體情況，盲目追趕流行的處理工藝。不了解本區域的滲水水體，無法解決水量問題，導致設施閑置，無法正常使用，基建項目投資的擴大也增加了日常運營成本。

1.4 缺少除臭與污泥處理的設備

污水處理站的進水水庫、格柵室、初沉池、沉淀池、污泥處置系統污泥儲罐、烘干主機房會產生明顯的異味，但很多污水處理站沒有除臭設備。也就是說，它危及操作人員的身體健康，同時也對周邊居民的生活環境造成環境污染。淤泥沒有最終處理方法，大部分污水應用后沒有解決方案，導致明顯消耗，應建立良好的后續處理設備，消除環境污染，保護生態環境。

1.5 污水處理站運行預算不能及時

全國現階段已投入運行的污水中，超載的不到1/3。其根本原因是經營預算不及時，中國基本建設存量資金相對有限，地區扣除的土地稅不可靠和規范。這造成了很多省份的土地稅扣除不均，有的只向加工廠和企業收費。對于到戶，或雖有扣除，收費標準定在較低水平，遠未達到污水處理站日常運行所需的最低成本。因此，建立嚴格可靠的土地減稅政策法規是應對資金不足的必要途徑。

2 目前中國城鎮污水處理設備自動控制存在問題

2.1 目前中國新老污水處理廠技術現狀

現階段，中國大多數污水處理站已經建立并配置了自動化技術，但是自動化技術的水平仍處于初級和中級的發展水平[2]。在現階段，中國廢水處理自動化的水平從頭到尾都沒有擺脫探索的步伐，與國際廢水處理的水平差別很大。此外，現階段中國大量舊式污水處理站盡管已經對污水處理技術進行了升級和改造，但是各個老舊污水處理廠的自動控制技術仍舊參差不齊。

2.2 自動化研發水平滯后于控制系統需求

盡管目前中國污水處理技術已有所改進和升級，但目前中國污水處理設備電動執行器的研發水平仍遠遠落后于自動控制系統的規定。調節機構和制動器一起形成電動制動器。控制面板輸出的數據信號由電動執行器轉換為匹配的命令驅動數據信號。

控制器、智能變送器及其精確的測量組件構成了自動控制系統。這種設計水平不僅適用于廢水處理技術，而且已在更廣泛的工業生產行業中被應用。結果，在許多行業中出現了具有單獨安裝和集成的全自動控制系統的各種設備。關于污水處理設備的自動系統，正常情況下沒有良好的工作環境。安裝該設備的污水處理站的工作室環境非常差。該自動機器在操作后用作電氣設備。盡管執行器的作用很大，但通常無法獲得基本的維護和修理，這會使廢水處理電動執行器遭受偏癱或浪費。廢水處理速度越來越慢，質量越來越差。通過人工進行手動維護，無法確保全自動控制系統能夠正常工作。由于在整個應用和應用過程中都存在很大的困難，工作環境無法滿足全自動電動執行器的工作標準。其中，電動執行器的缺點主要表現為設備中間區域的極度缺乏和公差配合。當廢水處理系統的技術必須進行更新時，由于無法完成平滑連接而難以升級技術。

2.3 多樣化設備產生的問題

在現階段，中國市場上的廢水處理設備制造廠缺乏統一的規格和標準，制造的設備質量參差不齊，制造商管理方法很多。此外，由于中外規格型號不統一，設備多樣化直接導致了目前中國污水處理設備的技術性差距大和設備不通用等問題。

3 城鎮污水處理與設備自動控制改進對策

3.1 加大技術創新力度，完善設備生產標準

要提高城市污水處理技術創新水平，積極開展科學研究，選擇新技術、新工藝，提高污水處理能力[3]。有必要擴大設計方案的范圍，以確保設備的特性滿足污水處理廠的要求。有必要不斷完善設備的自動化技術控制系統，使廢水處理的實際效果更加有效。制造商必須統一設備標準，以確保設備制造更加標準化，滿足市場的要求，并促進完成廢水處理領域的良好發展趨勢。能夠對當前規范進行更改，并在連續測試后進一步完善規范以使該規范成為強制性的。首先，必須完成設備制造的模塊化設計，以確保廢水處理設備設計具有統一的標準；其次，確保國家標準與國家標準相聯系；再次，將機電一體化技術整合到設備的設計設備中；最后，確保執行機構和調整機構更加配套。

3.2 加強模塊化設計，滿足污水處理要求

為了更好地確保廢水處理和設備自動化水平的進一步提高，有必要提高模塊性。改進國家標準后，有必要確保模塊和接口的實現方式更加匹配。模塊化非常復雜，涉及更多內容，并且明確提出了更嚴格的要求。集成設備模塊包括智能變速、集成制造和減速齒輪以及典型的實用設備。通過模塊化，可以確保設備的特性更加出色，并且可以進一步擴大設備的生產規模。污水處理站可以根據實際情況選擇相應的設備，根據模塊化設計的實際操作方法完成有針對性的解決方案，使污水處理可以達到預計的實際效果。

3.3 加大對執行器的研究與開發力度

在科學研究和技術探索的基礎上，有必要不斷提高用于廢水處理的電動執行器的水平，并改善設備的特性。電動執行器包含兩部分：調整機構和執行機構，可以從這兩部分開始，確保不同機構的特性更加穩定。在執行機構中，有不同的傳統伺服電機設備，它們可以完成設備的合理控制，并確保設備的合理實際運行。這兩個組織的職能完成后，設備將更加穩定運行，更容易解決廢水，提高自動化技術的實際運行水平。在中國，廢水處理設備的電動執行器相對較低端。盡管特性穩定并且不容易造成常見故障，但是技術強度相對較低。還有一些電動執行器，盡管它們是相對高端的，但是它們的成本很高并且適用性較弱。這必須擴大研發范圍，以使電動執行器更符合污水處理站的要求。

3.4 重點跟進污水處理工藝的創新

改善技術應用以及新技術在廢水處理技術中的應用是創新城市廢水處理技術的主要途徑。只有新技術的應用才能與符合市場法規的設計解決方案同步應用[4]。根據新的處理技術和設備開發的實施，不僅可以促進新時期城市污水處理設備的設備開發，還可以滿足設備污水處理設備自動控制系統的要求。

3.5 制定污水處理設備自動化生產標準

領域強制性規范的統一和制定可以對規范生產企業和利益沖突產生影響。基于一系列修改和實際檢驗而制定的強制性規范包括：①制造設備的模塊化設計和廢水處理設備的設計方案；②制定更接近國際標準的行業標準；③符合設備機電一體化標準并滿足特殊要求；④做好執行機構，調整組織標準和配套設施。

4 污水處理控制與監控系統中的自動化設計方案

4.1 系統構成

系統由管理和監督操作兩方面組成：①管理層。它是網站服務器、工作平臺及其打印機的組合，可以在互聯網上傳輸的介質是光纖電纜和五類雙絞線電纜。傳輸數據信息時，采用快速以太網接口，傳輸速率為100 Mbit/s。此外，操作系統還有一個非常強大的作用，可以進行基于Internet的遠程診斷和管理方法。②監督控制層。它是PLC服務器、工控機、復印機及其工作臺等的組合。在監控系統中PLC、PLC和工控機均選用電力線通訊進行數據信息交換，然后系統進行實時監視。

4.2 設計方案

4.2.1 污水檢測系統

污水檢測和控制的意義在于對污水的水體和水流進行控制，從而始終保持穩定合理的污水處理。

水流檢測儀：第一類蒸汽流量計，常見的蒸汽流量計有電磁感應法、超聲波法、葉片法及其噴嘴法；第二種液位變送器，常見的液位變送器是水泵壓力開關、汽泡及其壓差法。

水質監測設備：主要常用的設備有污泥濃度計、DO計、MLSS計、pH計、溫度計、高錳酸鹽指數和COD/TOC計等。

新增水質監測項目如下。

調節水箱：出水量、pH值、水位線。

污泥濃縮池：泵送污泥量和濃度值，污泥界面儀。

水解酸化槽：送排風量、回流污泥量、DO、MLSS濃度值。

二沉池：回流污泥量及濃度值，剩余污泥量。

排放通道：解決水流量、COD、濁度計、自來水消毒蒸汽流量計、高錳酸鹽指數濃度計。

4.2.2 污水控制系統

曝氣槽有關控制。送氣量控制，以廢水量調整控制送氣量。鼓風機輸出壓控制，送風量以調節鼓風機吸入閥門的開度及鼓風機之臺數控制，輸出壓力以壓力控制于定值，確保穩定送風量。關于DO控制就是以DO之控制量調節送氣量使槽內的DO與目標值一致。MLSS控制在對回流污泥量進行調節控制可以促使槽內濃度與目標保持一致，對回流污泥量進行控制就是用流入的廢水量與比率相乘，所得的數值作為回流污泥控制的目標值，從而對回流污泥量進行調整。

加氯量控制。以處理水量作比率調節加氯量，也有以余氯測定計測定結果作回授控制，并由水量作比率調節。

沉淀池控制。該環節的控制在操作過程中以污泥泵浦、刮泥機以及浮除的清除為主，將定時器與順序控制相結合。

4.3 污水處理系統中自動化監控系統的優化

以沉淀池污泥停留時間的調控為例，已知進流SS的質量濃度為128 mg/L，若需達到放流水標準以下（設定值為25 mg/L）所對應之累加質量約占20%，推估對應管柱之安全水深應為15 cm以內，對應管柱安全水深于15 cm時，所對應的質量分數為30%，換算成質量濃度約為38.4mg/L。安全水深于15cm下，推估30min沉降后的質量濃度約為24.3 mg/L。

無機性廢水是采用的污泥回流的方式進行操作，這樣不僅可以對污泥形式、特征進行中和，還可以很大程度減少藥劑的使用量，對于浮除系統應該將出水添加到24 L/h、質量濃度為12 500 mg/L的化學回流污泥，進水SS的質量濃度為272 mg/L。依目前實際污水處理廠添加混凝劑與助凝劑于沉淀池的操作方式，其停留時間可縮短至1 h，進而增加1倍的處理水量；保守估計，可增加5 000 CMD處理水量，雖操作成本將有所增加，但可以減低擴建的需求，節省擴建成本的支出。

5 污水處理廠控制系統新趨勢

5.1 減少人力成本

隨著各地經濟發展越來越富裕、人力成本越來越高，污水處理廠需要考慮降低人力成本，提高勞動生產率，因此要求污水處理廠工藝設備均可實現就地自動控制，中控室遠程監控。這就需要增加多種智能化檢測手段并能進行智能化判斷，減少操作人員的工作強度，達到正常運行時現場少人（無人）值守，操作人員定時巡檢。

5.2 降低能耗，采用精細化智能控制

一直以來污水處理廠能耗大的問題沒有引起足夠的重視，隨著經濟的發展，排放標準的提升，污水處理廠能耗越來越大，這使得污水處理廠能耗的問題越來越受到重視[5]。目前常規的自動化控制手段還比較粗放，對電耗、藥耗控制不夠精細化，導致能耗較高，需要采用精細化智能控制手段來有效地降低能耗。譬如曝氣鼓風機是電耗大戶，占污水處理廠用電成本的50%左右，若采用基于模型算法的智能曝氣控制系統的話，可節能電耗10%～20%。

5.3 加強管理決策，提高信息化管理手段

隨著現代企業制度的建立，污水處理廠對管理決策的需求也越來越高，需要對全廠進行實時、動態的監視，用信息化的手段，科學合理、經濟有效的方法，達到管理、調度、控制的目的，為運行管理決策提供依據，實現社會效益的最大化，因此需要建立廠級信息化管理平臺。

5.4 增加智能化檢測方法

污水處理廠會產生有毒有害氣體，極易造成人員傷害，例如地下式污水處理廠生物反應池蓋板下觀察生物反應池水面曝氣狀況，目前只能采用目視觀察法觀察生物反應池水面曝氣狀況，增加了操作人員的工作強度及危險性。因此需要增加智能化檢測手段來代替人工，對污水處理廠進行監視。

6 結束語

隨著中國城市化進程的加快，城市人口的快速增長隨之而來的是廢水排放量的增加。中國明確提出了對城市污水處理技術進行自動控制的新要求，只有大力加強污水處理設備自動化技術控制系統的研發，繼續展示人力資源和物力的技術性以及設備在新型廢水處理設備自動化技術控制系統在實際活動中的應用，才能更好地保證設備的廢水處理水平保持著持續發展的趨勢。未來，中國城市污水處理技術的發展離不開智能系統，機電一體化和數字化的融合，設備設計和制造還有很長的路要走。