村鎮(zhèn)污水一體化處置設(shè)備自動(dòng)控制與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳瑞雪 邱珊

摘要：村鎮(zhèn)污水處理是現(xiàn)階段加強(qiáng)農(nóng)村環(huán)境整治的重要手段，構(gòu)建村鎮(zhèn)污水一體化處理設(shè)備能夠有效解決村鎮(zhèn)污水分散排放的問題，滿足國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。鑒于村鎮(zhèn)管理技術(shù)水平有限，通過搭建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)智能網(wǎng)關(guān)，利用工藝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制及狀態(tài)采集功能；選擇PLC程序與三層結(jié)構(gòu)、四級(jí)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)匹配，可以控制數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)備中數(shù)據(jù)管理、處理、報(bào)警等管理，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)操作以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，替代現(xiàn)場(chǎng)非專業(yè)人員操作。研究結(jié)果表明，通過自動(dòng)控制與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化處理設(shè)備，在運(yùn)行過程中可以減少曝氣量，節(jié)省運(yùn)行成本，減少人為操作成本。

關(guān)鍵詞：村鎮(zhèn)污水；自動(dòng)控制；一體化裝置；PLC

中圖分類號(hào)：X853 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

中國農(nóng)村人口多，目前有250萬個(gè)自然村、6.7億農(nóng)村人口，生活污水排放量大，處理率很低，絕大部分生活污水未經(jīng)處理直接排放，成為流域水污染的重要因素，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦慕】蛋踩珮?gòu)成威脅。2022年生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)顯示全國廢水中COD（化學(xué)需氧量）排放量為2 564.8萬噸，其中，農(nóng)業(yè)源COD排放量為1593.2萬噸。黨中央、國務(wù)院高度重視農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，二十大也再次強(qiáng)調(diào)了“綠水青山就是金山銀山”的理念，改善農(nóng)村人居環(huán)境是全黨全社會(huì)的共識(shí)和行動(dòng)指南，因此，加強(qiáng)農(nóng)村污水治理是現(xiàn)階段迫在眉睫的問題之一。

農(nóng)村污水具有分散排放、收集困難、水質(zhì)水量波動(dòng)大等問題，故而難以直接采用集中式處理模式。現(xiàn)階段通常選擇分散式處理模式，選擇一體化裝置完成污水處理工作，污水處理站數(shù)量極多。同時(shí)農(nóng)村人員技術(shù)管理水平有限，無法完成復(fù)雜工藝設(shè)備操作，也很難像城市污水處理廠擁有多個(gè)運(yùn)維人員保障24小時(shí)值守運(yùn)行；通過采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、智能網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸技術(shù)開發(fā)及“云”運(yùn)維技術(shù)的實(shí)施替代現(xiàn)場(chǎng)非專業(yè)人員操作。極大的滿足村鎮(zhèn)污水處理的分散、缺人、缺技術(shù)、缺管理特點(diǎn)，為農(nóng)村污水處理提供新思路。

1某村鎮(zhèn)污水處理一體化裝置工藝流程

根據(jù)村鎮(zhèn)污水進(jìn)水質(zhì)條件及對(duì)出水水質(zhì)要求，一體化裝置選擇以生化為主的處理工藝，具體工藝流程如下：

污水－粗格柵－細(xì)格柵－調(diào)節(jié)池－毛發(fā)聚集器－A2O+MBR池－紫外消毒－排放

農(nóng)村污水因?yàn)槭占绞较鄬?duì)粗獷、所以需要對(duì)污水進(jìn)行粗處理，將水中的漂浮物通過粗細(xì)格柵分離，減少對(duì)于后續(xù)處理裝置的磨損；同時(shí)農(nóng)村水質(zhì)水量波動(dòng)大，為了保障后續(xù)污水穩(wěn)定處理，需要進(jìn)入調(diào)節(jié)池對(duì)水質(zhì)水量均質(zhì)；調(diào)節(jié)池出水進(jìn)入毛發(fā)收集器，可以除去液體中固體顆粒，隨后進(jìn)入生化處理系統(tǒng)，工藝為A2/O（厭氧／缺氧／好氧）生物反應(yīng)器加上膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor，MBR），是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。最終進(jìn)入紫外消毒，該環(huán)節(jié)屬于氧化殺菌環(huán)節(jié)。

為了考察一體化裝置的運(yùn)行效果，采用哈爾濱某污水處理廠實(shí)際進(jìn)水，連續(xù)運(yùn)行52天，檢測(cè)COD、氨氮、總氮的出水水質(zhì)，檢測(cè)結(jié)果見圖1。

從圖1可知，一體化裝置對(duì)生活污水有很好的處理效果。進(jìn)水COD為300 mg/L－450 mg/L（平均值357.06 mg/L），一體化裝置出水COD保持在50 mg/L（平均值32.31 mg/L）以下，去除率為91%。進(jìn)水氨氮平均值為38.65 mg/L，出水氨氮平均值為1.73 mg/L以下，去除率為95.5%。進(jìn)水TN范圍為25 mg/L－45 mg/L（平均值35 mg/L）的情況下，出水TN都保持在15 mg/L（平均值12.13 mg/L）以下，去除率為65qo。穩(wěn)定運(yùn)行期間出水水質(zhì)均達(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)為三層結(jié)構(gòu)、四級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

三層結(jié)構(gòu)包括：過程設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、監(jiān)控管理層。四級(jí)網(wǎng)絡(luò)包括：感知層，網(wǎng)絡(luò)層，平臺(tái)層和應(yīng)用層。具體見圖2。

2.1自控系統(tǒng)構(gòu)架

自控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的就地（設(shè)備）操作、現(xiàn)場(chǎng)操作以及遠(yuǎn)程監(jiān)控；該系統(tǒng)的最低層是設(shè)備區(qū)，主要完成工藝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制，由設(shè)置在各單體內(nèi)的遠(yuǎn)程I/O、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器和部分工藝機(jī)組自帶的控制器組成。第二層是控制區(qū)，主要完成對(duì)分控站控制范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)集中控制，在一體化設(shè)備尾端的分控站可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)構(gòu)成；第三層位于監(jiān)控管理區(qū)，主要通過工控機(jī)完成對(duì)設(shè)備水處理過程的在線監(jiān)測(cè)，并將信號(hào)傳遞到遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

2.2自控系統(tǒng)功能分析

自控系統(tǒng)是一個(gè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)。

2.2.1監(jiān)控管理區(qū)

系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)承擔(dān)了數(shù)據(jù)管理、水處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、趨勢(shì)、數(shù)據(jù)記錄及中文報(bào)表等功能。同時(shí)可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送，并可下達(dá)操作控制指令。

監(jiān)控區(qū)主要完成以下功能：

控制操作：在中心控制室內(nèi)能對(duì)全系統(tǒng)被控設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制。

顯示功能：用圖形實(shí)時(shí)地顯示各分控站被控設(shè)備的運(yùn)行工況；動(dòng)態(tài)顯示水處理工藝流程圖，并能在流程圖上選擇查看多級(jí)細(xì)部詳圖；動(dòng)態(tài)顯示各種模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、各類累加信號(hào)等的數(shù)值和范圍清單。

數(shù)據(jù)管理：能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、操作信息庫、故障信息庫。

數(shù)據(jù)處理：利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算主要生產(chǎn)指標(biāo)，并進(jìn)行成本分析。

報(bào)警功能：當(dāng)某一測(cè)量值超出給定范圍或可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警。如輸人到報(bào)警表、屏幕顯示報(bào)警信息、聲光報(bào)警，并可依據(jù)報(bào)警信息顯示相應(yīng)的動(dòng)態(tài)畫面。

2.2.2現(xiàn)場(chǎng)控制層（分控站）

系統(tǒng)設(shè)備控制區(qū)主要承擔(dān)了對(duì)工藝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制及狀態(tài)采集功能，位于一體化裝置的尾端。在PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)考慮到曝氣泵（鼓風(fēng)機(jī)）的啟停直接關(guān)乎出水質(zhì)量以及運(yùn)行成本，因此。將曝氣泵或者是鼓風(fēng)機(jī)的啟停程序?qū)懭氲阶詣?dòng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)時(shí)或進(jìn)水負(fù)荷量較小時(shí)，可以適當(dāng)?shù)臏p少曝氣泵的曝氣量，或者停止曝氣泵的運(yùn)行，以節(jié)省運(yùn)行成本。

2.2.3過程設(shè)備層

主要包含提升泵、格柵機(jī)、曝氣泵（鼓風(fēng)機(jī)）的自動(dòng)控制。進(jìn)水提升泵和格柵機(jī)的啟停一般是根據(jù)進(jìn)水池的液位來控制的。一般在格柵機(jī)的前后需要安裝等電位液位計(jì)，通過液位計(jì)對(duì)進(jìn)水池中的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停。當(dāng)然在水中雜質(zhì)較多的情況下，也可以通過人工修改啟停方案來達(dá)到自動(dòng)啟停的目的。通過這個(gè)設(shè)計(jì)，不僅可以過濾掉水中大部分的大塊雜質(zhì)以及垃圾，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)停，節(jié)省電力資源，減少了人為現(xiàn)場(chǎng)開機(jī)關(guān)機(jī)，也節(jié)省了人力成本。提升泵一般采用的是一用一備或者是兩用一備。這樣可以保證其中一個(gè)提升泵損壞的情況下，其他泵也能輔助進(jìn)水。

2.3控制網(wǎng)絡(luò)購置

感知層位于網(wǎng)絡(luò)的第1層。主要分為兩部分功能，首先是圖像采集。這種方式是通過攝像頭采集信息，以圖像的形式傳輸至終端系統(tǒng)中。其次是傳感采集。這部分信息的采集主要以傳感器探頭的方式來完成，比如，廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的氨氮、氧化還原點(diǎn)位、溶解氧等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采集以后將傳輸至傳感采集系統(tǒng)終端。感知層主要包括各類傳感器、浮球儀、PLC，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和分析。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的第2層是網(wǎng)絡(luò)層。這一層就像數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，移?dòng)互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等就是數(shù)據(jù)行走的通道。同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。包括智能網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、通信協(xié)議等。將系統(tǒng)中的各種設(shè)備和應(yīng)用程序聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的交互。

平臺(tái)層位于網(wǎng)絡(luò)層之后，是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的第3層。這一層主要由兩部分組成。第一部分是系統(tǒng)運(yùn)行的軟件和硬件設(shè)備，第二部分是控制終端，它包含電腦終端和移動(dòng)終端。移動(dòng)終端的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)控制的便捷性，可以實(shí)現(xiàn)無地域限制的遠(yuǎn)程移動(dòng)控制。

最后一層就是應(yīng)用層。主要包含控制中心、政府監(jiān)管中心、大數(shù)據(jù)平臺(tái)。控制中心是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的綜合控制，而政府監(jiān)管監(jiān)督中心主要實(shí)現(xiàn)的是監(jiān)督功能，大數(shù)據(jù)平臺(tái)是指對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集以及進(jìn)行自動(dòng)分析。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用，減少了人為勞動(dòng)工作量，起到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和儲(chǔ)存的作用。

3結(jié)語

針對(duì)城鎮(zhèn)生活污水處理廠廢水，設(shè)計(jì)了一體化裝置，通過A2/O（厭氧／缺氧／好氧）生物反應(yīng)器結(jié)合膜生物反應(yīng)器的處理工藝，采用哈爾濱某污水處理廠實(shí)際進(jìn)水，連續(xù)運(yùn)行52天。結(jié)果顯示，一體化裝置對(duì)城鎮(zhèn)生活污水有很好的處理效果，COD去除率為91%，氨氮去除率為95.5%，TN去除率為65%，穩(wěn)定運(yùn)行期間出水水質(zhì)均達(dá)到國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了匹配的PLC程序，控制廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行中的過程參數(shù)和設(shè)備啟停，采用4層控制的方式設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸過程，達(dá)到了對(duì)運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而也能實(shí)現(xiàn)廢水降解的自動(dòng)化控制。通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與傳輸以及運(yùn)行控制，可實(shí)現(xiàn)污水處理站的集約化運(yùn)營(yíng)管理和無人值守，達(dá)到提高運(yùn)維效率、降低運(yùn)行成本的目的。