某小城镇污水处理自动化控制系统设计及应用

董伟 刘兴元 叶石磊

【摘 要】结合某小城镇污水处理厂工程实例，介绍了小城镇的特点及排污水量估算，探讨了自动化控制系统在小城镇污水处理所采用的生物处理工艺——“A2/O”法的工艺过程、监控及应用,并总结了该自控系统在实际应用过程中存在的问题及应用前景。

【关键词】小城镇；工艺原理；自动控制；存在的问题；应用前景

[中图分类号] X703.3[文献标识码] A[文章编号] T2011-12(03)-1704

生活污水是城市发展过程中的产物,早期的城市生活污水处理主要是通过污水收集系统排放到附近下游水体之中,利用水体的稀释以及水体自净作用来进行简单的处理,但是随着我国国民经济的迅猛发展,小城镇的规模也在不断扩大,人口数目增长迅速,随之而来的是生活污水的排水量不断加大,水质也越来越复杂,仅仅依靠稀释及水体自净作用处理过的污水已经无法满足达标排放的要求，会对下游水体产生较大的污染和影响。迄今为止，绝大部分小城镇的污水仍然处于不加治理直接排放到水体的状态，这成为水体环境污染的主要来源。因此，要改善我国水环境被污染的状况，保护我国紧缺的水资源，除了要刻不容缓地对大中城市的城市污水进行处理外，小城镇也应该成为关注的重点，并加快小城镇的城市污水处理步伐。

在污水处理厂的管理方面，早期主要是由技术人员现场检测、调试，由于污水厂的处理构筑物较多，需要进行实时检测的项目指标多而复杂。例如，进出水pH值、进水流量、曝气池溶解氧量等等，如要对这些指标逐一实时检测，无疑会耗费大量的人力物力。随着我国工业化进程的迅速发展，自动控制系统渐渐应用到污水处理工艺过程监测过程当中，并且取得了相当好的效果，既节省了人力资源又节约了能源，有着广阔的发展前景。近年来，各地相继利用外资建设了一批城市污水处理厂，将先进的工艺及设备引进国内，在提高工艺设备技术水平的同时，控制系统和管理水平也有了很大的提高。结束了以往污水处理全部用人工或简单的电器控制的落后局面。

1 小城镇排污水量的估算

我国大部分小城镇的人口变化幅度在5000人至10万人之间。考虑到城市化进程的加快和区域性排水情况的增多，估计今后若干年内人口规模5万人至10万人的小城市会多起来，若按10万人口规模考虑，对照《城市给水工程规划规范》(GB50282-98)有关条文进行城市用水量的测算，采用城市单位人口综合用水量指标0.3～0.6万立方米/(万人·天)，再加上部分工业废水，则一般小城镇的最高日用水量为3～6万立方米。 因此，该工程一期日处理量设计为5万吨/天。

2 A2/O工艺原理及特点

2.1 工艺原理

本工程采用生物处理工艺——“A2/O”法，它属于活性污泥法的一种。A2/O工艺又称AAO工艺，即厌氧—缺氧—好氧，是同时脱氮除磷的微生物处理废水方法（图1）。在该工艺流程内，BOD5、SS和以各种形式存在的氮和磷将一一被去除。A2/O生物脱氮除磷系统的活性污泥中，菌群主要由硝化菌和反硝化菌、聚磷菌组成。在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入到大气中，从而达到脱氮的目的；在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷除去。

2.2 工艺特点

1）厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和种类微生物菌群的有机配合，能同时具有去除有机物、脱氮除磷的功能。

2）在同时脱氧除磷去除有机物的工艺中，该工艺流程最为简单，总的水力停留时间也少于同类其他工艺。

3）在厌氧—缺氧—好氧交替运行下， 丝状菌不会大量繁殖，SVI一般＜100，不会发生污泥膨胀。

4）污泥中磷含量高，一般为2.5％以上。

图1 A2/O工艺原理

3 自动控制原理与工程简介

该工程采用椭圆形3个池体，即厌氧池、缺氧池、好氧池。系统还设置了二沉池。自动控制处理工艺流程如图2所示。

该厂采用的自动化控制系统主要包括以下几个部分：中央控制室监控设备，可编程控制器（PLC）部分，检测仪表部分，避雷部分，闭路监控部分。目的在于使厂方能够及时了解和掌握污水厂处理过程的运行工况、工艺参数的变化及大小、优化各工艺流程的运行，保证出水水质，降低处理成本，节省能耗，提高运行管理水平，使污水处理厂能长期正常稳定地运行，取得了最佳效益。

4 系统控制说明

（1）在粗、细格栅前后均设置了超声波液位差计，并在现场及中央控制室电脑显示器上实时显示粗、细格栅前图2 自动控制工艺流程 后液面的液位差值。根据要处理的水质水量设定了工艺值，当前后液位差值大于或等于该工艺值时，可以自动实现对粗、细格栅的连锁启停。

（2）在进水管中安装了电磁流量计，实时测量进水流量并在现场及中央控制室电脑显示器上显示预处理进水泵站的液位值，并自动根据该液位值的高低控制三台进水提升泵的启停，使三台提升泵的运行时间基本保持平衡，并在电脑上显示出各台提升泵的启停状态。在调节池中设置了pH计，可以测定瞬时进水pH值，以反映进水水质是否符合处理要求。进水pH值的设定要求范围是7.0～8.5，当进水pH值不在此范围内时，中控室电脑上会发出声光报警信号，并自动关闭进水闸门，以保证出水水质。

（3）在厌氧池中设置氧化还原电位（ORP）在线测定仪一台，在缺氧池及好氧池中分别设置溶解氧（DO）在线测定仪两台，在现场及中控室电脑上均可实时显示测定值，本厂的厌氧池ORP一般在－200mv左右；缺氧池DO一般在0.2~0.5mg/L；好氧池DO一般在2.0～3.0mg/L左右。当监测到的实时值不在设定值范围内时，中控室电脑上会发出声光报警信号，工作人员可据此决定鼓风机开启的台数和曝气量，在保证溶解氧在正常范围内的基础上为用户节省了能源消耗。并通过切换主机、副机的运行状态，使三台鼓风机的累计工作时间基本相等。

（4）在好氧池中设置污泥浓度计两台，实施监测好氧池中的污泥浓度，当池中污泥浓度较大时，会及时减少二沉池中的污泥回流量，增加排泥；当浓度较小时，会适当增加污泥回流量。以上控制过程均可以在中央控制室内根据监测数据进行远程控制。

（5）在二沉池中设置一台泥位计，当在线监测泥位值偏高时，可自动调节刮吸泥机、排泥设备，将剩余污泥外排，防止沉淀污泥发生腐败。

（6）在出水池中设置pH计、COD在线测定仪各一台，并在现场及中控室实时监测显示测定值，工作人员可随时掌握出水水质情况，并判定出水是否达标排放（设计要求达到国家二级标准）。

（7）对于SV值，溶解氧（或者曝气）量，污泥性状，进出水COD值等；尽管有仪表显示值，但在日常检测一点要注意各仪表的稳定性。比如曝气系统堵塞或者其他原因，在曝气量不变的情况下出现溶解氧不够，就可能导致污泥膨胀等问题的发生。

5 总体评价及存在的问题综述

该厂所采用的污水处理自动化控制系统借鉴了国内外先进的计算机软、硬件技术，控制理论及算法，实现了污水处理全过程自动智能控制，节省了人力资源，能够及时、准确地反映工艺过程中各个工艺参数的变化情况。并通过声光报警，数据溢出时自动暂停设备等方式提醒工作人员根据参数变化及时做出调整，保证设备在处理过程中长期稳定、高效地运行。

自动化控制应用于污水处理工艺，在国外已有许多成功范例和典型工程实例。近年来，我国的许多污水处理厂借鉴国外先进技术，将自动化控制合理地应用到污水处理工艺，取得了良好的效果。但是在两者相结合的过程中仍然存在着以下几个方面的问题。

（1）污水处理自动控制系统中所采用的一些自动化检测设备、仪表、阀门的功能和精度还很不完善，在实际应用中达不到预期的效果，误差很大。因此，如果单纯依靠这些检测设备来判断污水处理情况并实施自动控制，往往很难达到处理水质达标排放标准和节约能源的目的。

（2）虽然许多污水处理厂采用ORP、DO、pH值作为参数来控制出水水质，调节曝气量，但是当控制器无法找到ORP特征点时，污水处理系统仍然会按照时间来控制整个处理过程。

（3）污水水质的监测与控制存在滞后问题。例如，根据好氧池中的DO来控制鼓风机的曝气风量，由于生化处理系统本身是处于动态平衡当中的，操作人员通过在线实时监测发现DO偏低（或偏高），并通过调节鼓风机叶轮转速来实现增加（或减少）曝气量时，DO值监测与鼓风机风量调节之间的滞后可能会导致鼓风机无法准确地根据好氧池中实际溶解氧的浓度来提供曝气量，难以真正达到节能的目的。

（4）仪器设备维护难度大。例如pH计、污泥浓度计、泥位计等仪器均有严格的使用维护要求，包括接触探头的定期清洗、标定，设备损耗维修等等，并且现阶段我国污水处理厂大都采用是进口设备仪器，价格昂贵，这也在一定程度上增加了污水处理厂的投资费用。

6 结束语

目前，我国污水处理厂多是采用国外进口设备与控制系统，价格高，维护困难，并且我国国产的在线分析测定仪器设备还不能达到精度要求。因此，进行我国自主研发设计制造自动化控制系统，并提高仪器设备的测量精度和质量，降低维护费用，是现阶段以及今后污水处理厂自动化控制系统发展的主要方向。