地下式污水处理厂自动化控制系统的设计与应用

高玮寅

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125）

1 概述

虹桥污水处理厂设计规模为20 万m³/d。整个污水厂纵向结构由地下一层，地面一层及顶部覆土绿化层构成。工程主体工艺如下：

（1）预处理工艺：采用粗格栅、提升泵房、细格栅和曝气沉砂池。

（2）二级生物处理工艺：采用改良型多级 AAO 工艺＋平流沉淀池工艺。

（3）深度处理工艺：采用高效沉淀池+深床滤池工艺。

（4）污泥处理工艺：采用低温真空脱水干化工艺，将污泥含水率降至 40%以下外运处置。

（5）尾水消毒工艺：采用紫外线消毒为主，次氯酸钠为辅的消毒工艺。

（6）臭气处理工艺：采用以生物除臭为主的复合式除臭工艺。

为更便于对一体化厂房内各功能区的管理，对各功能区的定义如下：

A 区（预处理区）：包括调蓄池、粗格栅及进水提升泵房、细格栅及曝气沉砂池、辅助用房（分变电间、备品备用间等）；

B 区（生化处理区）：改良型AAO 生物池；

C 区（沉淀区）：平流沉淀池；

D 区（深度处理1 区）：高效沉淀池；

E 区（深度处理2 区）：深床滤池；

F 区（出水区）：出水泵房、紫外消毒渠、清水池、加药区及中水泵房等；

G 区（鼓风区）：鼓风机房；

H 区（污泥区）：污泥脱水干化车间、储泥池、调理池等。

K 区（辅助用房区）：变配电间、值班室；图1 为一体化箱体内部分区示意图。

图1 一体化箱体内部分区示意图

污水处理工艺流程为：进水→粗格栅→污水缓冲调蓄池→进水提升泵房→细格栅→曝气沉砂池→改良式多段AAO 生化池→平流沉淀池→中间提升泵房→高效沉淀池→深床滤池→出水提升泵房→紫外消毒池→加氯接触池→苏州河。

2 自动化控制系统构成

全厂的自动化控制管理系统应基于现代先进控制思想即分布式计算机控制系统（集散型控制系统），集成当代计算机技术、高性能PLC 及智能化仪表的各自特点于一身，使其在污水处理厂的运行控制、设备管理及整体性能上满足可靠性、先进性、经济性和实用性。

可靠性——整个系统采用模块化设计，分层分布式结构，控制、保护、测量之间既互相独立又互相联系。

先进性——系统的设计以实现“现场无人职守，分站少人值班”为目的，设备装置的启、停及联动运转均可由中央控制室远程操纵与调度。

经济性——系统具有较高的性能价格指标，主要监控设备应有较高声誉公司和较好业绩的产品。

实用性——系统设计多个控制层面，既考虑正常工作时的全自动化运行，又考虑多种非正常运行状态下的各级运行策略。

整个系统由通讯系统和监控计算机组成的中央控制系统（中央控制室）对全厂实施集中管理。由分布在现场的可编程序控制器PLC 及现场仪表组成的检测控制系统（现场站）对污水处理厂各个过程进行分散控制。由视频监控系统监视生产区域工况、主要生产设施的运行状态及厂区的安防。视频监控系统、各现场站与中央控制室之间由工业以太网连接进行数据通讯。生产管理区设置由各个部门管理计算机组成工厂管理系统，采用工业以太网与中央控制系统连接，组成全厂计算机综合管理控制系统。

3 全厂自动化监控系统架构

3.1 总体结构

按分散控制、集中管理的原则，建立污水处理厂的监控系统。设中央控制室对全厂生产过程进行监视和控制，在各工艺单体设置基于PLC 的控制设备，处理局部的数据采集和控制任务。根据虹桥污水处理厂工程的规模和监控内容，将分布位置近、工艺关联性强的单体控制系统予以合并，以减少控制设备数量，减少工程投资。按照控制对象的功能、设备量和所在地理位置划分，在1#变电所、鼓风机房、2#变电所和污泥浓缩脱水机房分别设置PLC 控制站，各PLC 控制站与中控室之间用光缆环网相互连接，实现中控室对全厂的集中控制和管理，实现全厂运行自动化。

3.2 控制方式

虹桥污水处理厂工程自动化控制系统由现场检测执行级、车间就地控制级、中央监控管理级三级计算机控制设备组成。设备的具体控制方式和控制优先级依次为：手动方式：分现场手动和就地手动，现场手动方式通过现场设备操作箱上的按钮对设备进行操作，就地手动方式通过MCC 柜上的手动按钮实现对设备的启停操作。自动方式：设备的运行完全由各就地控制PLC 站根据污水厂的液位、流量、水质数据等各工艺处理流程、各类机械设备的运行工况及相关参与控制的在线仪表检测参数来自动控制工艺流程的正常运行，完成对全厂设备的启停控制和连锁保护等，不需要人工干预。遥控方式：即远程手动控制方式。操作人员通过车间或中央控制室的集中控制设备控制现场设备。

3.3 PLC 控制站

PLC1 控制站，设在进水仪表间，监控范围包括粗格栅及进水提升泵房、细格栅及曝气沉砂池、缓冲调蓄池、进水水质检测、3#分变配电间和4#分变配电间等。PLC1 控制站设置2 处远程站，分别布置在3#分变配电间和4#分变配电间。

PLC2 控制站，设在主变配电间，监控范围包括主变配电间和2#分变配电间等。

PLC3 控制站，设在主变配电间，监控范围包括生化池（B-1B-2）等。PLC3 控制站设置3 处远程站，均布置在生化池。

PLC4 控制站，设在主变配电间，监控范围包括生化池（B-3B-4）等。PLC4 控制站设置3 处远程站，均布置在生化池。

PLC5 控制站，设在5#分变配电间，监控范围包括5#分变配电间、二沉池（C-1C-2）、高效沉淀池（D-1）和深床反硝化滤池（E-1）等。PLC5 控制站设置5 处远程站，分别布置在二沉池、高效沉淀池和深床反硝化滤池。

PLC6 控制站，设在5#分变配电间，监控范围包括二沉池（C-3C-4）、高效沉淀池（D-2）和深床反硝化滤池（E-2）等。PLC6 控制站设置5 处远程站，分别布置在二沉池、高效沉淀池和深床反硝化滤池。

PLC7 控制站，设在出水提升泵房，监控范围包括紫外消毒池、出水提升泵房、出水水质检测、中水泵房和加药间等。PLC7 控制站设置1 处远程站，布置在出水仪表间。

PLC8 控制站，设在1#分变配电间，监控范围包括1#分变配电间、储泥池和脱水机房。图2 为自动化控制系统架构图。

4 各单体的仪表配置

4.1 调蓄池

每格调蓄池内分别设置一体化超声波液位计，液位测量值作为潜水泵的控制依据。

4.2 粗格栅与进水泵房

粗格栅前后分别设置一体化超声波液位计，测量格栅前后液位值，液位差值控制格栅的清污动作；格栅后液位测量值作为水泵的控制依据；格栅井除臭罩内设置一套双探头硫化氢检测仪(含声光报警装置)，并配备1 套便携式硫化氢检测仪，作为工作人员安全保护用。

4.3 细格栅及曝气沉砂池

细格栅前后分别设置一套一体化超声波液位计，测量格栅前后液位值，液位差值控制格栅的清污动作；同时，细格栅前液位值参与进水泵运行控制，细格栅前液位值作为进水泵运行限值，超高液位时停止进水泵，防止因细格栅运行故障引起过水不畅而导致污水冒溢。曝气沉砂池鼓风机房出风总管上设置压力变送器、温度变送器和空气流量计。格栅井除臭罩内设置一套双探头硫化氢检测仪(含声光报警装置)，并配备1 套便携式硫化氢检测仪，作为工作人员安全保护用。

4.4 生化池

本工程设有2 座生化池，每座又分为完全对称的2 池，总计4 池。

每个生化池的厌氧区、缺氧区、预缺氧池和好氧/缺氧摇摆池内分别设置1 套ORP 检测仪和1 套MLSS 检测仪，合计16 套；每个生化池的出水端分别设置1 套复合氨氮&硝氮分析仪，合计4 套；在混合液外回流泵和混合液内回流泵处分别设置一套超声波液位计，液位测量值作为泵的控制依据，合计8 套。

生化池设置精确曝气系统，将每座生物反应池划分成2个溶解氧控制区，实现对溶解氧的精确控制。

在每个溶解氧控制区对应的曝气管上各安装1 套气体流量计，合计16 套；在每个溶解氧控制区对应的曝气支管上安装1 只电动调节阀，合计16 只。

在距离鼓风机房最远端和最近端的曝气管上各安装1 台压力变送器，合计4 台；在单座生化池好氧段安装8 台溶解氧仪，合计16 台；在单座生化池安装4 台MLSS 仪，合计8 台；在单座生化池安装2 台超声波液位计，用于检测各生物池的液位，合计4 台。

4.5 平流式二沉池

本工程设有4 座平流式二沉池，每池8 个廊道。在每座池子第1、3、5、7 廊道内分别设置一套污泥界面计，合计16 套；在剩余污泥泵处分别设置一套超声波液位计，液位测量值作为泵的控制依据，合计4 套。

4.6 高效沉淀池

每个集泥区内设一套一体化超声波液位计，液位测量值作为污泥排放泵的控制依据。每个集水坑处设置一套浮球开关，输出的超低液位报警信号直接连接至排水泵控制箱，防止排水泵干运行。

4.7 出水提升泵房

出水提升泵房集水井内设置一套一体化超声波液位计，集水井液位测量值作为水泵的控制依据。出水加氯接触池内设置一套余氯检测仪。

4.8 出水流量计井

出水计量井内设一套DN2200 的电磁流量计，用于虹桥污水厂总出水流量的计量。

4.9 中水泵房

中水泵房出水总管上设置一套压力变送器和一套电磁流量计。

4.10 鼓风机房

在鼓风机房每根出风总管上设置压力变送器、温度变送器和空气流量计。

4.11 污泥脱水机房及料仓

污泥脱水机房内设置3 套双探头硫化氢检测仪和2 套单探头硫化氢检测仪(含声光报警装置)，用于对脱水机房内的硫化氢浓度监测。污泥脱水机房设1 套便携式硫化氢测量仪，作为工作人员安全保护用。

4.12 除臭系统

生物除臭装置的出风管分别设置一套硫化氢检测仪和一套氨气检测仪。

4.13 进出水水质检测

在进水泵房集水井设水质取样管，检测进水水质。进水水质检测内容包括酸碱度（pH）、温度（T）、悬浮物浓度（SS）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH4-N）、总氮（TN）和总磷（TP）。

在紫外消毒池设水质取样管，检测出水水质。出水水质检测内容包括酸碱度（pH）、温度（T）、悬浮物浓度（SS）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH4-N）、总氮（TN）和总磷（TP）。

5 结语

自动化控制系统已在虹桥污水处理厂投入使用，且运行正常，取得了较好的效果。随着时代的发展、科学技术的不断进步，地下式污水处理厂模式将会得到越来越多的应用，该自动化控制系统的设计可以在类似模式的污水处理厂得以应用，并希望通过新产品的研发以及合适的科学的技术，进行综合性的使用及改进，最终能够实现提高工作效率，减少建设投资费用的目的。

图2 自动化控制系统架构图