自动化控制系统在污水处理厂的应用

2021-08-03董金治吴郑垚李宝强

科技创新与应用 2021年20期

陈盈，董金治，吴郑垚，李宝强，郑卉*

（1.浙江竟成环保科技有限公司，浙江温州325000；2.温州市工业科学研究院，浙江温州325000）

随着社会经济水平的不断进步，人民生活水平日益提高，乐清市下辖的清江镇、南塘镇、芙蓉镇工业区的建设快速推进，以及清江镇、南塘镇、芙蓉镇居住区由老城往外扩张，生活污水排放量将迅速增加，如不进行有效处理，水环境污染将日趋严重，已建成的处理规模0.35万m3/d的污水处理厂远远不能处理发展中的三镇的生活污水。因此，应坚持环境与基础设施先行的原则，对清江污水处理厂进行扩建和改造。长期以来，污水处理的自动化控制一直是污水处理的核心，自动化水平的高低直接影响污水厂维护人员操作方便性及出水的稳定性。本项目将污水处理流程工艺过程参数、主要设备运行情况等数据信息传输至中控室，在中控室即可对生产情况和工艺参数进行PLC自动控制与调节。

1 污水处理厂概述

乐清市清江污水处理厂中期工程总规模为0.9万m3/d，扩建规模为0.55万m3/d，工艺技术方案采用A2/O工艺，是厌氧/兼氧/好氧组成的处理模式，利用生物处理法脱氮除磷，为深度二级处理工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，详见表1。

表1 进出水水质

主要工艺流程：市政污水→粗格栅渠→提升泵房→细格栅渠→旋流沉砂池→厌氧池→缺氧池→好氧池→二沉池→加药终沉池→过滤池→紫外消毒池→计量外排池。

二沉池剩余污泥和加药终沉池污泥依靠污泥泵至污泥贮池，在污泥贮池均质后通过厢式压滤机脱水，脱水后的泥饼集中外运处置。

污水处理厂产生的废气通过密闭收集后通过引风机输送至生物滤池，经过处理后15m高空排放。

2 设备配置和使用

2.1 主要设备配置

中期扩建工程主要设备的组成可根据作用功能分为：预处理单元、生化处理单元、物化沉淀单元、深度处理单元、污泥处置单元。清单详见表2。

表2 主要设备配置

2.2 设备使用布局及作用

粗格栅机和污水提升泵属于预处理单元设备，粗格栅机将较大的污物清除后，污水通过提升泵房的污水提升泵汇入原一期建有的细格栅渠和旋流沉砂池，经过预处理工序后排入后续生化处理单元。

生化处理单元主要由磁悬浮风机、潜水搅拌机、回流泵和污泥回流泵等设备组成。污水先汇入设有潜水搅拌机的厌氧池和缺氧池，在厌氧微生物的作用下分解污水中的有机物，去除大部分COD。缺氧主要是用于好氧配合，将好氧池内污水回流至缺氧池前段起到反硝化去除硝态氮的作用，达到脱氮的目的，同时去除部分BOD并在水解反应作用下提高了污水的可生化性。在好氧池内通过曝气器和外置磁悬浮风机保持水里的溶解氧含量在2mg/l以上，好氧菌进一步将有机物分解为无机物，进入后续物化沉淀单元。

物化沉淀单元主要由反应搅拌机、加药搅拌机、刮泥机、排泥泵、PVC计量泵等设备组成。好氧池内污水先汇入二沉池，通过刮泥机将原有污泥截留在二沉池内，污泥回流至好氧池前段，保证好氧池污泥浓度，剩余污泥排入污泥贮池。最后上清液流入加药终沉池反应段，计量泵通过进水量调节投入反应池内的加药量。在反应池内充分混合后进入沉淀区域，实现固液分离，刮泥机将终沉池内污泥集中至泥斗处，通过排泥泵将污泥排至污泥贮池，上清液至深度处理池。通过加药终沉池的絮凝和沉析作用可去除生化处理单元无法去除的有机磷。

深度处理单元原一期已建，主要由V形滤池和紫外消毒池组成，将原有设施返修整改即可使用。污水经过加药终沉池后为保证出水悬浮物在标准范围内，设有V型滤池，经过滤池处理后的污水流入最终的紫外消毒渠，通过紫外灯的作用起到杀灭细菌的作用，达标废水集中外排。

污泥处置单元主要由空压机、气动隔膜泵、压榨泵、加药系统、压滤机、螺旋输送机等设备组成。将汇入污泥贮池的二沉池剩余污泥和终沉池污泥均质后通过启动隔膜泵至压滤机内脱水干化处置，通过螺旋输送机输送至污泥斗内，外运集中处置。

3 自动化控制系统的配置

自动化控制系统主要由现场控制层、仪器仪表、通信网络、中控WINCC系统四部分组成。

3.1 现场控制层配置

现场控制层配有PLC控制柜、MCGS触摸屏、以太网交换机、UPS等，各处理单元配有就地控制柜，根据位置和作用的不同，中期扩建工程将现场控制柜分为8个，如下：提升泵房控制柜、细格栅间控制柜、风机控制柜、综合处理池控制柜一、综合处理池控制柜二、脱水机控制柜、过滤池控制柜、在线监测控制柜。MCGS触摸屏可供现场巡检人员操作，保障设备故障时可及时停机。

3.2 仪器仪表配置

为实现污水厂的自动化控制和处理过程监测配置，仪表分为过程仪表分析仪和在线监测分析仪。

过程仪表分析仪主要有：pH分析仪、ORP分析仪、污泥浓度仪、电磁流量计、涡街流量计、超声波液位计等；过程仪表接入现场控制层PLC，在线监测数据除传输至平台外，同时传输至中控室，便于运维人员对进水水质的把控与出水的监控。

各单元过程仪表配置情况如下：提升泵房设有超声波液位计，用于液位保护；厌氧池和缺氧池内安装pH分析仪、ORP分析仪，监测过程单元pH值、硝酸氮浓度和反硝化情况；好氧池内安装溶解氧分析仪、pH分析仪、ORP分析仪、污泥浓度仪，作为控制信号和反馈信号，用于风机供气量的计算和控制；在风机出口处安装涡街流量计，用于计算风机出口风量，作为变频器风量调节控制的反馈信号；在线监测分析仪根据监测因子和要求的不同进出水设备的配置具有一定差异。

为跟踪超标排放的企业和防止进水超出设计水质范围导致系统崩溃，进水在线监测房配置：pH分析仪、氨氮分析仪、总氮分析仪、总磷分析仪、COD分析仪、进水电磁流量计、数据采集仪。进水水质直接传输至泵站管理中心平台，根据各泵站的来水分析大致确认违规排放的企业区块，对企业勒令整改和处罚，保证污水厂稳定运行。

为监管运维单位和出水水质情况，出水在线监测房配备：pH分析仪、氨氮分析仪、总氮分析仪、总磷分析仪、COD分析仪、出水明渠流量计、数据采集仪、超标留样仪。出水水质直接传输至国控环保在线监测平台，加强水质监管，提高运行人员的责任心。

3.3 通信网络配置

PLC自动控制系统通信网络可分为管理层、单元层、现场执行层三层。

管理层，主要由服务器、打印机、主站PLC、工业以太网、监控等组成，用于监控管理的设备。

单元层，主要由各现场控制PLC柜和工业以太网组成，采用多模光缆，全双工以太网传输。

现场执行层，主要由AS-I现场设备、执行器、传感器等各类仪表组成。现场执行层设备主要采用485通信和4-20Ma模拟量信号连接。

3.4 中控WINCC系统配置

在中央控制室设有自控系统，配有：WINCC监控软件和数据平台、二套操作系统、一幕布投影设施、二台打印机、一套数据服务器等。

二套操作系统互为备用，同时接收及处理现场采集的所有数据，集中控制与管理污水厂内现场控制层控制设备，记录与查询污水处理厂生产运行的主要数据和信息，在数据查询平台调用并打印数据。

通过组态软件可将整个污水厂的平面布置和控制策略集成到一处，在中控室即可调看在线监测数据，过程仪表检测数据变化情况以及系统的数据采集和处理并显示设备运行情况、异常报警、历史数据查询、报表输出等工作。

4 自动化系统控制

项目为扩建工程涉及一期工程的自动化整合和中期扩建工程的新建，将整个污水厂的污水自动化控制集中至一个中控室进行控制和处理，将原先合理的程序应用不变，将欠缺部分进行优化。

4.1 粗格栅控制

粗格栅是污水处理的第一步，直接关系到后续污水处理的清渣工作量和维修工作，主要目的是去除固体废弃物垃圾，及时将其清理出工艺流程。

对格栅机的控制，需要监测格栅机两侧的液面差。通过格栅机前后的液位差来反映格栅机阻塞程度，进行分析计算。当液位差超过预设值后，系统控制清污机运行，清除大颗粒的污染物质，保障污水流动畅通；在液位差未超过设定值时，清污机处于停止状态，这样就可以大大减少设备损耗。若在液位差控制不采用的情况下可以切换控制方式采用时间控制，定时开启粗格栅的运行进行清渣。

4.2 污水提升泵控制

污水提升泵采用变频控制，由超声波液位计取得液位信号及自动控制泵的开停及台数。系统累积各台泵的运行时间，自动轮换水泵，保证各台泵累积运行时间基本相等。水泵设置低液位保护，低液位信号传至PLC，PLC通过对数字量的校验，做出相应的动作，并将该信号重新反馈至相应的水泵，所有水泵处于联锁状态。

4.3 过程pH自动控制

pH值的控制是该污水处理系统中的重要指标。污水厂主要工艺流程的处理单元内，安装pH值传感器，4～20mA模拟信号送PLC，由PLC控制碱泵和电磁阀化学药品的投加量，保证pH值在给定值。在中控室控制面板上数显表显示各处理单元pH数值及碱泵的运行状态，并对故障信号报警。

4.4 好氧池自动控制

好氧池在污水处理上有着非常重要的作用，是去除污染成分的主要处理单元。用于好氧池充氧的鼓风机是污水处理厂的主要能耗源之一，风机的运行占据污水厂1/2至2/3的电能。降低能耗是自动控制重要的策略之一。

设定好氧池的DO浓度为2-4mg/l，当溶解氧浓度低于设定值时，开启风机，根据溶解氧浓度确定变频器的运行频率，通过涡街流量计反馈流量信号，并计算出需要供给的气量。当满足设定条件的上限时，磁悬浮风机受变频器控制改为低频运行或停止运行，整个过程通过PLC实现PID调节。

4.5 加药自动控制

在加药终沉池和污泥脱水过程中为增加沉淀效果和污泥脱水性，使污水中悬浮颗粒能够形成具有良好沉淀性能的絮凝体，达到泥水充分分离的处理效果，需进行絮凝剂投加。加药终沉池的加药量根据终沉池的进水量和进水浓度控制，脱水加药根据脱水机的进泥量按照配比投加控制。

4.6 污泥回流控制

由于系统中不断有新污水的排入，为保证好氧池中污泥浓度，需补充好氧池内污泥量，保证微生物分解能有效进行。活性污泥由二沉池回到好氧池的进口，形成污泥回流。好氧池内活性污泥的浓度直接影响分解有机物的效果。在污水处理系统中对回流污泥设置自动调节，同时工作人员可根据运行情况对回流污泥泵进行手动调节。

4.7 剩余污泥控制

整个系统中的污泥量由隔膜泵动力驱动流至处理设施，因此其流量基本为固定的，且污泥的产生与其加药总量有着密切的关系，对加药量的控制也是一定的，因此采用时间控制定时排泥，实现排泥无人看守。根据具体的情况设置排泥时间，排泥时间在中控室及触摸屏上均可更改。时间控制进行排泥，大大降低了劳动强度，使原先复杂繁琐的排泥更加自动化、人性化。