反硝化深床滤池仪控设计分析

曹政柳CAO Zheng-liu

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，杭州310000）

0 引言

随着社会的进步与发展，污水排放标准逐步提高，在工业污水处理厂中反硝化深床滤池得到广泛运用。在工业污水处理过程中，反硝化深床滤池是重要的工艺环节，不仅可以去除污水中的固体悬浮物，也可以去除污水中的总氮，以到达水质排放标准。根据适用性、经济合理性要求，在反硝化深床滤池设置相应的PLC 控制系统并设置正常过滤程序、气水反冲洗程序、氮气释放程序、碳源投加控制程序，结合超声波液位计、电磁流量计、硝酸盐分析仪、溶解氧仪、热式气体流量计等在线监测仪表，完成反硝化深床滤池的自动化运行要求。本文结合宁波江北区下沉式再生水厂（一期）项目，以反硝化深床滤池的工艺要求和仪控原理为出发点，对反硝化深床滤池仪控设计进行分析总结。

1 反硝化深床滤池工艺概述

宁波江北区下沉式再生水厂（一期）项目建设规模为15 万m3/d，近期设备安装10 万m3/d。污水首先经过粗格栅、细格栅、精细格栅去除大颗粒悬浮物、漂浮物，进而通过沉砂池去除砂粒，然后经多级生物池去除污水中的有机污染物，生物池出水经过二沉池进行泥水分离后通过高效沉淀池进行混凝、絮凝和沉淀处理，去除污水中的部分CODcr，SS 和TP 等污染物，高效沉淀池出水流至反硝化深床滤池，反硝化深床滤池进一步去除污水中的TN、SS、CODcr、TP，反硝化深床滤池处理后的清水，经紫外线消毒渠消毒后达标排放。

反硝化深床滤池是一种重力流、固定床砂滤池，滤料颗粒粗，滤层厚，滤层厚度最低超过1.0m，通常在1.5m 以上。反硝化深床滤池的主要优点为容积大、污染负荷高、过滤速度快、水头损失慢、过滤周期长等特点。反硝化深床滤池在外加碳源的情况下，反硝化细菌发生反硝化反应，将污水中的亚硝酸根和硝酸根被还原为氮气、一氧化氮等气体物质，达到除氮的目的。因此，反硝化深床滤池主要对高效沉淀池出水进行过滤，截留水中悬浮物，同时此滤池具有脱氮功能，作为总氮达标的保障工艺。

宁波江北区下沉式再生水厂反硝化深床滤池设置1座，分12 格，一阶段安装设备8 格。此外需设置清水池和废水池。滤池过滤后的清水通过出水阀流入清水池中，滤池反冲洗产生的废水流入废水池中。反硝化滤池主要设备有反冲洗水泵3 台（2 用1 备）、反冲洗鼓风机2 台（1 用1备）、废水排水泵2 台（1 用1 备）、空压机2 台（1 用1 备）、搅拌机2 台等设备。此外，每格滤池气动阀门包括进水气动闸门1 台，出水气动调节蝶阀1 台，反冲洗进水气动蝶阀1 台，反冲洗出水气动蝶阀1 台，反冲洗进气气动蝶阀1 台等。反硝化深床滤池工艺流程如图1 所示。

图1 反硝化深床滤池工艺流程图

2 反硝化深床滤池自动化控制系统

污水厂自动化控制系统的基本要求是：生产过程可观测，设备状态可监视，运行数据可记录，工艺参数可调节，设备投入可调配，产品质量可控制，人员安全可保障，事故原因可追溯。按分散控制，集中管理的原则，建立污水厂的监控系统。因此，在反硝化深床滤池设置一套PLC 现地控制单元，对反冲洗鼓风机，反冲洗水泵，废水泵，混合搅拌机以及气动阀门等设备进行监视和控制，处理局部的数据采集和控制任务，同时接受中央控制室的调度指令。

反硝化深床滤池PLC 现地控制单元包括一套PLC 控制主站和八套PLC 控制子站；控制主站主要监视和控制反冲洗鼓风机，反冲洗水泵，废水泵，混合搅拌机等设备；控制子站主要监视和控制单格滤池的气动阀门。单格滤池气动阀门有进水气动闸门，出水气动调节蝶阀，反冲洗进水气动蝶阀，反冲洗出水气动蝶阀，反冲洗进气气动蝶阀等。PLC 可实现现场手动控制、现场自动控制和远程自动控制等功能。

PLC 控制主站是整个反硝化滤池深度处理工艺的核心控制单元，滤池的各种运行程序如正常过滤程序、反冲洗程序、氮气释放程序、碳源投加程序均由PLC 控制主站完成。PLC 控制主站采集设备、仪表的状态信号，经过PLC的逻辑运算，自动的选择合理的程序运行，并下达控制指令给相应的PLC 控制子站，保障反硝化深床滤池的正确运行。各PLC 控制子站监视和控制对应滤池的气动阀门，将运行工况反馈给控制主站。

PLC 控制主站采用双机冗余控制系统，CPU、通讯模板、冗余模板分别配置在2 个独立的框架中，主备控制器的切换时间在20～30ms 之内。PLC 控制子站采用远程I/O控制站。PLC 控制主站与PLC 控制子站采用以太环网型式连接，同时预留接入污水厂光纤环网的通讯接口，拓扑图如图2 所示。

图2 反硝化深床滤池自控系统拓扑图

PLC 采用模块化框架系统，各种接口模块（Modbus 模块、通讯模块、I/O 模块）可带电插拔。为了方便现场操作方便，PLC 控制站配置触摸屏。PLC 控制主站需带独立的CPU 控制器，控制器具有PID 运算功能。PLC 控制子站仅设置I/O 模块和通讯模块，将采集到的数据传输至PLC 控制主站，同时接受PLC 控制主站控制指令。

3 反硝化深床滤池仪表系统

为了配合自控系统的运行，根据工艺要求在反硝化深床滤池设置与工艺流程相适应的在线检测和分析仪表，以满足生产运行过程的监测和控制要求。在反冲洗进水管设置反冲洗水电磁流量计1 个，将流量信号反馈给变频反洗泵来控制反冲洗水强度；每格滤池设置超声波液位计以实现恒水位运行，当超声波液位计测定水位到达设定值高度时或滤池到达设定的反冲洗周期时间时，PLC 控制系统启动滤池反冲洗程序；滤池水位在上升过程中，定期进行氮气释放程序，以恢复滤池的过滤水头；也可以在每格滤池出水管设置电磁流量计，当电磁流量计出水流量较低时启动氮气释放程序或者气水反冲洗程序；本工程考虑设置超声波液位计。进出水设置进水流量计、硝酸盐分析仪、溶解氧仪，通过PLC 的PID 控制模块精确执行碳源投加控制程序；废水池和清水池均设置超声波液位计，液位满足要求时方能启动反冲洗程序；根据需要，还需要配套鼓风机气体流量计和压力表，以监测鼓风机是否正常运行，根据气体流量值反馈给鼓风机变频器控制鼓风机风速。

反硝化深床滤池处于地下室内空间，仪表的防护等级不低于IP65，水质监测仪表具有自动清洗功能。由PLC 柜供电的检测仪表，每套PLC 的电源端加装电源避雷器，以抑制出现在电力网络中的暂态浪涌电压和吸收暂态浪涌电压能量，在保障供电连续的条件下，使仪表、PLC 终端等主要设备免受过电压的干扰和侵害。在检测仪表4～20mA DC 信号的输出端和PLC 终端机的模拟量输入端加装信号避雷器，以抑制信号回路的雷电干扰。仪表信号电缆（双绞屏蔽电缆）的屏蔽层应在PLC 终端机侧可靠接地。

4 反硝化深床滤池自动化运行控制逻辑

4.1 正常过滤自动控制逻辑

高效沉淀池出水流至反硝化深床滤池混合渠和碳源混合后流至配水渠，经配水渠将污水平均分配给8 个单格滤池。正常滤池时，滤池的石英砂滤料去除固体悬浮物完成过滤功能，滤池的反硝化细菌发生反硝化反应完成去氮功能。此时PLC 控制系统关闭罗茨鼓风机、反冲洗水泵、反冲洗进水气动蝶阀、反冲洗出水气动蝶阀、反冲洗进气气动蝶阀，打开滤池进水气动闸门、滤池出水气动调节蝶阀；同时实时采集滤池的超声波液位值，通过PLC 系统的PID 运算模块控制滤池出水气动调节蝶阀的开度，实现滤池恒水位运行。

4.2 气水反冲洗自动控制逻辑

污水流经滤池时，悬浮物会被阻挡拥塞在石英砂滤料的空隙之中。石英砂滤料上部分的空隙空间会因最先充满悬浮固体而变得狭窄。随着更多的空隙被固体拥塞，滤池中的水位会逐渐上升，水头损失更大，才能维持滤池流率。当超声波液位计检测到滤池液位过高、废水池液位较低、出水阀门开度达到100%时，尝试过氮气释放程序仍不理想时，会启动反冲洗程序。此外，控制系统会周期性的启动反冲洗程序，一般以24~48 小时为一运行周期，具体周期可以根据水厂运行一定时间后通过经验值确定。同一时间仅允许一格滤池进行反冲洗。

反冲洗需要阀门、水泵和鼓风机等设备处于自动控制状态，并清除所有设备报警状态；清水池通过超声波液位计来检测水量是否满足反冲洗的要求，废水池过超声波液位计来检测是否有足够的容量存储反冲洗废水，废水池液位过高时应启动废水排水泵，将污水排至前置污水处理单元。

反冲洗一般分为三阶段进行，第一阶段为气洗3~5 分钟；第二阶段为气水联合冲洗15~20 分钟；第三阶段为水漂洗5 分钟。自动反冲洗程序由PLC 编程完成，反冲洗周期和顺序可通过PLC 主站设定，自动反冲洗程序控制逻辑如下：

①关闭进水和出水气动阀；

②打开反冲洗进水气动蝶阀、反冲洗出水气动蝶阀；

③打开反冲洗气体气动蝶阀；

④启动反冲洗罗茨鼓风机；

⑤逐渐关闭反冲洗空气泄压阀，开始气体反冲洗；

⑥鼓风机继续运行，气体冲洗5 分钟后启动2 台反冲洗水泵；

⑦气水同时反冲洗大约15 分钟；

⑧关闭反冲罗茨鼓风机，关闭反冲洗气体气动蝶阀，打开空气泄压阀；

⑨继续单水冲洗约5 分钟，去除滤池内的残留空气，并将残留物漂洗出池外；

⑩关闭反冲洗水泵；

11○关闭反冲洗进水气动蝶阀、反冲洗出水气动蝶阀；

12○打开进水气动蝶阀、出水气动蝶阀，滤池恢复正常运行。

反冲洗过程中，PLC 实时监测反冲洗水管流量和反冲洗气管风量。当反冲洗水管流量过低时应启动备用泵，水量仍然过低应终止反冲洗程序并检查原因；风机亦然。PLC 编程时应注意备用设备轮换启动，以延长备用设备的使用寿命。

4.3 氮气释放自动控制逻辑

深床滤池运行在反硝化模式时，由于外加碳源和污水中的硝酸盐氮在微生物作用下发生硝化反应，硝酸盐变成氮气。氮气会逐渐在滤层中积聚，减小了水流通过滤层的空隙，使滤池的水头损失增加。因此，需要定期把深床滤池滤料间的氮气逐出，以减少水头损失，保证滤池的过滤速度。

氮气释放原理是通过水流抖动和冲刷方式打乱原有的平衡，使小气泡快速聚集成大气泡排出，具体实施方式是利用反冲洗进水泵定期快速反冲洗，形成池内水流紊动破坏原有平衡达到氮气释放目的。

当超声波液位计检测到滤池液位过高、出水阀门开度达到100%时，PLC 控制系统会启动氮气释放程序。此外，控制系统也可以周期性的启动氮气释放程序。氮气释放程序由PLC 编程完成，氮气释放周期可通过PLC 主站设定，正常运行程序下转为氮气释放程序控制逻辑如下：先关闭出水气动调节蝶阀，再打开反冲洗进水气动蝶阀，然后打开反冲洗水泵，运行1~3 分钟停止，恢复至正常运行状态。周期性的启动氮气释放程序，一般以2~4 小时为一运行周期。PLC 编程时应注意氮气释放程序和反冲洗程序不能同时进行。

4.4 碳源投加自动控制逻辑

反硝化深床滤池有两种运行模式，一种是深床滤池工艺，当前置工艺满足污水排放要求时运行，此时仅去除水中悬浮物；另一种模式是反硝化深床滤池工艺，此时可去除水中悬浮物和总磷总氮。深床滤池运行在反硝化模式时，需要投加外加碳源以实现反硝化脱氮。碳源投加量的多少直接影响了运行费用和出水水质。碳源投加控制原理图如图3 所示。

图3 碳源投加控制原理图

碳源投加采用前反馈+后反馈控制，通过PLC 的PID控制器实现。PLC 采集进水流量值、进水硝酸盐浓度值、溶解氧浓度值，通过PLC 计算出理论碳源投加量，控制投药计量泵的投加。同时，采集出水硝酸盐浓度信号反馈给PLC（后反馈），如出水硝酸盐浓度过高则碳源量投加不足，从而加大投药量；如出水硝酸盐浓度过低，即认为碳源投加量过量，从而减少投药量，以此理论作为碳源投加量的PID 控制，降低出水超标风险。碳源投加也可以采用经验控制，在PLC 界面直接输入碳源投加量来实现碳源投加，PLC 编程时需考虑此方案。

5 结语

综上所述，反硝化深床滤池一般设置一套PLC 控制主站，每格滤池设置一套PLC 控制子站。主要控制程序由PLC 控制主站完成，PLC 控制子站辅助主站完成设备监测与控制。反硝化深床滤池需要设置超声波液位计、电磁流量计、硝酸盐分析仪、溶解氧仪、热式气体流量计等在线监测仪表，以完成反硝化深床滤池的自动化运行要求。