工业园区污水处理管控一体化系统

2024-01-23程倩如杜树新刘保龙

物联网技术 2024年1期

程倩如，杜树新，陈哲，刘保龙

（1.湖州师范学院工学院，浙江湖州 313000；2.杭州海知慧环境科技有限公司，浙江杭州 310052）

0 引言

相比于传统的工厂企业场所，工业园区具有产业聚集度高、设施配套完善、全方位优质服务等优点。作为一种集约化发展模式[1]，工业园区在我国国民经济中发挥着重要作用。园区内工业活动的高度集中，在一定程度上有利于区域经济可持续发展和环境保护工作的开展，但同时也使它成为环境问题最突出的聚集区之一[2]。工业园区企业在研发和生产中会产生大量含有毒有害物质的工业污水，对园区周边环境安全造成威胁，为此需要在工业园区进行工业污水集中处理，保证园区污水达标排放，并且在运营过程中对污水管理进行风险控制，将环境风险降到最低。

工业园区污水处理规模较小，早期的污水处理过程通常采用人工操作，例如人工检测污水、手动控制设备，从而难以对水质变化做出快速反应，导致污水处理的控制管理效率低下[3]。随着网络技术的快速发展，污水处理自动化控制、信息化管理成为企业关注的焦点，如英国很多水务公司已经实现实时监测数据并快速可视化、整合不同系统数据，并且通过大数据分析可以做到水资源流域洪涝管理、预测供水需求等功能，为企业减少因损耗带来的损失[4]。国内大部分水务公司使用SCADA 在线监测系统，管理水处理过程中产生的各类数据[4]。然而，互联网技术对污水处理生产模式的影响速度并没有它本身发展的那么迅速，许多污水处理厂没有将污水处理控制与管理进行有效结合，从而导致各模块之间不能互联互通，出现数据不完善甚至孤立的问题。

本文针对以上问题，运用计算机、自动化、物联网等综合信息化技术开发了一套污水处理管控一体化系统，一方面具备现场实时监测控制功能，另一方面实现了污水处理数据的综合分析。多个功能集于一体的模式对于实现污水处理工艺的远程监控和信息化管理、提高整个污水处理厂工作效率具有十分重要的意义。

1 污水处理工艺

污水处理工艺包括四部分：预处理、物化处理、生化处理和深度处理。预处理是通过隔栅、沉淀或者气浮等处理，去除污水中所含的石块、沙石和脂肪。由于一些污水含有高浓度铜、磷等，且颜色深，物化处理是通过添加酸碱、助凝剂等，调节反应池的pH 值，降低污水上层清液色度，减轻生化处理的负担[5]。生化处理采用A/O 法[6]、活性污泥法等去除不可沉悬浮物和溶解性可降解生物有机物。深度处理是采用活性炭吸附水中剩余污染物和氯消毒以达到杀灭细菌和病毒的目的。具体工艺流程如图1 所示。

图1 工艺流程

2 污水处理管控一体化系统

2.1 系统架构

污水处理管控一体化系统由现场控制层、数据层、执行层和管理层构成，如图2 所示。现场控制层主要进行数据采集工作。污水处理厂通过在处理过程各环节安装的在线检测仪器，如溶解氧分析仪、COD 在线分析仪、酸碱值测量仪、液位传感器和流量计等，对污水处理过程的溶解氧浓度、氨氮含量和pH 值、液位和流量等进行实时、准确、自动的采集处理，实现各工况数据的及时获取。现场数据通过污水厂的工业网络系统被传输到数据层。数据层通过服务器备份存储各类设备传感器与PLC 采集的工艺数据，并进行实时数据传输，确保数据的高性能存储和信息共享的稳定可靠。执行层主要负责执行计划，对现场传感器传入到系统的数据进行实时监测，并存入相应的数据库进行分类管理，形成设备历史日志、药剂管理、人员组织架构、设备实时报警、污水处理工艺等模块。管理层主要进行计划决策和行为预测，通过执行层提供的各项数据，对生产污水处理所使用的药剂成本、设施运行维护台账、电能消耗、运营资金进行核算，制定合理的计划确保污水处理工艺符合设计要求，实现达标排放。同时对污水处理过程中的潜在风险进行预测，避免给污水处理厂带来经济损失。

图2 系统架构

2.2 主要功能

（1）污水处理成本分析

污水处理成本主要由能源动力成本、药剂消耗成本、维保成本、污泥成本以及其他成本构成[7]。

能源动力成本：电费是污水处理的主要成本，根据设备的功率和利用率计算每月处理吨水所消耗的电能，按照谷、峰、平不同时段分时计价的方式计算电成本。

药剂消耗成本：根据污水水质特点，使用絮凝剂、碳源、消毒剂以及各种化学试剂等对污水进行物化处理和生化处理，通过药剂仓储管理数据计算每月处理吨水所使用各种药剂的投入成本。

维保成本：包括日常的设备保养费、故障设备维修费、仪器仪表的校验费等。

污泥成本：是指运输、填埋污泥的成本。

其他成本：包括人工成本、折旧费、缴税、垃圾处理等费用。

其中，药剂消耗和电消耗是运行成本的主要部分。在污水处理过程中，对污水出水口水质要加大分析监控力度，在保证污水处理效果的同时，最大限度减少药剂投入以减少药剂成本。同时重点关注耗电的设备，结合水质检测报告，对设备进行相应调整，减少电能消耗，以科学的管理手段对运行成本进行控制。

（2）设备保养计划

工业园区污水处理厂中包含各种设备，例如提升泵、风机、搅拌机、阀门、鼓风机污泥脱水设备等。实时采集不同时间段各设备使用频次和故障停机数据，结合设备使用说明书以及运行设备上次保养时间，按照年度、季度、月度设定周期性检查设备的时间间隔，生成设备保养计划，要求工作人员按照计划严格执行，定期保养设备，延长设备使用寿命。同时强化设备巡查和点检力度[8]，遇到设备异常情况及时处理并上报。

（3）日常巡检管理

巡检周期主要分为日检、周检、月检，系统根据不同巡检周期设定的时间间隔在系统中定时生成巡检任务报表。将污水处理厂中每个污水池的信息录入系统，同时绑定该污水池的巡检任务，就可以通过不同巡检任务查询相应的巡检任务信息。巡检任务的派发可以通过移动手机端完成，巡检人员登录工业园区污水处理管控一体化小程序后，对现场巡检情况进行拍照反馈，系统同步更新巡检时间、激活状态等。如果未在有效周期内进行巡检上传，系统自动将未完成的巡检任务纳入漏检列表中。

（4）故障预警远程诊断

系统可动态实时监测设备运行状态、污水处理总量、药剂库存等，还可以对水质参数、设备操作功率设置报警上下限。当系统监测数据存在持续性异常，则发出预警信号，通知工作人员异常发生的位置及异常信息，工作人员根据异常信息可以进行远程诊断和远程调参，无需前往现场即可快速定位并解决故障问题。如所监控的站点污水池液位超过最高液位时，立即发出报警信号，远程调整电动阀门开关，控制进出水的流动，实时监测液位变化。

（5）过程控制

pH 值控制：pH 值是判断污水水质的一个重要因素，它会影响污水中重金属的形态和活性污泥中微生物的生活环境。当pH 值不在6 ～9 范围时，对污水的物化处理和生物处理会产生不利影响；pH 值低于6 的酸性废水，会对污水处理设备产生腐蚀作用，因此要控制调节污水处理过程中的pH 值。本系统可以对污水处理过程中的pH 值进行实时在线监测，当污水pH 值过高或过低时，调整中和药剂的投加量，适当增加中和反应时间[9]，控制pH 值以达到排放要求。

PLC 控制：系统所有设备的启动和停止分为三种模式：手动模式、自动-程序模式、自动-强制模式[10]。当选择开关置于自动挡时，设备的工作方式处于自动-程序模式，设备的启动和停止完全由PLC 控制。

溶解氧控制：生化反应是污水处理中的核心部分，其中溶解氧是生化反应中非常重要的工艺参数，控制溶解氧对出水水质和系统能耗有直接影响。本系统通过溶解氧分析仪检测曝气池中溶解氧的实际值，计算实际值和设定值之间的差值，调节曝气池的输气量，保证生化池内的空气需求量[11]。

2.3 系统特点

（1）一体化设计。污水处理自动化控制与信息化管理相结合，通过对设备自动化控制、工艺智能化监控，将污水处理水质数据和设备运行参数传入系统，工作人员通过系统中的数据进行分析预测和成本计算，制定最佳的污水处理方案，为设备自动化控制提供科学依据[3]，为污水处理的管理提供精准的策略，保证污水处理高效有序运作。

（2）数据信息共享。管控一体化系统采用API 进行统一数据管理，兼容小程序、手机、电脑端使用，同步数据信息，节约时间成本，有利于各部门交流沟通。同时，在生成API的过程中还对信息进行加密处理，保证数据的真实有效。

（3）管理更规范。为污水处理厂站建立一套污水处理档案，档案中包括工艺流程控制数据、厂站报警报表、自动监控视频、日常巡检记录等，全面清晰地反映污水厂的基本信息，有利于工作人员掌握排污情况，实现对污水厂精细化、规范化管理。

3 在电镀园区的应用

工业园区污水处理管控一体化系统已应用于浙江某电镀园区，具体成效包括：

（1）解决数据信息孤岛问题，实现信息化管理；对污水处理厂各类数据进行管理分析，实现各模块相互联通；实时监控污水处理工艺，根据进出水口水质和设备运行情况，指挥资源调度，调整工艺参数[12]，优化处理工况。

（2）对污水处理工艺和数据进行监控，分析系统在线数据，及时处理突发情况，保证设备高效运行，降低能源消耗成本，使得管理决策更可控更规范。

（3）将物联网、移动互联网等技术与日常管理工作相结合，实现保养计划、日常巡检工单、报警表单数字化，管理效率更高；实现批量上传与导出进出水口水质数据，无纸化办公，节能减排[13]。

图3 为水质采集数据分析页面，采用折线图统计分析污水处理过程中各类水质指标的变化趋势。图4 为设备事件页面，表中对厂站、异常情况、执行情况、上报时间进行统计，并按照紧急情况进行排序，实时更新执行情况，动态掌握设备运行状况。图5 为药剂单价变化趋势界面，通过条形图统计不同时间段各种药剂单价成本以计算药剂消耗总成本，及时调整各污水厂药剂的使用量，在保证污水处理效果最大化的同时，降低成本。图6 为实时达标概况界面，统计各个污水厂的处理水量和出水水质评分，实时掌握污水处理信息。