摘要：人類對水資源的需求以驚人的速度擴大和日益嚴重的水污染蠶食大量可供消費的水資源。目前城市生活污水處理已經(jīng)受到各地政府和許多研究人員的關注。為了提高污水處理的效果和管理，實現(xiàn)污水處理自動化控制是關鍵。當前我國污水處理自動化控制還比較初步，有待于迸一步的提高和完善。
關鍵詞：污水處理；自動控制系統(tǒng)設計
一、污水處理的意義及現(xiàn)狀
中國水資源人均占有量少，空間分布不平衡。隨著中國城市化、工業(yè)化的加速，同時近年來江南水鄉(xiāng)出現(xiàn)嚴重干旱，水資源的需求缺口也日益增大。在這樣的背景下，污水處理行業(yè)成為新興產(chǎn)業(yè)，目前與自來水生產(chǎn)、供水、排水、中水回用行業(yè)處于同等重要地位。雖然由于國家和各級政府對環(huán)境保護重視程度的不 斷提高，中國污水處理行業(yè)正在快速增長，污水處理總量逐年增加，城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高。降低運營成本，提高污水處理率，一直是污水處理行業(yè)面臨的最現(xiàn)實的問題。
采用計算機技術、跟蹤經(jīng)常變化的水處理情況，檢測不同時 間的水質(zhì)指標數(shù)據(jù)，在計算機上動態(tài)現(xiàn)實，對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，并記錄下來，以備在需要的時候查閱。通過分析數(shù)據(jù)趨勢走向，隨時調(diào)整個設備及工藝過程參數(shù)，使其達到優(yōu)化控制狀態(tài)，經(jīng)濟運行，節(jié)省能耗。采用計算機代替人工操作，減少事故，保證安全，降低勞動強度，節(jié)約人力，甚至可以完成許多人工難以完成的任務，提高運行的可靠性。
二、污水處理工藝過程
污水處理是將污水中的污染物質(zhì)分離去除，使有害的物質(zhì)轉(zhuǎn) 化為無害的物質(zhì)、有用的物質(zhì)，水得到凈化，并使資源得到充分 利用。城市生活污水處理工藝按流程和處理程序劃分可分為預處 理工藝、一級處理工藝、二級處理工藝、深度處理工藝和污泥處 理工藝，以及最終的污泥處置。預處理工藝：主要是物理處理， 通過格柵、沉砂池等將污水中大塊污物攔截出來，保證后續(xù)單 元的正常運行。預處理過程就去除污染物質(zhì)而言，可能不起關鍵作用，但是至關重要。預處理不好，對一級處理影響水質(zhì)均勻及管道暢通、潛水泵的運轉(zhuǎn)；對二級處理，沙粒進入曝氣池，在池底沉積，減少有效容積，增大曝氣阻力，有時還會堵塞微孔擴散器；對污泥處理，極易從格柵流走的一些破布條、塑料袋等 雜物，進入濃縮池后將在濃縮機柵條上纏繞，影響排泥均勻，還將堵塞排泥管或排泥泵，如進入離心式脫水機，會使轉(zhuǎn)鼓失去平衡，從而產(chǎn)生震動或嚴重的噪音，一些破布片、毛發(fā)有時會塞滿 轉(zhuǎn)鼓與渦殼之間的空間，是設備過載。污泥處理，主要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或者農(nóng)用填埋等。
三、污水處理自動控制系統(tǒng)設計
系統(tǒng)控制設計采用近控/遠控方式，方式選擇通過提升泵控制箱中的二次回路、接觸器、中間繼電器、選擇開關等的切換實現(xiàn)。正常情況下，選擇開關置于遠控位置，當遠程控制系統(tǒng)出現(xiàn) 問題時，需到現(xiàn)場切換為近控方式。遠控包含兩種控制方式：中控軟手動（點動）和自動，切換方式在中控監(jiān)控畫面中點擊點動 /自動按鈕。每臺設備的控制方式都可以單獨選擇。
1.格柵單元控制。
格柵單元，作用是用來去除水中粗大的懸 浮物和雜物，以保護后續(xù)處理設施能正常運行的一種預處理方法。一般根據(jù)水源情況分別設有出格柵和細格柵兩個步序，粗格 柵去除的是那些可能堵塞水泵機組及管閥門的較粗大的懸浮物， 而細格柵用以去除粗格柵難以去除的呈懸浮物狀的細小纖維。 本項目中水源由泵站供應，泵站出水時已經(jīng)經(jīng)過了粗格柵的 篩濾，所以只有兩臺細格柵和一臺負責運輸?shù)穆菪斔蜋C。 控制前提及要求說明：（1）水源不是很穩(wěn)定，有時會出現(xiàn) 斷源；（2）水中大塊雜質(zhì)含量隨季節(jié)性及白晝交替而變化； （3）啟動格柵之前，先啟動螺旋輸送機；停止時反順序；（4） 盡量提高格柵的利用效能，力求有水流動時才啟動該單元系統(tǒng)。
2.進水泵房單元控制。
進水泵房潛水泵屬于整個污水處理廠 用電大戶之一，合理的控制效果能起到節(jié)能作用。很好的控制效 果應該能實現(xiàn)以下要求：1.避免泵啟停頻繁；2.盡量保持泵在高液位運行：3.保證所有的泵均衡使用。
傳統(tǒng)的控制由人工根據(jù)液位及經(jīng)驗人為手動啟動泵的臺數(shù)， 所以現(xiàn)場自動控制很常用的就是根據(jù)液位分段運行，在不同的階 段啟動的臺數(shù)不一樣，交替使用，通常低中液位階段液位差設置比較寬，高液位階段液位差設置比較窄。目的是為了避免低液位 階段泵啟停頻繁，而是為了盡量保證泵在高液位運行提高泵的運行效率。當然也有恒液位變頻控制，只是大多數(shù)用在設備為一用一備的場合，一臺變頻器拖兩臺泵，通常只有在小型污水處理廠或者工業(yè)污水預處理場合
對要求恒液位變頻控制本文提供兩種方案：（1）變頻器一 拖多，共兩套。為每臺泵配置一臺變頻器既不實惠也增加了自控 的干擾源�？刂圃硎牵阂何贿_到控制目標液位時，變頻器啟動 （泵所在的那套系統(tǒng)的變頻器），拖動停止時間最長的那臺泵， 同時對該臺泵進行運行時間累計，并清除停止時間，進行改進型 PID控制，當頻率大于等于50HZ時，工頻啟動剩下的泵中停止時 間最長的，依次類推。（2）一臺變頻控制，剩下的泵全部為工 頻控制。本項目中采用的就是該控制方案，現(xiàn)場一臺變頻控制 泵，2臺工頻控制泵，遠期將再擴展兩臺工頻泵；該控制方案設 計簡單，缺點是如果要實現(xiàn)恒液位控制，變頻控制的泵將長期運 行，為了解決這問題，我們在程序上做了點工作，選擇一個擇中的辦法，使其達到很好的運行效果。
3.改良SBR池單元控制。
改良SBR池閥門及設備繁多，時 段控制要求高，操作復雜，應采用全自動控制，盡量減少人為 手動操作或者人為中控點動操作。改良SBR池設有4組SBR池。 SBR池系統(tǒng)按一定的循環(huán)過程進行。每一循環(huán)可劃分下列階段： （1）進水/曝氣；（2）沉淀；（3）潷水。每組循環(huán)操作由PLC 自動控制。整個過程中各階段安排是預先編制的，但需要時，可 在PLC系統(tǒng)中適當調(diào)整。程序控制說明如下：（1）現(xiàn)場進水不 穩(wěn)定也沒有規(guī)律，進水流量大時，如果滿周期運行，SBR池可能 會溢出，進水閥還應受液位限制，當達到高液位（液位值可在上位機組態(tài)操作界面中設置）時，進水閥門應該關閉而不是等到周 期結束才關閉。（2）由于SBR池工藝中，同時進行著硝化/反 硝化過程，因此曝氣量的調(diào)節(jié)十分重要。要求進水同時曝氣時間 可靈活設置，曝氣量控制在0.5mg/1以下，通過調(diào)節(jié)電動閥門的 開度來控制，具體又現(xiàn)場調(diào)試之后確定；曝氣階段的曝氣量閥門 全開，曝氣量達到2mg/1，通過控制鼓風機頻率來控制。此處進 水時曝氣要求控制開度，另一個主要原因是進水的池子剛潷水完 畢液位相對低，所以反而會導致主曝氣池子得不到曝氣。此外也 可以添加小管道的小旁路氣路來解決該問題，旁路開度可以根據(jù) 現(xiàn)場事先設定好。由于主閥門的本身不是智能控制型的，本項目 最終選擇采用增添旁路控制。（3）鼓風機作為最重要設備，在 系統(tǒng)運行的過程中通常常開的，過程中不允許有氣路堵塞。所以 始終要保持有一個進氣閥是開到位狀態(tài)，現(xiàn)場進氣閥是碟閥結 構，開啟和關閉時間都很短（約十秒左右），當需要關閉一個 進氣閥時應先在需要開啟的進氣閥開到位之后才能開始關閉。 （4）當沉淀時間到達之后，潷水器開始下降（潷水器為閘門式 潷水器），下降至有效液位（該液位值高于潷水器下降到位時的 位置，可在上位機組態(tài)操作界面中設置）時自動上升，直到上升 到位，等待下一個周期工作。（5）排泥閥采用兩種控制方式可 供選擇（可在上位機組態(tài)操作界面中選擇），其一就是和進水閥 門一起動作，即進水閥門打開時排泥閥也打開，亦即進水的池子 同時排泥；其二就是和潷水器一起動作，潷水器下降時排泥閥也 打開，亦即潷水的池子同時排泥。（6）剩余污泥泵根據(jù)污泥濃 度點動控制決定是否開啟，啟動時排泥閥屬于潷水時排泥。選擇 池中的液位達到高浮球液位時，強行停進水泵，此處浮球的設定 也同時減少了進水泵的頻啟停次數(shù)，只要選擇池液位沒有達到高 浮球液位，即使進水閥門全部關到位，進水泵只需要調(diào)低變頻泵 的頻率就行了，而不需要關閉。（7）當其中一個池子出現(xiàn)故障 時，剩余的SBR池依然照設定的周期運行，出現(xiàn)故障的池子改人 為手動控制或者中控點動，當只有部分閥門處于故障時，其他的 閥門依然可以照著固定的周期自動運作，操作工只需要操作出現(xiàn) 故障的閥門就行了，主要目的是減少人工參與，減少人工參與發(fā) 生誤操作的幾率。依據(jù)上述分析，閥門的控制要求非常靈活，牽 連因素也比較多，根據(jù)其要求做一個很明了的控制系統(tǒng)將會造成 編程困難和調(diào)試困難，所以我們經(jīng)過多次修改，采用了隱含性的 控制方法，即只針對閥門不針對系統(tǒng)來設計的整體到局部思想， 池子之間在總周期控制下各自獨立成為系統(tǒng)，相互之間不影響。
4.鼓風機房單元控制。
曝氣系統(tǒng)是一個嚴重滯后的控制系統(tǒng)，所以采用一般PID控制算法在該系統(tǒng)中很難實現(xiàn)，結合實際 情況，比如2mg/L的溶解氧要求，是最低限，不要求精確控制到 目標值，同時DO檢測儀也有一定的誤差，只能作為近似參考， 且鼓風機最低頻率不能太低，否則會很容易造成熱繼故障以及很 大的噪聲，現(xiàn)場鼓風機最低頻率不能低于25HZ。
當已經(jīng)啟動了一臺工頻鼓風機且變頻鼓風機也達到了45HZ 以上，如果此時DO值還是低于2m∥L，則提示報警，由人工檢 查是否管路有問題，因為廠建之前一期工程鼓風機是一臺變頻鼓 風機控制，兩臺軟啟控制（一用一備），超出這范圍，肯定是現(xiàn) 場有其他原因，比如鼓風機管路漏氣等。
此外鼓風機設備是重要設備，所以保護措施非常重要，一次當如果所有進氣閥出現(xiàn)關到位狀態(tài)，則立馬得停止所有鼓風機； 且如果現(xiàn)場沒有進氣閥處于開到位狀態(tài)，但有半開狀態(tài)信號，如果此種情況存在持續(xù)5s以上則也得停止鼓風機設備。
5.加氯間單元控制。
加氯間設備共有兩臺軸流增壓泵（一用 一備），兩套二氧化氯發(fā)生器。采用順序控制方式，及先啟動軸 流增壓泵，約30s左右再啟動二氧化氯發(fā)生器，原因是消毒過程 采用的是負壓原理，只有在負壓達到一定的程度之后二氧化氯發(fā) 生器才能其作用將消毒液和水混合達到消毒的目的。停止時反順 序，兩增壓泵都發(fā)生故障或者兩個二氧化氯發(fā)生器都故障時，系 統(tǒng)自動緊急停止。
6.脫水機房單元控制。
脫水機房設有三臺臺膿縮脫水一體機（遠期兩用一備）、一臺螺旋輸送機、兩臺加藥泵（一用一 備）、兩臺清洗泵（一用一備）、兩臺進泥泵（一用一備）、兩臺除磷加藥泵、五臺攪拌器。
其中進泥泵負責將濃縮儲泥池的污水運輸?shù)矫撍畽C；清洗泵負責清洗脫水機濾波，并消毒，水源來自加氯間單元的接觸池； 加藥泵負責將PAM池中的藥劑運輸?shù)矫撍畽C；除磷加藥泵主要用于改良SBR池在必要的時候進行化學除磷。攪拌器，其中一臺負責聚合鋁池（除磷），一臺負責儲泥池污泥攪拌，剩余三臺負 責PAM池。控制方式：系統(tǒng)整體按照一定的順序啟動，啟動順 序為啟動清洗泵和輸送機一>啟動脫水機和PAM池攪拌器一。 啟動進泥泵和加藥泵。停止順序相反。儲泥池攪拌器在啟動脫 水系統(tǒng)前1個小時及以上人工點動，聚合鋁池的攪拌器和除磷加 藥泵不屬于脫水系統(tǒng)由人工點動。系統(tǒng)啟動之后只受控于濃縮儲 泥池的液位。脫水機目前是只需投入一臺設備，考慮到清洗閥、進泥閥及加藥閥都是手動閥，基于管路無法自動控制，因此脫水 機的自控程序由人工選擇啟動設備，只要設備投入自動狀態(tài)下， 啟動時就會運行，人工選擇設備時組態(tài)界面有提示確認管路是否正確。遠期的兩用一備也適合，因為脫水機系統(tǒng)非常開運行的， 只是在需要的時候才會進行適當排泥，采用該控制方案經(jīng)濟效果相對來說不錯。PAM池攪拌器不影響系統(tǒng)的全自動運行，但只要處于自動控制狀態(tài)下將和脫水機同時啟動，也可以切入到點動 或近控狀態(tài)下由人工操作。
結論：
水是經(jīng)濟發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素，而城市污水則成為制約許多城市可持續(xù)發(fā)展的主要原因之一。到目前為止，世界各國已經(jīng)研究出不同的污水處理方法，我國環(huán)保理 論和工藝研究與國外的差距不大，差距比較大的是環(huán)保單元設備和自動控制系統(tǒng)。本文通過分析污水處理的基本原理及工藝過程，結合所做過的實際工程項目，主要完成的工作和結論如下： 1.從工程實際項目出發(fā)，針對改良SBR工藝（CAST工藝）特性及要求，構架了完整的控制方案，展現(xiàn)了整個控制方案設計思想過程并進行了詳細的分析，其中包括工藝分析、硬件配置、網(wǎng)絡配置、通信配置、現(xiàn)場總線技術、自控設計、監(jiān)控系統(tǒng)設計、遠程訪問、現(xiàn)場調(diào)試等，對類似的設計有很強實踐指導意義；2.結合PLC技術很好的實現(xiàn)了現(xiàn)場改良SBR工藝自動控制要求，該系統(tǒng)已經(jīng)成功的投入運行，至今運行良好，可以作為相應工程的參考模板。
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