城市污水處理自動化技術(shù)的應(yīng)用探討

許鐵強　胡曉峰　馮梁峰　許云海

【摘 要】目前，我國城市污水處理的最大矛盾是經(jīng)濟發(fā)展和居民日益增長的生活水平同落后的污水處理水平。隨著計算機和傳感器技術(shù)的發(fā)展，以監(jiān)控、自動控制和大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的污水處理技術(shù)必將成為發(fā)展方向，進一步提升污水處理智能化水平，降低運行成本，提高污水處理效率，保證水質(zhì)穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】城市；污水處理；監(jiān)控系統(tǒng)；自動控制；大數(shù)據(jù)技術(shù)；成本；效率

前言

近年來，我國的工業(yè)化發(fā)展進程急劇加快，在資源與環(huán)境問題上必然要以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作為我國現(xiàn)代化建設(shè)的主題。居民生活水平不斷提高，生活區(qū)的生活污水也逐漸增多。生活污水與工業(yè)廢水存在極大的差別，在我國水資源緊張的不利形勢下，為了減少污水對生活環(huán)境的影響，污水處理自動化技術(shù)具有較大發(fā)展空間。

我國大多數(shù)污水處理廠存在自動化水平不高、安全性能低和管理不當(dāng)?shù)膯栴}，導(dǎo)致處理效率普遍低于國際先進水平。隨著電腦及自動控制技術(shù)的快速進步，污水處理廠也開始逐漸采用先進技術(shù)來治理污水。污水處理系統(tǒng)中的設(shè)備啟停設(shè)備、數(shù)據(jù)通信和監(jiān)控管理是當(dāng)務(wù)之急。中國污水處理自動化技術(shù)相對落后，污水處理成本也居高不下，經(jīng)處理后排放的污水的水質(zhì)也不太穩(wěn)定，研究如何建立有效和自動化系統(tǒng)，優(yōu)化運行效果，降低運行費用，提升運行效率具有重要意義。

1.污水處理發(fā)展

在20世紀(jì)70年代第三次科技革命興趣的時候，美國很多污水處理工程將計算機技術(shù)應(yīng)用于加藥環(huán)節(jié)。這種自動化操作模式流程簡單，釩用量可以得到精確控制，在廣大污水處理廠中很快得到推廣應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，污水處理自動化水平得到了逐步地提高，自動化程度也有了大幅度提升。

污水處理的自動化主要由監(jiān)控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)組成，其中，自動控制是污水處理自動化的執(zhí)行部分。自動控制系統(tǒng)的工作原理是借助網(wǎng)絡(luò)通信，利用主計算機對控制設(shè)備、執(zhí)行元件和檢測元件進行整體管控，以實現(xiàn)污水處理的集中調(diào)控、集成分析和數(shù)據(jù)集中處理。經(jīng)過初期技術(shù)引進和中期消化吸收，我國的污水自動控制系統(tǒng)已經(jīng)取得了長足進步。工業(yè)Ethernet結(jié)合FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）DCS（集散控制系統(tǒng)）和PLC（可編程控制系統(tǒng)）構(gòu)成了我國最新一代的污水處理自動控制系統(tǒng)；中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)和模擬顯示系統(tǒng)構(gòu)成了硬件部分；系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件和應(yīng)用軟件組成了軟件部分。通過將遠程監(jiān)控、現(xiàn)場監(jiān)控和手動監(jiān)控三者結(jié)合，使得信息獲取簡單、監(jiān)督管理方便和操作簡易。

盡管我國污水處理自動化技術(shù)取得了不少成績，但不可否認，在具體操作中依然存在著一些問題：自動控制系統(tǒng)線性穩(wěn)定性差、自動控制系統(tǒng)受制于多種因素、自動控制系統(tǒng)控制力缺失和自動控制系統(tǒng)本身存在缺陷。

除了要保障自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、重視工作人員技能素養(yǎng)構(gòu)建和不斷拓展智能控制在污水領(lǐng)域的管理深度，本文重點從監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、自動控制系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)三方面對城市污水處理的自動化技術(shù)加以探討。

2.監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

中國的發(fā)展必須走環(huán)境和經(jīng)濟共同協(xié)調(diào)發(fā)展之路，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，改善居民生活環(huán)境。實施污水處理工程，將有效解決工業(yè)發(fā)展和人口增加帶來的工業(yè)廢水、生活污水和降雨徑流處理問題，更好地保護水環(huán)境，提升居民生活質(zhì)量。為提高污水處理廠的管理水平和自動化程度，監(jiān)控系統(tǒng)的運用十分必要。

2.1 設(shè)計原則

污水處理的監(jiān)控系統(tǒng)要根據(jù)生產(chǎn)過程及工藝流程要求進行設(shè)計，包括污水處理全過程控制系統(tǒng)和儀表自動檢測系統(tǒng)。在進行設(shè)備選型時要以技術(shù)先進、運行穩(wěn)定、性能可靠和經(jīng)濟合理為原則；在進行系統(tǒng)設(shè)計時要以分散控制、集中管理和信息共享為原則；在選用自動化儀表時要以可靠實用和便于維護為原則。若污水處理工程考慮分期作業(yè)，對于其硬件可以不考慮遠期工程，但要預(yù)留好擴展柜位，以便后期項目實施。

2.2 系統(tǒng)組成

通常，污水處理工程控制系統(tǒng)由中央控制室和PLC控制站組成。水泵、風(fēng)機和攪拌機等要求現(xiàn)場及遠程兩地控制，正常運行時按工藝程序自動控制，因此監(jiān)控系統(tǒng)多采用二級分布式計算機控制系統(tǒng)。

中央控制室組成

一般而言，中央控制室設(shè)在RO（反滲透裝置）機房內(nèi)，由交換機、工程師站和操作員站組成，包含工控機（主機、彩色液晶顯示器、功能操作鍵盤、鼠標(biāo)及系統(tǒng)軟件和接口等）。監(jiān)控計算機把現(xiàn)場PLC實時采集到的信息建立信息庫，并繪制出各類工藝參數(shù)值的趨勢曲線。該曲線不但可供管理人員分析比較，以便找出最佳運行規(guī)律，還可分析事故原因，優(yōu)化設(shè)備運行，保證出水品質(zhì)，提高經(jīng)濟效益。

中央控制室系統(tǒng)要求

管理人員在中央控制室操作站集中監(jiān)控和管理由現(xiàn)場PLC采集經(jīng)現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)傳送的各種數(shù)據(jù)信息。同時，中央控制室主機的指令也可以通過該網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場PLC終端，以使PLC就地獨立運行，并受中央控制室遠程控制。通過現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機，實現(xiàn)了全部處理過程的計算機監(jiān)控。為了提高傳輸效率，增強系統(tǒng)搞干擾能力，用光纖環(huán)網(wǎng)將中央控制室和現(xiàn)場內(nèi)的各單體PLC控制系統(tǒng)連接。系統(tǒng)需具備自診斷功能，當(dāng)發(fā)生故障時，可以及時、準(zhǔn)確地確定故障狀態(tài)、故障時間和故障地點等一系列信息。

中央控制室系統(tǒng)軟件

工作人員通過上位機對污水處理站進行操作控制，把用戶所需要顯示和控制的點連接到畫面上，以便操作者了解生產(chǎn)情況并監(jiān)視控制設(shè)備的運行。各個單體畫面（調(diào)節(jié)池進水、生化池處理、MBR系統(tǒng)、膠水機系統(tǒng)和RO系統(tǒng)）、參數(shù)設(shè)置畫面、歷史曲線畫面和報表畫面等組成了上位機畫面.

PLC控制站構(gòu)成

PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要根據(jù)污水處理流程及設(shè)備平面布置形式加以確定。以5個PLC站為例，2個現(xiàn)場PLC和3個成套設(shè)備配套的現(xiàn)場PLC。其中，2個現(xiàn)場PLC包含配電間PLC和集水井泵PLC站； 3個成套設(shè)備配套的現(xiàn)場PLC包含MBR系統(tǒng)PLC站、RO系統(tǒng)PLC站和污泥脫水系統(tǒng)PLC站。5個PLC站分別控制不同部件的工作，由PLC根據(jù)編制程序控制設(shè)備的自動運行、手動控制，并檢測各項水質(zhì)參數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)污水池的進水量調(diào)整鼓風(fēng)機的風(fēng)量和位于加藥間加藥泵的加藥量，以達到最佳配合模式。

檢測儀表的選擇

在城市污水處理過程中，需要采用多種檢測PH、溫度、溶解氧濃度液位差、流量和污泥等參數(shù)的方法，以減少污染。若采用人工方式采集這些參數(shù)，不僅增加工作量，還會延長檢測時間，有時采集到的數(shù)據(jù)還不精確。

為便于與計算機系統(tǒng)連接和方便維修管理，檢測儀表全部選用智能型測量儀表?？紤]到水質(zhì)及現(xiàn)場環(huán)境條件，為防止探頭結(jié)垢，應(yīng)盡量采用非接觸式、無阻塞隔膜式和自清洗式的傳感器。另外，戶外安裝的儀表變送器防護等級應(yīng)達到IP65，浸沒在水下的傳感器防護等級則應(yīng)達到IP68。同時，為保證儀表信號輸出的可靠性，儀表帶有溫度補償且采用4～20mA的輸出信號。

PLC軟件開發(fā)

PLC軟件開發(fā)要根據(jù)工藝和控制要求，進行相應(yīng)控制邏輯的編制。通常，編程采用直觀的梯形圖語言。利用以太網(wǎng)，可以直接在中控室進行程序的修改和完善。PLC不僅可以完成各種各樣的控制功能，還可與其他計算機聯(lián)網(wǎng)通信。

注意事項

在進行PLC控制站設(shè)計時，要根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模確定用PLC網(wǎng)絡(luò)還是PLC單機，且成套設(shè)備中自帶的PLC接口及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議要求與工程中所選用的一致；根據(jù)工藝設(shè)備情況確定PLC輸出端的負載交直流性質(zhì)及電流大??；一般運行速度較快、容量存儲越大的PLC價格越高，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)大小合理選擇PLC產(chǎn)品；PLC對輸入電源的要求相對不高，通常較易滿足要求。但當(dāng)供電線路存在干擾或電網(wǎng)波動劇烈時，為了保證PLC可以正常工作，應(yīng)考慮在電源輸入回路加隔離變壓器、浪涌吸收器或采取穩(wěn)壓措施。

將監(jiān)控系統(tǒng)運用于污水處理工程，有利于工作人員在中央控制室對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，并可進行遙控操作，大大減少了管理人員的配置，降低了人力成本，提高了污水處理自動化程度。監(jiān)控系統(tǒng)還可將污水處理運行情況生成數(shù)據(jù)報表后存儲留檔，一定程度上提高了污水處理廠的管理水平。

3.自動控制系統(tǒng)

城市污水在處理過程中在逐步應(yīng)用科學(xué)的計算機技術(shù)，可以實時監(jiān)測污水處理情況，使得污水處理自動控制得以實現(xiàn)。污水處理系統(tǒng)化運行，不僅使污水處理系統(tǒng)的運行成本得以降低，還可以獲得在線監(jiān)控數(shù)據(jù)，為環(huán)保部門管理提供便利。

污水處理自動控制系統(tǒng)在工藝上主要是污水泵控制和鼓風(fēng)機控制：

3.1污水泵控制

開泵時，應(yīng)嚴(yán)格按照先開泵后開閥的標(biāo)準(zhǔn)程序進行。若開泵后5s內(nèi)控制系統(tǒng)未檢測到污水泵運行的信號，便會發(fā)出報警信號并關(guān)閉污水泵。若開泵后5s內(nèi)系統(tǒng)接收到運行信號并發(fā)出開閥指令，有10s時間延遲檢測閥門是否已經(jīng)打開。若閥門沒有完全打開則發(fā)出報警信號，在發(fā)出報警信號時閥門依舊未安全打開時，則關(guān)閉污水泵。

同樣，停泵時，則應(yīng)先關(guān)閥門后關(guān)泵。準(zhǔn)備停泵時，先發(fā)出與所停泵指令相關(guān)聯(lián)閥門的關(guān)閉指令。若指令發(fā)出5s內(nèi)閥門未開始關(guān)閉則發(fā)出報警信號，在3min內(nèi)未正常關(guān)閉，也會發(fā)出報警信號。

在進行水位控制時，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制水位對于外圍管網(wǎng)也十分重要。在實際進行開關(guān)泵時，每臺泵都必須嚴(yán)格按照相關(guān)信號條件進行操作； 設(shè)定水位時，可根據(jù)污水泵的詳細運行情況，在主控室計算機上進行開泵和停泵的具體水位值設(shè)置。

3.2鼓風(fēng)機控制

控制溶解氧DO的數(shù)值是控制鼓風(fēng)機的關(guān)鍵，為使曝氣池內(nèi)的微生物能夠充分地產(chǎn)生生化反應(yīng)，必須向曝氣池提供充足氧氣。在池內(nèi)安裝溶解氧測定儀時，根據(jù)池內(nèi)需氧量變化進行鼓風(fēng)機進風(fēng)導(dǎo)葉片或運行臺數(shù)的調(diào)節(jié)，有效減少曝氣充氧過程中電能的不必要消耗。在鼓風(fēng)機使用過程中，通過主控制盤對鼓風(fēng)機進行循環(huán)工作設(shè)定或調(diào)節(jié)，避免一臺鼓風(fēng)機反復(fù)啟動。

城市污水處理自動控制系統(tǒng)實施后，可有效提高污水處理質(zhì)量，降低處理廠運行總成本。同時，要克服技術(shù)設(shè)備缺失和污水處理儀器精度低的問題。

4.大數(shù)據(jù)技術(shù)

大多數(shù)的城市污水處理廠都在不同程度上采用了監(jiān)控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)顯現(xiàn)出了強大的生命力，促使著大數(shù)據(jù)技術(shù)在在污水處理運營中的運用。其不僅促進污水處理領(lǐng)域的自動化和智能化發(fā)展，而且實現(xiàn)了污水處理工藝參數(shù)的在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)實時采集和傳輸以及故障報警等功能，并為企業(yè)提高污水處理質(zhì)量、降低能源損耗和污水處理運營成本提供強有力的支持。結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)，作為污水處理新的發(fā)展方向，大數(shù)據(jù)技術(shù)在今后應(yīng)用中應(yīng)重點關(guān)注以下三方面：

4.1處理模型

污水處理具有較高的非線性和時變性特點，其復(fù)雜程度遠遠超出了人們的直覺閾。雖然數(shù)學(xué)模型在使用時不具備嚴(yán)格的科學(xué)性，但卻是污水處理過程中較為有效的方法。應(yīng)用數(shù)據(jù)篩選和模型優(yōu)化校核的方法，實現(xiàn)對污水處理模型的簡化和優(yōu)化處理，并針對污水處理過程模型進行優(yōu)化校核。

4.2仿真系統(tǒng)

通常，建立仿真系統(tǒng)需要通過Simulink軟件并實現(xiàn)相應(yīng)模型的轉(zhuǎn)換。利用仿真系統(tǒng)進行計算分析降低項目投資成本和設(shè)備運行成本；對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行模擬和預(yù)測，進行工藝優(yōu)化；對能耗進行優(yōu)化設(shè)計，保證系統(tǒng)的環(huán)境效益；模擬污水處理工藝相關(guān)操作流程，用于人員培訓(xùn)；進行污水量的非線性動力學(xué)分析和適時預(yù)測，污水處理異常征兆模式研究以及活性污泥工藝優(yōu)化設(shè)計。

4.3管理平臺

管理平臺對運行數(shù)據(jù)進行實時采集并傳輸，經(jīng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在線傳感器以及工業(yè)無線傳感器上傳至管理平臺。經(jīng)模型分析處理后，制定相應(yīng)指標(biāo)限值和超標(biāo)處理方案，保證問題處理的時效性。管理平臺確保通過大數(shù)據(jù)計算分析得到污水處理的最佳工藝運行控制參數(shù)，保證系統(tǒng)處理實時最優(yōu)工況，以提高污水處理效率。

5.結(jié)論

如果大量城市污水不加治理任意排放，會導(dǎo)致水體、土壤乃至空氣的嚴(yán)重污染，進而會破壞人們正常的生產(chǎn)和生活。必須對城市污水進行處理控制，改善受污染水體的水質(zhì)，使之能滿足水體功能的要求。監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的綜合運用，對污水處理運行系統(tǒng)的智能化水平有一定程度的提高，并有效降低人工勞動強度和系統(tǒng)運行成本，一定會成為今后污水處理發(fā)展的新方向。通過合理化的數(shù)學(xué)模型加強對污水處理機理的研究，保障污水處理運行系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和處理效率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，許多問題會得到解決，污水處理的明天也會更加美好。

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