污水處理自動加藥系統(tǒng)設計與應用

孫奎

摘 要：在水資源極其寶貴的今天，污水處理以及回收利用成為當今世界的熱點問題。近年來，國內污水處理中的加藥方式常采用人工調節(jié)的方式進行，從而導致加藥滯后以及加藥量不準確等問題。針對這些問題，文章提出一種由自動化控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)組成的自動加藥系統(tǒng)。自動化控制系統(tǒng)由順序控制以及回路控制組成，主要負責數(shù)據(jù)采集和基礎控制。自動化監(jiān)控系統(tǒng)由控制系統(tǒng)（包括6個PLC站）、中控室監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)及生產過程視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)組成，并通過人機界面對污水加藥系統(tǒng)的設備運行狀態(tài)、工藝參數(shù)和趨勢曲線實時監(jiān)控。同時該設計的合理性和實用性已經(jīng)在實際污水處理中得到驗證。

關鍵詞：加藥系統(tǒng)；污水處理；自動控制；PLC

1 概述

隨著我國工業(yè)化和城市化的推進，城市污水量不斷增加，污水處理已經(jīng)成為熱點問題[1][2][3]。盡管全國的污水處理廠的數(shù)量也在不斷增加，截止到2015年年底，全國已經(jīng)有3622座污水處理廠投入使用，但污水處理依然是我國的重點問題[4]。根據(jù)有關預測，2020年我國的污水排放量將達到536×108m3/d，并且在未來的10年還會保持較大增長率[5]。

城市廢水主要是指城市內所產生的生活污水、工業(yè)廢水以及大氣降水中的混合物，因此其受到城市規(guī)模，工業(yè)化水平以及氣候條件等多原因影響。但對于污水處理方面，一般城市都是相似的。根據(jù)有關調查，污水處理中總磷和總氮的處理所占比重最大，其次為懸浮物。目前我國采用的人工調節(jié)方式并不能有效的解決污水中總磷和總氮超標的問題。

本文所設計自動加藥系統(tǒng)可以代替人工調節(jié)方式，并解決其所帶來的弊端。（1）通過利用PLC站同時進行相應的信號采集和通信傳輸，從而解決加藥的滯后性問題；（2）通過利用自動化控制系統(tǒng)可以實時數(shù)據(jù)采集以解決加藥量不準確的問題。

2 加藥系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計

我們所提出的自動加藥系統(tǒng)由自動化控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。自動化控制系統(tǒng)把順序控制（如主要設備的啟動、停止、連鎖控制、狀態(tài)報警等功能）和回路控制（如在線測量值、流量等工藝參數(shù)的采集、調節(jié)、報警等功能）集成在一起進行控制，它構成了整個加藥控制系統(tǒng)的自動化部分。自動化系統(tǒng)主要具有數(shù)據(jù)采集和基礎控制兩種功能。

自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用“集中管理、分散控制”的方式，系統(tǒng)由控制系統(tǒng)（包括6個PLC站）、中控室監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)及生產過程視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)組成。PLC站采用西門子控制程序，同時進行相應的信號采集和通信傳輸，建成了一個安全、實用、高效、先進的自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過人機界面對污水加藥系統(tǒng)的設備運行狀態(tài)、工藝參數(shù)和趨勢曲線實時監(jiān)控。

2.2 硬件需要

根據(jù)上文所設計的系統(tǒng)需要，我們選取了相對應的硬件實現(xiàn)所設計的功能，硬件列表如下：

（1）計量隔膜泵：數(shù)字式計量泵（DME）、變頻式隔膜泵（DMH）

（2）PLC控制器：西門子AI模塊、AO模塊

（3）在線儀表：總磷/總氮測量儀（NPW160），SS（CM442）、余氯測量儀

（4）流量計：超聲波流量計（進水）、電磁流量計（加藥）

2.3 變頻隔膜泵校準設置

由于變頻隔膜泵具有兩種藥量調節(jié)方式，手動隔膜腔沖程調節(jié)（0～100%）和自動變頻器輸出調節(jié)（0～50Hz）。因此需要在調試階段對變頻隔膜泵進行校準。

根據(jù)在婁山河污水處理廠現(xiàn)場流量標定的數(shù)據(jù)，可以得到實際流量與沖程、頻率均呈線性關系。在這種情況下（以下均以婁山河污水處理廠為例），首先在電機滿頻率運行時，手動設置隔膜空腔沖程，得到固定最大加藥量，然后采用變頻器對流量進行連續(xù)調節(jié)。變頻電機在實際運行時不宜長時間低頻運行，因此設定最低運行頻率，將自動調節(jié)范圍調整為25～50Hz之間。

2.4 加藥系統(tǒng)的控制模式

參閱相關資料，自動加藥系統(tǒng)模式有多種方式，在這里，我們采用流量反饋、出水水質反饋、修正反饋三種方式進行控制。

（1）流量反饋控制：用進水泵流量或提升泵流量做為變量，設定藥劑單耗系數(shù)P1，加藥量根據(jù)污水流量自動變化。

（2）出水水質反饋控制：根據(jù)歷史出水水質經(jīng)驗設定出水總磷、總氮、SS、余氯等在線水質穩(wěn)定的控制值，即最佳水質設定值，根據(jù)實際出水值與設定值進行比較，得出投加系數(shù)P2。

（3）調整反饋系數(shù)：因流量反饋和水質反饋均存在波動性和滯后性，易造成出水指標偏低或偏高，造成浪費或加藥不足，因此需增加調整系數(shù)P3；如日常運行對藥劑進行按比例稀釋，同樣需要增加一定的調整修正系數(shù)。

2.5 實際加藥量的計算

根據(jù)上文所提到的三種控制得出的不同系數(shù)共同得出加藥量：

其中Q1為進水流量（萬立方/時），P1為流量單耗系數(shù)（加藥量/萬立方）；P2實際水質/設定值；P3修正系數(shù)。

自控系統(tǒng)計算出的加藥量通過PLC反饋給加藥隔膜泵，隔膜泵通過調節(jié)變頻器來調節(jié)加藥量，加藥流量計中的加藥流量同時也反饋至PLC，PLC通過加藥流量計的反饋數(shù)值與設定值進行比較，然后不停的調節(jié)加藥泵的輸出頻率，加藥泵通過調節(jié)頻率來實現(xiàn)投加量與設定值一致，即加藥流量計的數(shù)值與設定值一致，達到實際加藥量。

3 自動加藥系統(tǒng)現(xiàn)場運用

我們所提出的算法已經(jīng)在婁山污水處理廠進行實際應用并驗證算法的合理性和實用性。

3.1 生物池自動加藥系統(tǒng)

婁山河污水廠生物池末端投加三氯化鐵溶液（41%）和醋酸鈉溶液（25%），分別用于控制出水總磷和總氮指標值。自動加藥系統(tǒng)首先根據(jù)設定的流量與加藥量比例進行投加，以進水流量為第一變量，加藥量跟隨進水量自動變化。其次根據(jù)出水總磷、總氮的在線數(shù)值，每2小時進行一次判斷，計算出水指標與設定值的偏差，形成第二變量。

由于加藥量越大，指標會越低，但是也會造成浪費，因此設定總磷在0.30mg/l，總氮設定在10mg/l，根據(jù)偏差計算出投加系數(shù)，最終根據(jù)調整系數(shù)計算出的實際加藥量，三種系數(shù)共同作用于變頻隔膜泵，最終計算出加藥量，通過調整電機的頻率來實現(xiàn)最終的投加量，加藥原理圖如圖1所示。

3.2 次氯酸鈉自動加藥系統(tǒng)

婁山河污水廠的加氯接觸池入口處投加次氯酸鈉溶液（10%）用于控制出水大腸桿菌的數(shù)量。加藥系統(tǒng)首先根據(jù)設定的流量與加藥量比例進行投加，以深度處理工藝的提升泵流量為變量P1；其次根據(jù)余氯的在線數(shù)值與設定值為變量P2，每30分鐘進行一次判斷，計算出水指標與設定值的偏差系數(shù)，設定余氯值為100ppb/l，多個變量投加系數(shù)共同作用于數(shù)字式隔膜泵，通過調整隔膜泵瞬時藥量來實現(xiàn)最終的投加量，加氯間設定界面如圖2所示。

4 結束語

本文設計一種新的自動加藥系統(tǒng)。首先該自動加藥系統(tǒng)的使用解決了過去單一按照經(jīng)驗值進行投加的方式，能夠綜合考慮水量、水質、藥量等多種因素進行反饋，并且提高了加藥的穩(wěn)定性，減少了進水造成的波動性和水質的滯后性。其次通過自動投加系統(tǒng)可以使投加量控制在最優(yōu)狀態(tài)，大大減少了藥劑的浪費，降低了出水不合格率，提高了藥劑的有效率。另外自動加藥系統(tǒng)減少了人工投加的誤差，降低了人工的勞動強度，提高了人員的工作效率。

在提高效率與減少浪費的同時，加藥系統(tǒng)也需要進一步完善。我們將進一步確定自動加藥系統(tǒng)中在線數(shù)值及流量的反饋時間，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及研究自動加藥系統(tǒng)中出水水質的設定值。

參考文獻

[1]劉宇，彭力.基于PLC的城市污水處理控制系統(tǒng)設計[J].漯河職業(yè)技術學院學報，2009，8（5）：16-18.

[2]易釗，李仁發(fā).基于嵌入式系統(tǒng)結構的污水處理控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2004，25（11）：43-46，70.

[3]陳進東，潘豐.污水處理控制系統(tǒng)設計[J].自動化與儀表，2008，23（6）：33-36.

[4]全國污水處理廠名單盤點公布2015年全國污水處理廠名單[ED/OL].http：//www.hsmil.com/pages/7a785655bcda7cde387f8bd48c9fbcc0.html

[5]林艷華.污水處理中全自動加藥系統(tǒng)設計[D].天津：天津大學，2005.