淺談污水處理廠中的自動化控制

【摘要】目前我國污水處理廠優(yōu)化運(yùn)行與節(jié)能降耗是運(yùn)行管理中面臨的重要問題，儀表控制系統(tǒng)的合理開發(fā)與應(yīng)用是保障污水處理廠正常高效運(yùn)行的有效手段。但污水處理系統(tǒng)是一個復(fù)雜多變的過程，污水處理廠控制系統(tǒng)的設(shè)計與運(yùn)行需要從全廠的角度統(tǒng)籌考慮并通過科學(xué)可靠的方法對其控制運(yùn)行效果進(jìn)行綜合評價，以不斷改進(jìn)控制策略的實(shí)施。文章介紹了污水處理中的分類，要求，趨勢，及評價指標(biāo)，希望為后續(xù)研究提供參考意義。

【關(guān)鍵詞】城市污水處理廠；評價指標(biāo)體系；節(jié)能降耗；儀表控制

1、研究背景

目前我國城市污水產(chǎn)生量不斷增加，對城鎮(zhèn)污水處理廠的排放要求不斷提高。尤其是在太湖藍(lán)藻事件后，為了防止水污染范圍的擴(kuò)展、保護(hù)水環(huán)境的安全，建立污水處理廠成為城市環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵措施之一，也日益受到政府和社會各界的高度重視。目前，我國城鎮(zhèn)污水處理廠的自動控制系統(tǒng)還處于起步階段，大部分屬于“粗放式”管理狀態(tài)，而一些建有控制系統(tǒng)的污水處理廠也僅把它作為監(jiān)視工具，運(yùn)行管理還靠人工現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制。但是，我國政府已經(jīng)加大了城市污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度，對于改善和提高城市區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了積極的、重要的作用.現(xiàn)代城市污水處理過程具有工藝較為復(fù)雜、處理量大、連續(xù)生產(chǎn)、設(shè)備種類多、參數(shù)檢測困難、大純滯后、干擾眾多的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的手動控制已無法滿足工藝過程操作、監(jiān)控與管理的要求。因此，自動控制系統(tǒng)已成為確保污水處理廠安全、穩(wěn)定、長周期和優(yōu)化運(yùn)行的重要保證，而探討污水處理過程自動控制系統(tǒng)的功能、架構(gòu)與實(shí)施方法具有重要的實(shí)用意義。

2、城市污水處理工藝

污水處理過程是由不同的工藝單元組成，典型單元包括提升泵單元、生化處理單元、化學(xué)除磷單元和沉淀池單元等。各工藝單元具有一定的獨(dú)立性，可以進(jìn)行單獨(dú)控制，但單元之間又具有相關(guān)性，彼此會產(chǎn)生干擾影響。因此需要從全廠的角度考慮控制系統(tǒng)的策略設(shè)計。

水工程的儀表控制與污水的處理工藝密切相關(guān)。

2.1 污水處理工藝

污水處理工藝是使用某種污水處理方法的具體實(shí)現(xiàn)，它涉及到處理方法、工藝設(shè)備和工藝構(gòu)筑物。現(xiàn)代城市污水處理工藝一般需要同時采用多種處理方法，但核心的處理方法仍是生物法。

城市污水處理工藝通常分為三級，代表著不同的污水處理程度：一級處理——釆用物理法去除污水中不溶解的污染物和寄生蟲卵；二級處理——采用生物法降解污水中各種復(fù)雜的有機(jī)物，并去除磷、氮等；三級處理，通過化學(xué)沉淀法、生物化學(xué)法、物理化學(xué)法的應(yīng)用，進(jìn)一步去除污水中的磷、氮等難降解的有機(jī)物、無機(jī)鹽等。現(xiàn)階段，城市污水處理廠大都采用以生物法為核心的二級處理工藝。

3、污水處理廠中控制系統(tǒng)的組成部分及特點(diǎn)

3.1 污水處理廠控制系統(tǒng)的組成部分

污水處理廠的組成部分有：現(xiàn)場控制系統(tǒng)、中央控制室、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、總體設(shè)計、設(shè)計原則及自動化水平。

污水處理廠自動控制系統(tǒng)將遵循以下設(shè)計原則；可靠性原則；控制系統(tǒng)的選型首先應(yīng)當(dāng)滿足可靠性，即：系統(tǒng)配置高質(zhì)量的硬、軟件，平均故障間隔時間系統(tǒng)關(guān)鍵部件采用冗余配置（如：、電源模塊、通信設(shè)備及鏈路等），當(dāng)出現(xiàn)故障時可以自動切換，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。采用在線式電源，使得發(fā)生供電故障時仍能保證系統(tǒng)的正常工作；選擇先進(jìn)的、符合技術(shù)發(fā)展趨勢的西門子為主控設(shè)備，并采用作為監(jiān)控軟件，裝置運(yùn)行，設(shè)備的啟、停及聯(lián)動均能自動控制，中央控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程操；縱與調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守，中控少人值班”運(yùn)行方式，使污水處理廠自動控制系；統(tǒng)在同行業(yè)中處于領(lǐng)先的地位。

3.2 污水處理過程的在線分析儀表

用于污水處理過程的檢測儀表通?？梢苑殖蓛深悾阂皇沁^程檢測儀表——用于流量、壓力、溫度、液位等過程參數(shù)的檢測；二是在線分析儀表——用于BOD，COD，DO，TN，TP，TOC污泥濃度等水質(zhì)參數(shù)的檢測。

過程檢測儀表多為通用型儀表，而在線分析儀表則多為污水處理過程的專用儀表。

由于過程檢測儀表的選型相對單純，在線分析儀表的配置在線分析儀表的配置部位主要集中在進(jìn)水處、生化反應(yīng)池處和出水處。由于受到污水原水性質(zhì)、污水排放要求和儀表投資額度的限制，各個污水處理廠的在線分析儀表配置會有一定差異。根據(jù)設(shè)計文件和工藝操作的要求，本污水廠的在線分析儀表配置情況為：

①進(jìn)水儀表間

化學(xué)需氧量測定儀，總磷測定儀，酸堿度測定儀，氨氮測定儀，固體懸浮物濃度測定儀。

②反應(yīng)池

溶解氧測定儀，氨氮測定儀，氨氮硝酸鹽測定儀。

③出水儀表間

化學(xué)需氧量測定儀，總磷測定儀，酸堿度測定儀，氨氮測定儀，固體懸浮物濃度測定儀。

工程的自動控制系統(tǒng)是以計算機(jī)為核心構(gòu)成的二級遞階分布式控制系統(tǒng)，其任務(wù)是保證污水處理廠安全、可靠、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。中央控制室為系統(tǒng)控制管理級，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和監(jiān)控，分布于污水廠內(nèi)的現(xiàn)場控制站為系統(tǒng)過程控制級，負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，各個主站通過光纖環(huán)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。

污水處理廠建立了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)施，并不意味著就能夠獲得良好控制效果。

4、污水處理廠儀表控制特點(diǎn)及趨勢

4.1 污水處理廠的儀表控制的特點(diǎn)

污水處理量、污水水質(zhì)及污水排放指標(biāo)影響到工藝流程的選擇，進(jìn)而決定了構(gòu)筑物的建設(shè)和設(shè)備的配置。因此，對于不同的工藝流程或構(gòu)筑物工藝控制方案有一定差異；工藝過程中一般無易燃易爆介質(zhì)，但存在有毒有害氣體泄漏（如：硫化氧）的可能，需要配置有毒有害氣體報警儀表；在污水處理過程中，工藝參數(shù)既有連續(xù)控制的要求，也有順序控制的要求。如：栗站、隔柵、生化反應(yīng)池等。由于污水處理工藝過程中，需要連續(xù)監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)，故水質(zhì)成分分析儀表被廣泛采用；為了實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，中控少人值班”目的，一般采用中控室集中監(jiān)控的操作方式，同時也要保留現(xiàn)場直接手控的操作方式。因此，控制系統(tǒng)具有分層遞階的結(jié)構(gòu)。由于控制系統(tǒng)的分布性和監(jiān)控的集中性，高可靠性的計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是必要的支撐條件；由于污水處理廠運(yùn)行成本構(gòu)成中的很大一部分是設(shè)備能耗，因此，節(jié)能降耗是控制方案的重要考量指標(biāo)。

4.2 污水處理廠的儀表控制的發(fā)展趨勢

4.2.1自動化水平普遍提高

近年來，無論是新建的污水處理廠，還是擴(kuò)建或改造的污水處理廠，在自動控制系統(tǒng)方面的投資大大提高，和已成為污水處理廠的主流控制平臺。盡管基于的系統(tǒng)仍占主體，但隨著尤其是國產(chǎn)價格的不斷下降，釆用構(gòu)建控制系統(tǒng)的污水處理廠在逐漸增加。

4.2.2分析儀表成為基本配置

為了保證污水處理過程的平穩(wěn)運(yùn)行，并使處理后的污水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，除了需要檢測溫度、壓力、液位和流量等過程參數(shù)外，還需要對污水和污泥的有關(guān)化學(xué)或物理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)檢測，如：BOD和污泥濃度）等。隨著在線成分分析儀表的精度、可靠性、穩(wěn)定性的不斷提高，在線成分分析儀表已成為自動控制系統(tǒng)的基本配置。

4.2.3監(jiān)控的一體化

在污水處理廠中，除了直接面向污水處理過程的主控系統(tǒng)外，還有大型設(shè)備自帶的

控制系統(tǒng)和配電部分的保護(hù)系統(tǒng)。為了掌握全廠的運(yùn)行狀況，除了污水處理過程的測控

點(diǎn)外，設(shè)備的重要參數(shù)和電量參數(shù)也要送入主控系統(tǒng)，以便進(jìn)行集中監(jiān)控。

4.2.4節(jié)能措施初見端愧

對于污水處理廠而言，運(yùn)行費(fèi)用中能耗占有相當(dāng)大比例，故降低能耗是降低運(yùn)營成本的主要切入點(diǎn)。由于生物法是污水處理的主要工藝手段，故合理地減少曝氣量是降低能耗的關(guān)鍵所在。基本思路是：根據(jù)溶解氧（等工藝參數(shù)，基于某種型式的數(shù)學(xué)模型，推知生化反應(yīng)部分的實(shí)際狀況，合理確定曝氣量的設(shè)定值。目前，基于機(jī)理模型模型）和基于統(tǒng)計模型（如：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）的方法都有所嘗試，但真正成功的不多，而美國美尚生化公司推出的曝氣量在線預(yù)測系統(tǒng)是有限的應(yīng)用實(shí)例。

5、污水處理廠的過程控制指標(biāo)及評價

5.1污水處理廠中的過程控制指標(biāo)

儀表、控制和自動化（Instrumentation、Control and Automation）技術(shù)，簡稱ICA 技術(shù)，作為污水處理系統(tǒng)自動控制理論與技術(shù)的基礎(chǔ)，經(jīng)過三十年的研究與應(yīng)用，已經(jīng)比較成熟。ICA 技術(shù)的快速發(fā)展，一方面得益于成熟的儀表技術(shù)，使得在線監(jiān)測能夠應(yīng)用于實(shí)際工程；另一方面先進(jìn)的控制理論和自動化技術(shù)為其提供了有力的工具。有研究表明，應(yīng)用 ICA 技術(shù)能夠?qū)⑽鬯幚韽S對營養(yǎng)物質(zhì)的去除能力提高10%～30%。相比傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)控制來說，ICA 技術(shù)的應(yīng)用能夠使系統(tǒng)具有更快的反應(yīng)和更精確的動作，能夠有效的節(jié)約能源和物耗，降低沖擊負(fù)荷的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，隨著對污水處理工藝要求的日益提高，ICA 技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。

5.2污水處理廠中儀表控制的評價

當(dāng)自動控制系統(tǒng)在實(shí)際污水處理廠得到應(yīng)用時，將必然產(chǎn)生對其控制性能進(jìn)行評價的需求。目前，對于過程控制的評價很多還停留在控制策略層面，缺乏應(yīng)用于實(shí)際工程的評價體系。而評價指標(biāo)主要集中在出水水質(zhì)和能耗方面，但都還局限在比較簡單的指標(biāo)上，比如節(jié)約比例等，缺乏將運(yùn)行、能耗和控制結(jié)合的綜合分析視野。過程性能評價涉及生物處理過程的指標(biāo)參數(shù)，包括出水水質(zhì)超標(biāo)情況和運(yùn)行費(fèi)用。對于出水水質(zhì)采用污染當(dāng)量計算，而運(yùn)行費(fèi)用是通過能耗折算成費(fèi)用?？刂菩阅茉u價包括受控變量和操作變量兩個指標(biāo)參數(shù)。受控變量通過誤差積分、誤差平方積分、最大偏差和變化度來表現(xiàn)其追蹤設(shè)定值的情況。而操作變量則通過最大偏差、操作變量變化的最大偏差和操作變量改變量的變化來表現(xiàn)其受到的影響。

全流程控制策略的核心主要包括提升泵控制、生化段控制和加藥控制。本章針對性提出了提升泵的時序前饋-串級反饋控制、曝氣過程的前饋補(bǔ)償-串級反饋控制策略、化學(xué)除磷加藥的前饋補(bǔ)償-反饋控制策略。

評價指標(biāo)體系分為四個層次：最高級是對全廠自動控制系統(tǒng)的性能表現(xiàn)給出的綜合評價；第二層是根據(jù)評價目標(biāo)，將綜合評價劃分為三個方面，即三個一級指標(biāo)達(dá)標(biāo)運(yùn)行、節(jié)能降耗和控制性能；第三層是對三個方面進(jìn)一步的細(xì)化描述，分為 6 個二級指標(biāo)；第四層作為底層指標(biāo)層，是具體的評價指標(biāo)算法。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊敏，張建強(qiáng)，李亞瀾.污水處理工程中節(jié)能問題的探討.工業(yè)安全與環(huán)保，2005，（2）： 22～24

[2]馬世豪，何星海.《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》淺釋.給水排水，2003， 29（19）：89

[3]Mclean B.before the House Committee on Transportaion and Infrastructure，Subcommittee on Water Resources and Environment： EPA Online Report. 2009

[4]Cederwall K，ShayA，BjorklundG.Sweden Workshop 4 （synthesis）：bridge building between water and energy. Wat Sci.Tech.， 2002， 8（45）： 149～150

[5]牛住元，張雅君，王文海.污水處理廠污水提升節(jié)能措施研究.給水排水，2009，（5）：155～158

[6]張全森，康建疆.污水提升泵的控制方式.電氣時代，2007，（3）：80～82

[7]魏炎光.變頻技術(shù)在城市污水處理廠生產(chǎn)控制中的應(yīng)用.漳州師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2005， （2）： 74～76

[8]林琰.變頻調(diào)速在污水提升泵上的節(jié)能應(yīng)用.節(jié)能，2004，（3）：50～51

[9]馬棚良.城市污水處理廠的能耗.江蘇環(huán)境科技，2000，（1）：10～12

[10]劉國彬.王衛(wèi)東.基坑工程手冊（ 第 2 版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[11]GB 50141—2008，給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[12]黃澄，尚愛安，張超等.生物智能優(yōu)化技術(shù)在城市污水處理廠的應(yīng)用.電氣自動化， 2006，（6）：71～73

[13]李建勇，王建華，范岳峰等.曝氣流量控制系統(tǒng)用于污水處理廠的節(jié)能降耗.中國給水排水，2007， （12）：80～84

[14]王一雯，倉煒瑋.精確曝氣工藝在無錫太湖新城污水處理廠中的應(yīng)用.能源與環(huán)境，2011，（5）：72～73

[15]謝繼榮，王佳偉，蔣勇等.基于溶解氧與需氣量串級控制的曝氣系統(tǒng)優(yōu)化控制.中國給水排水，2011， （21）： 36～39

[16]趙冬泉，佟慶遠(yuǎn)，李寧等.基于節(jié)能的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)溶解氧穩(wěn)定智能控制方法.給水排水，2008，（7）： 116～119

[17]侯艷玲.城市污水處理廠化學(xué)除磷工藝優(yōu)化運(yùn)行與控制系統(tǒng)研究：[碩士學(xué)位論文].北京：清華大學(xué)， 2010