地下式污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高瑋寅

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200125）

1 概述

虹橋污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為20 萬(wàn)m3/d。整個(gè)污水廠縱向結(jié)構(gòu)由地下一層，地面一層及頂部覆土綠化層構(gòu)成。工程主體工藝如下：

（1）預(yù)處理工藝：采用粗格柵、提升泵房、細(xì)格柵和曝氣沉砂池。

（2）二級(jí)生物處理工藝：采用改良型多級(jí) AAO 工藝＋平流沉淀池工藝。

（3）深度處理工藝：采用高效沉淀池+深床濾池工藝。

（4）污泥處理工藝：采用低溫真空脫水干化工藝，將污泥含水率降至 40%以下外運(yùn)處置。

（5）尾水消毒工藝：采用紫外線消毒為主，次氯酸鈉為輔的消毒工藝。

（6）臭氣處理工藝：采用以生物除臭為主的復(fù)合式除臭工藝。

為更便于對(duì)一體化廠房?jī)?nèi)各功能區(qū)的管理，對(duì)各功能區(qū)的定義如下：

A 區(qū)（預(yù)處理區(qū)）：包括調(diào)蓄池、粗格柵及進(jìn)水提升泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、輔助用房（分變電間、備品備用間等）；

B 區(qū)（生化處理區(qū)）：改良型AAO 生物池；

C 區(qū)（沉淀區(qū)）：平流沉淀池；

D 區(qū)（深度處理1 區(qū)）：高效沉淀池；

E 區(qū)（深度處理2 區(qū)）：深床濾池；

F 區(qū)（出水區(qū)）：出水泵房、紫外消毒渠、清水池、加藥區(qū)及中水泵房等；

G 區(qū)（鼓風(fēng)區(qū)）：鼓風(fēng)機(jī)房；

H 區(qū)（污泥區(qū)）：污泥脫水干化車(chē)間、儲(chǔ)泥池、調(diào)理池等。

K 區(qū)（輔助用房區(qū)）：變配電間、值班室；圖1 為一體化箱體內(nèi)部分區(qū)示意圖。

圖1 一體化箱體內(nèi)部分區(qū)示意圖

污水處理工藝流程為：進(jìn)水→粗格柵→污水緩沖調(diào)蓄池→進(jìn)水提升泵房→細(xì)格柵→曝氣沉砂池→改良式多段AAO 生化池→平流沉淀池→中間提升泵房→高效沉淀池→深床濾池→出水提升泵房→紫外消毒池→加氯接觸池→蘇州河。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成

全廠的自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)應(yīng)基于現(xiàn)代先進(jìn)控制思想即分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（集散型控制系統(tǒng)），集成當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、高性能PLC 及智能化儀表的各自特點(diǎn)于一身，使其在污水處理廠的運(yùn)行控制、設(shè)備管理及整體性能上滿足可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

可靠性——整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分層分布式結(jié)構(gòu)，控制、保護(hù)、測(cè)量之間既互相獨(dú)立又互相聯(lián)系。

先進(jìn)性——系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人職守，分站少人值班”為目的，設(shè)備裝置的啟、停及聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)均可由中央控制室遠(yuǎn)程操縱與調(diào)度。

經(jīng)濟(jì)性——系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格指標(biāo)，主要監(jiān)控設(shè)備應(yīng)有較高聲譽(yù)公司和較好業(yè)績(jī)的產(chǎn)品。

實(shí)用性——系統(tǒng)設(shè)計(jì)多個(gè)控制層面，既考慮正常工作時(shí)的全自動(dòng)化運(yùn)行，又考慮多種非正常運(yùn)行狀態(tài)下的各級(jí)運(yùn)行策略。

整個(gè)系統(tǒng)由通訊系統(tǒng)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成的中央控制系統(tǒng)（中央控制室）對(duì)全廠實(shí)施集中管理。由分布在現(xiàn)場(chǎng)的可編程序控制器PLC 及現(xiàn)場(chǎng)儀表組成的檢測(cè)控制系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)站）對(duì)污水處理廠各個(gè)過(guò)程進(jìn)行分散控制。由視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視生產(chǎn)區(qū)域工況、主要生產(chǎn)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)及廠區(qū)的安防。視頻監(jiān)控系統(tǒng)、各現(xiàn)場(chǎng)站與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。生產(chǎn)管理區(qū)設(shè)置由各個(gè)部門(mén)管理計(jì)算機(jī)組成工廠管理系統(tǒng)，采用工業(yè)以太網(wǎng)與中央控制系統(tǒng)連接，組成全廠計(jì)算機(jī)綜合管理控制系統(tǒng)。

3 全廠自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

按分散控制、集中管理的原則，建立污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)中央控制室對(duì)全廠生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和控制，在各工藝單體設(shè)置基于PLC 的控制設(shè)備，處理局部的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)。根據(jù)虹橋污水處理廠工程的規(guī)模和監(jiān)控內(nèi)容，將分布位置近、工藝關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的單體控制系統(tǒng)予以合并，以減少控制設(shè)備數(shù)量，減少工程投資。按照控制對(duì)象的功能、設(shè)備量和所在地理位置劃分，在1#變電所、鼓風(fēng)機(jī)房、2#變電所和污泥濃縮脫水機(jī)房分別設(shè)置PLC 控制站，各PLC 控制站與中控室之間用光纜環(huán)網(wǎng)相互連接，實(shí)現(xiàn)中控室對(duì)全廠的集中控制和管理，實(shí)現(xiàn)全廠運(yùn)行自動(dòng)化。

3.2 控制方式

虹橋污水處理廠工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)執(zhí)行級(jí)、車(chē)間就地控制級(jí)、中央監(jiān)控管理級(jí)三級(jí)計(jì)算機(jī)控制設(shè)備組成。設(shè)備的具體控制方式和控制優(yōu)先級(jí)依次為：手動(dòng)方式：分現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和就地手動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)方式通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作箱上的按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，就地手動(dòng)方式通過(guò)MCC 柜上的手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟停操作。自動(dòng)方式：設(shè)備的運(yùn)行完全由各就地控制PLC 站根據(jù)污水廠的液位、流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)等各工藝處理流程、各類機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況及相關(guān)參與控制的在線儀表檢測(cè)參數(shù)來(lái)自動(dòng)控制工藝流程的正常運(yùn)行，完成對(duì)全廠設(shè)備的啟?？刂坪瓦B鎖保護(hù)等，不需要人工干預(yù)。遙控方式：即遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式。操作人員通過(guò)車(chē)間或中央控制室的集中控制設(shè)備控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

3.3 PLC 控制站

PLC1 控制站，設(shè)在進(jìn)水儀表間，監(jiān)控范圍包括粗格柵及進(jìn)水提升泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、緩沖調(diào)蓄池、進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)、3#分變配電間和4#分變配電間等。PLC1 控制站設(shè)置2 處遠(yuǎn)程站，分別布置在3#分變配電間和4#分變配電間。

PLC2 控制站，設(shè)在主變配電間，監(jiān)控范圍包括主變配電間和2#分變配電間等。

PLC3 控制站，設(shè)在主變配電間，監(jiān)控范圍包括生化池（B-1B-2）等。PLC3 控制站設(shè)置3 處遠(yuǎn)程站，均布置在生化池。

PLC4 控制站，設(shè)在主變配電間，監(jiān)控范圍包括生化池（B-3B-4）等。PLC4 控制站設(shè)置3 處遠(yuǎn)程站，均布置在生化池。

PLC5 控制站，設(shè)在5#分變配電間，監(jiān)控范圍包括5#分變配電間、二沉池（C-1C-2）、高效沉淀池（D-1）和深床反硝化濾池（E-1）等。PLC5 控制站設(shè)置5 處遠(yuǎn)程站，分別布置在二沉池、高效沉淀池和深床反硝化濾池。

PLC6 控制站，設(shè)在5#分變配電間，監(jiān)控范圍包括二沉池（C-3C-4）、高效沉淀池（D-2）和深床反硝化濾池（E-2）等。PLC6 控制站設(shè)置5 處遠(yuǎn)程站，分別布置在二沉池、高效沉淀池和深床反硝化濾池。

PLC7 控制站，設(shè)在出水提升泵房，監(jiān)控范圍包括紫外消毒池、出水提升泵房、出水水質(zhì)檢測(cè)、中水泵房和加藥間等。PLC7 控制站設(shè)置1 處遠(yuǎn)程站，布置在出水儀表間。

PLC8 控制站，設(shè)在1#分變配電間，監(jiān)控范圍包括1#分變配電間、儲(chǔ)泥池和脫水機(jī)房。圖2 為自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。

4 各單體的儀表配置

4.1 調(diào)蓄池

每格調(diào)蓄池內(nèi)分別設(shè)置一體化超聲波液位計(jì)，液位測(cè)量值作為潛水泵的控制依據(jù)。

4.2 粗格柵與進(jìn)水泵房

粗格柵前后分別設(shè)置一體化超聲波液位計(jì)，測(cè)量格柵前后液位值，液位差值控制格柵的清污動(dòng)作；格柵后液位測(cè)量值作為水泵的控制依據(jù)；格柵井除臭罩內(nèi)設(shè)置一套雙探頭硫化氫檢測(cè)儀(含聲光報(bào)警裝置)，并配備1 套便攜式硫化氫檢測(cè)儀，作為工作人員安全保護(hù)用。

4.3 細(xì)格柵及曝氣沉砂池

細(xì)格柵前后分別設(shè)置一套一體化超聲波液位計(jì)，測(cè)量格柵前后液位值，液位差值控制格柵的清污動(dòng)作；同時(shí)，細(xì)格柵前液位值參與進(jìn)水泵運(yùn)行控制，細(xì)格柵前液位值作為進(jìn)水泵運(yùn)行限值，超高液位時(shí)停止進(jìn)水泵，防止因細(xì)格柵運(yùn)行故障引起過(guò)水不暢而導(dǎo)致污水冒溢。曝氣沉砂池鼓風(fēng)機(jī)房出風(fēng)總管上設(shè)置壓力變送器、溫度變送器和空氣流量計(jì)。格柵井除臭罩內(nèi)設(shè)置一套雙探頭硫化氫檢測(cè)儀(含聲光報(bào)警裝置)，并配備1 套便攜式硫化氫檢測(cè)儀，作為工作人員安全保護(hù)用。

4.4 生化池

本工程設(shè)有2 座生化池，每座又分為完全對(duì)稱的2 池，總計(jì)4 池。

每個(gè)生化池的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、預(yù)缺氧池和好氧/缺氧搖擺池內(nèi)分別設(shè)置1 套ORP 檢測(cè)儀和1 套MLSS 檢測(cè)儀，合計(jì)16 套；每個(gè)生化池的出水端分別設(shè)置1 套復(fù)合氨氮&硝氮分析儀，合計(jì)4 套；在混合液外回流泵和混合液內(nèi)回流泵處分別設(shè)置一套超聲波液位計(jì)，液位測(cè)量值作為泵的控制依據(jù)，合計(jì)8 套。

生化池設(shè)置精確曝氣系統(tǒng)，將每座生物反應(yīng)池劃分成2個(gè)溶解氧控制區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧的精確控制。

在每個(gè)溶解氧控制區(qū)對(duì)應(yīng)的曝氣管上各安裝1 套氣體流量計(jì)，合計(jì)16 套；在每個(gè)溶解氧控制區(qū)對(duì)應(yīng)的曝氣支管上安裝1 只電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，合計(jì)16 只。

在距離鼓風(fēng)機(jī)房最遠(yuǎn)端和最近端的曝氣管上各安裝1 臺(tái)壓力變送器，合計(jì)4 臺(tái)；在單座生化池好氧段安裝8 臺(tái)溶解氧儀，合計(jì)16 臺(tái)；在單座生化池安裝4 臺(tái)MLSS 儀，合計(jì)8 臺(tái)；在單座生化池安裝2 臺(tái)超聲波液位計(jì)，用于檢測(cè)各生物池的液位，合計(jì)4 臺(tái)。

4.5 平流式二沉池

本工程設(shè)有4 座平流式二沉池，每池8 個(gè)廊道。在每座池子第1、3、5、7 廊道內(nèi)分別設(shè)置一套污泥界面計(jì)，合計(jì)16 套；在剩余污泥泵處分別設(shè)置一套超聲波液位計(jì)，液位測(cè)量值作為泵的控制依據(jù)，合計(jì)4 套。

4.6 高效沉淀池

每個(gè)集泥區(qū)內(nèi)設(shè)一套一體化超聲波液位計(jì)，液位測(cè)量值作為污泥排放泵的控制依據(jù)。每個(gè)集水坑處設(shè)置一套浮球開(kāi)關(guān)，輸出的超低液位報(bào)警信號(hào)直接連接至排水泵控制箱，防止排水泵干運(yùn)行。

4.7 出水提升泵房

出水提升泵房集水井內(nèi)設(shè)置一套一體化超聲波液位計(jì)，集水井液位測(cè)量值作為水泵的控制依據(jù)。出水加氯接觸池內(nèi)設(shè)置一套余氯檢測(cè)儀。

4.8 出水流量計(jì)井

出水計(jì)量井內(nèi)設(shè)一套DN2200 的電磁流量計(jì)，用于虹橋污水廠總出水流量的計(jì)量。

4.9 中水泵房

中水泵房出水總管上設(shè)置一套壓力變送器和一套電磁流量計(jì)。

4.10 鼓風(fēng)機(jī)房

在鼓風(fēng)機(jī)房每根出風(fēng)總管上設(shè)置壓力變送器、溫度變送器和空氣流量計(jì)。

4.11 污泥脫水機(jī)房及料倉(cāng)

污泥脫水機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置3 套雙探頭硫化氫檢測(cè)儀和2 套單探頭硫化氫檢測(cè)儀(含聲光報(bào)警裝置)，用于對(duì)脫水機(jī)房?jī)?nèi)的硫化氫濃度監(jiān)測(cè)。污泥脫水機(jī)房設(shè)1 套便攜式硫化氫測(cè)量?jī)x，作為工作人員安全保護(hù)用。

4.12 除臭系統(tǒng)

生物除臭裝置的出風(fēng)管分別設(shè)置一套硫化氫檢測(cè)儀和一套氨氣檢測(cè)儀。

4.13 進(jìn)出水水質(zhì)檢測(cè)

在進(jìn)水泵房集水井設(shè)水質(zhì)取樣管，檢測(cè)進(jìn)水水質(zhì)。進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)內(nèi)容包括酸堿度（pH）、溫度（T）、懸浮物濃度（SS）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。

在紫外消毒池設(shè)水質(zhì)取樣管，檢測(cè)出水水質(zhì)。出水水質(zhì)檢測(cè)內(nèi)容包括酸堿度（pH）、溫度（T）、懸浮物濃度（SS）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)已在虹橋污水處理廠投入使用，且運(yùn)行正常，取得了較好的效果。隨著時(shí)代的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，地下式污水處理廠模式將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，該自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以在類似模式的污水處理廠得以應(yīng)用，并希望通過(guò)新產(chǎn)品的研發(fā)以及合適的科學(xué)的技術(shù)，進(jìn)行綜合性的使用及改進(jìn)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)提高工作效率，減少建設(shè)投資費(fèi)用的目的。

圖2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)圖