基于PLC控制技術(shù)的農(nóng)村污水處理廠提標(biāo)改造方案設(shè)計

白雪寧，魏康民

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著我國農(nóng)村建設(shè)進(jìn)程日益加快，為保護(hù)自然水體不受污染，保障人民身體健康和居住環(huán)境質(zhì)量，污水治理成了環(huán)境問題的重中之重。然而，農(nóng)村污水處理廠污泥脫水設(shè)備陳舊，污泥處理后含水率高(約80%)；污水處理控制系統(tǒng)自動化程度低，工藝落后，出水TP(總磷)、TN(總氮)、pH值等項目指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，很難滿足當(dāng)前污水處理的新標(biāo)準(zhǔn)與新要求[1]。為提高污水處理的質(zhì)量與效率，探究農(nóng)村污水處理提標(biāo)改造工藝方案、改進(jìn)污水處理設(shè)備、設(shè)計污水智能控制系統(tǒng)等成為研究關(guān)鍵。

1 農(nóng)村污水處理廠現(xiàn)狀

污水處理公司位于A市B鎮(zhèn)某村的南側(cè)，渭河河堤以北，六號路以東，七號路以西。在多次走訪、勘察和充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對該廠污水處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析如下[2]。

(1)原設(shè)計污水處理規(guī)模Q=20 000 m3/d，設(shè)計運行兩組10 000 m3/d，但目前只運行一組10 000 m3/d，實際日處理污水量為5 000 m3/d左右。目前，該企業(yè)外排水水質(zhì)滿足設(shè)計處理標(biāo)準(zhǔn)，然而根據(jù)新的排放要求，在達(dá)到設(shè)計負(fù)荷時，將無法滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)現(xiàn)有污水處理有限公司深度處理工藝設(shè)置有方形濾池，但方形濾池處理量不能滿足原設(shè)計要求，且設(shè)備老化嚴(yán)重。

(3)深度處理單元無除磷功能，易造成總磷超標(biāo)，需進(jìn)一步補充深度處理工藝?，F(xiàn)污水處理后的實際出水水質(zhì)部分指標(biāo)：COD(化學(xué)需氧量)≤50 mg/L，BOD5(生化需氧量)≤10 mg/L，NH3-N(氨氮)≤5 mg/L，TN(總氮)≤18 mg/L，TP(總磷)≤0.5 mg/L。

(4)原污泥濃縮池容量偏小，給遠(yuǎn)期污泥處理產(chǎn)生影響。

(5)原污泥系統(tǒng)只能將污泥的含水率處理到80%左右。污水處理有限公司污泥擬定填埋處置，根據(jù)GB50869—2013《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范》，農(nóng)村污水處理廠污泥進(jìn)入生活垃圾填埋場時，污泥含水率需<60%。因此原污泥壓濾系統(tǒng)需做改造，以滿足污泥處理要求。

(6)污水處理廠無除臭系統(tǒng)。

(7)污水產(chǎn)生量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計處理規(guī)模，污水處理率較低。

(8)污水處理控制系統(tǒng)自動化程度較低。

2 改造方案

依據(jù)上述調(diào)研結(jié)果、污水總量測算與企業(yè)實際污水處理負(fù)荷，確定本項目的提標(biāo)改造與升級設(shè)計處理規(guī)模Q=10 000 m3/d，后期將按照廠區(qū)新規(guī)劃，進(jìn)行二期擴(kuò)建，以提高污水處理率。此次項目主要目標(biāo)如下。

(1)研究當(dāng)前污水處理工藝流程，提出能有效提標(biāo)的改進(jìn)工藝方案。

提標(biāo)改造與優(yōu)化升級目標(biāo)：處理出水從一級A提標(biāo)升級至DB61/224—2018《陜西省黃河流域污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的A標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)部分指標(biāo)：COD(化學(xué)需氧量)≤30 mg/L，BOD5(生化需氧量)≤6m g/L，NH3-N(氨氮)≤1.5 mg/L，TN(總氮)≤15 mg/L，TP(總磷)≤0.3 mg/L，pH值=6～9。

(2)了解現(xiàn)有主要污泥處理設(shè)備，完成污水處理設(shè)備的改造與升級。

改造的目標(biāo)：污泥脫水后的含水率≤60%。

(3)探討現(xiàn)用污水處理控制系統(tǒng)，設(shè)計能高效提標(biāo)的“基于PLC控制技術(shù)的污水處理智能控制系統(tǒng)”。

2.1 污水處理工藝改造方案

2.1.1原有工藝流程

原污水處理工藝流程：廢水→粗格柵→提升泵站→細(xì)格柵→旋流沉砂池→反應(yīng)池→初沉池→一體化改良氧化溝→紫外線消毒池→流量計井→計量排放。

現(xiàn)今污水處理后的實際出水水質(zhì)部分指標(biāo)：COD(化學(xué)需氧量)≤50 mg/L，BOD5(生化需氧量)≤10 mg/L，NH3-N(氨氮)≤5 mg/L，TN(總氮)≤18 mg/L，TP(總磷)≤0.5 mg/L。

原污泥處理工藝：初沉池污泥、氧化溝污泥→污泥濃縮池→儲泥池→污泥脫水→污泥外運。

原污泥處理后含水率大約80%左右，含量超標(biāo)。

2.1.2改造后工藝

深入了解合作企業(yè)的污水處理規(guī)模、處理手段、處理質(zhì)量等，探究并設(shè)計能有效提標(biāo)的工藝改造方案[3-6]。

在原處理工藝方案的基礎(chǔ)上，改造原一體化氧化溝為多段AO+MBBR處理工藝。擬改造方案：在保留原有粗格柵、提升泵站、細(xì)格柵、旋流沉砂池、反應(yīng)池和初沉池等設(shè)備的基礎(chǔ)上，改造一體化改良型氧化溝，新增混凝沉淀池、濾布濾池、接觸消毒池、污泥調(diào)理池和脫水機房等，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理改造工藝流程

2.2 改造并設(shè)計污泥脫水機(壓濾機)

原污泥處置為配置一臺1.5 m帶寬濃縮一體機，經(jīng)絮凝脫水至80%外運。根據(jù)環(huán)保部辦公廳文件《關(guān)于加強農(nóng)村污水處理廠污泥污染防治工作的通知》(環(huán)辦[2010]157號)中明確要求污水處理廠以貯存為目的將污泥運出廠界的，必須將污泥脫水至含水率小于60%。CJ/T—2007《農(nóng)村污水處理廠污泥處置混合填埋泥質(zhì)》中要求，用于填埋處理的污泥含水率應(yīng)小于60%。綜上考慮，環(huán)保部門對污泥的排放監(jiān)管及處罰越來越嚴(yán)，該設(shè)備已經(jīng)不能滿足日益嚴(yán)峻的環(huán)保形勢，并且隨著農(nóng)村工業(yè)園區(qū)入駐企業(yè)增多，原污水處理廠污泥脫水車間只有一臺設(shè)備也無法滿足生產(chǎn)需求。因此污水處理廠污泥脫水車間急需技改和擴(kuò)建。

項目擬在原板框式壓濾機的基礎(chǔ)上，改造成隔膜式板框式壓濾機，擬在濾板和濾布之間加裝一層彈性膜。使用過程中，當(dāng)入料結(jié)束，可將高壓流體或氣體介質(zhì)注入隔膜板中，這時整張隔膜就會鼓起壓迫濾餅，進(jìn)而實現(xiàn)濾餅的進(jìn)一步脫水，即壓榨過濾，濾餅含水量能到60%，屬于間歇式生產(chǎn)。

污泥處理工藝：加藥絮凝→石灰投加→污泥儲存→螺桿式污泥提升泵→隔膜式板框壓濾機系統(tǒng)→脫水污泥外運。

脫水后的污泥采用小型密封式箱式運輸車輛送入，經(jīng)自然干化場干化后作為固體垃圾送入?yún)^(qū)域生活垃圾填埋場進(jìn)行填埋處理。

2.3 設(shè)計基于PLC控制技術(shù)的智能控制系統(tǒng)

原污水處理系統(tǒng)控制柜采用普通電氣控制，線路較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障，維護(hù)難度大，此控制方式對污泥處理的部分過程也難以有效反饋和實時處理，容易產(chǎn)生低壓進(jìn)料速度慢、效率低和能耗大的缺點。

根據(jù)污水處理改造之后的新工藝要求，控制部分的改造思路：擬設(shè)計智能控制系統(tǒng)，使其能對處理過濾過程實行全程監(jiān)控和實時處理；總控采用可編程控制器，簡化線路的同時提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性；通過觸摸屏界面下達(dá)各項指令，且將系統(tǒng)壓力、氣動閥門的開閉情況、現(xiàn)場多種參數(shù)動態(tài)呈現(xiàn)[7]。

具體的改造總控設(shè)計如圖2所示，主要特點如下[8-12]。

圖2 污水處理自控原理

(1)二期控制站PLC系統(tǒng)選用和一期同一公司產(chǎn)品，現(xiàn)場控制站通過工業(yè)以太網(wǎng)與中控室操作員進(jìn)行通信。

(2)氧化溝現(xiàn)場控制柜內(nèi)裝PLC系統(tǒng)、UPS、光端機，為IO模塊、檢測儀表等供電。

(3)消毒柜控制柜內(nèi)裝PLC系統(tǒng)、UPS、光端機，為IO模塊、檢測儀表等供電。

(4)污泥脫水間控制柜內(nèi)裝PLC系統(tǒng)、UPS、以太網(wǎng)交換機、光端機，為IO模塊、檢測儀表等供電。

(5)所有數(shù)字量輸出點采用繼電器隔離，模擬量IO點采用隔離器對信號進(jìn)行隔離；IO點均預(yù)留20%余量。

(6)磁混凝沉淀系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)為成套設(shè)備，自帶控制柜，柜內(nèi)分別安裝有需要的PLC系統(tǒng)、光端機等成套設(shè)備，成套設(shè)備的PLC系統(tǒng)與中控室操作員站通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

(7)污泥濃縮池控制柜、加藥間加藥控制箱設(shè)備控制信號接入一期污泥壓濾間(新改為加藥間)PLC系統(tǒng)；對于只有現(xiàn)場控制箱的小型設(shè)備，采用無源干接點與就近的PLC站進(jìn)行連接。

(8)現(xiàn)場儀表的4～20 mA輸出信號直接引入就近控制柜PLC系統(tǒng)的模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

(9)自控系統(tǒng)即可以由操作員站，也可以通過機柜間控制站(PLC)柜門上的觸摸屏，完成對整個污水站設(shè)備運行狀態(tài)顯示、啟停的操作及各個現(xiàn)場儀表參數(shù)的顯示。

(10)所有控制柜內(nèi)必須安裝照明、通風(fēng)、直流電源等。

3 結(jié)論

以某農(nóng)村污水處理廠提標(biāo)改造工作為研究對象，結(jié)合其污水處理現(xiàn)狀，在對污水處理廠現(xiàn)存問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，研究了該污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造的必要性，同時提出了系統(tǒng)化的污水處理改造方案，即工藝改造、污水處理機械設(shè)備改造與控制系統(tǒng)智能化改造3大方案。經(jīng)過改造，污水處理效果良好、處理標(biāo)準(zhǔn)提高，實際出水指標(biāo)均達(dá)到DB61/224—2018《陜西省黃河流域污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的A標(biāo)準(zhǔn)，改造后實際出水指標(biāo)數(shù)據(jù)：化學(xué)需氧量由原來的COD≤50 mg/L降低到COD≤30 mg/L，生化需氧量由原來的BOD5≤10 mg/L降低到BOD5≤6 mg/L，氨氮含量由原來的NH3-N≤5 mg/L降低到NH3-N≤1.5 mg/L，總氮含量由原來的TN≤18 mg/L降低到TN≤15 mg/L，總磷含量由原來的TP≤0.5 mg/L降低到TP≤0.3 mg/L，污泥脫水后含水率由原來的80%降低到60%。同時，該污水處理改造方案降低了投入費用、運行費用，提高了農(nóng)村污水處理效率、處理質(zhì)量，提升了污水處理技術(shù)水平。