城鎮(zhèn)污水處理過(guò)程設(shè)備自動(dòng)控制的研究

王雨嬌

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170）

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和城市總?cè)丝诘拇罅吭黾?，水污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也相繼出現(xiàn)，水資源的污染增加了[1]。城鎮(zhèn)排放的污水能否得到充分凈化與污水處理技術(shù)密切相關(guān)，也與城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)施以及可持續(xù)發(fā)展理念的發(fā)展戰(zhàn)略有關(guān)。因此，科學(xué)研究對(duì)改善城市污水處理技術(shù)具有十分重要的意義，本文對(duì)廢水處理設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的科學(xué)研究對(duì)業(yè)界發(fā)展具有一定的啟迪作用。

1 污水處理現(xiàn)狀

1.1 進(jìn)口設(shè)備大修及設(shè)備配件的開發(fā)

在中國(guó)，水處理設(shè)備多為進(jìn)口，部分進(jìn)口設(shè)備很容易產(chǎn)生不同程度的損壞。因此，對(duì)于國(guó)內(nèi)外的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，提高對(duì)進(jìn)口設(shè)備的維修保養(yǎng)是十分必要的，相關(guān)人員應(yīng)徹底掌握維修規(guī)范，還要有充足的備用備件。對(duì)于一些即將淘汰的設(shè)備，其零部件必須在國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)、加工和制造。只有保證它們的正常運(yùn)行，進(jìn)口設(shè)備才能充分發(fā)揮其作用。否則，設(shè)備的破壞和備件的缺乏，將危及污水處理站的正常運(yùn)行，造成巨額財(cái)產(chǎn)損失。

1.2 廢水處理效率低

中國(guó)雖然建成了很多污水處理站，但在城市的覆蓋率并不高。現(xiàn)階段，該市正準(zhǔn)備啟動(dòng)污水處理站建設(shè)規(guī)劃。然而，二三線城市尚未將污水處理設(shè)計(jì)納入城市建設(shè)議程。首要因素是缺乏開發(fā)資金，地方政府對(duì)污水處理不重視或不籌集資產(chǎn)加快水污染治理項(xiàng)目建設(shè)。

1.3 未結(jié)合本地實(shí)際情況

很多地區(qū)在選擇生活污水處理工藝技術(shù)時(shí)盲目跟風(fēng)，沒(méi)有結(jié)合本地區(qū)的具體情況，盲目追趕流行的處理工藝。不了解本區(qū)域的滲水水體，無(wú)法解決水量問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)施閑置，無(wú)法正常使用，基建項(xiàng)目投資的擴(kuò)大也增加了日常運(yùn)營(yíng)成本。

1.4 缺少除臭與污泥處理的設(shè)備

污水處理站的進(jìn)水水庫(kù)、格柵室、初沉池、沉淀池、污泥處置系統(tǒng)污泥儲(chǔ)罐、烘干主機(jī)房會(huì)產(chǎn)生明顯的異味，但很多污水處理站沒(méi)有除臭設(shè)備。也就是說(shuō)，它危及操作人員的身體健康，同時(shí)也對(duì)周邊居民的生活環(huán)境造成環(huán)境污染。淤泥沒(méi)有最終處理方法，大部分污水應(yīng)用后沒(méi)有解決方案，導(dǎo)致明顯消耗，應(yīng)建立良好的后續(xù)處理設(shè)備，消除環(huán)境污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1.5 污水處理站運(yùn)行預(yù)算不能及時(shí)

全國(guó)現(xiàn)階段已投入運(yùn)行的污水中，超載的不到1/3。其根本原因是經(jīng)營(yíng)預(yù)算不及時(shí)，中國(guó)基本建設(shè)存量資金相對(duì)有限，地區(qū)扣除的土地稅不可靠和規(guī)范。這造成了很多省份的土地稅扣除不均，有的只向加工廠和企業(yè)收費(fèi)。對(duì)于到戶，或雖有扣除，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)定在較低水平，遠(yuǎn)未達(dá)到污水處理站日常運(yùn)行所需的最低成本。因此，建立嚴(yán)格可靠的土地減稅政策法規(guī)是應(yīng)對(duì)資金不足的必要途徑。

2 目前中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)備自動(dòng)控制存在問(wèn)題

2.1 目前中國(guó)新老污水處理廠技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，中國(guó)大多數(shù)污水處理站已經(jīng)建立并配置了自動(dòng)化技術(shù)，但是自動(dòng)化技術(shù)的水平仍處于初級(jí)和中級(jí)的發(fā)展水平[2]。在現(xiàn)階段，中國(guó)廢水處理自動(dòng)化的水平從頭到尾都沒(méi)有擺脫探索的步伐，與國(guó)際廢水處理的水平差別很大。此外，現(xiàn)階段中國(guó)大量舊式污水處理站盡管已經(jīng)對(duì)污水處理技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)和改造，但是各個(gè)老舊污水處理廠的自動(dòng)控制技術(shù)仍舊參差不齊。

2.2 自動(dòng)化研發(fā)水平滯后于控制系統(tǒng)需求

盡管目前中國(guó)污水處理技術(shù)已有所改進(jìn)和升級(jí)，但目前中國(guó)污水處理設(shè)備電動(dòng)執(zhí)行器的研發(fā)水平仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于自動(dòng)控制系統(tǒng)的規(guī)定。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器一起形成電動(dòng)制動(dòng)器?？刂泼姘遢敵龅臄?shù)據(jù)信號(hào)由電動(dòng)執(zhí)行器轉(zhuǎn)換為匹配的命令驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)。

控制器、智能變送器及其精確的測(cè)量組件構(gòu)成了自動(dòng)控制系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)水平不僅適用于廢水處理技術(shù)，而且已在更廣泛的工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中被應(yīng)用。結(jié)果，在許多行業(yè)中出現(xiàn)了具有單獨(dú)安裝和集成的全自動(dòng)控制系統(tǒng)的各種設(shè)備。關(guān)于污水處理設(shè)備的自動(dòng)系統(tǒng)，正常情況下沒(méi)有良好的工作環(huán)境。安裝該設(shè)備的污水處理站的工作室環(huán)境非常差。該自動(dòng)機(jī)器在操作后用作電氣設(shè)備。盡管執(zhí)行器的作用很大，但通常無(wú)法獲得基本的維護(hù)和修理，這會(huì)使廢水處理電動(dòng)執(zhí)行器遭受偏癱或浪費(fèi)。廢水處理速度越來(lái)越慢，質(zhì)量越來(lái)越差。通過(guò)人工進(jìn)行手動(dòng)維護(hù)，無(wú)法確保全自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠正常工作。由于在整個(gè)應(yīng)用和應(yīng)用過(guò)程中都存在很大的困難，工作環(huán)境無(wú)法滿足全自動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器的工作標(biāo)準(zhǔn)。其中，電動(dòng)執(zhí)行器的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為設(shè)備中間區(qū)域的極度缺乏和公差配合。當(dāng)廢水處理系統(tǒng)的技術(shù)必須進(jìn)行更新時(shí)，由于無(wú)法完成平滑連接而難以升級(jí)技術(shù)。

2.3 多樣化設(shè)備產(chǎn)生的問(wèn)題

在現(xiàn)階段，中國(guó)市場(chǎng)上的廢水處理設(shè)備制造廠缺乏統(tǒng)一的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，制造的設(shè)備質(zhì)量參差不齊，制造商管理方法很多。此外，由于中外規(guī)格型號(hào)不統(tǒng)一，設(shè)備多樣化直接導(dǎo)致了目前中國(guó)污水處理設(shè)備的技術(shù)性差距大和設(shè)備不通用等問(wèn)題。

3 城鎮(zhèn)污水處理與設(shè)備自動(dòng)控制改進(jìn)對(duì)策

3.1 加大技術(shù)創(chuàng)新力度，完善設(shè)備生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

要提高城市污水處理技術(shù)創(chuàng)新水平，積極開展科學(xué)研究，選擇新技術(shù)、新工藝，提高污水處理能力[3]。有必要擴(kuò)大設(shè)計(jì)方案的范圍，以確保設(shè)備的特性滿足污水處理廠的要求。有必要不斷完善設(shè)備的自動(dòng)化技術(shù)控制系統(tǒng)，使廢水處理的實(shí)際效果更加有效。制造商必須統(tǒng)一設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，以確保設(shè)備制造更加標(biāo)準(zhǔn)化，滿足市場(chǎng)的要求，并促進(jìn)完成廢水處理領(lǐng)域的良好發(fā)展趨勢(shì)。能夠?qū)Ξ?dāng)前規(guī)范進(jìn)行更改，并在連續(xù)測(cè)試后進(jìn)一步完善規(guī)范以使該規(guī)范成為強(qiáng)制性的。首先，必須完成設(shè)備制造的模塊化設(shè)計(jì)，以確保廢水處理設(shè)備設(shè)計(jì)具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；其次，確保國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相聯(lián)系；再次，將機(jī)電一體化技術(shù)整合到設(shè)備的設(shè)計(jì)設(shè)備中；最后，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)更加配套。

3.2 加強(qiáng)模塊化設(shè)計(jì)，滿足污水處理要求

為了更好地確保廢水處理和設(shè)備自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高，有必要提高模塊性。改進(jìn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后，有必要確保模塊和接口的實(shí)現(xiàn)方式更加匹配。模塊化非常復(fù)雜，涉及更多內(nèi)容，并且明確提出了更嚴(yán)格的要求。集成設(shè)備模塊包括智能變速、集成制造和減速齒輪以及典型的實(shí)用設(shè)備。通過(guò)模塊化，可以確保設(shè)備的特性更加出色，并且可以進(jìn)一步擴(kuò)大設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模。污水處理站可以根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的設(shè)備，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)際操作方法完成有針對(duì)性的解決方案，使污水處理可以達(dá)到預(yù)計(jì)的實(shí)際效果。

3.3 加大對(duì)執(zhí)行器的研究與開發(fā)力度

在科學(xué)研究和技術(shù)探索的基礎(chǔ)上，有必要不斷提高用于廢水處理的電動(dòng)執(zhí)行器的水平，并改善設(shè)備的特性。電動(dòng)執(zhí)行器包含兩部分：調(diào)整機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以從這兩部分開始，確保不同機(jī)構(gòu)的特性更加穩(wěn)定。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，有不同的傳統(tǒng)伺服電機(jī)設(shè)備，它們可以完成設(shè)備的合理控制，并確保設(shè)備的合理實(shí)際運(yùn)行。這兩個(gè)組織的職能完成后，設(shè)備將更加穩(wěn)定運(yùn)行，更容易解決廢水，提高自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行水平。在中國(guó)，廢水處理設(shè)備的電動(dòng)執(zhí)行器相對(duì)較低端。盡管特性穩(wěn)定并且不容易造成常見故障，但是技術(shù)強(qiáng)度相對(duì)較低。還有一些電動(dòng)執(zhí)行器，盡管它們是相對(duì)高端的，但是它們的成本很高并且適用性較弱。這必須擴(kuò)大研發(fā)范圍，以使電動(dòng)執(zhí)行器更符合污水處理站的要求。

3.4 重點(diǎn)跟進(jìn)污水處理工藝的創(chuàng)新

改善技術(shù)應(yīng)用以及新技術(shù)在廢水處理技術(shù)中的應(yīng)用是創(chuàng)新城市廢水處理技術(shù)的主要途徑。只有新技術(shù)的應(yīng)用才能與符合市場(chǎng)法規(guī)的設(shè)計(jì)解決方案同步應(yīng)用[4]。根據(jù)新的處理技術(shù)和設(shè)備開發(fā)的實(shí)施，不僅可以促進(jìn)新時(shí)期城市污水處理設(shè)備的設(shè)備開發(fā)，還可以滿足設(shè)備污水處理設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。

3.5 制定污水處理設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

領(lǐng)域強(qiáng)制性規(guī)范的統(tǒng)一和制定可以對(duì)規(guī)范生產(chǎn)企業(yè)和利益沖突產(chǎn)生影響?；谝幌盗行薷暮蛯?shí)際檢驗(yàn)而制定的強(qiáng)制性規(guī)范包括：①制造設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)和廢水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)方案；②制定更接近國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；③符合設(shè)備機(jī)電一體化標(biāo)準(zhǔn)并滿足特殊要求；④做好執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整組織標(biāo)準(zhǔn)和配套設(shè)施。

4 污水處理控制與監(jiān)控系統(tǒng)中的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由管理和監(jiān)督操作兩方面組成：①管理層。它是網(wǎng)站服務(wù)器、工作平臺(tái)及其打印機(jī)的組合，可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光纖電纜和五類雙絞線電纜。傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)，采用快速以太網(wǎng)接口，傳輸速率為100 Mbit/s。此外，操作系統(tǒng)還有一個(gè)非常強(qiáng)大的作用，可以進(jìn)行基于Internet的遠(yuǎn)程診斷和管理方法。②監(jiān)督控制層。它是PLC服務(wù)器、工控機(jī)、復(fù)印機(jī)及其工作臺(tái)等的組合。在監(jiān)控系統(tǒng)中PLC、PLC和工控機(jī)均選用電力線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，然后系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

4.2 設(shè)計(jì)方案

4.2.1 污水檢測(cè)系統(tǒng)

污水檢測(cè)和控制的意義在于對(duì)污水的水體和水流進(jìn)行控制，從而始終保持穩(wěn)定合理的污水處理。

水流檢測(cè)儀：第一類蒸汽流量計(jì)，常見的蒸汽流量計(jì)有電磁感應(yīng)法、超聲波法、葉片法及其噴嘴法；第二種液位變送器，常見的液位變送器是水泵壓力開關(guān)、汽泡及其壓差法。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備：主要常用的設(shè)備有污泥濃度計(jì)、DO計(jì)、MLSS計(jì)、pH計(jì)、溫度計(jì)、高錳酸鹽指數(shù)和COD/TOC計(jì)等。

新增水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下。

調(diào)節(jié)水箱：出水量、pH值、水位線。

污泥濃縮池：泵送污泥量和濃度值，污泥界面儀。

水解酸化槽：送排風(fēng)量、回流污泥量、DO、MLSS濃度值。

二沉池：回流污泥量及濃度值，剩余污泥量。

排放通道：解決水流量、COD、濁度計(jì)、自來(lái)水消毒蒸汽流量計(jì)、高錳酸鹽指數(shù)濃度計(jì)。

4.2.2 污水控制系統(tǒng)

曝氣槽有關(guān)控制。送氣量控制，以廢水量調(diào)整控制送氣量。鼓風(fēng)機(jī)輸出壓控制，送風(fēng)量以調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)吸入閥門的開度及鼓風(fēng)機(jī)之臺(tái)數(shù)控制，輸出壓力以壓力控制于定值，確保穩(wěn)定送風(fēng)量。關(guān)于DO控制就是以DO之控制量調(diào)節(jié)送氣量使槽內(nèi)的DO與目標(biāo)值一致。MLSS控制在對(duì)回流污泥量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制可以促使槽內(nèi)濃度與目標(biāo)保持一致，對(duì)回流污泥量進(jìn)行控制就是用流入的廢水量與比率相乘，所得的數(shù)值作為回流污泥控制的目標(biāo)值，從而對(duì)回流污泥量進(jìn)行調(diào)整。

加氯量控制。以處理水量作比率調(diào)節(jié)加氯量，也有以余氯測(cè)定計(jì)測(cè)定結(jié)果作回授控制，并由水量作比率調(diào)節(jié)。

沉淀池控制。該環(huán)節(jié)的控制在操作過(guò)程中以污泥泵浦、刮泥機(jī)以及浮除的清除為主，將定時(shí)器與順序控制相結(jié)合。

4.3 污水處理系統(tǒng)中自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化

以沉淀池污泥停留時(shí)間的調(diào)控為例，已知進(jìn)流SS的質(zhì)量濃度為128 mg/L，若需達(dá)到放流水標(biāo)準(zhǔn)以下（設(shè)定值為25 mg/L）所對(duì)應(yīng)之累加質(zhì)量約占20%，推估對(duì)應(yīng)管柱之安全水深應(yīng)為15 cm以內(nèi)，對(duì)應(yīng)管柱安全水深于15 cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，換算成質(zhì)量濃度約為38.4mg/L。安全水深于15cm下，推估30min沉降后的質(zhì)量濃度約為24.3 mg/L。

無(wú)機(jī)性廢水是采用的污泥回流的方式進(jìn)行操作，這樣不僅可以對(duì)污泥形式、特征進(jìn)行中和，還可以很大程度減少藥劑的使用量，對(duì)于浮除系統(tǒng)應(yīng)該將出水添加到24 L/h、質(zhì)量濃度為12 500 mg/L的化學(xué)回流污泥，進(jìn)水SS的質(zhì)量濃度為272 mg/L。依目前實(shí)際污水處理廠添加混凝劑與助凝劑于沉淀池的操作方式，其停留時(shí)間可縮短至1 h，進(jìn)而增加1倍的處理水量；保守估計(jì)，可增加5 000 CMD處理水量，雖操作成本將有所增加，但可以減低擴(kuò)建的需求，節(jié)省擴(kuò)建成本的支出。

5 污水處理廠控制系統(tǒng)新趨勢(shì)

5.1 減少人力成本

隨著各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越富裕、人力成本越來(lái)越高，污水處理廠需要考慮降低人力成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，因此要求污水處理廠工藝設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)就地自動(dòng)控制，中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控。這就需要增加多種智能化檢測(cè)手段并能進(jìn)行智能化判斷，減少操作人員的工作強(qiáng)度，達(dá)到正常運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)少人（無(wú)人）值守，操作人員定時(shí)巡檢。

5.2 降低能耗，采用精細(xì)化智能控制

一直以來(lái)污水處理廠能耗大的問(wèn)題沒(méi)有引起足夠的重視，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，污水處理廠能耗越來(lái)越大，這使得污水處理廠能耗的問(wèn)題越來(lái)越受到重視[5]。目前常規(guī)的自動(dòng)化控制手段還比較粗放，對(duì)電耗、藥耗控制不夠精細(xì)化，導(dǎo)致能耗較高，需要采用精細(xì)化智能控制手段來(lái)有效地降低能耗。譬如曝氣鼓風(fēng)機(jī)是電耗大戶，占污水處理廠用電成本的50%左右，若采用基于模型算法的智能曝氣控制系統(tǒng)的話，可節(jié)能電耗10%～20%。

5.3 加強(qiáng)管理決策，提高信息化管理手段

隨著現(xiàn)代企業(yè)制度的建立，污水處理廠對(duì)管理決策的需求也越來(lái)越高，需要對(duì)全廠進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)視，用信息化的手段，科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)有效的方法，達(dá)到管理、調(diào)度、控制的目的，為運(yùn)行管理決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的最大化，因此需要建立廠級(jí)信息化管理平臺(tái)。

5.4 增加智能化檢測(cè)方法

污水處理廠會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，極易造成人員傷害，例如地下式污水處理廠生物反應(yīng)池蓋板下觀察生物反應(yīng)池水面曝氣狀況，目前只能采用目視觀察法觀察生物反應(yīng)池水面曝氣狀況，增加了操作人員的工作強(qiáng)度及危險(xiǎn)性。因此需要增加智能化檢測(cè)手段來(lái)代替人工，對(duì)污水處理廠進(jìn)行監(jiān)視。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市人口的快速增長(zhǎng)隨之而來(lái)的是廢水排放量的增加。中國(guó)明確提出了對(duì)城市污水處理技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制的新要求，只有大力加強(qiáng)污水處理設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)控制系統(tǒng)的研發(fā)，繼續(xù)展示人力資源和物力的技術(shù)性以及設(shè)備在新型廢水處理設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)控制系統(tǒng)在實(shí)際活動(dòng)中的應(yīng)用，才能更好地保證設(shè)備的廢水處理水平保持著持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。未來(lái)，中國(guó)城市污水處理技術(shù)的發(fā)展離不開智能系統(tǒng)，機(jī)電一體化和數(shù)字化的融合，設(shè)備設(shè)計(jì)和制造還有很長(zhǎng)的路要走。