污水處理智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀研究

侯凱

（蘭州新區(qū)水務(wù)管理投資集團有限公司）

1 引言

污水處理是實現(xiàn)水資源循環(huán)利用的重要途徑，通過有效的污水回收不僅能夠提高水資源的利用率，還能夠緩解環(huán)境污染問題，但目前污水處理的技術(shù)尚不成熟，需要消耗大量的成本，這也是很多國家中小污水處理廠無法順利運營的重要因素之一[1]。污水處理時消耗的能源類型較多，包括電力、污染處理類藥物、燃氣等，其中電能是最核心的能源，占比高達70%[2]。通過智能與信息化技術(shù)能夠有效提升污水處理的智能化程度，從而減少污水處理中的人力與物力投入，從而增強了污水處理過程中的信息監(jiān)控力量，更加有效的提升了污水處理效率[3]。

2 污水處理智能控制的特點及優(yōu)勢

自動化技術(shù)是近年來發(fā)展速度較快的科學(xué)技術(shù)，通過自動化技術(shù)能夠有效降低生產(chǎn)過程中的人力消耗，提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)已在行業(yè)內(nèi)得到了普遍運用。智能技術(shù)屬于綜合類學(xué)科，包括了多項信息技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、通信科學(xué)、人工智能、主動控制等。在污水處理中應(yīng)用智能技術(shù)，能夠有效提高污水處理的數(shù)據(jù)分析能力，有利于縮短數(shù)據(jù)采集、加工、儲存以及管理的時間，有效降低了污水處理的人力與物力成本，提高污水處理廠的運營效率。綜合來看，在污水處理中，智能技術(shù)的運用主要具有以下的優(yōu)點：①由于現(xiàn)代社會生產(chǎn)、生活中污染物的源頭較多，利用智能信息技術(shù)的數(shù)據(jù)處理能力，能夠提高數(shù)據(jù)收集的效率，并明確信息的不同來源途徑，在此基礎(chǔ)上還能通過云技術(shù)實現(xiàn)在線分析，有效提升了對污染物信息的管理分析速度，從而可以有效根據(jù)污染物的源頭信息實施管理[4]；②從現(xiàn)代社會的情況來看，日常生活、生產(chǎn)中的污水類型較多，通過智能技術(shù)能夠?qū)ξ鬯念愋瓦M行全面的分析，并統(tǒng)計污水的污染程度、污染物類型等，再加以分級管理，大大提高了污水處理的效率；③相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，智能信息技術(shù)對數(shù)據(jù)的處理速度較快，同時能夠?qū)崿F(xiàn)在線統(tǒng)計，從而提升污水處理信息系統(tǒng)的分析效果，更便于自動管理技術(shù)的使用[5]；④由于目前污水?dāng)?shù)據(jù)的來源較多，一般的數(shù)據(jù)挖掘模式需要對收集到的數(shù)據(jù)進行二次分析，工作效率較低，難以在短時間內(nèi)反映出污水處理中的問題，而智能化技術(shù)則能對收集到的所有信息進行實時分析，不放過每一種小信息，因此反映信息的可參考性更強。

3 污水處理智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前，我國多數(shù)城市污水處理廠采用的是CAST技術(shù)（循環(huán)式活性污泥法），即先通過提升泵站將需要處理的污水輸送至格柵處，成功攔截后再傳輸出沉沙池內(nèi)濟寧沉降，最后經(jīng)生化池進行紫外線殺菌，從而達到水資源的循環(huán)利用。智能控制系統(tǒng)能夠?qū)Τ鞘形鬯幚韽S各個污水處理的裝置、設(shè)施進行控制，從而實現(xiàn)自動化的污水處理，是提高污水處理廠工作效率的重要途徑之一。以上子系統(tǒng)通過獨立的控制器進行工藝連接，每臺控制器可被視為自身的控制站，能夠自主傳輸信息至整個系統(tǒng)當(dāng)中，不僅能夠匯總所有污水處理過程的信息，還能對反饋數(shù)據(jù)進行管理[6]。智能化信息技術(shù)系統(tǒng)主要分為4個控制站，即污泥脫水機房工作站、鼓風(fēng)機房工作站、曝氣生物濾池工作站以及V型濾池工作站。

3.1 污泥脫水機房工作站

污泥脫水機房是污水處理廠的首要環(huán)節(jié)，因此也被稱作一級控制站，主要負責(zé)對水質(zhì)的信息進行收集與分析，并根據(jù)水質(zhì)分析的結(jié)果與污水處理需求，對格柵系統(tǒng)、旋流沉砂系統(tǒng)、污泥濃縮系統(tǒng)的可行性、可靠性進行深入分析。再將各個系統(tǒng)的運營信息進行分析與統(tǒng)計，然后通過反饋實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度，以確保污水處理首道程序符合要求，為后續(xù)的污水處理奠定基礎(chǔ)。

3.2 鼓風(fēng)機房工作站

鼓風(fēng)機房工作站是污水處理的第二道工序，主要作用是對CASS池中的水質(zhì)進行監(jiān)測，收集污水的相關(guān)信息。再根據(jù)收集到的信息對監(jiān)視攪拌系統(tǒng)、潷水系統(tǒng)以及曝氣系統(tǒng)進行調(diào)整，并根據(jù)反饋信號、數(shù)據(jù)信號的變化情況，對其中的關(guān)鍵系統(tǒng)實施有效管理，以確保污水處理的質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)處理效率。

3.3 曝氣生物濾池工作站

曝氣生物濾池工作站是第三個環(huán)節(jié)，也叫作三級控制站。三級控制站主要職責(zé)是對曝氣生物濾池的水質(zhì)量實施監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，并通過對二次提升系統(tǒng)、曝氣控制系統(tǒng)、反沖洗控制系統(tǒng)的調(diào)整，分析污水處理主要設(shè)備的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的實時變化監(jiān)控設(shè)備的運行情況，及時對設(shè)備進行調(diào)整、維護、修理，保證污水的處理效率符合預(yù)期。

3.4 V型濾池工作站

V型濾池工作站是污水處理的最后步驟，被稱作四級控制站。V型濾池工作站主要負責(zé)對處理后的水質(zhì)量進行分析，根據(jù)收集到的相應(yīng)信息對反沖洗系統(tǒng)、沖水系統(tǒng)進行調(diào)整，保證各個環(huán)節(jié)設(shè)備的正常運行。

4 污水處理智能控制的完善策略

4.1 明確智能化控制的主要目標(biāo)

在設(shè)計智能控制系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注污水處理過程中的質(zhì)量控制，包括混合操縱、流速控制、分流操縱等[7]。根據(jù)污水處理的具體流程、設(shè)備、設(shè)置參數(shù)等，從設(shè)備的各個部位傳感器收集到相應(yīng)的信息，并合理地通過模型辨識、優(yōu)化技術(shù)加以數(shù)據(jù)處理，進而調(diào)節(jié)至最穩(wěn)定、可靠的運行狀態(tài)，維持設(shè)備的正常運作，從而保證污水處理的效率，降低污水處理的成本。

4.2 智能化軟件系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)鍵點

①在對主程序進行設(shè)置時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的變量，對系統(tǒng)初始化工作狀態(tài)采用兩種控制方式，即手動與自動。在自動控制中，信息系統(tǒng)需要完成聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)信息的收集、切換量程、嚴格控制運算時間等，此編程通常采用模塊OB1的控制編程完成[8]；②數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計，采用周期性導(dǎo)入的方法，將所收集的實時模擬量信息、數(shù)值量信息導(dǎo)入模擬量、數(shù)字量兩個模塊中，模擬量模塊中能夠根據(jù)模擬量輸入采集信號，再采用二進制的方式對信息進行存儲，再根據(jù)污水處理的需求建立相應(yīng)的模塊，從而保證數(shù)據(jù)儲存的科學(xué)性；③系統(tǒng)初始化編程，能夠通過合理設(shè)置寄存器的方式，實現(xiàn)系統(tǒng)初始化的目的，該編程系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌K的工作情況進行全面監(jiān)督，保證污水處理流程能夠順利運行；④聯(lián)鎖控制系統(tǒng)設(shè)計。聯(lián)鎖系統(tǒng)中包括多個模塊，如加藥間、污水泵、回流泵、提升泵和高密池等模塊，以PLC進行總程序中OB1調(diào)度的功能，能夠形成良好的程序功能。

4.3 合理設(shè)計智能化控制硬件

選用S7-300可編程控制器、CPU、PS307的電源模塊，電源配置參考設(shè)置為10A，在控制系統(tǒng)的I/O點下進行運算，其中數(shù)字量輸入模塊為2個[9]。工業(yè)現(xiàn)場數(shù)字信號點評可以轉(zhuǎn)換為S7-300內(nèi)部信號點評輸入緩沖器，再采用CPU采用處理，此時數(shù)字量輸出應(yīng)用的模塊數(shù)量為1個，通過數(shù)字量輸出模塊，能夠改變PLC數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換為外部數(shù)字量信號，該信號能夠驅(qū)動繼電器、調(diào)節(jié)閥、接觸器、指示燈負載，模擬量輸入數(shù)量為2個，輸入模擬量A/D——二進制數(shù)字量進行轉(zhuǎn)變處理，在此之后，通過CPU進行采集處理；模擬量輸出模塊數(shù)量為1個，CPU輸出二進制數(shù)值信號以D/A——模擬量轉(zhuǎn)換，然后輸出即可。最后通過編程軟件對各個環(huán)節(jié)進行診斷，包括硬件組態(tài)、參數(shù)、模塊等，并負責(zé)對各個環(huán)節(jié)運行狀態(tài)進行監(jiān)督，實時進行調(diào)整。

4.4 制定智能化控制系統(tǒng)總體方案

污水處理系統(tǒng)的主要目的是采集相關(guān)信息，包括水流量、出水壓力、水質(zhì)、閥門反饋信號等，控制對象中各個環(huán)節(jié)之間有著密切的聯(lián)系，這也是導(dǎo)致控制數(shù)量分散、多的主要因素之一。我國對污水系統(tǒng)控制有著明確的規(guī)定，同時由于系統(tǒng)控制的特點，應(yīng)當(dāng)采用現(xiàn)場總線對現(xiàn)場區(qū)域的各個設(shè)備進行連接，從而形成整體控制，對所有的對象進行精確控制，保證污水處理符合相關(guān)標(biāo)準。在智能化污水控制系統(tǒng)的設(shè)計中，包含了多項環(huán)節(jié)，其中中央控制器需要通過遠程I/O 200模塊進行數(shù)據(jù)收集、分析、處理，同時人機界面可以采用MCGS中文組態(tài)軟件，將平臺控制系統(tǒng)的各個畫面顯示出來，形成良好的人機交互。系統(tǒng)中應(yīng)采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)以及主/從通信協(xié)議，為了降低系統(tǒng)設(shè)計的成本，可以采用屏蔽雙絞線電纜，將傳輸速率控制在10Mbps左右。針對污水工廠的各種污泥處理站的實際情況來看，由于不同污水處理站之間的位置不等，可以通過延長網(wǎng)絡(luò)距離、增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等方式進行處理，能夠取得良好的效果。該系統(tǒng)中采用的是S7-300系統(tǒng)，可以為DPM1類DP-1主站進行PLC設(shè)置的通信模塊，與S7-300、DP總線系統(tǒng)始終保持連接的狀態(tài)下。另外，對計算機PC機實施遠程監(jiān)視，經(jīng)通信處理器、PROFIBUS作以連接處理，現(xiàn)場系統(tǒng)所采用的是ET200M遠程O/O模塊，能夠?qū)φ麄€污水處理的過程實現(xiàn)集中控制，具有較高的應(yīng)用價值[10]。

5 結(jié)語

污水處理是保證水資源循環(huán)的重要途徑之一，具有非線性、時變性、不確定性等特點，通過建立科學(xué)、合理的智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各項指令的自動發(fā)送，并根據(jù)反饋的信息，對工藝流程進行優(yōu)化，有效保證了污水處理設(shè)備的可靠性，提高污水處理的效率。此外，通過合理運用智能控制系統(tǒng)，還能夠降低人工成本，不僅保證了污水處理的效果，也降低了污水處理的成本，在中小型污水處理廠中也具有較高的可行性。