先进控制技术助力污水处理厂实现优化运行

先进控制技术助力污水处理厂实现优化运行

近年来，为了实现优质、低耗、稳定、可靠的运行，国内外许多污水处理厂都采用了现代先进的控制技术和计算机技术，从而形成了计算机监视、控制和管理系统，以优化系统运行。

本文介绍的污水处理装置采用成熟先进的自动控制技术和计算机技术，对整个污水处理过程进行实时监测和控制，降低系统运行成本，保证污水排放质量，实现少人/无人化运行。考虑到酸碱中和工序是污水处理的关键环节，对污水处理的效果和效率影响很大，系统采用先进的自动控制策略，实现污水pH值范围控制，大大降低了生产成本。

1. 工艺流程简述

由于污水处理厂需要处理的污水水质比较复杂，特别是工业区污水COD浓度高，成分多变，处理难度大。为保证污水处理达标、运行管理可靠、处理费用经济，采用A/O+接触氧化工艺，工艺流程如图1所示。

图1 A/O+接触氧化工艺流程

污水进入污水处理厂后由提升泵提升通过格网至均质池，池内设有搅拌器，防止悬浮物沉淀，使水质均匀。均质池停留时间为24小时。当进水流量超过设计允许流量时，污水由均质池溢流至事故调节池。若直接进水水质超过设计允许值（异常），污水由提升泵提升至事故调节池。当进水流量正常时，事故调节池污水逐渐回流至提升泵房吸水井。事故调节池调节时间为8小时，池内设有潜水搅拌器，防止悬浮物沉淀。当来水pH值短时间出现异常波动时，加药间酸碱高位罐通过计算机控制系统向均质罐出水管上的静态混合器中加入酸或碱，进行pH值调节。

污水经均化后进入初沉池，去除其中可沉降的固体悬浮物和化学污泥。初沉池出水进入活性污泥法缺氧/好氧生化池的缺氧段，缺氧段水力停留时间为6小时。缺氧段通过搅拌器搅拌，使进水与二沉池回流的活性污泥和好氧段出水回流的硝化液混合，保持缺氧状态。在缺氧段，污水中的部分有机物被去除，回流液中含有的硝态氮被还原成氮气去除。为加强生化处理效果，引入生物铁处理技术，当投加少量铁盐时，可有效提高微生物的活性，有利于维持生化系统内较高的活性污泥浓度。生物铁法对COD的去除率和含有难降解物质的污水的处理效果有明显的提高。缺氧段出来的污水进入好氧段，好氧段的水力停留时间为12小时。好氧段的污水通过曝气软管和曝气管吹入空气进行曝气，维持水中溶解氧在2mg/L以上。大部分有机物在该段被微生物的好氧生化作用降解去除。同时污水中的有机氮、氨氮除一部分被微生物自身生长利用外，大部分被氧化成硝态氮。好氧段出水一部分回流至缺氧段，其余进入二沉池进行泥水分离，二沉池中的活性污泥回流至缺氧段。

二沉池出水进入接触氧化池，进一步降解污水中剩余的有机物。接触氧化池水力停留时间为6小时。池内设置TB/TA+TH混合弹性波纹立体填料及组合填料。接触氧化池出水进入终沉池进行泥水分离。

污泥浓缩采用重力浓缩方式，初沉池产生的污泥、二沉池剩余污泥、终沉池产生的污泥在浓缩池内混合浓缩，浓缩后的污泥由螺旋泵提升至带式压滤机脱水，同时投加聚丙烯酰胺絮凝剂，脱水后的泥饼由胶带输送机送至污泥堆放棚外运处置。浓缩池的上清液及滤液排入厂区污水系统，进入提升泵房集水槽。

2.计算机自动控制系统结构

根据污水处理厂的工艺设备和工艺特点，从可靠性、可维护性和经济性出发，本控制系统本着集中管理、分散控制的原则，采用分布式系统结构，即整个控制结构分为三层：第一层采用工业控制计算机中央控制层（操作站），主要完成设定值（如流量设定值、pH控制设定值）的操作输入、通讯、系统报警、运行管理及所有工艺参数和设备运行状态的显示；第二层为现场控制层（PLC），实现数据采集、控制算法实现、控制命令下发及工艺信号联锁功能；第三层为执行层，即各种传感器、变送器和执行机构，完成上层下发的所有控​​制命令和数据采集。控制系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

中控室操作站、加药间一体化工控机、脱水间一体化工控机、主任办公室电脑、中控室PLC、加药间PLC、脱水间PLC通过8口HUB组成工业以太网。中控室操作站监控污水处理、污泥处理全过程，是整个电脑系统的枢纽。加药间一体化工控机监控加药区域工艺，脱水间一体化工控机监控浓缩池、脱水间区域处理工艺。主任办公室电脑系统只具有监控功能，不具有控制功能，监控污水处理、污泥处理全过程。

中央控制室操作站与模拟屏通过RS232串行通讯，上位机与上位机与PLC均采用以太网通讯，上位机只需插上一块普通网卡并安装软件，通过工控软件自带的I/O软件即可与西门子S7-300 PLC通讯。PLC的编程语言为STEP 7，通讯模块为CP340，其I/O模块通过继电器隔离与现场信号连接。

3.系统应用软件功能

系统应用软件分为PLC软件、工控软件和用VB软件开发的应用软件。

PLC软件实现现场数据采集、流量、pH控制。软件实现中央控制室的组态并通过I/O与其他上位机、PLC通讯，传输数据、报警信号。用VB软件开发的应用程序软件实现其他几台上位机的组态功能、与模拟屏通讯、生成数据报表。

1.PLC软件功能

PLC软件实现一些简单的控制算法、数据采集、与上位机通信、控制命令下发及本地控制等功能。控制算法主要有进入初沉池的流量的PID控制算法、搅拌器pH值的模糊控制算法，参数由上位机给定。

由于曝气池中好氧细菌的生长对pH有一定的要求，而pH也影响污水中氧化分解反应的速度，一般要求pH范围维持在7.5～9.0左右[2]。根据搅拌器测得的pH值与pH设定值，采用模糊控制方法调节稀硫酸或稀氢氧化钠管道上的电动调节阀，实现pH区间设定控制。若pH达到设定要求，控制系统自动停止加药，以节省运行成本。模糊控制器结构如图3所示。

图3 模糊控制器结构示意图

2.软件功能

工控软件实现画面组态，逼真地反映污水处理实际现场工艺控制过程，动态显示数据，可查看数据的历史趋势、实时趋势、历史报警表，报警上下限参数、PLC控制参数的设定也通过它进行。

全厂工艺流程界面如图4所示。

图4：整厂工艺流程界面

历史趋势图最多可同时显示8条曲线，操作人员可随意改变要显示的变量及显示时间，并可打印，可指示当前值、平均值、一定区域内的最大值、最小值。

报警系统包括故障报警、超限报警，当发生报警时，屏幕相应部位变为红色并持续闪烁，直至异常情况消失，同时记录报警发生时间及报警情况。

四、结论

本系统在检测仪表、PLC控制、上位机及网络等方面采用了先进、成熟、可靠的设备，并采用了先进的控制策略进行pH区间控制。由于对控制过程比较了解，开发调试过程比较顺利，满足了用户的需求，实践也证明了本控制系统的优越性。本控制系统的特点如下：

1、维护方便。通过计算机操作界面，可以直观地对系统进行测试和维护；

2、操作简便。基于人机工程学原理设计的操作界面充分考虑了操作的简便性。另外，现场所有开关（包括电气开关）都可以通过计算机系统的操作界面进行软切换，这样，一些简单的维护和测试就可以直接在操作界面上完成，而不必到现场或操作仪表柜上的开关（现场的电气开关仍然保留）。

3、可靠性高。系统采用分布式控制技术，集中管理，分散控制，保证了系统的高可靠性。

4、采用先进的控制策略控制pH值范围，节省生产成本。