摘要：人類對(duì)水資源的需求以驚人的速度擴(kuò)大和日益嚴(yán)重的水污染蠶食大量可供消費(fèi)的水資源。目前城市生活污水處理已經(jīng)受到各地政府和許多研究人員的關(guān)注。為了提高污水處理的效果和管理，實(shí)現(xiàn)污水處理自動(dòng)化控制是關(guān)鍵。當(dāng)前我國(guó)污水處理自動(dòng)化控制還比較初步，有待于迸一步的提高和完善。

關(guān)鍵詞：污水處理；自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、污水處理的意義及現(xiàn)狀

中國(guó)水資源人均占有量少，空間分布不平衡。隨著中國(guó)城市化、工業(yè)化的加速，同時(shí)近年來江南水鄉(xiāng)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，水資源的需求缺口也日益增大。在這樣的背景下，污水處理行業(yè)成為新興產(chǎn)業(yè)，目前與自來水生產(chǎn)、供水、排水、中水回用行業(yè)處于同等重要地位。雖然由于國(guó)家和各級(jí)政府對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的不 斷提高，中國(guó)污水處理行業(yè)正在快速增長(zhǎng)，污水處理總量逐年增加，城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高。降低運(yùn)營(yíng)成本，提高污水處理率，一直是污水處理行業(yè)面臨的最現(xiàn)實(shí)的問題。

采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、跟蹤經(jīng)常變化的水處理情況，檢測(cè)不同時(shí) 間的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并記錄下來，以備在需要的時(shí)候查閱。通過分析數(shù)據(jù)趨勢(shì)走向，隨時(shí)調(diào)整個(gè)設(shè)備及工藝過程參數(shù)，使其達(dá)到優(yōu)化控制狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)省能耗。采用計(jì)算機(jī)代替人工操作，減少事故，保證安全，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約人力，甚至可以完成許多人工難以完成的任務(wù)，提高運(yùn)行的可靠性。

二、污水處理工藝過程

污水處理是將污水中的污染物質(zhì)分離去除，使有害的物質(zhì)轉(zhuǎn) 化為無害的物質(zhì)、有用的物質(zhì)，水得到凈化，并使資源得到充分 利用。城市生活污水處理工藝按流程和處理程序劃分可分為預(yù)處 理工藝、一級(jí)處理工藝、二級(jí)處理工藝、深度處理工藝和污泥處 理工藝，以及最終的污泥處置。預(yù)處理工藝：主要是物理處理， 通過格柵、沉砂池等將污水中大塊污物攔截出來，保證后續(xù)單 元的正常運(yùn)行。預(yù)處理過程就去除污染物質(zhì)而言，可能不起關(guān)鍵作用，但是至關(guān)重要。預(yù)處理不好，對(duì)一級(jí)處理影響水質(zhì)均勻及管道暢通、潛水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)；對(duì)二級(jí)處理，沙粒進(jìn)入曝氣池，在池底沉積，減少有效容積，增大曝氣阻力，有時(shí)還會(huì)堵塞微孔擴(kuò)散器；對(duì)污泥處理，極易從格柵流走的一些破布條、塑料袋等 雜物，進(jìn)入濃縮池后將在濃縮機(jī)柵條上纏繞，影響排泥均勻，還將堵塞排泥管或排泥泵，如進(jìn)入離心式脫水機(jī)，會(huì)使轉(zhuǎn)鼓失去平衡，從而產(chǎn)生震動(dòng)或嚴(yán)重的噪音，一些破布片、毛發(fā)有時(shí)會(huì)塞滿 轉(zhuǎn)鼓與渦殼之間的空間，是設(shè)備過載。污泥處理，主要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或者農(nóng)用填埋等。

三、污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)采用近控/遠(yuǎn)控方式，方式選擇通過提升泵控制箱中的二次回路、接觸器、中間繼電器、選擇開關(guān)等的切換實(shí)現(xiàn)。正常情況下，選擇開關(guān)置于遠(yuǎn)控位置，當(dāng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)出現(xiàn) 問題時(shí)，需到現(xiàn)場(chǎng)切換為近控方式。遠(yuǎn)控包含兩種控制方式：中控軟手動(dòng)（點(diǎn)動(dòng)）和自動(dòng)，切換方式在中控監(jiān)控畫面中點(diǎn)擊點(diǎn)動(dòng) /自動(dòng)按鈕。每臺(tái)設(shè)備的控制方式都可以單獨(dú)選擇。

1.格柵單元控制。

格柵單元，作用是用來去除水中粗大的懸 浮物和雜物，以保護(hù)后續(xù)處理設(shè)施能正常運(yùn)行的一種預(yù)處理方法。一般根據(jù)水源情況分別設(shè)有出格柵和細(xì)格柵兩個(gè)步序，粗格 柵去除的是那些可能堵塞水泵機(jī)組及管閥門的較粗大的懸浮物， 而細(xì)格柵用以去除粗格柵難以去除的呈懸浮物狀的細(xì)小纖維。 本項(xiàng)目中水源由泵站供應(yīng)，泵站出水時(shí)已經(jīng)經(jīng)過了粗格柵的 篩濾，所以只有兩臺(tái)細(xì)格柵和一臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)穆菪�輸送機(jī)。 控制前提及要求說明：（1）水源不是很穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn) 斷源；（2）水中大塊雜質(zhì)含量隨季節(jié)性及白晝交替而變化； （3）啟動(dòng)格柵之前，先啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)；停止時(shí)反順序；（4） 盡量提高格柵的利用效能，力求有水流動(dòng)時(shí)才啟動(dòng)該單元系統(tǒng)。

2.進(jìn)水泵房單元控制。

進(jìn)水泵房潛水泵屬于整個(gè)污水處理廠 用電大戶之一，合理的控制效果能起到節(jié)能作用。很好的控制效 果應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)以下要求：1.避免泵啟停頻繁；2.盡量保持泵在高液位運(yùn)行：3.保證所有的泵均衡使用。

傳統(tǒng)的控制由人工根據(jù)液位及經(jīng)驗(yàn)人為手動(dòng)啟動(dòng)泵的臺(tái)數(shù)， 所以現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制很常用的就是根據(jù)液位分段運(yùn)行，在不同的階 段啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)不一樣，交替使用，通常低中液位階段液位差設(shè)置比較寬，高液位階段液位差設(shè)置比較窄。目的是為了避免低液位 階段泵啟停頻繁，而是為了盡量保證泵在高液位運(yùn)行提高泵的運(yùn)行效率。當(dāng)然也有恒液位變頻控制，只是大多數(shù)用在設(shè)備為一用一備的場(chǎng)合，一臺(tái)變頻器拖兩臺(tái)泵，通常只有在小型污水處理廠或者工業(yè)污水預(yù)處理場(chǎng)合

對(duì)要求恒液位變頻控制本文提供兩種方案：（1）變頻器一 拖多，共兩套。為每臺(tái)泵配置一臺(tái)變頻器既不實(shí)惠也增加了自控 的干擾源。控制原理是：液位達(dá)到控制目標(biāo)液位時(shí)，變頻器啟動(dòng) （泵所在的那套系統(tǒng)的變頻器），拖動(dòng)停止時(shí)間最長(zhǎng)的那臺(tái)泵， 同時(shí)對(duì)該臺(tái)泵進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間累計(jì)，并清除停止時(shí)間，進(jìn)行改進(jìn)型 PID控制，當(dāng)頻率大于等于50HZ時(shí)，工頻啟動(dòng)剩下的泵中停止時(shí) 間最長(zhǎng)的，依次類推。（2）一臺(tái)變頻控制，剩下的泵全部為工 頻控制。本項(xiàng)目中采用的就是該控制方案，現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)變頻控制 泵，2臺(tái)工頻控制泵，遠(yuǎn)期將再擴(kuò)展兩臺(tái)工頻泵；該控制方案設(shè) 計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是如果要實(shí)現(xiàn)恒液位控制，變頻控制的泵將長(zhǎng)期運(yùn) 行，為了解決這問題，我們?cè)诔绦蛏献隽它c(diǎn)工作，選擇一個(gè)擇中的辦法，使其達(dá)到很好的運(yùn)行效果。

3.改良SBR池單元控制。

改良SBR池閥門及設(shè)備繁多，時(shí) 段控制要求高，操作復(fù)雜，應(yīng)采用全自動(dòng)控制，盡量減少人為 手動(dòng)操作或者人為中控點(diǎn)動(dòng)操作。改良SBR池設(shè)有4組SBR池。 SBR池系統(tǒng)按一定的循環(huán)過程進(jìn)行。每一循環(huán)可劃分下列階段： （1）進(jìn)水/曝氣；（2）沉淀；（3）潷水。每組循環(huán)操作由PLC 自動(dòng)控制。整個(gè)過程中各階段安排是預(yù)先編制的，但需要時(shí)，可 在PLC系統(tǒng)中適當(dāng)調(diào)整。程序控制說明如下：（1）現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)水不 穩(wěn)定也沒有規(guī)律，進(jìn)水流量大時(shí)，如果滿周期運(yùn)行，SBR池可能 會(huì)溢出，進(jìn)水閥還應(yīng)受液位限制，當(dāng)達(dá)到高液位（液位值可在上位機(jī)組態(tài)操作界面中設(shè)置）時(shí)，進(jìn)水閥門應(yīng)該關(guān)閉而不是等到周 期結(jié)束才關(guān)閉。（2）由于SBR池工藝中，同時(shí)進(jìn)行著硝化/反 硝化過程，因此曝氣量的調(diào)節(jié)十分重要。要求進(jìn)水同時(shí)曝氣時(shí)間 可靈活設(shè)置，曝氣量控制在0.5mg/1以下，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門的 開度來控制，具體又現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之后確定；曝氣階段的曝氣量閥門 全開，曝氣量達(dá)到2mg/1，通過控制鼓風(fēng)機(jī)頻率來控制。此處進(jìn) 水時(shí)曝氣要求控制開度，另一個(gè)主要原因是進(jìn)水的池子剛潷水完 畢液位相對(duì)低，所以反而會(huì)導(dǎo)致主曝氣池子得不到曝氣。此外也 可以添加小管道的小旁路氣路來解決該問題，旁路開度可以根據(jù) 現(xiàn)場(chǎng)事先設(shè)定好。由于主閥門的本身不是智能控制型的，本項(xiàng)目 最終選擇采用增添旁路控制。（3）鼓風(fēng)機(jī)作為最重要設(shè)備，在 系統(tǒng)運(yùn)行的過程中通常常開的，過程中不允許有氣路堵塞。所以 始終要保持有一個(gè)進(jìn)氣閥是開到位狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)氣閥是碟閥結(jié) 構(gòu)，開啟和關(guān)閉時(shí)間都很短（約十秒左右），當(dāng)需要關(guān)閉一個(gè) 進(jìn)氣閥時(shí)應(yīng)先在需要開啟的進(jìn)氣閥開到位之后才能開始關(guān)閉。 （4）當(dāng)沉淀時(shí)間到達(dá)之后，潷水器開始下降（潷水器為閘門式 潷水器），下降至有效液位（該液位值高于潷水器下降到位時(shí)的 位置，可在上位機(jī)組態(tài)操作界面中設(shè)置）時(shí)自動(dòng)上升，直到上升 到位，等待下一個(gè)周期工作。（5）排泥閥采用兩種控制方式可 供選擇（可在上位機(jī)組態(tài)操作界面中選擇），其一就是和進(jìn)水閥 門一起動(dòng)作，即進(jìn)水閥門打開時(shí)排泥閥也打開，亦即進(jìn)水的池子 同時(shí)排泥；其二就是和潷水器一起動(dòng)作，潷水器下降時(shí)排泥閥也 打開，亦即潷水的池子同時(shí)排泥。（6）剩余污泥泵根據(jù)污泥濃 度點(diǎn)動(dòng)控制決定是否開啟，啟動(dòng)時(shí)排泥閥屬于潷水時(shí)排泥。選擇 池中的液位達(dá)到高浮球液位時(shí)，強(qiáng)行停進(jìn)水泵，此處浮球的設(shè)定 也同時(shí)減少了進(jìn)水泵的頻啟停次數(shù)，只要選擇池液位沒有達(dá)到高 浮球液位，即使進(jìn)水閥門全部關(guān)到位，進(jìn)水泵只需要調(diào)低變頻泵 的頻率就行了，而不需要關(guān)閉。（7）當(dāng)其中一個(gè)池子出現(xiàn)故障 時(shí)，剩余的SBR池依然照設(shè)定的周期運(yùn)行，出現(xiàn)故障的池子改人 為手動(dòng)控制或者中控點(diǎn)動(dòng)，當(dāng)只有部分閥門處于故障時(shí)，其他的 閥門依然可以照著固定的周期自動(dòng)運(yùn)作，操作工只需要操作出現(xiàn) 故障的閥門就行了，主要目的是減少人工參與，減少人工參與發(fā) 生誤操作的幾率。依據(jù)上述分析，閥門的控制要求非常靈活，牽 連因素也比較多，根據(jù)其要求做一個(gè)很明了的控制系統(tǒng)將會(huì)造成 編程困難和調(diào)試?yán)щy，所以我們經(jīng)過多次修改，采用了隱含性的 控制方法，即只針對(duì)閥門不針對(duì)系統(tǒng)來設(shè)計(jì)的整體到局部思想， 池子之間在總周期控制下各自獨(dú)立成為系統(tǒng)，相互之間不影響。

4.鼓風(fēng)機(jī)房單元控制。

曝氣系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)重滯后的控制系統(tǒng)，所以采用一般PID控制算法在該系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，結(jié)合實(shí)際 情況，比如2mg/L的溶解氧要求，是最低限，不要求精確控制到 目標(biāo)值，同時(shí)DO檢測(cè)儀也有一定的誤差，只能作為近似參考， 且鼓風(fēng)機(jī)最低頻率不能太低，否則會(huì)很容易造成熱繼故障以及很 大的噪聲，現(xiàn)場(chǎng)鼓風(fēng)機(jī)最低頻率不能低于25HZ。

當(dāng)已經(jīng)啟動(dòng)了一臺(tái)工頻鼓風(fēng)機(jī)且變頻鼓風(fēng)機(jī)也達(dá)到了45HZ 以上，如果此時(shí)DO值還是低于2m∥L，則提示報(bào)警，由人工檢 查是否管路有問題，因?yàn)閺S建之前一期工程鼓風(fēng)機(jī)是一臺(tái)變頻鼓 風(fēng)機(jī)控制，兩臺(tái)軟啟控制（一用一備），超出這范圍，肯定是現(xiàn) 場(chǎng)有其他原因，比如鼓風(fēng)機(jī)管路漏氣等。

此外鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備是重要設(shè)備，所以保護(hù)措施非常重要，一次當(dāng)如果所有進(jìn)氣閥出現(xiàn)關(guān)到位狀態(tài)，則立馬得停止所有鼓風(fēng)機(jī)； 且如果現(xiàn)場(chǎng)沒有進(jìn)氣閥處于開到位狀態(tài)，但有半開狀態(tài)信號(hào)，如果此種情況存在持續(xù)5s以上則也得停止鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備。

5.加氯間單元控制。

加氯間設(shè)備共有兩臺(tái)軸流增壓泵（一用 一備），兩套二氧化氯發(fā)生器。采用順序控制方式，及先啟動(dòng)軸 流增壓泵，約30s左右再啟動(dòng)二氧化氯發(fā)生器，原因是消毒過程 采用的是負(fù)壓原理，只有在負(fù)壓達(dá)到一定的程度之后二氧化氯發(fā) 生器才能其作用將消毒液和水混合達(dá)到消毒的目的。停止時(shí)反順 序，兩增壓泵都發(fā)生故障或者兩個(gè)二氧化氯發(fā)生器都故障時(shí)，系 統(tǒng)自動(dòng)緊急停止。

6.脫水機(jī)房單元控制。

脫水機(jī)房設(shè)有三臺(tái)臺(tái)膿縮脫水一體機(jī)（遠(yuǎn)期兩用一備）、一臺(tái)螺旋輸送機(jī)、兩臺(tái)加藥泵（一用一 備）、兩臺(tái)清洗泵（一用一備）、兩臺(tái)進(jìn)泥泵（一用一備）、兩臺(tái)除磷加藥泵、五臺(tái)攪拌器。

其中進(jìn)泥泵負(fù)責(zé)將濃縮儲(chǔ)泥池的污水運(yùn)輸?shù)矫撍畽C(jī)；清洗泵負(fù)責(zé)清洗脫水機(jī)濾波，并消毒，水源來自加氯間單元的接觸池； 加藥泵負(fù)責(zé)將PAM池中的藥劑運(yùn)輸?shù)矫撍畽C(jī)；除磷加藥泵主要用于改良SBR池在必要的時(shí)候進(jìn)行化學(xué)除磷。攪拌器，其中一臺(tái)負(fù)責(zé)聚合鋁池（除磷），一臺(tái)負(fù)責(zé)儲(chǔ)泥池污泥攪拌，剩余三臺(tái)負(fù) 責(zé)PAM池。控制方式：系統(tǒng)整體按照一定的順序啟動(dòng)，啟動(dòng)順 序?yàn)閱��?dòng)清洗泵和輸送機(jī)一>啟動(dòng)脫水機(jī)和PAM池?cái)嚢杵饕弧?啟動(dòng)進(jìn)泥泵和加藥泵。停止順序相反。儲(chǔ)泥池?cái)嚢杵髟趩��?dòng)脫 水系統(tǒng)前1個(gè)小時(shí)及以上人工點(diǎn)動(dòng)，聚合鋁池的攪拌器和除磷加 藥泵不屬于脫水系統(tǒng)由人工點(diǎn)動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)之后只受控于濃縮儲(chǔ) 泥池的液位。脫水機(jī)目前是只需投入一臺(tái)設(shè)備，考慮到清洗閥、進(jìn)泥閥及加藥閥都是手動(dòng)閥，基于管路無法自動(dòng)控制，因此脫水 機(jī)的自控程序由人工選擇啟動(dòng)設(shè)備，只要設(shè)備投入自動(dòng)狀態(tài)下， 啟動(dòng)時(shí)就會(huì)運(yùn)行，人工選擇設(shè)備時(shí)組態(tài)界面有提示確認(rèn)管路是否正確。遠(yuǎn)期的兩用一備也適合，因?yàn)槊撍畽C(jī)系統(tǒng)非常開運(yùn)行的， 只是在需要的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行適當(dāng)排泥，采用該控制方案經(jīng)濟(jì)效果相對(duì)來說不錯(cuò)。PAM池?cái)嚢杵鞑挥绊懴到y(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行，但只要處于自動(dòng)控制狀態(tài)下將和脫水機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，也可以切入到點(diǎn)動(dòng) 或近控狀態(tài)下由人工操作。

結(jié)論：

水是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，而城市污水則成為制約許多城市可持續(xù)發(fā)展的主要原因之一。到目前為止，世界各國(guó)已經(jīng)研究出不同的污水處理方法，我國(guó)環(huán)保理 論和工藝研究與國(guó)外的差距不大，差距比較大的是環(huán)保單元設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文通過分析污水處理的基本原理及工藝過程，結(jié)合所做過的實(shí)際工程項(xiàng)目，主要完成的工作和結(jié)論如下： 1.從工程實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)，針對(duì)改良SBR工藝（CAST工藝）特性及要求，構(gòu)架了完整的控制方案，展現(xiàn)了整個(gè)控制方案設(shè)計(jì)思想過程并進(jìn)行了詳細(xì)的分析，其中包括工藝分析、硬件配置、網(wǎng)絡(luò)配置、通信配置、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、自控設(shè)計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程訪問、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等，對(duì)類似的設(shè)計(jì)有很強(qiáng)實(shí)踐指導(dǎo)意義；2.結(jié)合PLC技術(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)改良SBR工藝自動(dòng)控制要求，該系統(tǒng)已經(jīng)成功的投入運(yùn)行，至今運(yùn)行良好，可以作為相應(yīng)工程的參考模板。

參考文獻(xiàn)：
[1]惠鴻忠.污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究.天津:天津科技大學(xué).2005
[2]錢孟康.歐美城市給水排水處理技術(shù)考察和比較.2001.1期:34.26
[3]周雙印.DCS集散型控制系統(tǒng)及工業(yè)控制技術(shù)的最新進(jìn)展.導(dǎo)彈與航天 運(yùn)載技術(shù).2003.3期:57.62
[4]汪吉鵬.工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向.濰坊學(xué)院學(xué)報(bào).2002.2來源：谷騰水網(wǎng) 作者: 李群