目前，我國寒冷地區(qū)的中小城鎮(zhèn)污水處理廠普遍存在著能耗高、運行穩(wěn)定性低的問題，其主要原因有污水處理廠所處地區(qū)的自然環(huán)境、運行負荷率、處理工藝以及污染物的性質(zhì)等。良好的污水廠運行管理能很大程度地改善污水處理廠的運行狀況，實現(xiàn)污水處理廠自動控制是提高運行管理水平的重要途徑。榆樹市江北污水處理廠采用自動控制系統(tǒng)獲得了穩(wěn)定的出水水質(zhì)和較好的節(jié)能效果。

榆樹市江北污水處理廠位于中國吉林省長春五棵樹開發(fā)區(qū)，地處中國東北平原腹地，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長，工程（一期）的建設(shè)規(guī)模為：2.0×104m3/d，是典型的寒冷地區(qū)中小型污水廠。污水處理廠污水來源為開發(fā)區(qū)的工業(yè)廢水和部分生活污水，處理工藝以CASS工藝為主體，前段為預(yù)處理系統(tǒng)，包括粗格柵、細格柵、旋流沉砂池以及酸化水解池等，后端為D型濾池、紫外線消毒渠。污泥采用濃縮脫水一體機處理后，運至垃圾填埋場填埋。



榆樹市屬中溫帶半濕潤溫和氣候區(qū)，四季分明，冰封期污水水溫較低。根據(jù)國內(nèi)外大量的運行經(jīng)驗〕，低溫對污水廠氨氮出水達標(biāo)率影響較大，需采取適當(dāng)增大溶解氧、維持較高的污泥濃度、降低污泥負荷、延長泥齡等措施；污水處理廠配套的管網(wǎng)不健全，設(shè)計不滿負荷，這對污水廠的運行管理是嚴(yán)峻考驗。采用自動控制系統(tǒng)實時監(jiān)控并對設(shè)備進行調(diào)控可以使系統(tǒng)處于穩(wěn)定的最佳平衡點，獲得穩(wěn)定的出水水質(zhì)，同時減少了提升泵、曝氣泵、加藥裝置的頻繁啟動和運行時間，減少電耗和藥耗，達到節(jié)能減排的目的。

歸納總結(jié)了榆樹市江北污水處理廠自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案和組成，并對其控制流程和控制策略進行重點介紹，旨在為寒冷地區(qū)中小型污水處理廠的自控系統(tǒng)設(shè)計提供示范。

1自動控制系統(tǒng)組成及功能
自動控制系統(tǒng)由可編程序控制器（PLC）及自動化儀表組成檢測控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場分控站對各生產(chǎn)過程進行分散控制；再由通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計算機組成中央控制系統(tǒng)，即中央控制室，實行集中管理；各分控站與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。



1.1中央控制系統(tǒng)
中央控制系統(tǒng)以數(shù)據(jù)服務(wù)器為核心，監(jiān)控工作站冗余配置，采用具有客戶機/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)形式的計算機局域網(wǎng)絡(luò)；中央控制室通過光纖冗余環(huán)和工業(yè)以太網(wǎng)交換機與各分控站連接，傳輸速率為100Mbps。

中央控制系統(tǒng)設(shè)有工程師站、操作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)圖表打印記錄等裝置。按照工藝及控制對象的功能、設(shè)備量，根據(jù)工藝流程和平面布置，工程設(shè)一個中央控制室（CCR）。中控室完成工程自動控制和生產(chǎn)的管理，集中了監(jiān)視、管理、控制生產(chǎn)過程和工藝過程。對生產(chǎn)過程的自動控制、自動保護、自動操作、總調(diào)節(jié)、以及工藝流程中的各重要參數(shù)、設(shè)備工況等都進行在線實時監(jiān)控。

1.2現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)
具有PLC的區(qū)域分控站LCS，可以獨立運行?，F(xiàn)場分控站通過PROFIBUSDP現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場總線型測控設(shè)備。按照工藝及控制對象的功能、設(shè)備量，根據(jù)工藝流程和平面布置，設(shè)兩個現(xiàn)場分控站（LCS1和LCS2）。

1.2.1現(xiàn)場分控站LCS1
LCS1設(shè)在鼓風(fēng)機房，由主站PLC1和一個遠程I/O站RIO11以及測控區(qū)域內(nèi)的自控儀表等組成。

PLC1包括1套可編程控制器、1臺HMI、1臺UPS電源，以變電所、鼓風(fēng)機房、生化池為監(jiān)控范圍，I/O配置（含15%冗余量）為：DI=144（手動/自動、運行、報警信號），DO=38（開停/控制信號），儀表4～20mA輸入信號AI=24，設(shè)備4～20mA變頻控制信號AO=9。

RIO11監(jiān)控范圍為預(yù)處理間和初沉池，I/O配置（含15%冗余量）為：DI=120（手動/自動、運行、報警信號），DO=43（開停/控制信號），儀表4～20mA輸入信號AI=15，設(shè)備4～20mA變頻控制信號AO=0。

1.2.2現(xiàn)場分控站LCS2
由主站PLC2和2個遠程I/O站以及測控區(qū)域內(nèi)的自控儀表等組成。PLC2包括1套可編程控制器、1臺HMI、1臺UPS電源。LCS2設(shè)在綜合泵房內(nèi)，監(jiān)控范圍為綜合泵房，I/O配置（含15%冗余量）：DI=55，DO=20，AI=7，AO=0。RIO21設(shè)在污泥脫水間，I/O配置（含15%冗余量）：DI=63，DO=22，AI=7，AO=0。

RIO22設(shè)在D型濾池，I/O配置（含15%冗余量）：DI=150，DO=51，AI=15，AO=5。

2現(xiàn)場分控站監(jiān)控流程及控制策略
針對臨江市污水處理廠規(guī)模較小、水質(zhì)水量變化大、污水水溫季節(jié)差異較大的特點，自動控制系統(tǒng)的控制策略也將根據(jù)處理效果進行調(diào)整。

2.1鼓風(fēng)機房LCS1站
主要對鼓風(fēng)機房、CAST生化池、變配電室進行監(jiān)測及控制。

2.1.1鼓風(fēng)機房
LCS1PLC站主要對鼓風(fēng)機進行控制，保護風(fēng)機和調(diào)節(jié)風(fēng)量，優(yōu)化鼓風(fēng)量，在確保氧轉(zhuǎn)移效率的前提下最大可能地節(jié)省能耗。鼓風(fēng)機的控制流程為：安裝在好氧池的DO測定儀的檢測值輸入PLC站內(nèi)，PLC根據(jù)該測定值與DO濃度設(shè)定值（一般為2mg/L）之間的差值來調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，自控系統(tǒng)利用溶解氧儀、流量計以及壓力表等設(shè)備實時監(jiān)控反饋的信號Uf，與PLC中設(shè)定值Us比較，兩者作差得到控制量Ut，并根據(jù)Ut調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機的開動及閥門的開閉，實現(xiàn)閉環(huán)控制。



當(dāng)?shù)蜏氐仍斐伤幚硇Ч陆禃r，可在一定范圍內(nèi)提高PLC站內(nèi)的DO濃度設(shè)定值，以保證該廠冰封期污水可達到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2生化池LCS1
CAST生化池一期共2座，在每座池內(nèi)設(shè)置液位計、pH/溫度檢測、溶解氧測量儀和懸浮物濃度測量儀。液位計用于監(jiān)視池內(nèi)的水位，控制潷水器；溶解氧儀用于監(jiān)視每座池內(nèi)溶解氧含量；每座池子在不同的時間段內(nèi)按曝氣-沉淀-潷水-閑置順序工作；使生物池在同一時間按時間順序或液位分別潷水。

CAST生化池按連續(xù)進水，間歇曝氣，周期排水運行，每個周期為6h，曝氣3h，沉淀1h，潷水1.5h，閑置0.5h。CAST生化池運行以時間過程控制，曝氣量根據(jù)池內(nèi)溶解氧含量與控制程序中溶解氧的預(yù)先設(shè)定值對比來控制，所有控制均由PLC站自動控制。

CAST生化池的曝氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和鼓風(fēng)機房的壓力控制系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，相互影響，最終使生化池的生物處理過程處在最佳狀態(tài)，實現(xiàn)生化池曝氣量的自動調(diào)節(jié)，保證生化池中的生物處理過程能夠順利進行。

泵池吸水井設(shè)置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。對水泵進行輪值控制，并均衡各泵的運行時間。

進入冰封期后，根據(jù)污水廠出水水質(zhì)、DO濃度值等參數(shù)調(diào)整運行周期內(nèi)各階段時間，以保證該廠冰封期污水可達到排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)生產(chǎn)負荷，實現(xiàn)潛水?dāng)嚢杵鳌?nèi)回流泵的運行控制。

2.2粗格柵、污水提升泵房、細格柵及沉砂池RIO11
RIO11主要對粗格柵間、污水提升泵房內(nèi)的設(shè)備進行監(jiān)測和控制。

根據(jù)粗格柵前后的水位差或者時間間隔起動粗細格柵。由PLC根據(jù)集水池液位通過變頻器自動調(diào)節(jié)水泵的流量，減少了電機頻繁起動，另外在設(shè)計中利用PLC的計時、計數(shù)功能，對各泵的運行時間加以累計，然后自動切換運行泵和備用泵，使各泵的運行時間基本一致，延長泵的使用壽命。

細格柵間的控制對象主要有細格柵、輸送機、壓榨機、旋流沉砂池鼓風(fēng)機、旋流攪拌機。格柵的運行依據(jù)格柵前后水位差或時間間隔來控制。只要1臺格柵運轉(zhuǎn)，輸送機就會啟動并持續(xù)至格柵停止運轉(zhuǎn)后一段時間。旋流沉砂池自帶控制箱，實現(xiàn)全系統(tǒng)閉路自動運行。葉片隨來水連續(xù)轉(zhuǎn)動，定時完成氣洗、氣沖、氣提動作并保持砂水分離機和主機聯(lián)鎖。提砂后砂水分離機動作，提砂停止后，砂水分離機滯后停止。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2.3綜合泵房及消毒間LCS2

2.3.1綜合泵房
泵房吸水井設(shè)置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。對水泵進行輪值控制，并均衡各泵的運行時間。配合生產(chǎn)需要，對相關(guān)閥門進行控制。

在綜合泵房集水井設(shè)置水質(zhì)分析監(jiān)測點，內(nèi)容有NH3-N、濁度（MISS）、酸堿度/溫度（pH/T）。泵房吸水井還設(shè)置有自動取樣器，自動進行進水取樣，供化驗室分析和存樣。

2.3.2污泥濃縮脫水機房RIO21
在各污泥濃縮脫水機進泥管和加藥管設(shè)置電磁流量計，數(shù)據(jù)送入污泥控制系統(tǒng)，為污泥濃縮脫水機進行比例加藥控制提供參數(shù)。絮凝劑制備為全自動控制裝置，但其與各濃縮脫水機、螺旋污泥輸送器等設(shè)備必須實行聯(lián)動控制。

2.3.3D型濾池RIO22
D型濾池設(shè)置有反沖洗泵總管、鼓風(fēng)機總管、空壓機總管、每格濾池出水口壓力，鼓風(fēng)機總管空氣流量，每格濾池水位和出水口壓力，濾池出水濁度等；反沖洗泵房的吸水池設(shè)有液位計和液位開關(guān)對反沖洗水泵進行控制和保護。

濾池是污水深度處理工藝過程的核心部分，濾池控制的主要任務(wù)是要自動控制濾池的運行和反沖洗。

濾池的過濾控制：根據(jù)每格濾池的水位自動控制出水閥門的開啟度，水位下降到設(shè)定低限時，減小閥門的開啟度，反之，加大閥門的開啟度，使得濾池內(nèi)的水位在過濾過程中保持恒定。保證濾池有一個相對恒定的濾速，從而保證濾池正常、穩(wěn)定的過濾。

濾池的反沖洗控制：每一濾池的反沖洗按照氣沖洗-氣水沖洗-水沖洗-表洗的程序步進完成，同一時刻只能夠有1座濾池進行反沖洗。反沖洗可分為自動、手動兩種方式。自動控制濾池的反沖洗，可以保證濾池的過濾質(zhì)量，節(jié)約反沖洗水。

濾池反沖洗判斷功能：過濾周期控制方式——操作員根據(jù)工藝上提出的要求，在PLC的程序中設(shè)定濾池的最大過濾時間。在濾池開始過濾運行時，PLC就開始計時，并將實際的運行時間與設(shè)定的最大過濾時間相比較，兩值相等時PLC判斷該格濾池需要反沖洗。水頭損失控制方式——在PLC的程序中設(shè)定濾池的最大阻塞水頭損失，當(dāng)濾池運行時，PLC通過超聲波液位計和出水管上的壓力變送器連續(xù)測量每格濾池的水頭損失，并將其值與設(shè)定值進行比較，水頭損失大于其設(shè)定值時PLC判斷該格濾池需要反沖洗。

3運行結(jié)果
運行期間對12個月出水水質(zhì)指標(biāo)、噸水耗電量等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測記錄，取平均值。



計算得出12個月出水平均COD、BOD5、SS、TP、NH3-N分別為40.84、16.38、17.91、0.67、6.22mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.23、0.85、0.90、0.08、1.24，年平均噸水耗電量為0.31kW•h。可見，采用自動控制系統(tǒng)對運行過程進行監(jiān)測、控制，使該廠運行穩(wěn)定性和出水水質(zhì)達標(biāo)率提高，且該廠的噸水耗電量也較低。

4總結(jié)
榆樹市江北污水處理廠自動化控制系統(tǒng)運行1a以來，取得了很好的處理效果，出水水質(zhì)達到（GB18918—2002）《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)中B標(biāo)準(zhǔn)，在保證出水水質(zhì)的同時噸水耗電量也較低。同時，污水處理達到了集中管理、分散控制的目的，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化。實踐結(jié)果表明，該自動控制系統(tǒng)應(yīng)用于CAST工藝中小型污水處理廠是成功的，對于寒冷季節(jié)的出水達標(biāo)有顯著作用。

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