污水處理自動加藥系統設計與應用

孫奎

摘 要：在水資源極其寶貴的今天，污水處理以及回收利用成為當今世界的熱點問題。近年來，國內污水處理中的加藥方式常采用人工調節的方式進行，從而導致加藥滯后以及加藥量不準確等問題。針對這些問題，文章提出一種由自動化控制系統與監控系統組成的自動加藥系統。自動化控制系統由順序控制以及回路控制組成，主要負責數據采集和基礎控制。自動化監控系統由控制系統（包括6個PLC站）、中控室監控系統、現場總線和工業以太網通訊網絡系統及生產過程視頻監控等子系統組成，并通過人機界面對污水加藥系統的設備運行狀態、工藝參數和趨勢曲線實時監控。同時該設計的合理性和實用性已經在實際污水處理中得到驗證。

關鍵詞：加藥系統；污水處理；自動控制；PLC

1 概述

隨著我國工業化和城市化的推進，城市污水量不斷增加，污水處理已經成為熱點問題[1][2][3]。盡管全國的污水處理廠的數量也在不斷增加，截止到2015年年底，全國已經有3622座污水處理廠投入使用，但污水處理依然是我國的重點問題[4]。根據有關預測，2020年我國的污水排放量將達到536×108m3/d，并且在未來的10年還會保持較大增長率[5]。

城市廢水主要是指城市內所產生的生活污水、工業廢水以及大氣降水中的混合物，因此其受到城市規模，工業化水平以及氣候條件等多原因影響。但對于污水處理方面，一般城市都是相似的。根據有關調查，污水處理中總磷和總氮的處理所占比重最大，其次為懸浮物。目前我國采用的人工調節方式并不能有效的解決污水中總磷和總氮超標的問題。

本文所設計自動加藥系統可以代替人工調節方式，并解決其所帶來的弊端。（1）通過利用PLC站同時進行相應的信號采集和通信傳輸，從而解決加藥的滯后性問題；（2）通過利用自動化控制系統可以實時數據采集以解決加藥量不準確的問題。

2 加藥系統設計

2.1 系統設計

我們所提出的自動加藥系統由自動化控制系統和監控系統組成。自動化控制系統把順序控制（如主要設備的啟動、停止、連鎖控制、狀態報警等功能）和回路控制（如在線測量值、流量等工藝參數的采集、調節、報警等功能）集成在一起進行控制，它構成了整個加藥控制系統的自動化部分。自動化系統主要具有數據采集和基礎控制兩種功能。

自動化監控系統采用“集中管理、分散控制”的方式，系統由控制系統（包括6個PLC站）、中控室監控系統、現場總線和工業以太網通訊網絡系統及生產過程視頻監控等子系統組成。PLC站采用西門子控制程序，同時進行相應的信號采集和通信傳輸，建成了一個安全、實用、高效、先進的自動化監控管理系統。監控系統通過人機界面對污水加藥系統的設備運行狀態、工藝參數和趨勢曲線實時監控。

2.2 硬件需要

根據上文所設計的系統需要，我們選取了相對應的硬件實現所設計的功能，硬件列表如下：

（1）計量隔膜泵：數字式計量泵（DME）、變頻式隔膜泵（DMH）

（2）PLC控制器：西門子AI模塊、AO模塊

（3）在線儀表：總磷/總氮測量儀（NPW160），SS（CM442）、余氯測量儀

（4）流量計：超聲波流量計（進水）、電磁流量計（加藥）

2.3 變頻隔膜泵校準設置

由于變頻隔膜泵具有兩種藥量調節方式，手動隔膜腔沖程調節（0～100%）和自動變頻器輸出調節（0～50Hz）。因此需要在調試階段對變頻隔膜泵進行校準。

根據在婁山河污水處理廠現場流量標定的數據，可以得到實際流量與沖程、頻率均呈線性關系。在這種情況下（以下均以婁山河污水處理廠為例），首先在電機滿頻率運行時，手動設置隔膜空腔沖程，得到固定最大加藥量，然后采用變頻器對流量進行連續調節。變頻電機在實際運行時不宜長時間低頻運行，因此設定最低運行頻率，將自動調節范圍調整為25～50Hz之間。

2.4 加藥系統的控制模式

參閱相關資料，自動加藥系統模式有多種方式，在這里，我們采用流量反饋、出水水質反饋、修正反饋三種方式進行控制。

（1）流量反饋控制：用進水泵流量或提升泵流量做為變量，設定藥劑單耗系數P1，加藥量根據污水流量自動變化。

（2）出水水質反饋控制：根據歷史出水水質經驗設定出水總磷、總氮、SS、余氯等在線水質穩定的控制值，即最佳水質設定值，根據實際出水值與設定值進行比較，得出投加系數P2。

（3）調整反饋系數：因流量反饋和水質反饋均存在波動性和滯后性，易造成出水指標偏低或偏高，造成浪費或加藥不足，因此需增加調整系數P3；如日常運行對藥劑進行按比例稀釋，同樣需要增加一定的調整修正系數。

2.5 實際加藥量的計算

根據上文所提到的三種控制得出的不同系數共同得出加藥量：

其中Q1為進水流量（萬立方/時），P1為流量單耗系數（加藥量/萬立方）；P2實際水質/設定值；P3修正系數。

自控系統計算出的加藥量通過PLC反饋給加藥隔膜泵，隔膜泵通過調節變頻器來調節加藥量，加藥流量計中的加藥流量同時也反饋至PLC，PLC通過加藥流量計的反饋數值與設定值進行比較，然后不停的調節加藥泵的輸出頻率，加藥泵通過調節頻率來實現投加量與設定值一致，即加藥流量計的數值與設定值一致，達到實際加藥量。

3 自動加藥系統現場運用

我們所提出的算法已經在婁山污水處理廠進行實際應用并驗證算法的合理性和實用性。

3.1 生物池自動加藥系統

婁山河污水廠生物池末端投加三氯化鐵溶液（41%）和醋酸鈉溶液（25%），分別用于控制出水總磷和總氮指標值。自動加藥系統首先根據設定的流量與加藥量比例進行投加，以進水流量為第一變量，加藥量跟隨進水量自動變化。其次根據出水總磷、總氮的在線數值，每2小時進行一次判斷，計算出水指標與設定值的偏差，形成第二變量。

由于加藥量越大，指標會越低，但是也會造成浪費，因此設定總磷在0.30mg/l，總氮設定在10mg/l，根據偏差計算出投加系數，最終根據調整系數計算出的實際加藥量，三種系數共同作用于變頻隔膜泵，最終計算出加藥量，通過調整電機的頻率來實現最終的投加量，加藥原理圖如圖1所示。

3.2 次氯酸鈉自動加藥系統

婁山河污水廠的加氯接觸池入口處投加次氯酸鈉溶液（10%）用于控制出水大腸桿菌的數量。加藥系統首先根據設定的流量與加藥量比例進行投加，以深度處理工藝的提升泵流量為變量P1；其次根據余氯的在線數值與設定值為變量P2，每30分鐘進行一次判斷，計算出水指標與設定值的偏差系數，設定余氯值為100ppb/l，多個變量投加系數共同作用于數字式隔膜泵，通過調整隔膜泵瞬時藥量來實現最終的投加量，加氯間設定界面如圖2所示。

4 結束語

本文設計一種新的自動加藥系統。首先該自動加藥系統的使用解決了過去單一按照經驗值進行投加的方式，能夠綜合考慮水量、水質、藥量等多種因素進行反饋，并且提高了加藥的穩定性，減少了進水造成的波動性和水質的滯后性。其次通過自動投加系統可以使投加量控制在最優狀態，大大減少了藥劑的浪費，降低了出水不合格率，提高了藥劑的有效率。另外自動加藥系統減少了人工投加的誤差，降低了人工的勞動強度，提高了人員的工作效率。

在提高效率與減少浪費的同時，加藥系統也需要進一步完善。我們將進一步確定自動加藥系統中在線數值及流量的反饋時間，確保系統的穩定性，以及研究自動加藥系統中出水水質的設定值。

參考文獻

[1]劉宇，彭力.基于PLC的城市污水處理控制系統設計[J].漯河職業技術學院學報，2009，8（5）：16-18.

[2]易釗，李仁發.基于嵌入式系統結構的污水處理控制系統設計與實現[J].自動化儀表，2004，25（11）：43-46，70.

[3]陳進東，潘豐.污水處理控制系統設計[J].自動化與儀表，2008，23（6）：33-36.

[4]全國污水處理廠名單盤點公布2015年全國污水處理廠名單[ED/OL].http：//www.hsmil.com/pages/7a785655bcda7cde387f8bd48c9fbcc0.html

[5]林艷華.污水處理中全自動加藥系統設計[D].天津：天津大學，2005.