淺談污水處理廠中的自動化控制

【摘要】目前我國污水處理廠優化運行與節能降耗是運行管理中面臨的重要問題，儀表控制系統的合理開發與應用是保障污水處理廠正常高效運行的有效手段。但污水處理系統是一個復雜多變的過程，污水處理廠控制系統的設計與運行需要從全廠的角度統籌考慮并通過科學可靠的方法對其控制運行效果進行綜合評價，以不斷改進控制策略的實施。文章介紹了污水處理中的分類，要求，趨勢，及評價指標，希望為后續研究提供參考意義。

【關鍵詞】城市污水處理廠；評價指標體系；節能降耗；儀表控制

1、研究背景

目前我國城市污水產生量不斷增加，對城鎮污水處理廠的排放要求不斷提高。尤其是在太湖藍藻事件后，為了防止水污染范圍的擴展、保護水環境的安全，建立污水處理廠成為城市環境保護的關鍵措施之一，也日益受到政府和社會各界的高度重視。目前，我國城鎮污水處理廠的自動控制系統還處于起步階段，大部分屬于“粗放式”管理狀態，而一些建有控制系統的污水處理廠也僅把它作為監視工具，運行管理還靠人工現場/遠程控制。但是，我國政府已經加大了城市污水處理基礎設施建設的投資力度，對于改善和提高城市區域水環境質量發揮了積極的、重要的作用.現代城市污水處理過程具有工藝較為復雜、處理量大、連續生產、設備種類多、參數檢測困難、大純滯后、干擾眾多的特點，傳統的手動控制已無法滿足工藝過程操作、監控與管理的要求。因此，自動控制系統已成為確保污水處理廠安全、穩定、長周期和優化運行的重要保證，而探討污水處理過程自動控制系統的功能、架構與實施方法具有重要的實用意義。

2、城市污水處理工藝

污水處理過程是由不同的工藝單元組成，典型單元包括提升泵單元、生化處理單元、化學除磷單元和沉淀池單元等。各工藝單元具有一定的獨立性，可以進行單獨控制，但單元之間又具有相關性，彼此會產生干擾影響。因此需要從全廠的角度考慮控制系統的策略設計。

水工程的儀表控制與污水的處理工藝密切相關。

2.1 污水處理工藝

污水處理工藝是使用某種污水處理方法的具體實現，它涉及到處理方法、工藝設備和工藝構筑物。現代城市污水處理工藝一般需要同時采用多種處理方法，但核心的處理方法仍是生物法。

城市污水處理工藝通常分為三級，代表著不同的污水處理程度：一級處理——釆用物理法去除污水中不溶解的污染物和寄生蟲卵；二級處理——采用生物法降解污水中各種復雜的有機物，并去除磷、氮等；三級處理，通過化學沉淀法、生物化學法、物理化學法的應用，進一步去除污水中的磷、氮等難降解的有機物、無機鹽等。現階段，城市污水處理廠大都采用以生物法為核心的二級處理工藝。

3、污水處理廠中控制系統的組成部分及特點

3.1 污水處理廠控制系統的組成部分

污水處理廠的組成部分有：現場控制系統、中央控制室、網絡通信系統、總體設計、設計原則及自動化水平。

污水處理廠自動控制系統將遵循以下設計原則；可靠性原則；控制系統的選型首先應當滿足可靠性，即：系統配置高質量的硬、軟件，平均故障間隔時間系統關鍵部件采用冗余配置（如：、電源模塊、通信設備及鏈路等），當出現故障時可以自動切換，維持系統的正常運行。采用在線式電源，使得發生供電故障時仍能保證系統的正常工作；選擇先進的、符合技術發展趨勢的西門子為主控設備，并采用作為監控軟件，裝置運行，設備的啟、停及聯動均能自動控制，中央控制室進行遠程操；縱與調度，可實現現場無人值守，中控少人值班”運行方式，使污水處理廠自動控制系；統在同行業中處于領先的地位。

3.2 污水處理過程的在線分析儀表

用于污水處理過程的檢測儀表通常可以分成兩類：一是過程檢測儀表——用于流量、壓力、溫度、液位等過程參數的檢測；二是在線分析儀表——用于BOD，COD，DO，TN，TP，TOC污泥濃度等水質參數的檢測。

過程檢測儀表多為通用型儀表，而在線分析儀表則多為污水處理過程的專用儀表。

由于過程檢測儀表的選型相對單純，在線分析儀表的配置在線分析儀表的配置部位主要集中在進水處、生化反應池處和出水處。由于受到污水原水性質、污水排放要求和儀表投資額度的限制，各個污水處理廠的在線分析儀表配置會有一定差異。根據設計文件和工藝操作的要求，本污水廠的在線分析儀表配置情況為：

①進水儀表間

化學需氧量測定儀，總磷測定儀，酸堿度測定儀，氨氮測定儀，固體懸浮物濃度測定儀。

②反應池

溶解氧測定儀，氨氮測定儀，氨氮硝酸鹽測定儀。

③出水儀表間

化學需氧量測定儀，總磷測定儀，酸堿度測定儀，氨氮測定儀，固體懸浮物濃度測定儀。

工程的自動控制系統是以計算機為核心構成的二級遞階分布式控制系統，其任務是保證污水處理廠安全、可靠、平穩、高效、經濟地運行。中央控制室為系統控制管理級，負責數據的處理和監控，分布于污水廠內的現場控制站為系統過程控制級，負責現場數據采集和設備控制，各個主站通過光纖環網絡連接在一起，構成一個完整的數據采集和監控系統。

污水處理廠建立了控制系統的軟硬件設施，并不意味著就能夠獲得良好控制效果。

4、污水處理廠儀表控制特點及趨勢

4.1 污水處理廠的儀表控制的特點

污水處理量、污水水質及污水排放指標影響到工藝流程的選擇，進而決定了構筑物的建設和設備的配置。因此，對于不同的工藝流程或構筑物工藝控制方案有一定差異；工藝過程中一般無易燃易爆介質，但存在有毒有害氣體泄漏（如：硫化氧）的可能，需要配置有毒有害氣體報警儀表；在污水處理過程中，工藝參數既有連續控制的要求，也有順序控制的要求。如：栗站、隔柵、生化反應池等。由于污水處理工藝過程中，需要連續監控水質參數，故水質成分分析儀表被廣泛采用；為了實現“現場無人值守，中控少人值班”目的，一般采用中控室集中監控的操作方式，同時也要保留現場直接手控的操作方式。因此，控制系統具有分層遞階的結構。由于控制系統的分布性和監控的集中性，高可靠性的計算機通信網絡是必要的支撐條件；由于污水處理廠運行成本構成中的很大一部分是設備能耗，因此，節能降耗是控制方案的重要考量指標。

4.2 污水處理廠的儀表控制的發展趨勢

4.2.1自動化水平普遍提高

近年來，無論是新建的污水處理廠，還是擴建或改造的污水處理廠，在自動控制系統方面的投資大大提高，和已成為污水處理廠的主流控制平臺。盡管基于的系統仍占主體，但隨著尤其是國產價格的不斷下降，釆用構建控制系統的污水處理廠在逐漸增加。

4.2.2分析儀表成為基本配置

為了保證污水處理過程的平穩運行，并使處理后的污水達到排放標準，除了需要檢測溫度、壓力、液位和流量等過程參數外，還需要對污水和污泥的有關化學或物理參數進行連續檢測，如：BOD和污泥濃度）等。隨著在線成分分析儀表的精度、可靠性、穩定性的不斷提高，在線成分分析儀表已成為自動控制系統的基本配置。

4.2.3監控的一體化

在污水處理廠中，除了直接面向污水處理過程的主控系統外，還有大型設備自帶的

控制系統和配電部分的保護系統。為了掌握全廠的運行狀況，除了污水處理過程的測控

點外，設備的重要參數和電量參數也要送入主控系統，以便進行集中監控。

4.2.4節能措施初見端愧

對于污水處理廠而言，運行費用中能耗占有相當大比例，故降低能耗是降低運營成本的主要切入點。由于生物法是污水處理的主要工藝手段，故合理地減少曝氣量是降低能耗的關鍵所在。基本思路是：根據溶解氧（等工藝參數，基于某種型式的數學模型，推知生化反應部分的實際狀況，合理確定曝氣量的設定值。目前，基于機理模型模型）和基于統計模型（如：人工神經網絡模型）的方法都有所嘗試，但真正成功的不多，而美國美尚生化公司推出的曝氣量在線預測系統是有限的應用實例。

5、污水處理廠的過程控制指標及評價

5.1污水處理廠中的過程控制指標

儀表、控制和自動化（Instrumentation、Control and Automation）技術，簡稱ICA 技術，作為污水處理系統自動控制理論與技術的基礎，經過三十年的研究與應用，已經比較成熟。ICA 技術的快速發展，一方面得益于成熟的儀表技術，使得在線監測能夠應用于實際工程；另一方面先進的控制理論和自動化技術為其提供了有力的工具。有研究表明，應用 ICA 技術能夠將污水處理廠對營養物質的去除能力提高10%～30%。相比傳統的人工經驗控制來說，ICA 技術的應用能夠使系統具有更快的反應和更精確的動作，能夠有效的節約能源和物耗，降低沖擊負荷的影響，提高系統的穩定性。因此，隨著對污水處理工藝要求的日益提高，ICA 技術將得到更廣泛的應用。

5.2污水處理廠中儀表控制的評價

當自動控制系統在實際污水處理廠得到應用時，將必然產生對其控制性能進行評價的需求。目前，對于過程控制的評價很多還停留在控制策略層面，缺乏應用于實際工程的評價體系。而評價指標主要集中在出水水質和能耗方面，但都還局限在比較簡單的指標上，比如節約比例等，缺乏將運行、能耗和控制結合的綜合分析視野。過程性能評價涉及生物處理過程的指標參數，包括出水水質超標情況和運行費用。對于出水水質采用污染當量計算，而運行費用是通過能耗折算成費用。控制性能評價包括受控變量和操作變量兩個指標參數。受控變量通過誤差積分、誤差平方積分、最大偏差和變化度來表現其追蹤設定值的情況。而操作變量則通過最大偏差、操作變量變化的最大偏差和操作變量改變量的變化來表現其受到的影響。

全流程控制策略的核心主要包括提升泵控制、生化段控制和加藥控制。本章針對性提出了提升泵的時序前饋-串級反饋控制、曝氣過程的前饋補償-串級反饋控制策略、化學除磷加藥的前饋補償-反饋控制策略。

評價指標體系分為四個層次：最高級是對全廠自動控制系統的性能表現給出的綜合評價；第二層是根據評價目標，將綜合評價劃分為三個方面，即三個一級指標達標運行、節能降耗和控制性能；第三層是對三個方面進一步的細化描述，分為 6 個二級指標；第四層作為底層指標層，是具體的評價指標算法。

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