反硝化深床濾池儀控設計分析

曹政柳CAO Zheng-liu

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，杭州310000）

0 引言

隨著社會的進步與發展，污水排放標準逐步提高，在工業污水處理廠中反硝化深床濾池得到廣泛運用。在工業污水處理過程中，反硝化深床濾池是重要的工藝環節，不僅可以去除污水中的固體懸浮物，也可以去除污水中的總氮，以到達水質排放標準。根據適用性、經濟合理性要求，在反硝化深床濾池設置相應的PLC 控制系統并設置正常過濾程序、氣水反沖洗程序、氮氣釋放程序、碳源投加控制程序，結合超聲波液位計、電磁流量計、硝酸鹽分析儀、溶解氧儀、熱式氣體流量計等在線監測儀表，完成反硝化深床濾池的自動化運行要求。本文結合寧波江北區下沉式再生水廠（一期）項目，以反硝化深床濾池的工藝要求和儀控原理為出發點，對反硝化深床濾池儀控設計進行分析總結。

1 反硝化深床濾池工藝概述

寧波江北區下沉式再生水廠（一期）項目建設規模為15 萬m3/d，近期設備安裝10 萬m3/d。污水首先經過粗格柵、細格柵、精細格柵去除大顆粒懸浮物、漂浮物，進而通過沉砂池去除砂粒，然后經多級生物池去除污水中的有機污染物，生物池出水經過二沉池進行泥水分離后通過高效沉淀池進行混凝、絮凝和沉淀處理，去除污水中的部分CODcr，SS 和TP 等污染物，高效沉淀池出水流至反硝化深床濾池，反硝化深床濾池進一步去除污水中的TN、SS、CODcr、TP，反硝化深床濾池處理后的清水，經紫外線消毒渠消毒后達標排放。

反硝化深床濾池是一種重力流、固定床砂濾池，濾料顆粒粗，濾層厚，濾層厚度最低超過1.0m，通常在1.5m 以上。反硝化深床濾池的主要優點為容積大、污染負荷高、過濾速度快、水頭損失慢、過濾周期長等特點。反硝化深床濾池在外加碳源的情況下，反硝化細菌發生反硝化反應，將污水中的亞硝酸根和硝酸根被還原為氮氣、一氧化氮等氣體物質，達到除氮的目的。因此，反硝化深床濾池主要對高效沉淀池出水進行過濾，截留水中懸浮物，同時此濾池具有脫氮功能，作為總氮達標的保障工藝。

寧波江北區下沉式再生水廠反硝化深床濾池設置1座，分12 格，一階段安裝設備8 格。此外需設置清水池和廢水池。濾池過濾后的清水通過出水閥流入清水池中，濾池反沖洗產生的廢水流入廢水池中。反硝化濾池主要設備有反沖洗水泵3 臺（2 用1 備）、反沖洗鼓風機2 臺（1 用1備）、廢水排水泵2 臺（1 用1 備）、空壓機2 臺（1 用1 備）、攪拌機2 臺等設備。此外，每格濾池氣動閥門包括進水氣動閘門1 臺，出水氣動調節蝶閥1 臺，反沖洗進水氣動蝶閥1 臺，反沖洗出水氣動蝶閥1 臺，反沖洗進氣氣動蝶閥1 臺等。反硝化深床濾池工藝流程如圖1 所示。

圖1 反硝化深床濾池工藝流程圖

2 反硝化深床濾池自動化控制系統

污水廠自動化控制系統的基本要求是：生產過程可觀測，設備狀態可監視，運行數據可記錄，工藝參數可調節，設備投入可調配，產品質量可控制，人員安全可保障，事故原因可追溯。按分散控制，集中管理的原則，建立污水廠的監控系統。因此，在反硝化深床濾池設置一套PLC 現地控制單元，對反沖洗鼓風機，反沖洗水泵，廢水泵，混合攪拌機以及氣動閥門等設備進行監視和控制，處理局部的數據采集和控制任務，同時接受中央控制室的調度指令。

反硝化深床濾池PLC 現地控制單元包括一套PLC 控制主站和八套PLC 控制子站；控制主站主要監視和控制反沖洗鼓風機，反沖洗水泵，廢水泵，混合攪拌機等設備；控制子站主要監視和控制單格濾池的氣動閥門。單格濾池氣動閥門有進水氣動閘門，出水氣動調節蝶閥，反沖洗進水氣動蝶閥，反沖洗出水氣動蝶閥，反沖洗進氣氣動蝶閥等。PLC 可實現現場手動控制、現場自動控制和遠程自動控制等功能。

PLC 控制主站是整個反硝化濾池深度處理工藝的核心控制單元，濾池的各種運行程序如正常過濾程序、反沖洗程序、氮氣釋放程序、碳源投加程序均由PLC 控制主站完成。PLC 控制主站采集設備、儀表的狀態信號，經過PLC的邏輯運算，自動的選擇合理的程序運行，并下達控制指令給相應的PLC 控制子站，保障反硝化深床濾池的正確運行。各PLC 控制子站監視和控制對應濾池的氣動閥門，將運行工況反饋給控制主站。

PLC 控制主站采用雙機冗余控制系統，CPU、通訊模板、冗余模板分別配置在2 個獨立的框架中，主備控制器的切換時間在20～30ms 之內。PLC 控制子站采用遠程I/O控制站。PLC 控制主站與PLC 控制子站采用以太環網型式連接，同時預留接入污水廠光纖環網的通訊接口，拓撲圖如圖2 所示。

圖2 反硝化深床濾池自控系統拓撲圖

PLC 采用模塊化框架系統，各種接口模塊（Modbus 模塊、通訊模塊、I/O 模塊）可帶電插拔。為了方便現場操作方便，PLC 控制站配置觸摸屏。PLC 控制主站需帶獨立的CPU 控制器，控制器具有PID 運算功能。PLC 控制子站僅設置I/O 模塊和通訊模塊，將采集到的數據傳輸至PLC 控制主站，同時接受PLC 控制主站控制指令。

3 反硝化深床濾池儀表系統

為了配合自控系統的運行，根據工藝要求在反硝化深床濾池設置與工藝流程相適應的在線檢測和分析儀表，以滿足生產運行過程的監測和控制要求。在反沖洗進水管設置反沖洗水電磁流量計1 個，將流量信號反饋給變頻反洗泵來控制反沖洗水強度；每格濾池設置超聲波液位計以實現恒水位運行，當超聲波液位計測定水位到達設定值高度時或濾池到達設定的反沖洗周期時間時，PLC 控制系統啟動濾池反沖洗程序；濾池水位在上升過程中，定期進行氮氣釋放程序，以恢復濾池的過濾水頭；也可以在每格濾池出水管設置電磁流量計，當電磁流量計出水流量較低時啟動氮氣釋放程序或者氣水反沖洗程序；本工程考慮設置超聲波液位計。進出水設置進水流量計、硝酸鹽分析儀、溶解氧儀，通過PLC 的PID 控制模塊精確執行碳源投加控制程序；廢水池和清水池均設置超聲波液位計，液位滿足要求時方能啟動反沖洗程序；根據需要，還需要配套鼓風機氣體流量計和壓力表，以監測鼓風機是否正常運行，根據氣體流量值反饋給鼓風機變頻器控制鼓風機風速。

反硝化深床濾池處于地下室內空間，儀表的防護等級不低于IP65，水質監測儀表具有自動清洗功能。由PLC 柜供電的檢測儀表，每套PLC 的電源端加裝電源避雷器，以抑制出現在電力網絡中的暫態浪涌電壓和吸收暫態浪涌電壓能量，在保障供電連續的條件下，使儀表、PLC 終端等主要設備免受過電壓的干擾和侵害。在檢測儀表4～20mA DC 信號的輸出端和PLC 終端機的模擬量輸入端加裝信號避雷器，以抑制信號回路的雷電干擾。儀表信號電纜（雙絞屏蔽電纜）的屏蔽層應在PLC 終端機側可靠接地。

4 反硝化深床濾池自動化運行控制邏輯

4.1 正常過濾自動控制邏輯

高效沉淀池出水流至反硝化深床濾池混合渠和碳源混合后流至配水渠，經配水渠將污水平均分配給8 個單格濾池。正常濾池時，濾池的石英砂濾料去除固體懸浮物完成過濾功能，濾池的反硝化細菌發生反硝化反應完成去氮功能。此時PLC 控制系統關閉羅茨鼓風機、反沖洗水泵、反沖洗進水氣動蝶閥、反沖洗出水氣動蝶閥、反沖洗進氣氣動蝶閥，打開濾池進水氣動閘門、濾池出水氣動調節蝶閥；同時實時采集濾池的超聲波液位值，通過PLC 系統的PID 運算模塊控制濾池出水氣動調節蝶閥的開度，實現濾池恒水位運行。

4.2 氣水反沖洗自動控制邏輯

污水流經濾池時，懸浮物會被阻擋擁塞在石英砂濾料的空隙之中。石英砂濾料上部分的空隙空間會因最先充滿懸浮固體而變得狹窄。隨著更多的空隙被固體擁塞，濾池中的水位會逐漸上升，水頭損失更大，才能維持濾池流率。當超聲波液位計檢測到濾池液位過高、廢水池液位較低、出水閥門開度達到100%時，嘗試過氮氣釋放程序仍不理想時，會啟動反沖洗程序。此外，控制系統會周期性的啟動反沖洗程序，一般以24~48 小時為一運行周期，具體周期可以根據水廠運行一定時間后通過經驗值確定。同一時間僅允許一格濾池進行反沖洗。

反沖洗需要閥門、水泵和鼓風機等設備處于自動控制狀態，并清除所有設備報警狀態；清水池通過超聲波液位計來檢測水量是否滿足反沖洗的要求，廢水池過超聲波液位計來檢測是否有足夠的容量存儲反沖洗廢水，廢水池液位過高時應啟動廢水排水泵，將污水排至前置污水處理單元。

反沖洗一般分為三階段進行，第一階段為氣洗3~5 分鐘；第二階段為氣水聯合沖洗15~20 分鐘；第三階段為水漂洗5 分鐘。自動反沖洗程序由PLC 編程完成，反沖洗周期和順序可通過PLC 主站設定，自動反沖洗程序控制邏輯如下：

①關閉進水和出水氣動閥；

②打開反沖洗進水氣動蝶閥、反沖洗出水氣動蝶閥；

③打開反沖洗氣體氣動蝶閥；

④啟動反沖洗羅茨鼓風機；

⑤逐漸關閉反沖洗空氣泄壓閥，開始氣體反沖洗；

⑥鼓風機繼續運行，氣體沖洗5 分鐘后啟動2 臺反沖洗水泵；

⑦氣水同時反沖洗大約15 分鐘；

⑧關閉反沖羅茨鼓風機，關閉反沖洗氣體氣動蝶閥，打開空氣泄壓閥；

⑨繼續單水沖洗約5 分鐘，去除濾池內的殘留空氣，并將殘留物漂洗出池外；

⑩關閉反沖洗水泵；

11○關閉反沖洗進水氣動蝶閥、反沖洗出水氣動蝶閥；

12○打開進水氣動蝶閥、出水氣動蝶閥，濾池恢復正常運行。

反沖洗過程中，PLC 實時監測反沖洗水管流量和反沖洗氣管風量。當反沖洗水管流量過低時應啟動備用泵，水量仍然過低應終止反沖洗程序并檢查原因；風機亦然。PLC 編程時應注意備用設備輪換啟動，以延長備用設備的使用壽命。

4.3 氮氣釋放自動控制邏輯

深床濾池運行在反硝化模式時，由于外加碳源和污水中的硝酸鹽氮在微生物作用下發生硝化反應，硝酸鹽變成氮氣。氮氣會逐漸在濾層中積聚，減小了水流通過濾層的空隙，使濾池的水頭損失增加。因此，需要定期把深床濾池濾料間的氮氣逐出，以減少水頭損失，保證濾池的過濾速度。

氮氣釋放原理是通過水流抖動和沖刷方式打亂原有的平衡，使小氣泡快速聚集成大氣泡排出，具體實施方式是利用反沖洗進水泵定期快速反沖洗，形成池內水流紊動破壞原有平衡達到氮氣釋放目的。

當超聲波液位計檢測到濾池液位過高、出水閥門開度達到100%時，PLC 控制系統會啟動氮氣釋放程序。此外，控制系統也可以周期性的啟動氮氣釋放程序。氮氣釋放程序由PLC 編程完成，氮氣釋放周期可通過PLC 主站設定，正常運行程序下轉為氮氣釋放程序控制邏輯如下：先關閉出水氣動調節蝶閥，再打開反沖洗進水氣動蝶閥，然后打開反沖洗水泵，運行1~3 分鐘停止，恢復至正常運行狀態。周期性的啟動氮氣釋放程序，一般以2~4 小時為一運行周期。PLC 編程時應注意氮氣釋放程序和反沖洗程序不能同時進行。

4.4 碳源投加自動控制邏輯

反硝化深床濾池有兩種運行模式，一種是深床濾池工藝，當前置工藝滿足污水排放要求時運行，此時僅去除水中懸浮物；另一種模式是反硝化深床濾池工藝，此時可去除水中懸浮物和總磷總氮。深床濾池運行在反硝化模式時，需要投加外加碳源以實現反硝化脫氮。碳源投加量的多少直接影響了運行費用和出水水質。碳源投加控制原理圖如圖3 所示。

圖3 碳源投加控制原理圖

碳源投加采用前反饋+后反饋控制，通過PLC 的PID控制器實現。PLC 采集進水流量值、進水硝酸鹽濃度值、溶解氧濃度值，通過PLC 計算出理論碳源投加量，控制投藥計量泵的投加。同時，采集出水硝酸鹽濃度信號反饋給PLC（后反饋），如出水硝酸鹽濃度過高則碳源量投加不足，從而加大投藥量；如出水硝酸鹽濃度過低，即認為碳源投加量過量，從而減少投藥量，以此理論作為碳源投加量的PID 控制，降低出水超標風險。碳源投加也可以采用經驗控制，在PLC 界面直接輸入碳源投加量來實現碳源投加，PLC 編程時需考慮此方案。

5 結語

綜上所述，反硝化深床濾池一般設置一套PLC 控制主站，每格濾池設置一套PLC 控制子站。主要控制程序由PLC 控制主站完成，PLC 控制子站輔助主站完成設備監測與控制。反硝化深床濾池需要設置超聲波液位計、電磁流量計、硝酸鹽分析儀、溶解氧儀、熱式氣體流量計等在線監測儀表，以完成反硝化深床濾池的自動化運行要求。