村鎮污水一體化處置設備自動控制與監控系統設計研究

陳瑞雪 邱珊

摘要：村鎮污水處理是現階段加強農村環境整治的重要手段，構建村鎮污水一體化處理設備能夠有效解決村鎮污水分散排放的問題，滿足國家一級A排放標準。鑒于村鎮管理技術水平有限，通過搭建物聯網架構智能網關，利用工藝設備的現場控制及狀態采集功能；選擇PLC程序與三層結構、四級網絡自動化系統匹配，可以控制數據的準確傳輸和存儲，實現一體化設備中數據管理、處理、報警等管理，達到現場操作以及遠程監控，替代現場非專業人員操作。研究結果表明，通過自動控制與監控系統設計的一體化處理設備，在運行過程中可以減少曝氣量，節省運行成本，減少人為操作成本。

關鍵詞：村鎮污水；自動控制；一體化裝置；PLC

中圖分類號：X853 文獻標志碼：B

前言

中國農村人口多，目前有250萬個自然村、6.7億農村人口，生活污水排放量大，處理率很低，絕大部分生活污水未經處理直接排放，成為流域水污染的重要因素，對當地生態環境造成嚴重污染，并對當地居民的健康安全構成威脅。2022年生態環境部數據顯示全國廢水中COD（化學需氧量）排放量為2 564.8萬噸，其中，農業源COD排放量為1593.2萬噸。黨中央、國務院高度重視農村生態環境保護工作，二十大也再次強調了“綠水青山就是金山銀山”的理念，改善農村人居環境是全黨全社會的共識和行動指南，因此，加強農村污水治理是現階段迫在眉睫的問題之一。

農村污水具有分散排放、收集困難、水質水量波動大等問題，故而難以直接采用集中式處理模式。現階段通常選擇分散式處理模式，選擇一體化裝置完成污水處理工作，污水處理站數量極多。同時農村人員技術管理水平有限，無法完成復雜工藝設備操作，也很難像城市污水處理廠擁有多個運維人員保障24小時值守運行；通過采用物聯網架構、智能網關和數據優化傳輸技術開發及“云”運維技術的實施替代現場非專業人員操作。極大的滿足村鎮污水處理的分散、缺人、缺技術、缺管理特點，為農村污水處理提供新思路。

1某村鎮污水處理一體化裝置工藝流程

根據村鎮污水進水質條件及對出水水質要求，一體化裝置選擇以生化為主的處理工藝，具體工藝流程如下：

污水－粗格柵－細格柵－調節池－毛發聚集器－A2O+MBR池－紫外消毒－排放

農村污水因為收集方式相對粗獷、所以需要對污水進行粗處理，將水中的漂浮物通過粗細格柵分離，減少對于后續處理裝置的磨損；同時農村水質水量波動大，為了保障后續污水穩定處理，需要進入調節池對水質水量均質；調節池出水進入毛發收集器，可以除去液體中固體顆粒，隨后進入生化處理系統，工藝為A2/O（厭氧／缺氧／好氧）生物反應器加上膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR），是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。最終進入紫外消毒，該環節屬于氧化殺菌環節。

為了考察一體化裝置的運行效果，采用哈爾濱某污水處理廠實際進水，連續運行52天，檢測COD、氨氮、總氮的出水水質，檢測結果見圖1。

從圖1可知，一體化裝置對生活污水有很好的處理效果。進水COD為300 mg/L－450 mg/L（平均值357.06 mg/L），一體化裝置出水COD保持在50 mg/L（平均值32.31 mg/L）以下，去除率為91%。進水氨氮平均值為38.65 mg/L，出水氨氮平均值為1.73 mg/L以下，去除率為95.5%。進水TN范圍為25 mg/L－45 mg/L（平均值35 mg/L）的情況下，出水TN都保持在15 mg/L（平均值12.13 mg/L）以下，去除率為65qo。穩定運行期間出水水質均達到國家一級A排放標準。

2控制系統結構

整個控制系統為三層結構、四級網絡。

三層結構包括：過程設備層、現場控制層、監控管理層。四級網絡包括：感知層，網絡層，平臺層和應用層。具體見圖2。

2.1自控系統構架

自控系統主要實現設備的就地（設備）操作、現場操作以及遠程監控；該系統的最低層是設備區，主要完成工藝設備的現場控制，由設置在各單體內的遠程I/O、電動機啟動器和部分工藝機組自帶的控制器組成。第二層是控制區，主要完成對分控站控制范圍內的設備進行現場集中控制，在一體化設備尾端的分控站可編程邏輯控制器（PLC）系統構成；第三層位于監控管理區，主要通過工控機完成對設備水處理過程的在線監測，并將信號傳遞到遠程系統。

2.2自控系統功能分析

自控系統是一個基于工業以太網的分布式控制系統。

2.2.1監控管理區

系統監控區承擔了數據管理、水處理系統數據采集、報警、趨勢、數據記錄及中文報表等功能。同時可以將數據遠程傳送，并可下達操作控制指令。

監控區主要完成以下功能：

控制操作：在中心控制室內能對全系統被控設備進行實時在線控制。

顯示功能：用圖形實時地顯示各分控站被控設備的運行工況；動態顯示水處理工藝流程圖，并能在流程圖上選擇查看多級細部詳圖；動態顯示各種模擬信號、數字信號、各類累加信號等的數值和范圍清單。

數據管理：能建立生產數據庫、操作信息庫、故障信息庫。

數據處理：利用實時數據和歷史數據，計算主要生產指標，并進行成本分析。

報警功能：當某一測量值超出給定范圍或可根據不同的需要發出不同等級的報警。如輸人到報警表、屏幕顯示報警信息、聲光報警，并可依據報警信息顯示相應的動態畫面。

2.2.2現場控制層（分控站）

系統設備控制區主要承擔了對工藝設備的現場控制及狀態采集功能，位于一體化裝置的尾端。在PLC程序設計時考慮到曝氣泵（鼓風機）的啟停直接關乎出水質量以及運行成本，因此。將曝氣泵或者是鼓風機的啟停程序寫入到自動控制系統中，當出水水質數據達標時或進水負荷量較小時，可以適當的減少曝氣泵的曝氣量，或者停止曝氣泵的運行，以節省運行成本。

2.2.3過程設備層

主要包含提升泵、格柵機、曝氣泵（鼓風機）的自動控制。進水提升泵和格柵機的啟停一般是根據進水池的液位來控制的。一般在格柵機的前后需要安裝等電位液位計，通過液位計對進水池中的液位進行監測，并將數據實時反饋給控制系統，從而實現設備的啟停。當然在水中雜質較多的情況下，也可以通過人工修改啟停方案來達到自動啟停的目的。通過這個設計，不僅可以過濾掉水中大部分的大塊雜質以及垃圾，同時還能實現自動關停，節省電力資源，減少了人為現場開機關機，也節省了人力成本。提升泵一般采用的是一用一備或者是兩用一備。這樣可以保證其中一個提升泵損壞的情況下，其他泵也能輔助進水。

2.3控制網絡購置

感知層位于網絡的第1層。主要分為兩部分功能，首先是圖像采集。這種方式是通過攝像頭采集信息，以圖像的形式傳輸至終端系統中。其次是傳感采集。這部分信息的采集主要以傳感器探頭的方式來完成，比如，廢水處理系統運行過程中的氨氮、氧化還原點位、溶解氧等實時數據，采集以后將傳輸至傳感采集系統終端。感知層主要包括各類傳感器、浮球儀、PLC，實現現場數據的采集和分析。

物聯網網絡的第2層是網絡層。這一層就像數據傳輸的通道，移動互聯網、互聯網等就是數據行走的通道。同時也是整個系統的中樞神經。包括智能網關、交換機、通信協議等。將系統中的各種設備和應用程序聯系在一起，實現設備信息的交互。

平臺層位于網絡層之后，是物聯網網絡的第3層。這一層主要由兩部分組成。第一部分是系統運行的軟件和硬件設備，第二部分是控制終端，它包含電腦終端和移動終端。移動終端的發展實現了數據控制的便捷性，可以實現無地域限制的遠程移動控制。

最后一層就是應用層。主要包含控制中心、政府監管中心、大數據平臺。控制中心是對整個系統運行的綜合控制，而政府監管監督中心主要實現的是監督功能，大數據平臺是指對所有的數據進行收集以及進行自動分析。

物聯網網絡的使用，減少了人為勞動工作量，起到數據的準確傳輸和儲存的作用。

3結語

針對城鎮生活污水處理廠廢水，設計了一體化裝置，通過A2/O（厭氧／缺氧／好氧）生物反應器結合膜生物反應器的處理工藝，采用哈爾濱某污水處理廠實際進水，連續運行52天。結果顯示，一體化裝置對城鎮生活污水有很好的處理效果，COD去除率為91%，氨氮去除率為95.5%，TN去除率為65%，穩定運行期間出水水質均達到國家一級A排放標準。同時，設計了匹配的PLC程序，控制廢水處理系統運行中的過程參數和設備啟停，采用4層控制的方式設計數據的傳輸過程，達到了對運行設備的實時監測，從而也能實現廢水降解的自動化控制。通過現場數據采集與傳輸以及運行控制，可實現污水處理站的集約化運營管理和無人值守，達到提高運維效率、降低運行成本的目的。