城市污水处理自动化技术的应用探讨

许铁强　胡晓峰　冯梁峰　许云海

【摘 要】目前，我国城市污水处理的最大矛盾是经济发展和居民日益增长的生活水平同落后的污水处理水平。随着计算机和传感器技术的发展，以监控、自动控制和大数据技术为代表的污水处理技术必将成为发展方向，进一步提升污水处理智能化水平，降低运行成本，提高污水处理效率，保证水质稳定。

【关键词】城市；污水处理；监控系统；自动控制；大数据技术；成本；效率

前言

近年来，我国的工业化发展进程急剧加快，在资源与环境问题上必然要以实现可持续发展战略作为我国现代化建设的主题。居民生活水平不断提高，生活区的生活污水也逐渐增多。生活污水与工业废水存在极大的差别，在我国水资源紧张的不利形势下，为了减少污水对生活环境的影响，污水处理自动化技术具有较大发展空间。

我国大多数污水处理厂存在自动化水平不高、安全性能低和管理不当的问题，导致处理效率普遍低于国际先进水平。随着电脑及自动控制技术的快速进步，污水处理厂也开始逐渐采用先进技术来治理污水。污水处理系统中的设备启停设备、数据通信和监控管理是当务之急。中国污水处理自动化技术相对落后，污水处理成本也居高不下，经处理后排放的污水的水质也不太稳定，研究如何建立有效和自动化系统，优化运行效果，降低运行费用，提升运行效率具有重要意义。

1.污水处理发展

在20世纪70年代第三次科技革命兴趣的时候，美国很多污水处理工程将计算机技术应用于加药环节。这种自动化操作模式流程简单，钒用量可以得到精确控制，在广大污水处理厂中很快得到推广应用。经过几十年的发展，污水处理自动化水平得到了逐步地提高，自动化程度也有了大幅度提升。

污水处理的自动化主要由监控系统和自动控制系统组成，其中，自动控制是污水处理自动化的执行部分。自动控制系统的工作原理是借助网络通信，利用主计算机对控制设备、执行元件和检测元件进行整体管控，以实现污水处理的集中调控、集成分析和数据集中处理。经过初期技术引进和中期消化吸收，我国的污水自动控制系统已经取得了长足进步。工业Ethernet结合FCS（现场总线控制系统）DCS（集散控制系统）和PLC（可编程控制系统）构成了我国最新一代的污水处理自动控制系统；中央监控系统、现场控制系统和模拟显示系统构成了硬件部分；系统软件、数据库软件和应用软件组成了软件部分。通过将远程监控、现场监控和手动监控三者结合，使得信息获取简单、监督管理方便和操作简易。

尽管我国污水处理自动化技术取得了不少成绩，但不可否认，在具体操作中依然存在着一些问题：自动控制系统线性稳定性差、自动控制系统受制于多种因素、自动控制系统控制力缺失和自动控制系统本身存在缺陷。

除了要保障自动控制系统稳定性、重视工作人员技能素养构建和不断拓展智能控制在污水领域的管理深度，本文重点从监控系统设计、自动控制系统和大数据技术三方面对城市污水处理的自动化技术加以探讨。

2.监控系统设计

中国的发展必须走环境和经济共同协调发展之路，实现可持续发展，改善居民生活环境。实施污水处理工程，将有效解决工业发展和人口增加带来的工业废水、生活污水和降雨径流处理问题，更好地保护水环境，提升居民生活质量。为提高污水处理厂的管理水平和自动化程度，监控系统的运用十分必要。

2.1 设计原则

污水处理的监控系统要根据生产过程及工艺流程要求进行设计，包括污水处理全过程控制系统和仪表自动检测系统。在进行设备选型时要以技术先进、运行稳定、性能可靠和经济合理为原则；在进行系统设计时要以分散控制、集中管理和信息共享为原则；在选用自动化仪表时要以可靠实用和便于维护为原则。若污水处理工程考虑分期作业，对于其硬件可以不考虑远期工程，但要预留好扩展柜位，以便后期项目实施。

2.2 系统组成

通常，污水处理工程控制系统由中央控制室和PLC控制站组成。水泵、风机和搅拌机等要求现场及远程两地控制，正常运行时按工艺程序自动控制，因此监控系统多采用二级分布式计算机控制系统。

中央控制室组成

一般而言，中央控制室设在RO（反渗透装置）机房内，由交换机、工程师站和操作员站组成，包含工控机（主机、彩色液晶显示器、功能操作键盘、鼠标及系统软件和接口等）。监控计算机把现场PLC实时采集到的信息建立信息库，并绘制出各类工艺参数值的趋势曲线。该曲线不但可供管理人员分析比较，以便找出最佳运行规律，还可分析事故原因，优化设备运行，保证出水品质，提高经济效益。

中央控制室系统要求

管理人员在中央控制室操作站集中监控和管理由现场PLC采集经现场工业以太网传送的各种数据信息。同时，中央控制室主机的指令也可以通过该网络传送到现场PLC终端，以使PLC就地独立运行，并受中央控制室远程控制。通过现场联网的监控设备和网络交换机，实现了全部处理过程的计算机监控。为了提高传输效率，增强系统搞干扰能力，用光纤环网将中央控制室和现场内的各单体PLC控制系统连接。系统需具备自诊断功能，当发生故障时，可以及时、准确地确定故障状态、故障时间和故障地点等一系列信息。

中央控制室系统软件

工作人员通过上位机对污水处理站进行操作控制，把用户所需要显示和控制的点连接到画面上，以便操作者了解生产情况并监视控制设备的运行。各个单体画面（调节池进水、生化池处理、MBR系统、胶水机系统和RO系统）、参数设置画面、历史曲线画面和报表画面等组成了上位机画面.

PLC控制站构成

PLC网络系统要根据污水处理流程及设备平面布置形式加以确定。以5个PLC站为例，2个现场PLC和3个成套设备配套的现场PLC。其中，2个现场PLC包含配电间PLC和集水井泵PLC站； 3个成套设备配套的现场PLC包含MBR系统PLC站、RO系统PLC站和污泥脱水系统PLC站。5个PLC站分别控制不同部件的工作，由PLC根据编制程序控制设备的自动运行、手动控制，并检测各项水质参数。系统根据污水池的进水量调整鼓风机的风量和位于加药间加药泵的加药量，以达到最佳配合模式。

检测仪表的选择

在城市污水处理过程中，需要采用多种检测PH、温度、溶解氧浓度液位差、流量和污泥等参数的方法，以减少污染。若采用人工方式采集这些参数，不仅增加工作量，还会延长检测时间，有时采集到的数据还不精确。

为便于与计算机系统连接和方便维修管理，检测仪表全部选用智能型测量仪表。考虑到水质及现场环境条件，为防止探头结垢，应尽量采用非接触式、无阻塞隔膜式和自清洗式的传感器。另外，户外安装的仪表变送器防护等级应达到IP65，浸没在水下的传感器防护等级则应达到IP68。同时，为保证仪表信号输出的可靠性，仪表带有温度补偿且采用4～20mA的输出信号。

PLC软件开发

PLC软件开发要根据工艺和控制要求，进行相应控制逻辑的编制。通常，编程采用直观的梯形图语言。利用以太网，可以直接在中控室进行程序的修改和完善。PLC不仅可以完成各种各样的控制功能，还可与其他计算机联网通信。

注意事项

在进行PLC控制站设计时，要根据系统规模确定用PLC网络还是PLC单机，且成套设备中自带的PLC接口及网络通信协议要求与工程中所选用的一致；根据工艺设备情况确定PLC输出端的负载交直流性质及电流大小；一般运行速度较快、容量存储越大的PLC价格越高，应根据系统大小合理选择PLC产品；PLC对输入电源的要求相对不高，通常较易满足要求。但当供电线路存在干扰或电网波动剧烈时，为了保证PLC可以正常工作，应考虑在电源输入回路加隔离变压器、浪涌吸收器或采取稳压措施。

将监控系统运用于污水处理工程，有利于工作人员在中央控制室对现场设备的监控，并可进行遥控操作，大大减少了管理人员的配置，降低了人力成本，提高了污水处理自动化程度。监控系统还可将污水处理运行情况生成数据报表后存储留档，一定程度上提高了污水处理厂的管理水平。

3.自动控制系统

城市污水在处理过程中在逐步应用科学的计算机技术，可以实时监测污水处理情况，使得污水处理自动控制得以实现。污水处理系统化运行，不仅使污水处理系统的运行成本得以降低，还可以获得在线监控数据，为环保部门管理提供便利。

污水处理自动控制系统在工艺上主要是污水泵控制和鼓风机控制：

3.1污水泵控制

开泵时，应严格按照先开泵后开阀的标准程序进行。若开泵后5s内控制系统未检测到污水泵运行的信号，便会发出报警信号并关闭污水泵。若开泵后5s内系统接收到运行信号并发出开阀指令，有10s时间延迟检测阀门是否已经打开。若阀门没有完全打开则发出报警信号，在发出报警信号时阀门依旧未安全打开时，则关闭污水泵。

同样，停泵时，则应先关阀门后关泵。准备停泵时，先发出与所停泵指令相关联阀门的关闭指令。若指令发出5s内阀门未开始关闭则发出报警信号，在3min内未正常关闭，也会发出报警信号。

在进行水位控制时，实现自动控制系统精准控制水位对于外围管网也十分重要。在实际进行开关泵时，每台泵都必须严格按照相关信号条件进行操作； 设定水位时，可根据污水泵的详细运行情况，在主控室计算机上进行开泵和停泵的具体水位值设置。

3.2鼓风机控制

控制溶解氧DO的数值是控制鼓风机的关键，为使曝气池内的微生物能够充分地产生生化反应，必须向曝气池提供充足氧气。在池内安装溶解氧测定仪时，根据池内需氧量变化进行鼓风机进风导叶片或运行台数的调节，有效减少曝气充氧过程中电能的不必要消耗。在鼓风机使用过程中，通过主控制盘对鼓风机进行循环工作设定或调节，避免一台鼓风机反复启动。

城市污水处理自动控制系统实施后，可有效提高污水处理质量，降低处理厂运行总成本。同时，要克服技术设备缺失和污水处理仪器精度低的问题。

4.大数据技术

大多数的城市污水处理厂都在不同程度上采用了监控系统和自动控制系统，随着物联网技术的快速发展，大数据技术显现出了强大的生命力，促使着大数据技术在在污水处理运营中的运用。其不仅促进污水处理领域的自动化和智能化发展，而且实现了污水处理工艺参数的在线监测、数据实时采集和传输以及故障报警等功能，并为企业提高污水处理质量、降低能源损耗和污水处理运营成本提供强有力的支持。结合监控系统、自动控制系统，作为污水处理新的发展方向，大数据技术在今后应用中应重点关注以下三方面：

4.1处理模型

污水处理具有较高的非线性和时变性特点，其复杂程度远远超出了人们的直觉阈。虽然数学模型在使用时不具备严格的科学性，但却是污水处理过程中较为有效的方法。应用数据筛选和模型优化校核的方法，实现对污水处理模型的简化和优化处理，并针对污水处理过程模型进行优化校核。

4.2仿真系统

通常，建立仿真系统需要通过Simulink软件并实现相应模型的转换。利用仿真系统进行计算分析降低项目投资成本和设备运行成本；对系统运行状态进行模拟和预测，进行工艺优化；对能耗进行优化设计，保证系统的环境效益；模拟污水处理工艺相关操作流程，用于人员培训；进行污水量的非线性动力学分析和适时预测，污水处理异常征兆模式研究以及活性污泥工艺优化设计。

4.3管理平台

管理平台对运行数据进行实时采集并传输，经工业标准在线传感器以及工业无线传感器上传至管理平台。经模型分析处理后，制定相应指标限值和超标处理方案，保证问题处理的时效性。管理平台确保通过大数据计算分析得到污水处理的最佳工艺运行控制参数，保证系统处理实时最优工况，以提高污水处理效率。

5.结论

如果大量城市污水不加治理任意排放，会导致水体、土壤乃至空气的严重污染，进而会破坏人们正常的生产和生活。必须对城市污水进行处理控制，改善受污染水体的水质，使之能满足水体功能的要求。监控系统、自动控制系统和大数据技术的综合运用，对污水处理运行系统的智能化水平有一定程度的提高，并有效降低人工劳动强度和系统运行成本，一定会成为今后污水处理发展的新方向。通过合理化的数学模型加强对污水处理机理的研究，保障污水处理运行系统的安全稳定和处理效率。随着技术的不断发展和完善，许多问题会得到解决，污水处理的明天也会更加美好。

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