污水处理自动加药系统设计与应用

孙奎

摘 要：在水资源极其宝贵的今天，污水处理以及回收利用成為当今世界的热点问题。近年来，国内污水处理中的加药方式常采用人工调节的方式进行，从而导致加药滞后以及加药量不准确等问题。针对这些问题，文章提出一种由自动化控制系统与监控系统组成的自动加药系统。自动化控制系统由顺序控制以及回路控制组成，主要负责数据采集和基础控制。自动化监控系统由控制系统（包括6个PLC站）、中控室监控系统、现场总线和工业以太网通讯网络系统及生产过程视频监控等子系统组成，并通过人机界面对污水加药系统的设备运行状态、工艺参数和趋势曲线实时监控。同时该设计的合理性和实用性已经在实际污水处理中得到验证。

关键词：加药系统；污水处理；自动控制；PLC

1 概述

随着我国工业化和城市化的推进，城市污水量不断增加，污水处理已经成为热点问题[1][2][3]。尽管全国的污水处理厂的数量也在不断增加，截止到2015年年底，全国已经有3622座污水处理厂投入使用，但污水处理依然是我国的重点问题[4]。根据有关预测，2020年我国的污水排放量将达到536×108m3/d，并且在未来的10年还会保持较大增长率[5]。

城市废水主要是指城市内所产生的生活污水、工业废水以及大气降水中的混合物，因此其受到城市规模，工业化水平以及气候条件等多原因影响。但对于污水处理方面，一般城市都是相似的。根据有关调查，污水处理中总磷和总氮的处理所占比重最大，其次为悬浮物。目前我国采用的人工调节方式并不能有效的解决污水中总磷和总氮超标的问题。

本文所设计自动加药系统可以代替人工调节方式，并解决其所带来的弊端。（1）通过利用PLC站同时进行相应的信号采集和通信传输，从而解决加药的滞后性问题；（2）通过利用自动化控制系统可以实时数据采集以解决加药量不准确的问题。

2 加药系统设计

2.1 系统设计

我们所提出的自动加药系统由自动化控制系统和监控系统组成。自动化控制系统把顺序控制（如主要设备的启动、停止、连锁控制、状态报警等功能）和回路控制（如在线测量值、流量等工艺参数的采集、调节、报警等功能）集成在一起进行控制，它构成了整个加药控制系统的自动化部分。自动化系统主要具有数据采集和基础控制两种功能。

自动化监控系统采用“集中管理、分散控制”的方式，系统由控制系统（包括6个PLC站）、中控室监控系统、现场总线和工业以太网通讯网络系统及生产过程视频监控等子系统组成。PLC站采用西门子控制程序，同时进行相应的信号采集和通信传输，建成了一个安全、实用、高效、先进的自动化监控管理系统。监控系统通过人机界面对污水加药系统的设备运行状态、工艺参数和趋势曲线实时监控。

2.2 硬件需要

根据上文所设计的系统需要，我们选取了相对应的硬件实现所设计的功能，硬件列表如下：

（1）计量隔膜泵：数字式计量泵（DME）、变频式隔膜泵（DMH）

（2）PLC控制器：西门子AI模块、AO模块

（3）在线仪表：总磷/总氮测量仪（NPW160），SS（CM442）、余氯测量仪

（4）流量计：超声波流量计（进水）、电磁流量计（加药）

2.3 变频隔膜泵校准设置

由于变频隔膜泵具有两种药量调节方式，手动隔膜腔冲程调节（0～100%）和自动变频器输出调节（0～50Hz）。因此需要在调试阶段对变频隔膜泵进行校准。

根据在娄山河污水处理厂现场流量标定的数据，可以得到实际流量与冲程、频率均呈线性关系。在这种情况下（以下均以娄山河污水处理厂为例），首先在电机满频率运行时，手动设置隔膜空腔冲程，得到固定最大加药量，然后采用变频器对流量进行连续调节。变频电机在实际运行时不宜长时间低频运行，因此设定最低运行频率，将自动调节范围调整为25～50Hz之间。

2.4 加药系统的控制模式

参阅相关资料，自动加药系统模式有多种方式，在这里，我们采用流量反馈、出水水质反馈、修正反馈三种方式进行控制。

（1）流量反馈控制：用进水泵流量或提升泵流量做为变量，设定药剂单耗系数P1，加药量根据污水流量自动变化。

（2）出水水质反馈控制：根据历史出水水质经验设定出水总磷、总氮、SS、余氯等在线水质稳定的控制值，即最佳水质设定值，根据实际出水值与设定值进行比较，得出投加系数P2。

（3）调整反馈系数：因流量反馈和水质反馈均存在波动性和滞后性，易造成出水指标偏低或偏高，造成浪费或加药不足，因此需增加调整系数P3；如日常运行对药剂进行按比例稀释，同样需要增加一定的调整修正系数。

2.5 实际加药量的计算

根据上文所提到的三种控制得出的不同系数共同得出加药量：

其中Q1为进水流量（万立方/时），P1为流量单耗系数（加药量/万立方）；P2实际水质/设定值；P3修正系数。

自控系统计算出的加药量通过PLC反馈给加药隔膜泵，隔膜泵通过调节变频器来调节加药量，加药流量计中的加药流量同时也反馈至PLC，PLC通过加药流量计的反馈数值与设定值进行比较，然后不停的调节加药泵的输出频率，加药泵通过调节频率来实现投加量与设定值一致，即加药流量计的数值与设定值一致，达到实际加药量。

3 自动加药系统现场运用

我们所提出的算法已经在娄山污水处理厂进行实际应用并验证算法的合理性和实用性。

3.1 生物池自动加药系统

娄山河污水厂生物池末端投加三氯化铁溶液（41%）和醋酸钠溶液（25%），分别用于控制出水总磷和总氮指标值。自动加药系统首先根据设定的流量与加药量比例进行投加，以进水流量为第一变量，加药量跟随进水量自动变化。其次根据出水总磷、总氮的在线数值，每2小时进行一次判断，计算出水指标与设定值的偏差，形成第二变量。

由于加药量越大，指标会越低，但是也会造成浪费，因此设定总磷在0.30mg/l，总氮设定在10mg/l，根据偏差计算出投加系数，最终根据调整系数计算出的实际加药量，三种系数共同作用于变频隔膜泵，最终计算出加药量，通过调整电机的频率来实现最终的投加量，加药原理图如图1所示。

3.2 次氯酸钠自动加药系统

娄山河污水厂的加氯接触池入口处投加次氯酸钠溶液（10%）用于控制出水大肠杆菌的数量。加药系统首先根据设定的流量与加药量比例进行投加，以深度处理工艺的提升泵流量为变量P1；其次根据余氯的在线数值与设定值为变量P2，每30分钟进行一次判断，计算出水指标与设定值的偏差系数，设定余氯值为100ppb/l，多个变量投加系数共同作用于数字式隔膜泵，通过调整隔膜泵瞬时药量来实现最终的投加量，加氯间设定界面如图2所示。

4 结束语

本文设计一种新的自动加药系统。首先该自动加药系统的使用解决了过去单一按照经验值进行投加的方式，能够综合考虑水量、水质、药量等多种因素进行反馈，并且提高了加药的稳定性，减少了进水造成的波动性和水质的滞后性。其次通过自动投加系统可以使投加量控制在最优状态，大大减少了药剂的浪费，降低了出水不合格率，提高了药剂的有效率。另外自动加药系统减少了人工投加的误差，降低了人工的劳动强度，提高了人员的工作效率。

在提高效率与减少浪费的同时，加药系统也需要进一步完善。我们将进一步确定自动加药系统中在线数值及流量的反馈时间，确保系统的稳定性，以及研究自动加药系统中出水水质的设定值。

參考文献

[1]刘宇，彭力.基于PLC的城市污水处理控制系统设计[J].漯河职业技术学院学报，2009，8（5）：16-18.

[2]易钊，李仁发.基于嵌入式系统结构的污水处理控制系统设计与实现[J].自动化仪表，2004，25（11）：43-46，70.

[3]陈进东，潘丰.污水处理控制系统设计[J].自动化与仪表，2008，23（6）：33-36.

[4]全国污水处理厂名单盘点公布2015年全国污水处理厂名单[ED/OL].http：//www.hsmil.com/pages/7a785655bcda7cde387f8bd48c9fbcc0.html

[5]林艳华.污水处理中全自动加药系统设计[D].天津：天津大学，2005.