地埋式污水厂电气自动化控制系统的设计

李 炯

（浙江中控信息产业股份有限公司，浙江杭州 310051）

污水处理厂是城市基础设施中的重要组成部分。当前城市中的污水处理厂普遍建设在建筑物附近，设备长期运行会对居民生活产生很大影响，所以需要做好污水处理厂的设计优化。地埋式污水厂的许多机械设备都埋藏在地下场所中，设备运行不会对地面产生影响，能够减少对环境的影响。在地埋式污水厂建设期间，通过采用电气自动化控制模式，能够有效提高系统运行效率，从而提升污水处理厂的处理能力，是当前建设地埋式污水厂的关键所在。

1 地埋式污水厂及电气自动化控制的基本内涵

在城市人口不断增加的情况下，污水厂所面临的污水处理量不断加大，为了能够满足污水处理需求，在总结国内外生活污水处理装置运行经验的基础上，结合我国城市污水处理的实际情况，地埋式污水处理模式逐渐被应用。地埋式污水厂中的大部分机械设备埋藏在地表下，设备上的地面可以作为绿化或其他用地使用，不需要建房、采暖以及保温；地埋式污水厂整体设备处理系统采用全自动电气控制系统和设备保障故障报警系统，运行可靠性和安全性良好，通过采用自动化控制系统能够有效提高运行控制效率。城市地埋式污水厂以国家所规定的环保等级为标准，并结合城市建设实际情况对当前的污水处理系统进行升级和改造，使经过处理的污水能够达到相应的等级规定。电气自动化控制污水处理系统是指通过电气控制的方式来实现污水处理过程的自动化。电气自动化控制系统的应用需要地埋式污水厂满足两个基本条件：

（1）需要根据地埋式污水厂的实际处理效果，对电气自动化控制进行合理的配置，制定多种不同自动化控制方案，选择处理效果最佳的控制方案，最终污水处理达到国家规定相关标准，例如一级A、地标准四等，根据当地的实际要求而确定。

（2）电气自动化控制污水处理系统需要选择合理的电气设备，确保电气设备能够正常运行，按照设计方案的图纸进行安装，确保电气自动化控制污水处理系统在投入使用后能够正常运行，满足污水处理的实际需求。

2 当前地埋式污水厂建设存在的主要问题

根据当前我国城市污水处理厂的建设情况来看，虽然污水处理厂建设规模不断扩大，各项污水处理工艺技术水平提升，但是依然存在着一些显著的问题，导致污水处理厂在实际运行中出现许多问题，具体包括如下几项。

2.1 负荷率较低且运行能耗较高

根据相关统计报告，当前我国城镇地埋式污水处理厂的平均运行负荷率仅为79.2%，其中还有一部分建设水平较差的城镇地埋式污水厂处理负荷效率低于60%，同时城镇地埋式污水处理厂的处理能耗较高，平均单位耗电量超过0.308 kW·h/m3，处理能耗较高不仅会导致地埋式污水处理厂成本提升，同时会消耗大量的电力能源，不利于资源节约型社会建设，是当前城镇地埋式污水处理厂存在的主要问题。负荷率较低会导致城镇地埋式污水处理厂大量资源被限制，处理设施没有得以充分利用，从而导致污水处理资源被严重浪费；处理能耗高会增加城镇地埋式污水处理厂成本负担。所以需要加强相关优化措施的制定，通过对电气自动化控制系统的优化处理，提升地埋式污水厂的负荷率，并降低污水处理能耗。

2.2 电气自动化控制建设不足

电气自动化控制与传统的人工处理方式相比，在建设前期需要大量的设备投入、资金投入以及技术投入，部分城市地埋式污水厂为了节约成本，电气自动化控制建设水平不高，许多城市地埋式污水处理厂目前处于半自动化或全人工方式，能够实现基本电气自动化控制污水处理的城市地埋式污水处理厂数量不多。电气自动化控制模式的应用，需要以完善的电气系统作为基础，才能够取得良好的运行控制效果，但是显然当前部分地埋式污水厂在电气基础设施方面建设不够完善，难以为电气自动化控制系统应用提供支持，使得电气自动化控制难以落实，是当前地埋式污水厂建设存在的主要问题。

2.3 电气自动化控制污水处理效果不足

电气自动化控制与传统人工模式相比，是依靠自动化系统以及相应的设备进行处理，因为缺乏实际经验以及技术水平较低，许多地埋式污水处理厂的电气自动化控制系统污水处理效果不够精确，经过处理的污水不能达到国家标准或地方标准，导致污水没有达到相关标准就排出，从而对我国生态环境造成了较为恶劣的影响。电气自动化控制系统的建设能够提升地埋式污水厂污水处理效果，但是由于系统设计缺乏科学性，从而导致污水处理实际效果难以提升，所以需要加强对电气自动化控制系统的优化设计，以此提高电气自动化控制运行效果。

2.4 电气自动化控制技术水平较低

电气自动化控制污水处理系统是一项对技术要求较高的模式，但是因为相关人才储备不足，导致电气自动化控制在污水处理系统中的应用效果不够明显，技术水平较低，部分地埋式污水处理厂在应用电气自动化控制系统后反而起到了相反的效果，污水处理综合效果反而出现了下降的问题，亟须提高电气自动化控制技术水平。电气自动化控制对于技术水平要求较高，需要稳定、完善的电气自动化系统，才能够发挥出自动化运行控制的作用，但是当前许多地埋式污水厂在自动化控制技术方面还存在着问题，无法有效满足地埋式污水厂建设需求，所以需要加强对电气自动化控制系统的设计。

3 地埋式污水厂电气自动化控制系统设计方案及优化措施

通过上文的分析可以看出，在城镇地埋式污水厂建设中，电气自动化控制系统具有重要的意义，是保障污水厂运行效率以及处理效果的基础。因此，结合相关实践经验，总结出如下电气自动化控制系统设计要点。

3.1 PLC自动化控制系统设计

电气自动化控制系统结构设计，需要在按照分散控制、集中化管理以及数据资源共享等基本原则基础上开展，控制系统主要包括现场设备控制站PLC、网络传输软件以及中央监控系统等工程，每个模块都具有不同的特点。中央监控系统与现场设备控制站通过以太网实现数据传输；地埋式污水处理厂通信采用光纤冗余以太环网，利用各个控制站性能强大的PLC实现自动化控制目标，能够提升数据信息传输效率。在设计过程中，设计人员需要通过数据库管理系统实现地埋式污水厂的信息资源集中化管理，从而构成具有综合性特征的自动化办公系统，外加监控系统则能够对地埋式污水处理厂的全过程实现自动化控制。

3.2 仪表监测自动化系统设计

在地埋式污水厂建设过程中，仪表监测是电气自动化控制系统功能实现的重要环节，所以设计人员需要按照技术先进性、经济可靠性以及使用安全性等基本原则进行设计工作。从当前地埋式污水厂电气自动化控制系统的实际需求来看，应用最为普遍的是超声波液位监测仪表，通过液位开关明确液位实际变化，以液位控制反应作为水泵自动化控制的基础，格栅区域的液位监测主要采用超声波差测量仪表进行操作，基于格栅周围首位的实际变化情况对格栅运行进行调整。与此同时，针对地下管道内部的液体流量自动化监测，采用电磁流量计仪表，设计过程中需要充分考虑到出水流量、消毒剂使用量以及混凝剂等多项因素，在进出水区域设置pH、TN、TU、TP 以及COD 等自动化监测仪表。自动化监测仪表在地埋式污水厂建设中具有重要的作用，是电气自动化控制系统功能实现的基础，主要功能是获取各监测区域的实际流量情况，以此为基础为电气自动化控制系统运行提供数据，使其能够按照实际数据对运行状态进行调整。

3.3 变配电系统设计

地埋式污水厂的供电系统一般为一级负荷状态，也就是支持双电源供电，两路电源同时工作运行，且互相为对方备用作为保障，使得双方的使用需求标准都能够得到满足。在对变配电自动化控制系统进行设计时，需要考虑到应急供电的问题。因为地埋式污水处理厂的设备大多埋设在地下，如果出现火灾供电将会中断，对于工作人员生命安全会产生很大威胁，所以需要应急供电自动化设计工作，确保当发生意外情况时，应急供电系统能够保持正常运行，从而能够提升电气自动化控制系统可靠性，为工作人员提供更加完善的安全保障；在变配电电气自动化控制系统设计中，需要做好消防风机自动化、消防风阀自动化、事故截断阀自动化、应急照明自动化、疏散指示灯自动化以及防火卷帘门自动化设计等，保证意外情况发生时各项应急设备能够自动化启动，从而提升地埋式污水厂运行安全性。

3.4 污水池溶解氧监测自动化设计

污水中溶解氧的含量对于污水的处理质量管理而言具有重要的意义，因此可以通过电气自动化控制系统对污水池溶解氧浓度进行监测，从而能够更加快速准确地判断出当前污水处理现状。通过在污水池中加入监测设备，监测设备能够实时收集当前污水池中溶解氧的含量，并将含量信息传递给工作人员，使工作人员能够更加清晰、直观地了解当前污水池的处理能力，从而调整污水池处理方案，增加或降低溶解氧含量，能够使污水处理效果得到很大程度的提升。最为重要的是通过对溶解氧的自动化监测，系统能够根据监测数据对系统运行状态进行调整，从而使得系统运行状态能够满足当前地埋式污水厂的需求，以此能够提升污水处理工作效率，是溶解氧自动化监测与控制系统的重要作用。

3.5 污水温度控制自动化设计

在地埋式污水厂的处理工作中，污水温度控制是影响污水处理效果的重要因素之一。我国当前城市污水中污水来源较多，例如雨水、工业废水、生活废水等。以化工企业的工业废水为例，其中很有可能含有沸点较低的化学物质，如果污水温度过高，达到了这部分化学物质的沸点，则会导致这部分化学物质溶解在污水中，在污水温度发生变化时，有害物质则会通过挥发的方式进入空气中，从而对空气造成污染。因此，为了解决该问题，通过采用电气自动化控制的方式，对污水温度进行实时监测。例如在污水池中加入铂热电阻温度传感器。铂热电阻对于温度变化非常敏感，一般情况下可以精确到0.1 ℃，通过电气自动化控制温度监测系统，当温度超过所设定的阈值时就会自动发出报警信号，还可以通过电气自动化控制进行温度调节。通过对污水温度控制系统的自动化设计，利用传感器监测数据，对污水温度进行实时化、自动化调控，从而能够更好地满足污水处理工作目标，有利于全面提升污水处理工作效率。

3.6 污水酸碱度监测自动化设计

酸碱度是分析污水现状的重要指标，国家在对污水等级标准中规定，一级B 与一级A 标准的酸碱度值范围为6～9，如果超过或低于该范围，则说明污水处理效果不合格。将电气自动化控制加入到污水酸碱度监测中，通过采用电位法结合信号放大器，能够将当前污水的酸碱度值自动上传到该系统中，从而使工作人员更加准确地掌握当前污水的酸碱度数值，当数值过高时可以采用加入中和剂的方式降低或提高污水酸碱度数值，使其能够达到相应的污水排放标准。酸碱度作为污水处理过程中的基本评价标准，通过自动化控制系统对其调控，利用监测设备获取酸碱度数据，在过高或过低时自动对其进行调节，从而能够全面提升地埋式污水厂处理效果。

4 地埋式污水厂电气自动化控制系统设计应用实例

2020年H 市某地埋式污水厂在其自动化控制系统中加入了电气自动化控制技术，采用上述设计方案，通过电气自动化控制技术对污水的酸碱度、温度、溶解氧浓度、氨氮含量、磷含量以及固定悬浮物浓度等多种参数进行监测，并将原本一级B 排放标准提高到一级A 排放标准。将电气自动化控制在污水处理系统中应用一段时间后，工作人员对污水处理效果进行随机抽样检测，出水化学需氧量为36.8～48.5 mg/L，溶解氧量为3.1～7.2 mg/L，氨氮含量为1.2～5.2 mg/L，磷含量为0.04～0.5 mg/L，固体悬浮物浓度为4.5～9.5 mg/L，达到了国家规定的一级A 标准，取得了良好的应用效果。

5 结束语

本文全面阐述了地埋式污水厂及电气自动化控制的基本内涵，对当前地埋式污水厂建设存在的问题进行了分析，最后提出了电气自动化控制系统设计方案，并将系统进行应用检验，结果证明电气自动化控制系统具有良好的应用效果。希望能够对我国地埋式污水厂建设起到一定的借鉴和帮助作用。