厨余垃圾污水处理系统电气设计与应用*

封光磊，刘志一，袁 杰，宋明新，李 启

（昆明克林轻工机械有限责任公司，昆明 650106）

0 引言

随着我国城市化的高速发展和人民生活水平的提高，我国厨余垃圾产量逐年增加，对城镇环境卫生造成很大的危害。通过厨余垃圾微生物分解处理后实现了绝大部分垃圾的减量化、无害化和资源再利用，使得厨余垃圾变废为宝，不仅减轻了厨余垃圾带来的环境污染，还缓解了我国资源短缺日益紧张的局面。但厨余垃圾微生物分解后不可避免的会产生厨余垃圾污水，传统的污水处理方案为将污水直接排入城市污水管网，由污水处理工厂统一处理。厨余垃圾微生物分解处理后再配置厨余垃圾污水处理系统可将前序处理产生的污水进行进提前净化，对环境做进一步保护[1-3]。并且小型废水处理设备与厨余垃圾微生物处理设备共同布置使用，将净化水投入二次生产使用，在废水循环利用中发挥重要作用，也逐渐被企业所认可[4-7]。

传统厨余垃圾污水处理自动化程度低，需要大量的人工参与，难以达到对污水充分处理的目的[8-10]。并且传统设备控制中难以解决波动水位监测难题及污水泵送管路堵塞监控及净化抽取量化控制的难题，所以难以实现设备的系统集成控制。本文旨在设计一种厨余垃圾污水处理设备及其集成控制系统，使用数字量信号迟滞滤波技术和后工序连锁控制方式使得对设备各功能模块液位控制稳定可靠性大幅提升，并创新使用以流量及电机电流为依据的双回路污水浊度间接检测方式使得在机污水浊度检测的工程实施成为可能，从而减少人员对设备的干预，简化污水处理工艺，最终大幅提高了设备的稳定可靠性及自动化智能化程度。

1 设备结构及工艺控制原理

依据最终用户使用方式及环境的不同，集成式厨余垃圾污水处理系统可独立使用也可以配合厨余垃圾微生物处理机使用，这样就使得设备总体控制在设计时就具有功能及控制的独立性，必须配置独立的控制系统对各检测原件及动作部件进行控制。同时设备还需具有初步的智能化功能，对处理前后水质数据进行分析比较，进一步自动调整处理工艺配方，以达到处理水质最优化和提高设备使用的稳定可靠性的目的。

1.1 设备总体结构

污水处理设备总体上可分为两个部分，一部分为处理机本体，其中本体内部又分割为调节池、厌氧池、膜池、清水池、污泥池5个独立的容器池。用于存储依据处理工艺生成的过程产品；另一部分为外置污水贮存箱，用于缓冲存储需要处理的污水，此部分依据实际设备土建安装位置选择配置，若实际污水源与污水处理设备间落差高度达到500 mm及以上，则可省略此配置。具体设备结构如图1所示。

图1 厨余垃圾污水处理系统结构

1.2 设备总体电气控制原理

设备由SIEMENSS7-200 SMART PLC作为主控制器进行系统集成[11]。并配置使用SIEMENSSMART 1000IE触摸屏定制化开发HMI交互式控制界面作为人机对话接口[12]。针对不同存储池控制工艺配置数字量液位检测装置及模拟量液位变送器，用以检测存储箱内部液位；配置流量检测装置对设备管路内流量进行检测；对自吸泵、调节池泵采用变频器进行调节驱动。作为设备控制的核心部分，PLC通过MOUDBUS总线分别与各变频器进行连接，并通过特定交互地址进行控制指令的下达及监控数据的收集，使得PLC可监控到主要功能部件的实时运行状态，并使用专家经验控制法对各泵阀进行有效调节控制，最终保证污水处理质量达到要求，具体厨余垃圾污水处理系统电气控制结构如图2所示。

图2 厨余垃圾污水处理系统电气控制结构

2 设备系统集成控制设计

厨余垃圾污水处理设备的控制分为手动及自动两种模式，均是由PLC程序进行实现，其控制原理类似。PLC程序分别定义不同的功能模块，对各功能部件进行独立协调管控，最终由主程序进行系统集成，以做到控制的标准化、模块化。使用HMI取代传统按钮指示灯实现控制的全局化直观化，具体HMI控制界面如图3所示。

图3 HMI控制界面

2.1 贮存箱控制设计

贮存箱为独立配置功能部件，位于厨余垃圾污水处理设备本体外部，用于暂时存放外部进入设备待处理的污水，同时具有污水一次沉降过滤的作用。在控制设计时仍按照传统控制工艺配置浮球数字量检测元件监控液位，使用普通电机驱动抽水泵工作。

但区别于传统控制工艺，使用数字量信号迟滞滤波技术和后工序连锁控制方式，将贮存箱液位及后续调节池液位组合用于对污水提升泵进行控制。由于贮存箱随时可能有污水进入，而调节池因污水提升泵打入污水扰动或其他外部因素造成箱内液位晃动，使得数字量检测元件无法准确检测实际液位，若不进行信号迟滞滤波直接使用PLC输入信号作为启动条件则控制状态将会频繁变化，在PLC程序中使用延时导通继电器对输入的液位信号进行滤波，当信号状态保持接通3s则视为液位检测准确到位，解决液位检测面不稳定造成的误触发问题。具体PLC迟滞滤波程序如图4所示。

图4 PLC滤波程序

当且仅当贮存箱液位不低且调节池液位不高时启动并保持提升泵工作，至贮存箱液位低或调节池液位高时停止提升泵工作。当液位满足程序条件提升泵停止工作后，触发定时器在后续5 min内禁止提升泵再次启动，以实现防止电机频繁启动保护电机的目的。在HMI界面中设计污水提升泵工作限定时间接口，可以对触发启动后污水提升泵持续工作时间进行设定，当计时到位后同样停止电机工作，以防止外部检测元件因污损导致的检测失误，大幅提高了设备的鲁棒性，同时防止液位过低后继续泵送将一次沉淀物送入后续的调节池，为后续设备的无人值守化运行提供技术保障。具体控制原理流程如图5所示。

图5 贮存池污水提升泵控制流程

2.2 调节池控制设计

调节池作为厨余垃圾污水处理系统本体的第一个储存池起到了二次沉降过滤作用。污水在调节池内停留时间设定为6 h，当调节池液位满足条件时PLC程序进行倒计时操作，计时完成污水进行充分二次沉降后开启调节池泵将污水注入缺氧池。同样在HMI界面中设计了调节池泵工作限定时间接口，当计时结束或检测到调节池液位低信号后停止调节池泵动作。

厨余垃圾污水泵送流量监控是整个污水处理控制污水中的重点和难点，厨余污水中不可避免地会存在固体杂质和油脂类物质，在输送中若使用流量传感器进行直接检测则杂质会快速污染并堵塞传感器，不能有效检测出实际流量，所以直接检测方式不可行。在控制设计中使用变频器对调节池泵进行驱动，PLC通过控制总线实时监控电机电流，并用检测值与设定的临界值做比较，若出现管路堵塞则电机电流值会升高，此时发出相应提示信息，提示需要对设备进行保养；当电流值大于最大设定值时及时切断电机运行对泵进行保护，同时发出报警切断前序处理执行。

这样与前序联合控制确保了调节池为满状态，贮存池为空状态，达到最佳处理效果，同时使用PLC结合变频器的间接测量方式使得设备运行的稳定可靠性大幅提升。

2.3 缺氧池控制PLC

缺氧池是调节池的后工序，用于微生物对污水进行厌氧发酵，对污水内有机物进行深入分解。缺氧池内污水停留时间约为40 min～2 h，通过前序调节池泵送污水对水体进行置换。缺氧池液位高于出水口位置则直接流入膜池。

2.4 膜池控制设计

膜池处理作为污水处理的核心工序，由模拟量膜池液位变送器、曝气风机、膜池泵、膜池阀、自吸泵结合PLC控制单元及HMI交互式控制单元共同组成。

首先，液位变送器将检测到的0～20 kP压力值，对应的输出为4～20 mA电流模拟量信号，PLC程序通过模拟量输入模块及标准“Scale_I_to_R”功能块将此数值对应转换为5 530～27 648的实数，并存入设定的PLC内部V地址，再通过HMI的边缘计算功能将转换后的数值与0～100%对应，以在界面中进行实际液位状态显示。具体PLC模拟量转换程序如图6所示。

图6 模拟量输入转换PLC程序

其次，在HIM交互控制界面3种专家控制配方，用于通过污水浊度选择处理方法，控制界面还开放了配方外的自主设定调节功能，设定曝气风机运行液位上下限、自吸泵运行液位上下限、自吸泵循环工作及间隔时间、膜池泵工作时间。设定完成后HMI将设定数值通过交互接口传输给PLC内部V地址变量，用于后续控制。具体HMI参数配置界面如图7所示。

当膜池液位达到曝气风机开启设定值时风机开始按设定循环周期运行，若此时调节池液位为高状态，则膜池泵开始按设定时间运行，同时膜池阀切换至内循环模式与缺氧池进行水体交换，此时通过人工添加处理剂，使得污水与处理剂充分融合处理。当膜池液位达自吸泵开启设定值时自吸泵开始运行，自吸泵进水口通过多个毛细管路连接至膜池内部的对应薄膜过滤板，出水口则接入清水池。

自吸泵工作时PLC通过安装于各毛细管路中的流量检测装置对各毛细管路进行流量实时检测，并汇总得到总处理流量。PLC实时将总处理流量与使用清水为试验液体得出的抽取流量进行比较。随着过滤抽取清水总量的逐步增加，膜池内污水的污浊浓度也会随之提升，进一步抽取的流量会减少，同时伴随着电机电流会增加。

当总抽取流量为清水抽取流量的90%～100%时，PLC不对自吸泵变频器进行调节，维持额定频率；当总抽取流量为清水抽取流量的80%～90%时，PLC程序控制按每秒1%的提升量提高10%的变频器控制频率；当总抽取流量为清水抽取流量的70%～80%时，PLC程序控制提高20%的变频器控制频率，同时对低于70%抽取量的毛细管路在HMI界面上发出预警；进一步的当抽取流量为清水抽取流量的60%以下，或实时监控的电流值为额定电流的120%以上则PLC程序判定为抽取完成。以流量及电机电流为依据间接检测污水浊度的双回路检测方式使得在机污水浊度检测的工程实施成为可能，成功简化了污水处理工艺。

经过多次处理使用后膜池内污水浊度会远高于正常状态，此时自吸泵再次抽取式总抽出流量会大幅低于参照值且电机电流居高不下，此时PLC程序控制切换膜池阀将膜池泵管路与污泥池导通，此时膜池泵将残存于膜池内的高浓度污水泵送至污泥池，当液位变送器检测到膜池液位低于5%时完成膜池清除工作。

2.5 污泥池控制设计

污泥池为本污水处理系统的最后工序，为存储最终过滤完成后剩余的污泥，工序电气控制配置污泥泵，并由人工参与进行电机启停控制，完成简单的排污操作。若配置厨余垃圾微生物处理设备时，可将最终的污泥再次作为原料进行二次分解。

3 结束语

厨余垃圾污水处理系统使用实时电流监控技术、双回路间接控制技术、数据输入迟滞滤波等先进控制技术对各功能部件进行系统协调控制解决了传统厨余垃圾污水处理设备的控制难题，辅助以HMI界面监控及操作完成设备控制，大幅提升了设备的自动化、智能化程度，是PLC、HMI、变频驱动器三位一体交互控制技术。

本处理系统已在本公司KSJ、KSY系列有机垃圾生物式处理设备的污水后处理上成功使用。后续还将配置净化剂自动投放控制功能，完全取代人工操作实现无人值守，并形成产业化推广。