村镇污水一体化处置设备自动控制与监控系统设计研究

2023-04-29 17:12陈瑞雪邱珊
环境科学与管理 2023年4期
关键词:自动控制

陈瑞雪 邱珊

摘要:村镇污水处理是现阶段加强农村环境整治的重要手段,构建村镇污水一体化处理设备能够有效解决村镇污水分散排放的问题,满足国家一级A排放标准。鉴于村镇管理技术水平有限,通过搭建物联网架构智能网关,利用工艺设备的现场控制及状态采集功能;选择PLC程序与三层结构、四级网络自动化系统匹配,可以控制数据的准确传输和存储,实现一体化设备中数据管理、处理、报警等管理,达到现场操作以及远程监控,替代现场非专业人员操作。研究结果表明,通过自动控制与监控系统设计的一体化处理设备,在运行过程中可以减少曝气量,节省运行成本,减少人为操作成本。

关键词:村镇污水;自动控制;一体化装置;PLC

中图分类号:X853 文献标志码:B

前言

中国农村人口多,目前有250万个自然村、6.7亿农村人口,生活污水排放量大,处理率很低,绝大部分生活污水未经处理直接排放,成为流域水污染的重要因素,对当地生态环境造成严重污染,并对当地居民的健康安全构成威胁。2022年生态环境部数据显示全国废水中COD(化学需氧量)排放量为2 564.8万吨,其中,农业源COD排放量为1593.2万吨。党中央、国务院高度重视农村生态环境保护工作,二十大也再次强调了“绿水青山就是金山银山”的理念,改善农村人居环境是全党全社会的共识和行动指南,因此,加强农村污水治理是现阶段迫在眉睫的问题之一。

农村污水具有分散排放、收集困难、水质水量波动大等问题,故而难以直接采用集中式处理模式。现阶段通常选择分散式处理模式,选择一体化装置完成污水处理工作,污水处理站数量极多。同时农村人员技术管理水平有限,无法完成复杂工艺设备操作,也很难像城市污水处理厂拥有多个运维人员保障24小时值守运行;通过采用物联网架构、智能网关和数据优化传输技术开发及“云”运维技术的实施替代现场非专业人员操作。极大的满足村镇污水处理的分散、缺人、缺技术、缺管理特点,为农村污水处理提供新思路。

1某村镇污水处理一体化装置工艺流程

根据村镇污水进水质条件及对出水水质要求,一体化装置选择以生化为主的处理工艺,具体工艺流程如下:

污水-粗格栅-细格栅-调节池-毛发聚集器-A2O+MBR池-紫外消毒-排放

农村污水因为收集方式相对粗犷、所以需要对污水进行粗处理,将水中的漂浮物通过粗细格栅分离,减少对于后续处理装置的磨损;同时农村水质水量波动大,为了保障后续污水稳定处理,需要进入调节池对水质水量均质;调节池出水进入毛发收集器,可以除去液体中固体颗粒,随后进入生化处理系统,工艺为A2/O(厌氧/缺氧/好氧)生物反应器加上膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor,MBR),是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。最终进入紫外消毒,该环节属于氧化杀菌环节。

为了考察一体化装置的运行效果,采用哈尔滨某污水处理厂实际进水,连续运行52天,检测COD、氨氮、总氮的出水水质,检测结果见图1。

从图1可知,一体化装置对生活污水有很好的处理效果。进水COD为300 mg/L-450 mg/L(平均值357.06 mg/L),一体化装置出水COD保持在50 mg/L(平均值32.31 mg/L)以下,去除率为91%。进水氨氮平均值为38.65 mg/L,出水氨氮平均值为1.73 mg/L以下,去除率为95.5%。进水TN范围为25 mg/L-45 mg/L(平均值35 mg/L)的情况下,出水TN都保持在15 mg/L(平均值12.13 mg/L)以下,去除率为65qo。稳定运行期间出水水质均达到国家一级A排放标准。

2控制系统结构

整个控制系统为三层结构、四级网络。

三层结构包括:过程设备层、现场控制层、监控管理层。四级网络包括:感知层,网络层,平台层和应用层。具体见图2。

2.1自控系统构架

自控系统主要实现设备的就地(设备)操作、现场操作以及远程监控;该系统的最低层是设备区,主要完成工艺设备的现场控制,由设置在各单体内的远程I/O、电动机启动器和部分工艺机组自带的控制器组成。第二层是控制区,主要完成对分控站控制范围内的设备进行现场集中控制,在一体化设备尾端的分控站可编程逻辑控制器(PLC)系统构成;第三层位于监控管理区,主要通过工控机完成对设备水处理过程的在线监测,并将信号传递到远程系统。

2.2自控系统功能分析

自控系统是一个基于工业以太网的分布式控制系统。

2.2.1监控管理区

系统监控区承担了数据管理、水处理系统数据采集、报警、趋势、数据记录及中文报表等功能。同时可以将数据远程传送,并可下达操作控制指令。

监控区主要完成以下功能:

控制操作:在中心控制室内能对全系统被控设备进行实时在线控制。

显示功能:用图形实时地显示各分控站被控设备的运行工况;动态显示水处理工艺流程图,并能在流程图上选择查看多级细部详图;动态显示各种模拟信号、数字信号、各类累加信号等的数值和范围清单。

数据管理:能建立生产数据库、操作信息库、故障信息库。

数据处理:利用实时数据和历史数据,计算主要生产指标,并进行成本分析。

报警功能:当某一测量值超出给定范围或可根据不同的需要发出不同等级的报警。如输人到报警表、屏幕显示报警信息、声光报警,并可依据报警信息显示相应的动态画面。

2.2.2现场控制层(分控站)

系统设备控制区主要承担了对工艺设备的现场控制及状态采集功能,位于一体化装置的尾端。在PLC程序设计时考虑到曝气泵(鼓风机)的启停直接关乎出水质量以及运行成本,因此。将曝气泵或者是鼓风机的启停程序写入到自动控制系统中,当出水水质数据达标时或进水负荷量较小时,可以适当的减少曝气泵的曝气量,或者停止曝气泵的运行,以节省运行成本。

2.2.3过程设备层

主要包含提升泵、格栅机、曝气泵(鼓风机)的自动控制。进水提升泵和格栅机的启停一般是根据进水池的液位来控制的。一般在格栅机的前后需要安装等电位液位计,通过液位计对进水池中的液位进行监测,并将数据实时反馈给控制系统,从而实现设备的启停。当然在水中杂质较多的情况下,也可以通过人工修改启停方案来达到自动启停的目的。通过这个设计,不仅可以过滤掉水中大部分的大块杂质以及垃圾,同时还能实现自动关停,节省电力资源,减少了人为现场开机关机,也节省了人力成本。提升泵一般采用的是一用一备或者是两用一备。这样可以保证其中一个提升泵损坏的情况下,其他泵也能辅助进水。

2.3控制网络购置

感知层位于网络的第1层。主要分为两部分功能,首先是图像采集。这种方式是通过摄像头采集信息,以图像的形式传输至终端系统中。其次是传感采集。这部分信息的采集主要以传感器探头的方式来完成,比如,废水处理系统运行过程中的氨氮、氧化还原点位、溶解氧等实时数据,采集以后将传输至传感采集系统终端。感知层主要包括各类传感器、浮球仪、PLC,实现现场数据的采集和分析。

物联网网络的第2层是网络层。这一层就像数据传输的通道,移动互联网、互联网等就是数据行走的通道。同时也是整个系统的中枢神经。包括智能网关、交换机、通信协议等。将系统中的各种设备和应用程序联系在一起,实现设备信息的交互。

平台层位于网络层之后,是物联网网络的第3层。这一层主要由两部分组成。第一部分是系统运行的软件和硬件设备,第二部分是控制终端,它包含电脑终端和移动终端。移动终端的发展实现了数据控制的便捷性,可以实现无地域限制的远程移动控制。

最后一层就是应用层。主要包含控制中心、政府监管中心、大数据平台。控制中心是对整个系统运行的综合控制,而政府监管监督中心主要实现的是监督功能,大数据平台是指对所有的数据进行收集以及进行自动分析。

物联网网络的使用,减少了人为劳动工作量,起到数据的准确传输和储存的作用。

3结语

针对城镇生活污水处理厂废水,设计了一体化装置,通过A2/O(厌氧/缺氧/好氧)生物反应器结合膜生物反应器的处理工艺,采用哈尔滨某污水处理厂实际进水,连续运行52天。结果显示,一体化装置对城镇生活污水有很好的处理效果,COD去除率为91%,氨氮去除率为95.5%,TN去除率为65%,稳定运行期间出水水质均达到国家一级A排放标准。同时,设计了匹配的PLC程序,控制废水处理系统运行中的过程参数和设备启停,采用4层控制的方式设计数据的传输过程,达到了对运行设备的实时监测,从而也能实现废水降解的自动化控制。通过现场数据采集与传输以及运行控制,可实现污水处理站的集约化运营管理和无人值守,达到提高运维效率、降低运行成本的目的。

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