基于物联网技术的污水处理站远程智能控制系统设计

张长强

（广东省广业装备制造集团有限公司，广州 510700）

0 引言

随着国家在环境保护方面意识的加强，以及国家在农村污水处理方面的大力投入，国内的农村污水处理技术也在不断发展，在农村污水处理过程中，不同地区项目的特点也不同，大多偏远地区，如果人工进行日常的操作和维护，会给运营带来较大的成本支出。本文在设计完善污水处理相关工艺的前提下，综合传统底层逻辑控制，引入物联网终端、云平台、智能算法等相关技术，设计一种无人值守、运行可靠的控制系统，来解决实际运行中的无人值守不可靠，远程操作无法实现的问题。李千振[1]提出利用先进仪表实现污水处理控制系统的精准控制设计。左旭岩[2]的研究表明我国污水处理控制技术相对国外比较落后。邓新莉等[3]则提出污水处理过程控制具有高度非线性、时变性，不确定性和时滞等特点。Souza T M 等[4]根据实际径流资料，建立了水流滞时之间的线性模型。陆轶[5]提出我国污水处理技术起步较晚，能耗大、成本高等问题仍未能得到彻底解决。

本文以中山流域治理农污处理项目为基础，提出在A2O+MBR 膜的污水处理工艺下，基于物联网终端的数据传输、智能算法控制技术的远程污水控制处理工艺和设备设计是解决偏远地区污水处理站运营的一种方法，以减少运营成本，提升污水处理站可靠运行，实现远程无人抄表、设备自我应急处置、污水处理达标排放等，具有广泛的工程意义。

1 总设计组成

农村污水处理设施，大部分主要分布在比较偏远的地区，设施建设投产后，长期无人看管，水量不稳定，设计时必须考虑雨季造成的影响。农村污水智能控制系统的工艺流程设计是实现出水标达的控制系统设计。张文艺等[6]建立了活性污泥工艺下的神经网络模型。马溪平等[7]阐明了厌氧工艺在污水处理中的应用效果。张品[8]在纯水制备过程中使用了膜工艺技术。本文基于中山流域农村污水项目，对工艺和控制进行设计，其中处理流程采用相对简单的工艺，处理规模为60～200 t/d，部分重点区域靠近水源地的农污处理设备应能使水质达到一级A 标准。农村污水处理设备主要包括提升部分、调节部分、生化部分、污泥分离部分，针对水质要求较高的增加MBR 膜处理工艺技术，最终经过消毒后就近达标排放河涌。农村污水水量不稳定，也给生化系统的稳定运行带来不必要的冲击，尤其是雨季时，部分雨水会随管道等进入到系统中，降低了进水COD 的浓度，为维持生活系统也需要碳源的补充，给控制系统设计增加了难度。中山流域农村污水的主要控制工艺流程如图1所示。

图1 农村污水处理控制工艺流程

农村污水处理设备包括一体化设备、进水提升泵站、调节池以及设备间。其中，进水泵站一般由玻璃钢罐体、钢格栅、提升泵及液位计等组成；调节池主要设备包括玻璃钢罐体、推流器、提升泵、液位计等；一体化设备主要包括箱体、曝气管、生物填料等；污泥分离器包括砂滤、MBR 膜等；设备间主要包括加药泵、鼓风机、反洗泵等，以及消毒系统设备。提升泵站与调节池之间设计了流量计，通过对提升泵进行变频控制，实现流量恒定调节，在调节池设置有液位计来控制进水液位，厌氧池和好氧池设置了溶解氧和ORP 等仪表，为自动控制系统控制回流和曝气提供数据判断条件。电气控制系统采用PLC 为主要逻辑控制单位，产水端通过ABB 变频器控制产水泵，实现恒流量和压力产水。PLC 采集和控制数据后，通过物联网终端模块实时将底层模拟量数据和设备控制情况传输到云平台，本文设计了远程控制中心，在对历史数据进行分析后，将智能算法计算所得数据转换为指令，从而实现对PLC的总体控制。

一体化泵站进水口设计有粉碎格栅，目的是拦截污水中的固体废物，去除污水中一些大的悬浮固体。设备设计配置包括罐体、格栅、提升泵、液位计、流量计，一体化泵站的提升泵把污水提到调节池，水经格栅处理后进入调节池进行水量、水质的调节均化，保证后续生化处理系统水量和水质的均衡、稳定；然后，利用调节池内提升泵将污水提入厌氧池，此过程主要控制溶解氧的浓度，使得污水处于厌氧状态，在厌氧菌的作用下使有机物水解、酸化，去除废水中的有机物，并提高污水的可生化性。污水进入厌氧区，同步进入的还有从沉淀池排出的含磷回流污泥，本反应器的主要功能是释放磷，同时部分有机物进行氨化；污水从厌氧池自流到缺氧池，在脱氮工艺中，其作用是反硝化去除硝态氮，硝态氮是通过内循环由好氧反应器送来的，循环的混合液量较大，一般为2.2Q（Q为原污水流量）。通过PLC 实时采集ORP仪表数据，在线分析当前污水状态，混合液进入好氧池，这一反应器单元是多功能的，去除BOD、硝化和吸收磷等反应都在该反应器内进行。混合液中含有NO3-N，污泥中含有过剩的磷，而污水中的BOD 则得到去除。最后，混合液进入二沉池，进行泥水分离，上清液作为处理水排入砂滤池，经紫外线消毒后达标排放。沉淀污泥的一部分回流厌氧池，另一部分作为剩余污泥排放。

农村污水的水质组成主要包括含部分油污和磷的生活污水、少量养殖污水以及部分作坊冲洗水，水质成分数据不稳定，COD 大部分在50～250，雨季时受降雨等因素影响，水质COD 较低，对系统进行雨季和旱季2 种运行控制方式进行设计，保证系统正常运行。农村污水经过控制后流经池体，首先控制提升泵将曝气池注满废水，然后投入其他生活污水处理厂的正常污泥，采用间断控制的方式进行曝气，满负荷培养。通过设计基于PLC 模拟量的溶解氧仪表、污泥浓度仪表反馈，当曝气池内混合液的30 min 沉降比达到15%～20%时，污泥具有良好的凝聚沉淀性能，污泥内含有大量的菌胶团和纤毛虫原生动物等时，可使BOD 的去除率达到90%左右，达到活性污泥已培养驯化正常后自控系统正式投入试运行。

底层PLC 控制曝气风机过程设计满足好氧池需求，好氧池污泥沉降比设计为30～40，池内菌种主要以异养型细菌（补充菌种）为主，而反硝化主要是以自养型硝化菌（补充菌种）为主。BOD5 应在20 mg/L 内。若BOD5 浓度过高，会使异养菌迅速繁殖，抑制自养型硝化菌的生长。降低进水中BOD5 的浓度，挥发酚控制在15 mg/L 以内，氨氮控制在20 mg/L 以内。好氧池内溶解氧的浓度控制在4～6 mg/L。控制污泥在好氧池内的停留时间约为36 h。控制好氧池温度在22～30 ℃。

2 硬件设计

为解决远程维护和操作的问题，在设备硬件设计过程中使用物联网技设备、云平台设备等。物联网技术是实现远程或者边远地区无线控制的重要手段，如郑爽[9]提出了基于无线传输的状态监测；鲁东海等[10]在监控系统中引入了远程物联网技术进行设计。远程污水处理技术适合农村污水处理站的远程控制，该技术集无线物联网终端、云平台、现地控制单元、数据传输、边缘技术等相关技术为一体，包括底层逻辑控制层、云数据传输层、远程监控层设计等，应用于农污处理远程控制可实现便利的操作和维护。

物联网技术在农污污水处理远程控制的设计中主要的设备分为三层：物理层、数据传输层、平台操作层。其中，底层物理层控制设计主要有现地控制单位，包括PLC单元、触摸屏单元、现地启动回路控制箱，仪表包括超声波液位计、ORP、电磁流量计等；数据传输层包括物联网终端、无线路由等；远程平台操作层包括平台画面设计、物联终端配置等。物联网数据传输系统如图2 所示。

图2 物联网数据传输系统

农村污水处理站底层设备控制由PLC 实现，采集的设备参数包括电压、电流、功率，采集的模拟量数据包括OPR 数据、溶解氧、污泥浓度、流量、进水液位等，实时数据采集并通过物联网终端模块将数据上传至相应的云平台，数据上传后通过远程云平台将实时数据显示到控制系统，调度中心通过云平台数据传输将指令传输给物联网终端模块，物联网模块通过MODBUS TCP/IP 协议将指令写入到PLC 中，再由PLC 控制现场设备的启动和停止，以及系统的控制、清洗等。通过设计该系统，实现了对底层数据的采集和上传，远程控制不再需要到现场进行操作，也不需要以往的光纤等数据传输方式，对偏远地区农村污水处理的监管和控制都有良好的成本优势。

3 基于智能算法的控制系统设计

由于农村污水处理特点，需要对成本进行良好控制，尤其对农污长期运行，需要对不断累积的数据进行分析，并对系统进行成本优化，才更具有现代大数据分析的优势，从而实现最优的运行方式和加药预决策。Windsor[11]采用线性规划算法进行水量调度求解，可用智能算法有很多种，包括神经网络算法[12]、粒子群算、遗传算法等，根据各算法特点，结合污水处理站多站点、周期长等特点，选择遗传算法来对污水处理站进行优化分析计算。根据历史数据，对全过程加药数据和污水处理加药量等进行分析，基于农村污水处理多站点布置特点以及长期运行的数据分析，采用遗传算法对分析函数和决策函数进行优化，实现智能决策系统。

遗传算法是一种自然演变最优求解的一种算法，具有较好的收敛性能[13-14]。本文利用GA算法来求解污水处理加药函数最优解。

遗传算法是基于一种遗传基因传递的算法[15]。在基因群里相互传递过程中将上一代属性传递给下一代，同时能将坏因子有效去除等，划分后的区域降加药量可以视为第一代因子，进入多站的加药函数属性因子是第二代遗传因子，在加药调度过程中属性的遗传与变化是第三代因子。

遗传算法的群组定义：

式中：M为群体数量；F为函数评价；s为选择算子；c为交叉算子；m为变异算子；pc为交叉概率；pm为变异概率。

算法编码：

解码公式：

遗传算法通过不断的迭代和计算来寻求函数最优解，实现加药量、曝气量数据的准确预测，但该算法在计算区域多站污水处理整体加药量最优计算过程中，在追求最接近实际最优加药的同时，存在参数变量较多及计算时间长等问题，但它在区域农村污水处理过程中有着较好的计算性能。遗传算法是长期运行的加药预测函数最优解的一种解决方法，在最优求解过程中可以快速收敛，在未来城市污水处理总量优化方面有着良好的工程价值。

在农村污水模型的基础上，应用遗传算法进行优化，可解决流域各个污水站流量、水质和加药模型复杂多变的问题。本文以中山市农污项目为例，系统计算步骤如下。

（1）中山河涌流域各污水处理站的水质、流量、降雨、排污、节假日等因素不同，地下家庭住户排污情况也不同，在此基础上，本文归类模型参数的问题集。

（2）对影响模型计算的各参数进行编码，i=0，1，2，…，16。

（3）初始化中山流域农污处理模型问题参数集的遗传群体。

（4）对模型的各影响因子进行编码计算，并计算出各个问题参数在模型中的适应情况，结合历史记录数据分析各参数的适应度。

（5）若各参数在流量、水质分析、加药预测计算中有着较好的适应性，则输出结果；反之，则引入遗传变量因子，对相关编码因子进行交叉，重新进入计算，寻找适合中山农污处理和加药模型的参数变量，并再次结合历史数据，得出最优解。

4 应用效果分析

远程操作界面的设计结合了现阶段成熟的物联网技术，完成了远程数据和操作的可视化设计。采用物联网终端BL101 模块，终端模块采用以太网协议，设置参数后，实时读取CPU 数据，该模块再通过远程云平台组态指令设置，将污水处理站现地西门子1212C的CPU数据，包括水位、流量、水质参数等重要数据实时传输至云平台，远程操作界面采集数据后，显示如图3 所示的云平台组态界面。该界面可以实时查询到加药量累计曲线、累计排水流量等数据。云界面上包括水质参数5 项、累计排水流量曲线以及实时液位曲线、加药量曲线、ORP参数曲线等，可以远程实时分析当前设备的运行状态，分析后再操作水泵和风机，以调整溶解氧等，实现对水种细菌的精准培养和控制。

图3 云平台组态界面

采集远程数据后，所设计的存储数据的后台服务器在对数据进行分析和处理后，可通过智能算法分析历史曲线和预测曲线。在系统加药参数上，在进水COD 较低的条件下，生化菌群需要加投碳源以为维持一定的数量。通过该算法，可以有效预测周期范围内的加药量，大大减少了碳源的不确定定量难度，优化后在满足出水达标的情况下，实现了加药量减少12%，优化前后加药量对比分析曲线如图4 所示。在整个流域系统内减少的加药成本也是十分可观的，基于智能算法和物联网技术下的远程污水处理站，实现了设备智能跟踪、分析、综合控制，在人工方面、成本方面都得到了明显的优化。

图4 优化前后加药量对比分析曲线

5 结束语

对农村污水处理向一体化、智能化进行设计，同时解决了农村污水处理站无人值守问题，降低了运营成本等问题。物联网技术和现代智能算法提升了农村污水处理效率，实现了对水量运行时的良好分配和调度，工艺控制比以往更加精准，水质效果也更好，提升了设备可维护效果，为农村黑臭水体处理、环境保护提供了解决方法。结合污水处理工艺，应用现代智能设备，采用物联网技术和现代智能算法的综合污水处理站，是未来农村污水处理的发展方向，在区域污水处理运营和加药成本优化方面都有一定优势，在工程应用中有较好的价值。