程丹丹 王亞曉 馮麗霞 邢國(guó)政 王夢(mèng)南

（1天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津 300191 2天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司 天津 300191）

基于“多模式A2/O”工藝污水處理廠(chǎng)控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

程丹丹1王亞曉2馮麗霞2邢國(guó)政1王夢(mèng)南1

（1天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津 300191 2天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司 天津 300191）

本文以某城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)為背景，設(shè)計(jì)了一套“多模式A2/O-微絮凝過(guò)濾”工藝污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)。該工藝能夠在去除有機(jī)物的同時(shí)，達(dá)到高效同步脫氮除磷。在實(shí)現(xiàn)氨氮減排的同時(shí)，也要節(jié)約能源消耗，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)一套準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、快速響應(yīng)、可靠性高、可維護(hù)性好的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排關(guān)鍵因素之一。

多模式A2/O工藝；自動(dòng)控制；快速響應(yīng)；節(jié)能減排

1 工藝流程簡(jiǎn)介

天津某工業(yè)園區(qū)污水處理廠(chǎng)的工程分期建設(shè)規(guī)模：近期(至2015年)1.5萬(wàn)m3/d；遠(yuǎn)期(至2020年)2.5萬(wàn)m3/d。通過(guò)技術(shù)方案、經(jīng)濟(jì)等方面比較后，確定污水處理廠(chǎng)的污水處理采用“多模式A2/O-微絮凝過(guò)濾”工藝，污泥處理采用“機(jī)械濃縮脫水”，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程框圖

污水由工業(yè)園區(qū)管網(wǎng)收集進(jìn)入污水處理廠(chǎng)后，經(jīng)粗格柵去除較大顆粒的懸浮物和漂浮物，由進(jìn)水潛污泵提升經(jīng)細(xì)格柵至旋流沉砂池，以進(jìn)一步去除污水中的懸浮物和無(wú)機(jī)性的砂粒，沉砂池的出水進(jìn)入A2/O生物反應(yīng)池和二沉池處理系統(tǒng)，二沉池出水經(jīng)絮凝過(guò)濾組合池后進(jìn)入紫外消毒渠進(jìn)行消毒，達(dá)標(biāo)后的出水可用于中水回用系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 多模式A2/O工藝調(diào)控方式節(jié)能設(shè)計(jì)

本水廠(chǎng)生化處理工藝采用多模式A2/O工藝，可根據(jù)水質(zhì)特性、進(jìn)水水量、環(huán)境條件的變化，靈活調(diào)整運(yùn)行模式，可按常規(guī)A2/O工藝、改良A2/O工藝、倒置A2/O工藝或其他處理運(yùn)行模式運(yùn)行，在提高處理效果的基礎(chǔ)上保證工藝的可靠性。本工程采用的多模式A2/O生物脫氮除磷處理工藝功能區(qū)布置見(jiàn)圖2。

圖2 多模式A2/O工藝功能區(qū)布置圖

多模式A2/O生物脫氮除磷處理工藝功能區(qū)同時(shí)設(shè)置2個(gè)進(jìn)水點(diǎn)位，一部分進(jìn)入?yún)捬醭兀徊糠诌M(jìn)入缺氧池的工藝可以從一定程度上彌補(bǔ)碳源的不足，避免由于投加碳源帶來(lái)的浪費(fèi)[1]。通過(guò)可調(diào)節(jié)堰門(mén)配水調(diào)控，合理調(diào)配分流比例；設(shè)置2點(diǎn)混合液回流，通過(guò)水泵臺(tái)數(shù)或變頻調(diào)控，合理調(diào)控混合液回流比；通過(guò)空氣支管閥門(mén)調(diào)控，合理調(diào)控供氣區(qū)域；通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)管閥門(mén)開(kāi)度實(shí)現(xiàn)供氣量的調(diào)節(jié)。通過(guò)以上方式最大程度的實(shí)現(xiàn)該處理工藝的高效性。

與常規(guī)A2O工藝相比，多模式A2O工藝在節(jié)能方面具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)置機(jī)動(dòng)調(diào)節(jié)區(qū)，可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)靈活調(diào)整流程，在滿(mǎn)足處理要求的前提下，降低好氧段能耗，提高缺氧段處理效果；

（2）由于污泥回流至缺氧段，缺氧段污泥濃度比好氧段高30～50%，反硝化速率明顯提高；

（3）根據(jù)不同季節(jié)情況下，不同進(jìn)水水質(zhì)，生物脫氮和生物除磷所需碳源的變化，調(diào)節(jié)分配至缺氧段和厭氧段的進(jìn)水比例，系統(tǒng)反硝化作用及除磷效果均能得到有效保證。防止碳源不足而造成處理效果差的情況出現(xiàn)。

2.2 多模式A2/O工藝曝氣環(huán)節(jié)節(jié)能設(shè)計(jì)

多模式A2/O工藝能夠在去除有機(jī)物的同時(shí)，達(dá)到高效同步脫氮除磷。而處理氨氮造成的電能消耗是污水處理廠(chǎng)很大的一塊運(yùn)行成本，一般來(lái)說(shuō)，曝氣過(guò)程用電量通常會(huì)占全廠(chǎng)電能消耗的50%或以上，既要減排也要節(jié)能是工藝控制所追求的目標(biāo)。

為了保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，污水處理廠(chǎng)一般采用保守“可靠”的運(yùn)行方式，也就是說(shuō)對(duì)處理工藝留有一定的“富余量”。這種為保證出水質(zhì)量的“富余量”造成生產(chǎn)能耗過(guò)高，浪費(fèi)極大。

A2/O反應(yīng)池中的DO濃度是判別供氣量是否合適的直接指標(biāo)，過(guò)高的DO濃度不僅增加曝氣能耗，而且通過(guò)內(nèi)循環(huán)回流將大量溶解氧帶入缺氧區(qū)，嚴(yán)重影響反硝化的效果。因此在曝氣池內(nèi)設(shè)置在線(xiàn)的DO濃度檢測(cè)儀，按DO的檢測(cè)值和設(shè)定值（曝氣區(qū)DO濃度控制在2mg/L左右）保持一致來(lái)調(diào)節(jié)供氣量，維持DO濃度的穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定和高效的處理效果。供氣量的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)、鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)管電動(dòng)蝶閥開(kāi)度及變頻器調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

在A(yíng)2/O反應(yīng)池中的缺氧和厭氧區(qū)內(nèi)，DO濃度比較低，直接測(cè)量比較困難。因此在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置ORP檢測(cè)儀，通過(guò)檢測(cè)氧化還原電位，能直接了解這兩個(gè)區(qū)內(nèi)環(huán)境體系氧化態(tài)和還原態(tài)物質(zhì)的數(shù)量比，間接表明該區(qū)域內(nèi)的厭氧狀態(tài)。此外，為保證反應(yīng)池的活性污泥維持在一個(gè)合理濃度范圍，保證生化反應(yīng)正常，并實(shí)現(xiàn)高效的脫氮除磷效果，在A(yíng)2/O反應(yīng)池中設(shè)置MLSS污泥濃度計(jì)。污泥濃度計(jì)用于測(cè)量反應(yīng)池內(nèi)污泥濃度；在污泥井設(shè)置超聲波液位計(jì)，檢測(cè)污泥液位變化；回流污泥管上設(shè)置電磁流量計(jì)，用于檢測(cè)回流污泥量。

回流污泥是從反應(yīng)池的污泥池回流至反應(yīng)池的厭氧區(qū)，通過(guò)回流污泥維持各段污泥濃度，使之進(jìn)行生化反應(yīng)?；亓魑勰嗔坎蛔?，導(dǎo)致反應(yīng)池內(nèi)活性污泥濃度不夠，影響各階段生化反應(yīng)速率?；亓魑勰嗟腗LSS濃度通?？刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，回流污泥量的控制可以采用定MLSS濃度控制的方法，通過(guò)控制回流污泥的量，使反應(yīng)池MLSS濃度維持在某一最優(yōu)MLSS濃度目標(biāo)值

剩余污泥的排放是通過(guò)污泥池的剩余污泥泵實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變剩余污泥排放量可以實(shí)現(xiàn)泥齡（SRT）控制，但是剩余污泥排放量屬于慢時(shí)速控制變量，隨著剩余污泥的排放，反應(yīng)池內(nèi)污泥種群的變化很慢。通過(guò)測(cè)定反應(yīng)池內(nèi)的MLSS濃度就可以確定維持指定污泥泥齡所需的剩余污泥排放量。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

污水分點(diǎn)進(jìn)水的多模式A2/O工藝控制和調(diào)節(jié)較常規(guī)A2/O工藝要復(fù)雜，對(duì)其工藝的控制主要是時(shí)間控制、溶解氧的閉環(huán)控制、進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)置及分流比例、混合液回流比控制、污泥回流比控制等。整個(gè)自控系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、PLC及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表組成。

3.1 PLC分控站設(shè)置

根據(jù)污水處理廠(chǎng)的總平面布置，設(shè)計(jì)擬在綜合樓內(nèi)設(shè)中央控制室。在廠(chǎng)區(qū)內(nèi)共設(shè)置4個(gè)PLC分控站：

PLC1分控站，負(fù)責(zé)粗格柵和進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、沉砂池、初沉池、初沉污水泵房等構(gòu)筑物內(nèi)的電氣設(shè)備的運(yùn)行、保護(hù)、控制和儀表信號(hào)的采集。

PLC2分控站，負(fù)責(zé)鼓風(fēng)機(jī)房、A2/O反應(yīng)池等構(gòu)筑物內(nèi)的電氣設(shè)備的運(yùn)行、保護(hù)、控制和儀表信號(hào)的采集；PLC2分控站站下位設(shè)置1個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，位于A(yíng)2/O反應(yīng)池上，負(fù)責(zé)A2/O反應(yīng)池等構(gòu)筑物內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行、保護(hù)、控制和儀表信號(hào)的采集。遠(yuǎn)程I/O站能和PLC現(xiàn)場(chǎng)站實(shí)時(shí)通信。它負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集，并能將PLC的控制信號(hào)傳送給相應(yīng)的設(shè)備。遠(yuǎn)程I/O站的設(shè)置能有效減少電纜敷設(shè)的長(zhǎng)度，節(jié)省投資。

PLC3分控站，負(fù)責(zé)除磷加藥間、紫外消毒渠、二沉池、絮凝反應(yīng)組合池及污泥回流泵房等構(gòu)筑物內(nèi)的電氣設(shè)備的運(yùn)行、保護(hù)、控制和儀表信號(hào)的采集。

PLC4分控站，負(fù)責(zé)污泥脫水機(jī)房、污泥儲(chǔ)池等構(gòu)筑物內(nèi)的電氣設(shè)備的運(yùn)行、保護(hù)、控制和儀表信號(hào)的采集。

所有的PLC分控站與MCC動(dòng)力配電站設(shè)在同一地點(diǎn)，可以大大節(jié)省控制柜與PLC電纜之間的連接電纜。

3.2 通訊網(wǎng)絡(luò)

該自控系統(tǒng)由二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：第一層是連接中央控制室與現(xiàn)場(chǎng)PLC站的通信網(wǎng)絡(luò)，該層網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。在出現(xiàn)故障時(shí)，在線(xiàn)增加或刪除任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都不會(huì)影響到其他設(shè)備的運(yùn)行和通訊。它除了具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力外，還具有與其它控制系統(tǒng)通訊功能和標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外通訊接口，以后可以任意擴(kuò)展。第二層是現(xiàn)場(chǎng)PLC和電氣設(shè)備、檢測(cè)儀表以及工藝設(shè)備配套的控制柜PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。

PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用的是線(xiàn)形結(jié)構(gòu)，總線(xiàn)的主站與從站之間采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信。用一根總干線(xiàn)從控制器連接到受控對(duì)象，總線(xiàn)電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備處，控制器PLC掃描所有I/O上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道，實(shí)現(xiàn)主-從方式和對(duì)等式通信。

結(jié)語(yǔ)

該污水處理廠(chǎng)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好、節(jié)約成本

由于采用遠(yuǎn)程I/O取代了一對(duì)一的I/O連接，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)，減少了由接線(xiàn)造成的不可靠因素。由于用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線(xiàn)上傳輸多個(gè)信號(hào)，同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源，這種控制系統(tǒng)大量減少了導(dǎo)線(xiàn)和鏈接附件，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線(xiàn)故障診斷、報(bào)警、記錄功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性，節(jié)約維護(hù)和檢修成本；采用遠(yuǎn)程I/O省去了大量的電纜及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了工程造價(jià)成本。

（2）準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、快速響應(yīng)，提高生產(chǎn)效率

該自控制系統(tǒng)融合了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，具有通信能力強(qiáng)、組網(wǎng)方便、維護(hù)方便、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，對(duì)污水處理站污染物減排和運(yùn)行管理有積極意義，具有較大的推廣價(jià)值。

[1]龐立．污水處理多模式A2/O工藝控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．上海：華東理工大學(xué)，2011.

[2]高明遠(yuǎn)．基于PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)[J].中國(guó)給水排水,2012,28(1):56-58.

程丹丹（1982－），女，天津人，工程師，環(huán)境工程碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)閺U水處理工程及治理技術(shù)研究工作。