中小型污水处理厂自动控制系统及其节能降耗效能

水和能源是现代社会两大基础资源，污水处理是实现水资源循环利用的重要手段理是高能耗行业。其耗能主要包括电能、药耗和燃料等多个方面，其中电耗约占总能耗的60%-90%。

国内外污水处理厂的运行经验表明，影响能耗的因素为污水处理厂所处地区的自然环境和社会环境特征、污水处理厂的工艺、自动化程度、处理量、污染物去除量、所接纳的工业废水比例等，其中污水处理厂的自动化程度是主要因素之一笔者在归纳总结白山市污水处理厂自动控制系统方案、组成及其控制策略的基础上，评价了其节能降耗效果。 

白山市污水处理厂二级处理采用循环式活性污泥法(cyclic activated sludge technology，CAST)。CAST工艺在实践中已得到了大量的应用，是一种适用于各种规模的经济高效的污水处理方法。该工艺在一个或多个平行运行的反应容积可变的池子中完成生物降解过程和泥水分离过程。工艺流程如图1所示。

白山市污水处理厂对主要设备的控制全部由可编程控制器PLC(programmable logic controller)来完成，1台PLC就是1个控制站，可以发送指令到现场控制柜，现场控制柜再将指令传递给设备。同时PLC会收集各种现场数据，比如数字量的控制反馈信号以及模拟量的运行数据等。

白山市污水处理厂的自动控制采用分散控制系统，由检测执行级、设备控制级、。该系统利用计算机技术、自动控制技术、数字通信技术、显示技术、自动检测及分析技术，使其生产过程中的信息能够实时采集、集中管理、优化控制。同时，也使得控制危险分散，提高了系统可靠性。

按照工艺及控制对象的功能、设备量。结合本厂工艺流程和平面布置。构建了、设备控制级)。控制系统结构见图2。

3.1 粗格栅间

白山市污水处理厂设置2台粗格栅，1台螺旋输送压榨机。PLC按时间顺序或液位差智能化控制粗格栅运行。粗格栅与螺旋输送机联动，顺序为螺旋输送压榨机→粗格栅，栅渣将被螺旋输送机运走。

控制策略是通过超声波液位差来控制格栅机运行。超声波液位差计设置在粗格栅前、后两侧。其测定值将会输入到PLC内，PLC根据设定的数值来分析格栅是否堵塞若液位差△H增加并超过了设定值，说明格栅已经堵塞，则除污机启动连续除污模式，当△H减小到设定值以下，除污机操作恢复正常。液位差的设定值可由监控计算机设定并修改，这可避免除污机连续工作，减小耗电量。

3.2 提升泵站

污水、污泥提升泵的电耗可达系统总电耗的10%-20%，目前选泵通行的以最大流量作为依据。由于污水厂进水量随季节和作息时间的变化而变化，水泵全速运转时间很少，一般小于1O%，大部分时间都不在高效段运转，这浪费了巨大的能源。因此，在提升泵站设置3台潜水泵，其中1台为变频泵并连接1台超声波液位计。在自动控制模式运行过程中，PLC会根据集水池液位调节变频泵的转速以及水泵的启/停，记录水泵的运转时间。到达运转时间后，自动切换运行水泵，为防止水泵空转，设置上下限报警系统。此外，自动控制系统还可监测泵的运行过程，记录运行数据，备用泵会在出现故障报警后自动投入运行转，发挥最大效率。降低耗电量，PLC会在接收所有故障报警后，做出相应处理。

3.3 旋流沉砂池和细格栅

旋流沉砂池自带控制箱，实现全系统闭路自动运行。叶片随来水连续转动，定时完成气洗、气冲、气提动作并保持砂水分离机和主机连锁。提砂时。砂水分离机启动，提砂停止后，砂水分离机滞后停止。

细格栅问设细格栅2台、螺旋输送压榨机1台，控制策略与粗格栅相同在细格栅最后1次循环之后，螺旋输送压榨机继续运行30-60s。

3.4 鼓风机房

曝气设备是污水厂能耗的主要来源，约占总能耗的40%60%每一组反应池对应2台鼓风机CAST池内设置在线DO测定仪，可实时检测曝气池内DO浓度，并将其值反馈到PLC站，计算出供气量的增量或减量，进行供气量调节，以使DO稳定在所需范围内溶解氧调节按以下策略进行：

(1)当DO低于设定值时，先启动1台鼓风机，并逐渐加大频率。

(2)当变频器频率达到最大。且DO仍比设定值为保证水泵在工况下运小时，启动第2台鼓风机，此时第1台保持在工况下运行，第2台逐渐增大频率，直至DO达到设定值。相反，当DO超过设定值时，减小变频器频率：当频率减小至零，且DO仍超过设定值时，则关闭1台鼓风机，继续变频调节。此过程中若DO仍大于设定值，则再关闭1台鼓风机，继续变频调节。直至DO满足设定范围。另外，系统也会统计每台鼓风机的累计运行时间。对各鼓风机的累计运行时间进行比较，先启动累计运行时间短的鼓风机，同时也能保证先启动的鼓风机在满足条件后先关闭，均衡各鼓风机的运行时间，延长鼓风机的使用寿命。

只要在工艺设计的范围之内，尽管进水的水质水量不断变化，这套自控系统都可以将运行环境调整到最佳状态。从而有效地抵抗冲击，稳定出水水质，优化曝气系统的运行机制，降低能耗。同时。在厌氧池或者综合反应池沉淀阶段也可实时检测DO值。以及分析出反硝化作用的最佳时间段，从而为整个工艺流程的时序安排提供数据基础，甚至可直接控制整个流程的时序结构。

3.5 CAST生化池

CAST生化池一个系列共4座，在各池内设置超声波液位测定仪、pH/温度检测仪、溶解氧测定仪、悬浮物浓度测定仪和污泥界面测定仪超声波液位测定仪可以监视池内的水位，控制滗水器：溶解氧测定仪用于监控各池内溶解氧含量间段内按曝气一沉淀一滗水一闲置顺序工作。

CAST生化池采用连续进水、间歇曝气、周期排水的方式运行，以时间为控制变量完成自动控制过程。CAST池每个周期为6h，曝气3.0h，沉淀1h，滗水1.5h，闲置0.5hCAST生化池的曝气量调节系统和鼓风机房的压力控制系统相互关联，相互影响，最终使CAST生化池的生物处理过程处在最佳状态，实现CAST池曝气量的自动调节。当需氧量大时。曝气量变大。有利于污染物降解;当需氧量小时，曝气量变小，有利于微生物量的保持，同时避免大量电耗的浪费。

当CAST池内的液位达到超高报警水位时，超声液位计将液位输入至PLC站后，PLC站立即输出命令启动排水阀门。在远程自动控制下，回流污泥泵在曝气、沉淀、闲置阶段开启;在自动模式下，滗水开启之后，剩余污泥泵启动，15min后停止工作，排泥过程中可根据MLSS值调整排泥程序式下，整个循环过程中都可运行剩余污泥泵。

3.6 脱水机房

脱水机房内有带式浓缩脱水一体机2台、螺杆泵2台、现场控制箱2个、电动阀及附属装置。整套脱水系统可定时自动启停。也可人工启停现场控制箱负责1套加药系统和2套脱水机系统的自动控制。每套系统自成体系，但之间连锁。当运行过程中贮泥池液位低于设定液位或发生设备故障时，设备将停机，减少不必要的电耗。

3.7 加药控制

白山市污水处理厂加药系统实现了全自动控制，指令搅拌器及加药泵等设备工作及为PLC提供设备的运行状态信号。加药泵为2台(1用1备)变频计量泵。自动运行时，加药量可通过PLC对进水流量信号(总流量的1/2)分析，按照设定的投加比例(比值可调)来确定。加药量多少也可根据出水水质信号及时调节，自动控制加药泵及加药量，减少能耗，节约药量。

白山市污水处理厂于2012年7月建成并启动，已运行1a时间运行期间的出水水质及吨水耗电量见表1。

表1可以看出，采用自动控制系统对运行过程进行监测、控制，使污水处理系统的运行稳定性和出水水质达标率得以提高，同时耗电量也低于0.35kW·h/m³这一常规耗电量。因此，中小型污水处理厂设置自动控制系统并开发先进的控制策略，既可保证污水处理过程的安全可靠和生产的连续性，又可降低系统的能耗。

PLC控制系统的应用。从技术上和管理上实现了生产的自动化控制，为工艺运行的优化简化提供了技术支持，从而提高了污水处理系统的处理效率。以反应机理为原点实行过程控制，使得控制过程更灵活。更加适应污水处理系统的非线性、时变性和不确定性。在保证出水水质的同时，实现了节约能耗。