重慶市某污水處理公司是三峽庫區(qū)首批啟動的19個水環(huán)境治理項目單位之一，負責重慶郊區(qū)廣闊區(qū)域的污水處理任務，處理后的水排入長江，直接保障三峽庫區(qū)的水質(zhì)安全。該公司于2011年建成投產(chǎn)，處理能力為旱季5×104 m3/d，雨季8×104 m3/d。污水處理廠進水中工業(yè)廢水占60%，生活污水占40%。廢水處理使用改良A2/O工藝[1]，預處理過程包括粗格柵處理、細格柵處理、曝氣沉砂池和輻流式初沉池等，后期使用紫外線消毒渠，污泥經(jīng)濃縮脫水后運至專業(yè)填埋場進行填埋，系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。
A2/O工藝設置厭氧、缺氧和好氧3種工作環(huán)境，多種類微生物包括聚磷菌、反硝化菌、硝化菌和異養(yǎng)菌等能夠有機配合，在脫氮除磷的同時去除有機物，并且絲狀菌不會大量繁殖生長，污泥不會大量膨脹[2]，但多種微生物共存在同一個活性污泥池中，對基質(zhì)、泥齡等條件必然產(chǎn)生競爭，對出水水質(zhì)造成影響[3]。為此對A2/O工藝進行改良，加強工藝流程的控制，對NH4+-N、PO43--P、DO等進行實時測定，并根據(jù)參數(shù)情況實時調(diào)整工藝的HRT、混合液回流比等，最后保證系統(tǒng)出水水質(zhì)滿足一定要求(見表1)。
圖1 污水處理工藝流程 
出于對A2/O工藝改良的需求，需要加強對BOD5、COD、總磷、氨氮等多參數(shù)的測量與監(jiān)控，大大增加了工作量和人力投入，因此在二期工程中逐步增加自動控制系統(tǒng)對各參數(shù)進行在線測控操作，根據(jù)水質(zhì)情況調(diào)整混合液回流比、HRT等，同時引入物聯(lián)網(wǎng)技術加強對工作場所的參數(shù)監(jiān)控，提高系統(tǒng)工作效率。
1 自動控制技術應用
1.1 自動控制結(jié)構
該污水處理廠需要保持24 h不間斷運行，且各類建筑物分布區(qū)域較廣，因此按照“集中管理、分散控制”的原則控制布局，使用微型計算機+可編程邏輯控制器[4]的松耦合控制結(jié)構，共分3層結(jié)構，其一級控制站進行集中管理，在廠控制中心設監(jiān)控中心，二級控制站為各區(qū)域的可編程邏輯控制器分站，第三級為工作現(xiàn)場控制設備，其結(jié)構如圖2所示。
圖2 自動控制結(jié)構
圖2中，自動控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)和光纖冗余環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)信息和控制信息，使用監(jiān)控中心、二級控制站和現(xiàn)場控制器等設備實現(xiàn)自動控制功能的分級分散。在監(jiān)控中心進行工藝管理和自動控制，實時監(jiān)控各設備工作狀態(tài)、工藝流程參數(shù)。下設2個二級控制站，分別位于鼓風機房和污泥脫水間內(nèi)，二級控制站1控制3個現(xiàn)場控制設備，分別為鼓風機房、生化池和變電所，二級控制站2分別監(jiān)控紫外線消毒間、1號脫水機和2號脫水機。這種松耦合控制結(jié)構可提高系統(tǒng)的可靠性，即使監(jiān)控中心出現(xiàn)故障，下級的分控站和現(xiàn)場控制設備也能獨立延續(xù)原狀態(tài)運行，降低了通信系統(tǒng)故障可能引起的失控風險。
1.2 自動控制策略
由于季節(jié)差異、流量變化、水質(zhì)特征等因素影響，處理流程的各種狀態(tài)參數(shù)實時變化，需要根據(jù)狀態(tài)和自動控制策略實時應對調(diào)整[5]，系統(tǒng)中可編程邏輯控制器使用西門子S7-300系列，主要硬件配置包括PS307電源模塊、CPU314中央處理器、SM321數(shù)字量輸入模塊、SM322數(shù)字量輸出模塊、SM311模塊量輸入模塊和SM332模擬量輸出模塊等。通過S7-300系列監(jiān)視系統(tǒng)各部分工作情況并酌情采取自動控制措施。各現(xiàn)場控制設備的自動控制策略如表2所示。
表2 為主要控制部位及其控制策略，在工程應用中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)也有監(jiān)控措施。如預處理系統(tǒng)中有2臺螺旋輸送壓榨機和3臺粗格柵，通過液位差值智能監(jiān)控粗格柵運行狀態(tài)，柵格初始狀態(tài)按設定的周期運轉(zhuǎn)，在粗柵格前后各安裝1個超聲液位差計，測定液位差后輸入到自動控制系統(tǒng)中，根據(jù)液位差是否大于閾值判定粗格柵是否存在堵塞，如大于閾值則判定堵塞，系統(tǒng)自動控制除污機增大運轉(zhuǎn)量，直至液位差小于閾值的80%后除污機恢復常態(tài)工作量。細格柵、沉砂池等部位也有相應的監(jiān)控部位執(zhí)行功能，通過智能監(jiān)控和自動控制策略減少人力操作，提高系統(tǒng)的工作效率和可靠性。
2 物聯(lián)網(wǎng)測試應用
為實現(xiàn)自動控制必須實時、準確地監(jiān)控各部位工作狀態(tài)，而物聯(lián)網(wǎng)技術可實現(xiàn)傳感器與網(wǎng)絡的多方互聯(lián)，是解決自動監(jiān)視問題的較優(yōu)策略。在自動控制系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng)[6]進行從下到上感知層、網(wǎng)絡層、應用層的架構，對應結(jié)構如圖3所示。
感知層使用傳感器進行專業(yè)監(jiān)測，要求具備數(shù)字化、高精度和實時性;網(wǎng)絡層使用工業(yè)以太網(wǎng)和光纖冗余環(huán)網(wǎng)將感知層的傳感器數(shù)據(jù)傳入到應用層，實現(xiàn)物理鏈路的互聯(lián)互通[6]，使用TCP/IP協(xié)議，保證數(shù)據(jù)交互的安全性和高速率;應用層對傳感器數(shù)據(jù)進行匯總分析、圖文展示，并配置相關的應用程序進行動態(tài)處理。
感知層狀態(tài)監(jiān)控是實現(xiàn)自動化控制的關鍵依據(jù)，其主要監(jiān)控數(shù)據(jù)如表3所示。
控制中心匯總各種傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)整理分析可得整個生產(chǎn)流程的關鍵數(shù)據(jù)如耗電量、進出口水量等，并算出出口水質(zhì)指標如BOD5、COD、NH3-N等。
3 效果分析
該污水處理廠進口的污水量雖然在重慶市污水處理廠所占比例相對較小，但由于地處郊區(qū)，服務區(qū)域較大，要接收3條溝渠的污水，監(jiān)控難度較大，同時污水直接排入長江，必須嚴格控制水質(zhì)，為此引進物聯(lián)網(wǎng)技術進行自動控制管理。系統(tǒng)實時測試各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)狀態(tài)并傳輸?shù)娇刂浦行模刂浦行慕?jīng)分析計算后確定各系統(tǒng)工作狀態(tài)，并使用可編程邏輯控制器自動控制各系統(tǒng)采取應對措施，減少了人工操作工作量，提高了操作的精確性和及時性。系統(tǒng)可提供圖形化示意圖，測試周期為60 min，可選擇SS、COD、BOD5、NH3-N、TP、水量、平均耗電量等參數(shù)，最多能顯示4種參數(shù)，當刷新的參數(shù)值連續(xù)超出閾值時表明系統(tǒng)故障，狀態(tài)框?qū)䴓耸井惓２⒏婢�，否則顯示狀態(tài)正常，移動光標將顯示參數(shù)測量時間和數(shù)值。
使用自動控制系統(tǒng)之后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性得到提升，數(shù)據(jù)采集測試頻率可穩(wěn)定維持在15 min/次(實際中一般設定為30 min測試1次，甚至更長時間)，出水達標率>90%，耗電量<0.35 kW·h/m3。具體參見http://m.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。
4 結(jié)論
可行性分析和試運行結(jié)果表明，使用融合物聯(lián)網(wǎng)技術的自動控制系統(tǒng)對污水處理廠進行智能化監(jiān)控，通過關鍵參數(shù)和關鍵部分的狀態(tài)參數(shù)測試明確各部位工作情況，并根據(jù)預定原則進行自動化、智能化處理是可行的，且在效率和效益上都得到一定提升，控制系統(tǒng)建設較為完善，具有較優(yōu)越的性能，借鑒國外的先進經(jīng)驗，可在重慶地區(qū)進一步推廣。但該系統(tǒng)復雜度較高，同時因污泥濃度計、pH計等感知層傳感器使用維護要求較高，接觸探頭需要定期維護清洗并標校，而且國內(nèi)技術基礎較為薄弱，一般使用進口器件，價格較為昂貴，一定程度上增加了污水處理系統(tǒng)的投資建設費用和維護成本，這是進一步推廣面臨的主要問題之一，但這種自動化智能控制策略是國內(nèi)外污水處理系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，在后續(xù)工作中將研究更為穩(wěn)定可靠、維護更為簡便、效費比更高的自動化控制系統(tǒng)，使自動化系統(tǒng)得到推廣普及。
