摘要：详细阐述了城市污水处理工艺过程，同时结合具体工程实践研究设计了一套基于PLC控制的污水处理厂控制系统，提出了控制系统总体方案以及详细的软硬件实现过程。
关键词：污水处理；可编程控制器；SBR工艺
引言：随着人类社会的发展，人们物质生活的提高以及城市规模的不断扩大，城市的用水量和排水量都在不断增加，加剧了用水的紧张和水质的污染。目前，国内很多大城市已建有污水处理系统，但是大多自动化水平不高，多数污水处理系统都由操作人员手动控制，污水处理的指标很不稳定，但随着人们对污水处理要求的逐渐提高，污水处理的工艺过程也日趋复杂，而其控制过程的自动化既影响着工艺流程实现的便捷性和高效性，也严重影响着处理工艺的效果。
1、污水处理厂工艺选择及工艺流程
1.1 污水处理厂工艺选择
活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法，是一种较低成本的废水初级处理方法．活性污泥法有许多种形式，使用广泛的主要有以下三种类型：①传统活性污泥法及其改进型A/0、A2/0、AB工艺：②氧化沟工艺：③SBR（SequencingBatchReactor）工艺。传统活性污泥及其改进型A/0、A2/0、AB工艺，处理单元多，操作管理复杂，尤其是污泥厌氧消化工艺，对管理水平要求较高。而氧化沟法同流污泥溶解氧较高，对除磷有一定的影响，综合考虑，中城市污水处理厂选用SBR法最经济实用。
SBR法集进水、曝气、沉淀、出水在一座池子中完成，常由四个或三个池子构成一组，轮流运转，一池一池地间歇运行，故称序批式活性污泥法。污水在反应池中通过曝气与停气间断的反应，从而实现好氧与厌氧交替的进行，最终实现脱氮除磷的作用。
这种一体化工艺的特点是：工艺简单，由于只有一个反应池，不需二沉池、回流污泥及设备，一般情况下不设调节池，多数情况下可省去初沉池，故节省占地和投资，耐冲击负荷且运行方式灵活，适用于中小规模的城市污水处理厂，选用SBR法完全符合污水水质状况、出水要求、以及污水处理厂的设计原则。
因城市污水管道支管有工业废水流入，故进入集水池后由PH在线监测并自动调整PH值在（6-8）范围内，以确保污水进入生化处理系统PH值稳定，最终选择SBR法处理+PH值处理工艺，即在SBR池前设立一集水池，既起到集水调节的作用，又起水解酸化池的作用。
1.2 污水处理工艺流程
本文介绍的污水处理采用SBR法和PH值调节污水处理工艺，是按“进水、中和反应、曝气、沉淀、排水”步骤周期性进行生化反应，从污水流入到排水结束算做一个周期，工艺流程如图1所示。基本操作运行程序如下：
进水：进水阀门打开，污水通过粗格栅过滤，经过水泵，然后细格栅过滤到达集水池。
中和反应：当集水池满后，停止进水，在集水池里进行酸碱中和反应，反应完后，打开SBR池进水阀门进水。
反应：进水到一定液位后，停止进水，空气阀门打开，鼓风机启动，开始曝气，同时潜水搅拌器和回流污泥泵运行。
沉淀：当SBR池停止曝气，空气阀门关闭，潜水搅拌器和回流污泥泵停止运行，开始重力沉淀和泥水分离。
排水：SBR池水位达到最高水位，并经过沉淀工艺以后，上清液（上面的清液）由滗水器缓慢排出池外，当水位达到处理周期开始时的最低水位时，停止滗水，剩余污泥泵在滗水器停止运行后开始运行，排泥至储泥池。
由于有一定的工业废水流入，而SBR法最适合的反应环境必须在中性条件下，因而要求根据pH值的变化适时地加入酸或碱。这种情况下若采用普通的负反馈控制，显然无法满足控制的要求。
pH调节池点是把pH调节池假想成全混流，但由于流体不可能混合那么均匀，总有些微小流团冲击pH电极，造成酸度计输出的pH值来回摆动，致使碱阀在短时间内频繁开启，特别是工业应用时，PLC直接控制酸碱泵，会给泵造成很大损坏。这套系统的设计存在基留时间不同及流动非均匀性的限制，为解决这一问题，提出2个pH值限的PLC自动控制方案。对于废水pH值的PLC自动控制系统，是使用两个pH值限的控制系统。两个pH值限是指pH值上限和pH值下限。当调节池中废水的pH值大于上限时打开酸阀，低于上限时关闭酸阀；当调节池中废水的pH值低于下限时打开碱阀，高于下限时关闭碱阀，这样便使设备控制在一定的范围内，不致于因频繁开关而使设备损坏。
本系统的SBR法由4个池子组成，由时间控制其反应，4个池的反应时序图如图2所示。
图2 系统进程时序图
2、PLC污水处理控制系统构成
2.1 系统的硬件配置
整个系统由现场信号输入、PLC、驱动及执行机构等设备组成，PLC为整个系统的控制核心，PLC污水处理控制系统框图如图3所示。
图3 PLC污水处理控制系统框图
根据上述对污水处理控制工艺流程的描述，可知PLC控制系统的基本单元输入包括：系统启动、集水池高低液，4个SBR池的高低液位及循环工作按钮共计12个输入信号．系统输出包括粗格栅，细格栅，皮带动输机，水泵，搅拌机，酸阀，碱阀，4个SBR池的进水阀、同流污泥泵、鼓风机、滗水器、剩余污泥泵，共计32个输出信号。
根据系统的I/O点数，并考虑富裕量及今后系统的扩展升级和工艺控制等问题，本系统设计选朋三菱公司的FX2N-64MR型PLC作为主机，同时配备FX2N．4AD特殊功能模块作为模拟量控制的输入接口，其中，FX2N-4AD模拟量输入模块接到FX2N-64MR基本单元的最近位置，模块编号为0，CH1、CH2通道分别与PH传感器、融解氧量相连，接收来自2个传感器4~20mA的模拟电流输出信号，CH3、CH4关闭．模拟输入信号通过双绞屏蔽电缆来接收，当使用电流输入时，需将V+和V-端短接。
2.2 系统的软件设计
该系统设计的总流程图如4所示，各环节程序设计原理如下：
（1）格栅及皮带运输机子程序
格栅是用来去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行的设备。格栅过滤出来的悬浮物用皮带运输机带走，粗格栅除污机由时间间隔来控制其开或者停，一般开10min，停1h．1#皮带运输机在粗格栅运行5s后开机．
图4 控制系统总流程图
（2）集水池
集水池主要进行中和反应及作调：宵池使用，在集水池旁边设有两个药池，是用来中和水中过多的酸或碱的，分别由酸阀和碱阀控制其加入集水池参与反应，中和用的酸和碱分别为0.5mol/L的硫酸溶液和1mol/L的氢氧化钠溶液。当集水池水位上升到高液位，水泵关闭，根椐PH仪传感器在线检测的值进行中和反应，若PH仪检测的值<6，打开碱阀直到反应至6<PH值<8；若PH仪检测的值>8，打开酸阀直到反应至6<PH值<8．
集水池中和反应完成后，4个SBR池内进水阀门依次开启，当1#池水位升到高液位后关阀门，然后开2#进水阀门，2#池水位升到高液位后关阀门，然后开3#进水阀门，依此类推．
（3）SBR池
生化处理的基本要素：营养物、活性微生物、溶解氧，所以要使生化处理正常运行，供氧是重要闪素。SBR池是一个生物反映器，共设4个池子，在SBR池主要是鼓风曝气，一般说，溶解氧浓度以不低于2mg/L为宜（一般是人于2mg/L，小于4mg/L）．
进水阀门关闭后，空气阀门同时开启，用融氧仪在线检测水中的氧浓度，当水中氧浓度<2mg/L时，开启两台鼓风机，当水中氧浓度大于2mg/L，小于4mg/L时，开一台鼓风机，并在合适的氧浓度下曝气3h，曝气完后关闭鼓风机及空气阀门，进入厌氧状态。
（4）滗水器及剩余污泥泵
空气阀门关闭后，静置1h后，滗水器开始运行，当SBR池液位达到低液位后停止运行，污泥泵在滗水器停止运行后启动，排泥至储泥池，排污1h停止运行。
3、结语
我国持续、决速的经济增长和人民生活质量的提高对环境保护提出更高的要求。污水处理作为环保产业的重要内容，在我国已经大力展开，无论在理论上还是在实践上都取得了很大进展。污水处理过程的分析、优化与控制对从事控制理论研究的研究者而言，是一个新的应用领域，面临诸如多输人多输出、外部干扰因素众多、不确定性强、大滞后、非线性等问题，有待深入研究。
参考文献：
[1]基于单片机的液位控制系统设计[J].吴和杰. 职业.2010（30）
[2]非线性PID控制在液位控制系统中的应用[J].张明. 工业控制计算机.2008（02）
[3]智能液位控制系统的设计与实现[J].孙梅梅，卢洪武，刘伟. 电子测试.2007（11）
[4]单水箱液位控制系统的模糊推理建模及仿真[J].王志新，谷云东，李洪兴. 模糊系统与数学.2007（02）
[5]模糊PID液位控制系统的设计与实现[J].李兵，方敏，汪洪波. 合肥工业大学学报（自然科学版）.2006（11）
论文作者:邓永超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/24
标签：污水处理论文; 污泥论文; 控制系统论文; 阀门论文; 工艺论文; 格栅论文; 液位论文; 《基层建设》2019年第9期论文;